Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы возрастает интерес к использованию электропроводящих полимеров, таких как полианилин, политиофен, полипиррол для создания органических светоизлучающих диодов, «легких» источников тока, солнечных батарей, сенсорных устройств, защиты от электростатических зарядов и коррозии. Полианилин (ПАНИ) является одним из наиболее интенсивно изучаемых электропроводящих полимеров в силу простоты получения, низкой стоимости исходного мономера и способности изменять свои физико-химические свойства в зависимости от кислотности среды, степени окисления основной цепи полимера и морфологии частиц. В значительной степени технологическому использованию ПАНИ препятствует крайне низкая растворимость в наиболее распространенных полярных и неполярных растворителях. Интерполимерные комплексы наночастиц ПАНИ и полисульфокислот позволяют улучшить эксплуатационные характеристики полимера, т.е. придать полимеру псевдоводорастворимые свойства, а также направленно изменять его механические, электрические и оптические характеристики.
Перспективным направлением является также синтез оптически активного полианилина и получение на его основе хирального сорбента для разделения оптических изомеров физиологически активных соединений. Это во многом обусловлено требованием Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), запрещающим использование в качестве лекарственных препаратов рацематов физиологически активных соединений без предварительного тестирования их отдельных энантиомеров.
Обычно электропроводящий полианилин синтезируют химическим или электрохимическим методами в сильно кислой среде путем окислительной полимеризацией мономера. При химической полимеризации анилина используют большое количество окислителя, продукт восстановления которого необходимо утилизировать. Использование ферментов в синтезе полианилина представляет большой интерес, т.к. позволяет проводить процесс в «мягких» условиях с высокой степенью контроля скорости полимеризации и получать с высоким выходом полимер, не загрязненный продуктами разложения окислителя.
В литературе описана возможность проведения ферментативной полимеризации анилина с участием пероксидаз из различных таксономических источников. Лакказа («-дифенол: кислород оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.2) катализирует окисление ароматических соединений, а также некоторых неорганических ионов кислородом воздуха с сопутствующим восстановлением последнего до воды. Ферментативная реакция с участием лакказы протекает на воздухе, что не требует, как для пероксидаз, дополнительного введения в реакционную смесь еще одного субстрата (пероксида водорода). Кроме того, лакказа является стабильным и промышленно получаемым ферментом, что создает предпосылки для коммерческого получения ПАНИ на основе «зеленой» технологии.
Научная новизна. Впервые проведен ферментативный синтез хирального полианилина с участием лакказы из базидиального гриба Trametes hirsuta. Установлено, что образующаяся в процессе ферментативного синтеза спиралевидная конформация полианилина, допированного одним из энантиомеров сульфокамфорной кислоты, является достаточно лабильной и ее легко можно изменить на противоположенную путем обработки полученной эмеральдиновой соли полианилина другим энантиомером сульфокамфорной кислоты.
На основе ферментативно синтезированного хирального ПАНИ был получен «гибридный» сорбент для разделения оптических изомеров физиологически активных веществ. Показана высокая энантиоселективность и разрешающая способность хроматографических колонок, упакованных полученным сорбентом в разделении рацематов различных физиологически активных соединений.
Установлена возможность проведения кинетически контролируемой реакции окислительной полимеризации анилина на матрице поли(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислоты) (ПАМПС) с участием лакказы и кислорода воздуха в качестве окислителя, в результате которой получается водная дисперсия нанокомпозитного материала на основе электропроводящего ПАНИ. Впервые проведено сравнение основных физико-химических характеристик электропроводящего ПАНИ, полученного химическим и ферментативным методами.
Показано, что ковалентно иммобилизованный на КМ-целлюлозе фермент легко удаляется из реакционной среды и может многократно использоваться при
проведении ферментативного синтеза водной дисперсии комплекса наночастиц ПАНИ и полисульфокислоты.
Практическая значимость работы. Проведен препаративный синтез «гибридного» хирального сорбента путем последовательного модифицирования кремнеземной сферической матрицы эремомицином и хиральным полианилином. На основе «гибридного» сорбента изготовлена колонка для ВЭЖХ, способная разделять и количественно детектировать отдельные энантиомеры физиологически активных веществ. С участием лакказы Trametes hirsuta разработан экологически чистый способ получения водорастворимого электропроводящего комплекса ПАНИ/ПАМПС по своим основным физико-химическим близким к химически синтезированному. Измерение скорости стекания электростатического заряда с поверхности шерстяной ткани, обработанной комплексом ПАНИ/ПАМПС показало, что для ферментативно синтезированного ПАНИ скорость стекания положительного заряда увеличилось в 300 раз, а для химически синтезированного комплекса ПАНИ/ПАМС в 280 раз по сравнению с контролем в отсутствии ПАНИ.
Цели и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось разработка способа экологически чистого синтеза электропроводящего полианилина с использованием высоко редокс-потенциальной грибной лакказы в качестве катализатора реакции окислительной полимеризации анилина и кислорода воздуха в качестве окислителя. Кроме того, необходимо было исследовать возможность практического использования оптически активного полианилина в качестве хирального узнавателя, при разделении рацематов физиологически активных соединений.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
Разработать метод ферментативного получения оптически активного (хирального) полианилина с использованием высоко редокс-потенциальной лакказы.
Получить на основе ПАНИ хиральный сорбент для разделения оптических изомеров физиологически активных веществ.
Провести ферментативный синтез водной дисперсии наночастиц электропроводящего ПАНИ на матрице полисульфокислоты для решения проблемы растворимости ПАНИ, изучить физико-химические свойства
полученного интерполимерного комплекса и сравнить свойства, полученного ферментативным путем полимера с аналогичным комплексом ПАНИ, синтезированным химическим способом. 4. Иммобилизовать лакказу на водонерастворимой матрице с целью получения гетерогенного биокатализатора и изучить возможность его многократного использования для синтеза водорастворимого электропроводящего ПАНИ. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: "Биотехнология: состояние и перспективы развития", (Москва, Россия, 2007), International Conference "Biocatalysis: Fundamentals & Applications" (Moscow-St. Peterburgs, Russian, 2007).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 статьи в рецензируемых журналах, 2 тезисов докладов и получено 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 132 страниц печатного текста, 44 рисунков, 4 таблицы и 208 ссылок.
Сокращения, принятые в тексте. ПАНИ - полианилин; ВОЗ - всемирная организация здравоохранения; ПАМПС - поли(2-акриламидо-2-метил-1-пропан)сульфокислота; SDS - додецилсульфонат натрия; S-CKK - (lS)-(+)-10-сульфокамфорная кислота; R-CKK - (1К)-(-)-10-сульфокамфорная кислота; ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография; DMF - диметилформамид; NMP - N-метилпирролидон; КМ-целлюлоза - карбоксиметилцеллюлоза; D,L-DOPA - 0,Ь-диоксифенилаланин; D,L-Phe - 0,Ь-фенилаланин; D,L-Ala - D,L-аланин; D,L-Met - D,L-mcthohhh.
