Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные представления о структуре, свойствах и методах исследования микрогетерогенных систем на основе поверхностно-активных веществ 7
1.1. Самоорганизация липидов 7
1.2. Самоорганизация дифильных молекул ПАВ 10
1.3. Мицеллярные растворы 14
1.4. Микроэмульсии 18
1.5. Солюбилизация добавок мицеллярными растворами и микроэмульсиями 23
1.6. Методы исследования структуры высокоорганизованных сред на основе ПАВ 26
1.6.1. ЯМР - самодиффузия 27
1.6.2. Метод ЭПР спиновых зондов 30
1.6.3. Кондуктометр и я микроэмульсий 33
1.7. Микроэмульсии как среда для органических и биоорганических реакций 35
Глава 2. Методика измерений и объекты исследования 42
2.1. Объекты исследования 42
2.2. Измерение коэффициентов самодиффузии компонент микро-эмул ьси й 44
2.3. Исследование структуры микроэмульсий методом ЭПР спинового зонда 49
2.4. Кондуктометрия и потенциометрическое титрование 51
2.5. Кинетические измерения 52
Глава 3. Исследование структуры микроэмульсий 54
3.1. Метод ЯМР-самодиффузии и структурные характеристики микроэмульсий на основе ДСН и ЦПБ 54
3.2. Модифицирующее действие полиэтиленгликоля на структурные характеристики микроэмульсии на основе фосфатидилхолина 58
3.3. Структурные переходы в микроэмульсии на основе цетилтри-метиламмоний бромида в условиях инверсии фаз 63
3.4. Модифицирующее действие длинноцепных аминов на структуру микроэмульсионных сред 69
Глава 4. Особенности гидролиза сложноэфирных связей вблизи поверхности раздела фаз 81
4.1 Гидролиз сложноэфирных связей в микроэмульсии на основе фосфатидилхолина 81
4.2. Поверхностный потенциал и гидролиз сложноэфирных связей вблизи границы раздела фаз 83
4.3 Гидролитическая активность связанной воды в присутствии алифатических аминов 88
4.4. Щелочной гидролиз эфиров карбоновых кислот в условиях структурных перестроек межфазной поверхности 93
Основные результаты и выводы 98
Литература 101
- Солюбилизация добавок мицеллярными растворами и микроэмульсиями
- Микроэмульсии как среда для органических и биоорганических реакций
- Кондуктометрия и потенциометрическое титрование
- Модифицирующее действие полиэтиленгликоля на структурные характеристики микроэмульсии на основе фосфатидилхолина
Введение к работе
Актуальность работы. При рассмотрении функций биологических мембран традиционно выделяют две главные: барьер для ионов и молекул и структурная основа {матрица) для функционирования рецепторов и ферментов. Матричная функция также обеспечивает взаимное расположение и ориентацию биохимических реагентов. При этом в живой клетке постоянно происходят процессы химического превращения соединений и без участия ферментов, в которых немаловажное значение имеет поверхность биологических мембран. Вблизи мембранной поверхности концентрируются заряженные низкомолекулярные соединения; липидная мембрана может выступать в качестве резервуара для гидрофобных соединений; мембрана несет на своей поверхности электрические заряды, которые определяют свойства примембранной водной фазы и пр.
Для моделирования функциональных свойств мембран, наряду с бис-лойными структурами, успешно используются однослойные структуры на основе синтетических поверхностно-активных веществ (ПАВ). Так, системой, позволяющей максимально естественно моделировать природную иммобилизацию ферментов и их микроокружение, являются микроэмульсии.
Параллельно, на протяжении последних десятилетий постоянно возрастает интерес к использованию мицеллярных растворов и микроэмульсий в качестве среды для проведения различных химических процессов. Это обусловлено свойствами подобных систем солюбилизировать значительные количества веществ различной полярности (эффект концентрирования) и за счет большой межфазной поверхности обеспечивать эффективный реакционный контакт между соединениями несовместимыми в обычных условиях.
Свойства ПАВ позволяют осуществлять направленный дизайн самых разнообразных поверхностей раздела: с положительной и отрицательной кривизной, с изолированными микрообъемами водной и органической фазы или
5 создавать лабиринты двух изолированных фаз. Использование различных ПАВ
и модифицирующих добавок позволяет в широких пределах варьировать знак и величину поверхностного заряда. Структура и физико-химические свойства этих систем дают возможность моделировать условия химических реакций вблизи мембранных поверхностей в биологических системах; они способны отражать особенности строения биомембраны, отличаясь, при этом, химической стабильностью в процессе реакций, что позволяет получать однозначные и воспроизводимые результаты.
Для моделирования процессов химической трансформации соединений вблизи поверхности раздела фаз в настоящей работе выбраны реакции гидролиза сложноэфирных связей, которые играют важную роль в процессах расщепления белковых молекул, нуклеиновых кислот, а также низкомолекулярных соединений, задействованных в работе сигнальных систем (например, гидролиз АМФ и АТФ).
Цель и задачи исследовании. Целью работы является моделирование каталитического действия поверхности биомембран при гидролитическом расщеплении сложноэфирных связей с помощью микрогетерогенных систем на основе природных и синтетических ПАВ. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести подбор микрогетерогенных систем на основе природных и синтетических ПАВ, позволяющих варьировать морфологию поверхности раздела фаз, сохраняя, при этом, некоторые особенности строения биомембраны, структурную и химическую стабильность при проведении реакций.
Комплексом взаимодополняющих физико-химических методов исследовать различные типы структур, в том числе структурные переходы в условиях инверсии фаз в микроэмульсиях.
Исследовать влияние амфифильных реакционно-способных добавок (длинноцепных алкиламинов) на структурно-динамические характеристики исследуемых систем.
Изучить кинетику процесса гидролитического расщепления сложно-эфирных связей для ряда эфиров карбоновых кислот и кислот тетрако-ординированного фосфора, отличающихся гидрофильно-липофильным балансом и зоной локализации в системе.
Провести сопоставление данных структурных исследований с результатами кинетических измерений.
Солюбилизация добавок мицеллярными растворами и микроэмульсиями
Благодаря сильно развитой межфазной поверхности агрегаты из амфи-фильных молекул обладают свойством солюбилизировать молекулы различной природы. Термин солюбилизация был введен первооткрывателем мицелл Мак-Беном для обозначения особого способа перевода нерастворимого в данном растворителе вещества в раствор, использующий свойства мицеллярных агрегатов поглощать вещества различной полярности. Поглощаемое мицеллой вещество носит название солюбіїлизата, причем не имеет значения, адсорбируется ли оно на межфазной границе раздела или растворяется в ядре мицелл. В любом случае с точки зрения термодинамики и закона действия масс солюби-лизат становиться равноправным компонентом мицеллы [36]. В мицеллярных растворах и микроэмульсиях определяющим является то, что мицеллы составляют четко определенные области конечного объема, в которых локализован хотя бы один из реагентов. В то же время реагенты могут свободно или ограниченно растворяться и в дисперсионной среде, а реакция проходить вблизи или на границе раздела фаз (поверхности мицелл). Кроме того, иногда требуется модифицировать структуру и другие физико-химические характеристики мицеллярных агрегатов, что можно целенаправленно сделать введением дополнительных компонент в систему. Поэтому в дальнейшем все привнесенные в исходную систему соединения будут именоваться "добавками", независимо от механизма их растворения в системе. Локализация добавок/реагентов в мицеллярных системах определяется их структурой и полярностью. Добавки могут создавать локальную неоднородность в структуре мицеллярного агрегата. Как результат может нарушаться естественная кривизна границ раздела фаз, причем эти нарушения могут изменяться во времени в результате диффузии добавок. Мицеллярные агрегаты под действием добавок могут менять свои поверхностный потенциал [60-61], раз мер [19,62-65], форму [66-68] и процесс мицеллообразования и внутреннюю структуру мицелл [69-71],
Введение в микроэмульсию каких-либо добавок также меняет микроструктуру мицелл и влияет на их свойства. Локализация добавок происходит в соответствии с их гидрофильно-липофильными свойствами. Для микроэмульсий вода/масло небольшие молекулы, растворимые в неполярных средах, как правило, локализуются в объемной масляной фазе и не оказывают существенного влияния на структуру обращенных мицелл [72]. Водорастворимые молекулы встраиваются во внутреннее водное ядро обращенных мицелл. Если молекула добавляемого вещества сравнима по размерам с водным ядром мицеллы, то ее внесение может привести к небольшому уменьшению размера мицеллы [73]. Амфифильные молекулы встраиваются в поверхностный слой мицелл, изменяя его свойства. Полимерные молекулы как синтетического, так и природного происхождения, намного превышающие размеры мицелл, также могут со-любилизироваться в микроэмульсии вода/масло, образуя конгломераты из мицелл, нанизанных на полимерную цепочку подобно "ожерелью" [74], так, как показано на рис. 13. Используя простую геометрическую модель, можно предсказать изменения радиуса мицелл при внесении в них добавок. Предполагая, что мицелла имеет сферическую форму, записываем выражение для ее радиуса где R, V и S соответственно радиус, объем и поверхность сферы. Если добавка располагается в поверхностном слое, то площадь поверхности мицеллы увеличивается на величину dS. Если добавленное вещество проникает внутрь мицеллы, объем внутренней полости увеличивается на величину dV. Таким образом, радиус ядра мицеллы будет равен
Величина его будет изменяться в зависимости от значений dS и dV. Таким образом, при локализации добавки в поверхностном слое мицеллы будет происходить уменьшение радиуса водного пула, в то время как солюбилизация вещест ва внутри водного ядра мицеллы приведет к увеличению его радиуса и размера мицеллы в целом. Подтверждение данной модели было получено при исследовании влияния длинноцепочечных алкиламинов на структуру водных мицел-лярных растворов [76] и микроэмульсий масло/вода [77, 78].
Органические вещества, обладающие сходными характеристиками ГЛБ, но различающиеся по своему химическому строению, могут оказывать различное действие на мицеллярные системы. Так, исследование влияния некоторых ароматических соединений на структуру обращенных мицелл [79] показало, что соединения, имеющие в своем составе одну или несколько гидроксильных групп (салицилат натрия, пирогаллол, гидрохинон и т.д.) имеют различную ориентацию в гидрофобной оболочке мицеллы в зависимости от положения гидроксильных групп, стремящихся оказаться в водной фазе микроэмульсии. Различная ориентация добавок в поверхностном слое приводит к изменению процессов слипания мицелл и массопереноса между ними при столкновениях.
В ряде случаев (резорцин, гидрохинон) модификация структуры поверхности мицеллы делает обмен более выгодным, тогда как другие добавки (салицилат натрия, а- и Р-нафтол), располагаясь на поверхности мицеллы, затрудняют слипание и обмен мицелл своим содержимым. Влияние на обменные процессы между обращенными мицеллами ионо-генных ПАВ наблюдается также при внесении в мироэмульсии растворов солей или щелочей [80]. Образующиеся дополнительные противоионы в силу электростатического взаимодействия экранируют заряженные головные группы ПАВ. В результате увеличивается кривизна поверхности водного ядра, что затрудняет обменные процессы между каплями [81].
Микроэмульсии как среда для органических и биоорганических реакций
Высокая солюбилизирующая способность микроэмульсий и необычайно развитая поверхность раздела фаз, обеспечивающая эффективный контакт между реагентами с различной растворимостью в водной и органической средах, определяют успешное применение этих систем в качестве микрореакторов для проведения целого ряда химических процессов. Среди них можно назвать синтез неорганических наночастиц, для которых размер, дисперсия по размерам, морфология индивидуальных граней или кристаллов задается размером водного пула в обратных микроэмульсиях [124]. Это получение полимерных материалов, структура и эксплуатационные характеристики которых зависят от распределения и скорости диффузии мономеров в микроэмульсионной системе [125, 126]. Следует отметить окислительные процессы и процессы нуклеофиль-ного замещения в микроэмульсиях, имеющие своей целью как синтез новых органических соединений, так и связанные с проблемами расщепления и обезвреживания токсичных веществ [127-129]. Ярким примером могут служить работы, посвященные исследованию детоксикации иприта. Гидролиз и окисление этого соединения на практике мало реализуемы: из-за низкой растворимости иприта в течение нескольких месяцев он остается в неизменном виде под слоем воды даже в щелочных растворах, в которых обычно существенно ускоряются гидролитические процессы. Менджер и Эрлингтон для детоксикации иприта исследовали ряд микроэмульсий, обладающих высоким солюбилизирующим действием. Ими предложены микроэмульсионные систем, в которых окисление иприта протекает за 15 секунд, обсуждено влияние соотношения воды и масла, а также природы ПАВ на скорость процесса, отмечена определяющая роль со-ПАВ как переносчика реагентов из водной фазы в масляную, где локализован субстрат.
При обсуждении использования микроэмульсий в качестве реакционной среды следует особое внимание уделить проведению биоорганических синтезов в обращенных микроэмульсиях, так как большое число ферментов проявляет стабильность и высокую активность в этих системах, чутко реагируя на выбор ПАВ и растворителей [1, 3, 6, 130]. Кинетика ферментативных реакций в обращенных микроэмульсиях в большинстве случаев следует классическому уравнению Михаэлиса. При этом реакционная способность ферментов характеризуется величиной каталитической константы, kcat) которая определяется структурой микрокапель и их размером (или величиной молярного отношения во-да/ПАВ - Wo). Зависи мость kcat как функции Wo имеет, как правило, колоколо-образный вид. Положение оптимума реакции зависит как от природы ПАВ, так и от фермента (рис. 18).
Оптимум ферментативной активности обычно наблюдается в том случае, если размер "пустых" микрокапель соответствует размеру молекулы включенного в мицеллу белка. Поскольку в природе ферменты зачастую функционируют в связанном состоянии (в качестве периферических мембранных белков), то, по-видимому, рост активности при соответствии размеров внутренней полости микрокапель и белка следует объяснять "вязкотропной регуляцией" реакционной способности фермента его микроокружением (липидной матрицы) [132]. Изменение активности солюбилизованного фермента, по всей видимости, определяются в первую очередь аномальными свойствами водной среды внутри обращенной микрокапли. Основным источником аномалии является высокая плотность зарядов поверхностного слоя микрокапель, приводящая к изменению локальных свойств микроокружения фермента. В свою очередь, изменение свойств микроокружения влияет на прочность водородных связей в белке, которые играют важную роль в конформационной стабильности и в активности фермента. Интересным примером влияния структуры микроэмульсий на основе АОТ является исследование активности гидролитического фермента трипсина в условиях температурных изменений. Авторами показано, что наблюдаемый сдвиг оптимума активности трипсина не связан с температурными изменениями во вторичной структуре фермента в обращенной микроэмульсии, а вызван сменой микроокружения реагентов, происходящего в результате увеличения ионизации головных групп АОТ при повышении температуры.
Рассматривая возможности использования микроэмульсий в качестве реакционной среды следует также помнить, что биохимические реакции в живых организмах с участием ферментов происходят в высокоорганизованных системах, какими являются мембраны клеток и субклеточных единиц. Это делает микроэмульсии удобной моделью для изучения in vitro процессов, происходящих в живой клетке.
Несомненная практическая значимость микроэмульсий как реакционной среды обусловила появление в последние годы ряда фундаментальных обзоров, посвященных этой проблеме, В них проводится анализ факторов, обеспечивающих эффективное использование микроэмульсий в качестве микрореакторов [12, 133-135].
Микроэмульсии образуются спонтанно, когда углеводород, вода, ПАВ и со-ПАВ (обычно спирты малого молекулярного веса) смешивают в определенных пропорциях. Изменяя соотношение объемов "масла" и воды, а также количество ПАВ в системе, можно широко варьировать площадь поверхности раздела фаз. Как правило, в микроэмульсиях химические процессы происходят внутри или на поверхности капли, и большая площадь контакта обеспечивает сближение и взаимодействие водо- и маслорастворимых реагентов. За счет гидрофобных и электростатических взаимодействий в системе наблюдается концентрирование реагентов в определенных микрообластях системы. Концентрирование, наряду со сменой локальных параметров микроокружения реагентов (диэлектрическая проницаемость, микровязкость, микрополярность) позволяет влиять на свойства каждого из компонентов реакции и на скорость и механизм реакции в целом. Степень воздействия микроэмульсий на ход химических процессов определяется большим числом факторов. Она зависит от природы и концентрации ПАВ, со-ПАВ и реагентов, размера, геометрии и поверхностного потенциала микроагрегатов, от взаимной ориентации реагентов в системе, от добавок органических и неорганических электролитов, температуры и т.д.
Анализ кинетических данных, полученных в микроэмульсиях, принято проводить в рамках псевдофазного подхода, который предполагает, что система состоит из дисперсной фазы, дисперсионной среды и межфазного слоя, между которыми происходит распределение реагентов. В общем случае реакция протекает в обеих псевдофазах и это вносит вклад в наблюдаемую константу скорости. Зная константы распределения реагентов между компонентами системы, можно отдельно обсуждать влияние фактора концентрирования и эффекта среды на скорость изучаемого процесса.
Исследование кинетики химических процессов в микроэмульсиях позволяет количественно охарактеризовать влияние и выявить некоторые закономерности влияния ПАВ. Так катионные ПАВ ускоряют процессы с участием анионных нуклеофилов, при этом существенное влияние оказывает природа противоиона. Для анионных ПАВ, снижающих реакционную способность нуклеофилов, роль противоиона не так значительна. В случае катионных ПАВ переход от обращенных к прямым микроэмульсий сопровождается увеличением до двух порядков по величине наблюдаемых констант скорости. В микроэмульсиях наблюдается изменение кислотно-основных свойств реагентов. В системах на основе катионных ПАВ увеличивается диссоциация слабых кислот и затрудняется присоединение протона к основаниям, тогда как анионные ПАВ понижают диссоциацию кислот и способствуют протонированию оснований (сдвиг рК может достигать 1.5-2). Основностью реагентов в микроэмульсиях, как и их нуклеофильностью можно управлять, меняя поверхностный потенциал микроэмульсий, что достигается введением в систему органических и неорганических электролитов, в частности ПАВ иной природы. Примером такого влияния может служить реакция получения децилсульфоната в микроэмульсии на основе неионного ПАВ, которая ускоряется при введении катионного ПАВ, повышающего заряд поверхности микрокапли, и замедляется при добавлении ДСН(рис. 19).
Кондуктометрия и потенциометрическое титрование
Электропроводность микроэмульсии измерялась с использованием кондуктометра ОК 102/1 (Radelkis, Венгрия) на частоте 80 Гц и 3 кГц. Измерения проводились в термостатируемои плоско-параллельной ячейке. Температура контролировалась с точностью ±0.2С. Метод потенциометрического титрования использовался для определения содержания аминов и щелочи в микроэмульсиях. Изменения рН системы при добавлении титранта (0.1 н соляная кислота) фиксировали с помощью рН-метра "рН-340". Скорость химической реакции - это количество вещества, претерпевающее изменение в процессе химической реакции за единицу времени Реакции, скорость которых линейно зависит от концентрации только одного из вступающих в реакцию веществ, называют реакциями первого порядка (к, - константа скорости 1-го порядка). Уравнение (2.4) может описывать и реакции более высокого порядка при значительном преобладании одного из реагентов, когда изменением его концентрации в ходе процесса можно пренебречь (условия псевдопервого порядка). В этом случае константу к\ называют эффективной (наблюдаемой или кажущейся) константой скорости и обозначают kobs Для нахождения kobs используют графический метод решения уравнения (2.4), где тангенс угла наклона зависимости (\п(Хо/Х), I) равен кажущейся константе скорости реакции [142, 143]. Кинетические измерения проводили на спектрофотометре UV-V1S Spe-cord. В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера оптическая плотность раствора (D) определяется концентрацией поглощающего вещества в растворе (С), его молекулярным коэффициентом экстинкции (є) и толщиной поглощающего слоя (1): D E C l. За ходом процесса расщепления п-нитрофениловых эфиров наблюдали по изменению оптической плотности полосы 400 нм, что соответствует образованию п-нитрофенолят-аниона.
Субстрат вводили в реакционную среду в виде спиртового раствора с помощью микрошприца. Началь ная концентрация субстрата в кювете 5-10"5М, степень превращения - более 90 %. Пример кинетической кривой приведен на рис. 26. Наблюдаемые константы скорости к0ьх определяли из зависимости \n{Dx - D) = -k0bst + const, где D и D - оптическая плотность раствора в момент времени Г и по окончании реакции соответственно [144]. Значения kobs рассчитывали методом наименьших квадратов с помощью оригинальных программ, разработанных в ИОФХ им. А.Е. Арбузова. В данном разделе на примере двух микроэмульсий масло/вода представлены основные методические приемы, используемые в работе для исследования высокоорганизованных поликомпонентных сред. В этих системах в качестве ПАВ использованы катионный ЦПБ и анионный ДСН. В образовании мицел-лярных агрегатов, помимо ПАВ, участвуют н-гексан, формирующий неполярное ядро мицеллы, и со-ПАВ (н-бутанол). Весовая доля ПАВ во всех образцах была равной весовой доле со-ПАВ, а гексан брался в количестве 39 % от массы ПАВ, Объемная доля дисперсной фазы (ПАВ + со-ПАВ + бутанол) варьировался в диапазоне 2-40 %.
Сохранение пропорций между компонентами дисперсной фазы подразумевает, что размер мицеллярных агрегатов в среднем остается постоянным, а меняется только концентрация мицелл в системе. Для измерения КСД компонент микроэмульсий были выбраны наиболее интенсивные линии в спектрах ЯМР (рис. 23 и 27). КСД воды и бутанола определялись по сигналам от протонов воды (4.80 м.д. относительно линии тетраме-тилсилана) и протонов групп а-СН2 бутанола (3.63 м.д.). В сигнал от протонов групп (СНэ),,(1.3 м.д.), который используется для определения КСД ПАВ, вносят также вклад протоны бутанола и гексана. Анализ диффузионных спадов показал, что молекулы ПАВ и гексана характеризуются одинаковой трансляционной подвижностью. В мнкроэмульсиях. как правило, количество ПАВ, формирующего мпцсллярные агрегаты, намного превышает концентрацию мономерного ПАВ в дисперсионной среде, поэтому принято полагать, что DnAB и Омиц. В присутствии спирта, пли других соединений, содержащих гидроксильные группы, для определения КСД воды необходимо принимать во внимание, что вследствие быстрого обмена гидроксильных прото где Хв и ХБУТ - соответственно мольные доли воды и спирта. Поскольку КСД бутанола (D yr) определяется по диффузионному спаду резонансного сигнала его а-СН2 протонов, КСД воды определяется по соотношению (3.1). Экспериментальные значения КСД использовались для определения размеров мицел-лярных агрегатов и распределения компонент системы между фазами. В концентрированных системах не всегда просто определить значение вязкости среды, чтобы определить радиус диффундирующей частицы по соотношению Стокса-Эйнштейна. Обойти эту трудность позволяет экстраполяция концентрационных зависимостей КСД мицелл к нулевой концентрации и использование значения вязкости для чистого растворителя [146].
Модифицирующее действие полиэтиленгликоля на структурные характеристики микроэмульсии на основе фосфатидилхолина
В данном параграфе рассмотрены возможности комплексного применения методов ЯМР-самодиффузии и ЭПР спиновых зондов для исследования структуры модельных однослойных мембран на основе фосфолипидов. С этой целью исследовано модифицирующее действие полиэтиленгликоля (ПЭГ) на структуру микроэмульсии вода/масло (дисперсия обращенных мицелл), стабилизированной фосфатидилхолином из бобов сои (ФХ). Дисперсия обращенных мицелл, рассматриваемая в данном случае, предполагает, что полярные головные группы молекул ФХ находятся на поверхности сферической микрокапли (вода + ПЭГ), а углеводородные радикалы ФХ ориентированы в сторону масляной фазы. Концентрация ФХ в исследованных образцах составляла 0.32 М, дисперсионная среда состояла из трикаприлина и н-гексанола в молярном от Контрольный образец (без ПЭГ) содержал только воду в количестве 6 вес. % к общей массе микроэмульсии. Степень замещения воды на ПЭГ определялась соотношением Ха + ХцЭГ = 1, где Xj - мольные доли воды и ПЭГ в системе.
Полученные КСД компонент микроэмульсии (рис. 29) позволили определить, что в отсутствии ПЭГ радиус мицелл равен 4.6 нм. Уже первая порция ПЭГ с молекулярной массой 400, внесенного в систему (ХПэг = 0.002) приводит к уменьшению радиуса мицелл до 4.0 нм. Это значение остается практически постоянным при последующем увеличении степени замещения воды на ПЭГ вплоть до ХПэг = 0.022, выше которого наблюдается резкое уменьшение радиуса мицелл до 3.1 нм. Казалось бы, что уменьшение радиуса мицелл (увеличение радиуса кривизны монослоя ФХ) должно приводить к увеличению свободного объема для движения углеводородных "хвостов" ФХ и повышению их молекулярной подвижности. Однако данные ЭПР демонстрируют противоположную тенденцию (рис. 30) - увеличение температуры появления крайне широких пиков (КШП) в спектрах ЭПР.
Спектры ЭПР, наблюдавшиеся для всех образцов при высоких температурах, состояли из трех линий различной ширины и интенсивности, что типично для быстрого анизотропного движения нитроксильного фрагмента спиновой метки (рис. 15). При снижении температуры в спектрах ЭПР проявляются КШП. Появление КШП в спектрах ЭПР при понижении температуры происходит даже в гомогенных изотропных системах. В исследуемых микроэмульсиях появление КШП означает, что движение углеводородного радикала с нитро-ксильным фрагментом становится достаточно медленным и не усредняет анизотропию сверхтонкого взаимодействия. Чем более высокой степенью упорядоченности характеризуется система, тем выше температура проявления КШП в спектрах [94].
КСД воды и ПЭГ существенно превышают КСД мицелл (рис, 29), что свидетельствует о том, что часть молекул растворена в дисперсной фазе. В рамках модели двух состояний (уравнение (1.7)) мы определили численные характеристики перераспределения полярной фазы (вода + ПЭГ400) между ядрами обращенных мицелл и дисперсионной средой (рис. 31). При этом учитывалась гидратация свободных молекул ПЭГ [148] в дисперсионной среде и соответствующее уменьшение количества воды в ядрах мицелл. Полученные результаты позволили предложить следующую модель изменения структуры мицелл под действием ПЭГ (рис. 32). При увеличении количества ПЭГ до ХПэг = 0.022 (весовое соотношение вода/ПЭГ равно 2:1) его концентрация в дисперсионной среде остается постоянной (рис. 316) и основная часть полимера поступает в водные ядра мицелл (рис. 31а). Это вызывает небольшое увеличение размера ядра, однако размер всей мицеллы при этом слегка уменьшается, что показывают данные самодиффузии. Уменьшение общего радиуса мицеллы при увеличении размера ее ядра возможно за счет уменьшения толщины ее оболочки в результате изменения угла наклона углеводородных "хвостов" ФХ относительно поверхности полярного ядра (рис. 326). Способность молекул ФХ изменять угол наклона углеводородных радикалов относительно поверхности, на которой расположены их полярные головные группы, определяется молекулярным строением ФХ [94]. Анализ полученных нами размеров обращенных мицелл в рамках простой геометрической модели показывает, что в отсутствие ПЭГ углеводородные "хвосты" ПЭГ ориентированы параллельно нормали к поверхности полярного ядра мицеллы.
При ХПэг = 0.022 угол наклона "хвостов" к поверхности составляет 44, а при максимальном содержании ПЭГ он составляет 61. Изменение угла наклона отражается на молекулярной подвижности углеводородных радикалов, о чем свидетельствуют данные ЭПР: при увеличение количества ПЭГ400 до концентрации Хпэг 0.022 подвижность уменьшается, а затем снова возрастает. Похожая картина наблюдается и для ПЭГ с молекулярной массой 1500 (рис. 33), однако в этом случае, очевидно, начинают проявлять себя размеры полимерной молекулы и предел поглощения полимера ядрами мицелл наступает при более низкой его концентрации.
