Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы по теме исследования 8
2.1. Микробные полисахариды и их применение 8
2.2. Химическая модификация лекарственных субстанций полисахаридами 16
2.2.1. Требования к полимерным матрицам 16
2.2.2. Основные направления химической модификации полисахаридов 22
3. Спектральное исследование в твердой фазе строения полисахаридальгидов и продуктов их химической модификации 38
3.1. Исследование строения полисахаридальдегидов 38
3.1.1. Отнесение сигналов 13С ЯМР спектров в декстранах 38
3.1.2. Интерпретация ИК спектров декстрана в твердой фазе 42
3.1.3. ЯМР и ИК спектральное исследование декстранполиальдегида.. 44
3.1.4. Спектральное исследование родэксманполиальдегида в твердой фазе 57
3.1.5. Спектральные исследования аубазиданпол и альдегида 65
3.2. Спектральное исследование продуктов взаимодействия декстранполиальдегида с гетероциклическими соединениями 70
3.2.1. Исследование продукта реакции декстранполиальдегида (ДПА) с урацилом 71
3.2.2. Исследование продукта взаимодействия ДПА с 6-аминоурацилом 77
3.2.3. Анализ структуры продукта взаимодействия ДПА с мафедином. 79
3.2.4. Исследование продуктов реакции ДПА с барбитуровой кислотой84
3.3. Спектральное исследование продукта взаимодействия декстранполиальдегида с резорцином 92
3.4. Исследование продуктов взаимодействия декстранполиальдегида с амидами карбоновых кислот 99
3.4.1. Спектральное изучение твердого образца продукта взаимодействия декстранполиальдегида с ацетамидом 100
3.4.2. Спектральное исследование образца продукта ДПА-доксициклин 106
3.4.3. Исследование продуктов взаимодействия ДПА с диамидом малоновой кислоты 111
3.5. Спектральное исследование продукта взаимодействия
декстранполиальдегида с бензолсульфамидом 124
4. Материалы и методы 132
4.1. Синтез образцов для исследования 132
4.2. Квантово-механические расчеты с помощью пакета программ GAMESS 143
4.3. Пакет программ Advanced Chemistry Development (ACD) для расчета 13С ЯМР спектров 145
4.4. ЯМР спектры высокого разрешения в твердой фазе 147
4.4.1. Исторический обзор 147
4.4.2. Химические аспекты твердотельных структур 151
4.4.3. Магнитные взаимодействия в твердом веществе 159
4.4.4. Выводы 165
4.4.5. Основные характеристики экспериментов CP/MAS (метод кросс- поляризации и вращения под магическим углом) 166
4.4.6. Некоторые практические советы 171
4.4.7. Подавление и разделение боковых полос (TOSS) 174
4.4.8. Преимущества и недостатки твердотельной ЯМР-спектроскопии 13С 177
4.5. Инфракрасный спектр твердотельных образцов 180
Выводы 183
Список литературы 184
Приложения 196
- Основные направления химической модификации полисахаридов
- Исследование продукта реакции декстранполиальдегида (ДПА) с урацилом
- Спектральное исследование продукта взаимодействия декстранполиальдегида с резорцином
- Пакет программ Advanced Chemistry Development (ACD) для расчета 13С ЯМР спектров
Введение к работе
27905 '
I.
Актуальность темы. Модифицированные микробные полисахариды
нашли широкое применение в биотехнологии, пищевой, косметической и фармацевтической отраслях промышленности. В ряде случаев они стимулируют неспецифическую резистентность организма животных и человека к инфекциям, ингибируют рост злокачественных опухолей, проявляют гипо-липидемическую, антикоагулянтную и другие виды биологической активности. Химическая модификация полисахаридов низкомолекулярными фрагментами привела к созданию ряда ценных лекарственных средств (например, лакрисин, полифер, поликапран, терридеказа и др.). Химическая фиксация лекарственных субстанций на полисахаридной матрице позволяет создавать новые препараты пролонгированного действия с низкой токсичностью и необходимым балансом липофильно-гидрофильных свойств.
В связи с этим, разработка эффективных схем и методов химической модификации полисахаридов низкомолекулярными соединениями для создания новых и совершенствования уже известных биологически активных веществ, а также разработка методов фарманализа и стандартизации полученных веществ имеет существенное значение и является актуальной задачей фармацевтической химии.
Очевидно, что реализация достипгутых успехов и выпуск на фармацевтический рынок новых лекарственных средств невозможны без разработки методов анализа и стандартизации как целевых лекарственных субстанций, так и промежуточных продуктов для их синтеза.
Целью исследования была разработка методов изучения строения химически модифицированных микробных полисахаридов с помощью ЯМР и ИК спектроскопии в твердой фазе, что объясняется как их нерастворимостью или низкой растворимостью, так и необходимостью разработки методов стандартизации товарной продукции в твердой фазе. Параллельно с этим было необходимо уточнить и чисто химические аспекты синтеза модифицированных полисахаридов: таутомерные переходы, изомерию, структуру соединений, устойчивость в твердой фазе и т.п.
Научная новизна. Впервые были исследованы ЯМР "С, I5N и ИК спектры химически модифицированных полисахаридов в твердой фазе, что доказало эффективность и перспективность использования этих методов для исследования БАВ сложной структуры. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена химическая схема взаимных превращений разных форм декстранполиальдегидов (ДПА). Показано, что каноническая форма полисахаридполиальдегидов является наименее выгодной, а потому в продуктах химической модификации декстрана по альдегидной схеме она встречается только в тех случаях, когда она стабилизирована водородными связями или иными факторами. Энергетически наиболее выгодной является гид-ратированная форма ДПА. Для продуктов химической модификации 2,4-
; оэ wf^j
7осГнАиЙОНАЛЬКЛя|
БИБЛИОТЕКА I
окисленного декстрана предпочтительной оказывается циклическая полуаце-тальная структура, что необходимо учитывать при разработке реакций "подлинности" и методов количественного анализа целевых БАВ.
Впервые доказано строение значительного числа БАВ - химически мо-дифицированныхдекстранов.
Практическая значимость. Разработана методика исследования БАВ в твердой фазе ЯМР и ИК спектральными методами. Разработанные методики являются необходимой предпосылкой для стандартизации ЛС и промежуточных продуктов для их синтеза, выпускаемых в твердом виде. Установленные вышеупомянутыми новыми для данного класса соединений методами состав и структура БАВ должны учитываться не только при разработке методов их анализа и соответствующих стандартов, но также при изучении их биологической активности и механизма действия наживой организм.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на X Российском национальном конгрессе "Человек и лекарство" и на ГУ Международной научно-практической конференции "Здоровье и образование в XXI веке".
Публикации. По теме диссертации опубликована статья в Журнале прикладной химии и материалы 2-х докладов на вышеупомянутых конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 195 страницах, включая 30 таблиц и 12 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, основных результатов работы и их обсуждения, описания материалов и методов (экспериментальная часть), выводов, списка литературы (125 источников) и приложения (31 стр.).
Основные направления химической модификации полисахаридов
Однако далеко не все БАВ, применяемые в медицине, могут быть компонентами ФАП. Целесообразно модифицировать: БАВ, которые используются для лечения хронических заболеваний, требуют частого и длительного приема - с целью пролонгации действия, снижения частоты приема и достижения более стационарной фармакокинетики; БАВ с малой терапевтической широтой (многие химиотерапевтиче-ские средства) - с целью повышения избирательности их действия; высокоактивные биорегуляторы (гормоны, витамины, коферменты и т.д.), которые желательно вводить малыми дозами, но постоянно; БАВ, применяемые местно, - для предупреждения их распространения по всему организму во избежание возникновения побочных эффектов; БАВ, которые в свободном состоянии неустойчивы (например, ферменты), или токсичны - с целью стабилизации и продления сроков действия. Таким образом, включение БАВ в полимерную систему позволяет конструировать лекарственные вещества с заданным видом активности, регулируемой длительностью действия, распределением в организме, направленным транспортом в орган-мишень, определенным уровнем концентрации БАВ, метаболизмом и рядом других свойств. Возможность сочетания биологически активного вещества с полимерным носителем определяется наличием в последнем реакционноспособных функциональных групп. Обычно используют гидроксильные, карбоксильные, амино- и альдегидные группы. Если такие группы в исходном полимере отсутствуют, то приходится разрабатывать специальные методы их введения без деструкции или сшивания полимера. Для использования в качестве носителей полимерные матрицы должны удовлетворять ряду требований [47]: полимер должен растворяться в воде; молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение полимера-носителя должны обеспечивать достаточно длительную циркуляцию в кровяном русле; полимер должен быть биосовместимым с живым организмом, т.е. не взаимодействовать с кровью, не вызывать токсических эффектов и не быть антигенным; полимер должен оставаться стабильным при проведении химических процессов присоединения лекарственной субстанции; j полимер-носитель должен быть доступен, желательно, чтобы его производство для медицинских целей было уже освоено. Наиболее популярными полимерами-носителями являются полисахариды. Они имеют ряд преимуществ перед другими матрицами-носителями [46,48,47,90,110]: полисахариды и продукты их метаболизма, как правило, нетоксичны; полисахариды биоразлагаемы и легко подвергаются микробиологическому и энзиматическому распаду; У многие полисахариды растворимы в воде; полисахариды отличаются большим разнообразием химических структур и форм применения, вследствие чего они могут использоваться при создании самых различных лекарственных форм. Почти идеальной полимерной матрицей является декстран. На основе декстрана созданы и успешно применяются наиболее эффективные при кро 21 вопотере и шоке заменители плазмы крови, производимые в России, США и других странах под разными названиями [35, 115]. Важным фактором является способность декстрана полностью выводиться из организма. Конечным продуктом распада декстрана является глюкоза, утилизируемая организмом [75]. На основе декстрана, как носителя, создано значительное число новых лекарственных препаратов [77, 96, 121]. Декстраны производятся в промышленном масштабе, они доступны и относительно дешевы, Декстраны удобны для химической модификации, разработаны многие методы химической активации молекулы декстрана [8, 14, 79, 112], в том числе в СГТХФА под руководством проф. Б.В.Пассета и доц. А.А.Иозепа [7, 22,43, 50, 51, 60, 61, 65]. Среди других полисахаридов широкое применение нашли производные целлюлозы [27, 39] и крахмала [16, 101], Например, соль новокаина с водорастворимой карбоксим етил целлюлозой (целл ново каин) оказалась ценным препаратом с пролонгированным действием, который по ин фильтрационной и поверхностной анестезии в три раза превосходит новокаин и действует в 2-3 раза длительнее [73]. Получены и другие аналогичные препараты (целлт-римекаин) [45].
При выборе полимера-носителя необходимо учитывать наличие собственной физиологической активности полимера и её сочетания с активностью БАВ, а также фармакокинетические и транспортные свойства полимера, обеспечивающие доставку БАВ к месту действия в нужном количестве. Особое значение имеет способность полимера-носителя связываться с поверхностью клетки. Причем, в зависимости от механизма действия ФАП, при их конструировании применяются как полимеры, активно взаимодействующие с поверхностью клетки, так и полимеры, у которых эта способность низка [47]. Приведенные факты убедительно показывают, что применение полисахаридов позволяет решать задачу создания новых эффективных и безопасных лекарственных средств.
Исследование продукта реакции декстранполиальдегида (ДПА) с урацилом
В соответствии с поставленной задачей в качестве объектов исследования были использованы микробные полисахариды декстран, аубазидан, родэксман и ронасан (сульфатированный родэксман).
В работе использовали декстран, выпускаемый российской промышленностью для производства плазмозамещающего противошокового препарата "Полиглюкин". Средняя относительная молекулярная масса товарного декстрана 60000± 10000, относительная молекулярная масса наиболее высокомолекулярной фракции 160000.
Декстран, синтезируемый штаммом микроорганизмов Leuconostok mesenteroides представляет собой глюкан, состоящий из связанных а-гликозидными связями звеньев D-глюкозы.
Для оценки возможности применения разработанной схемы модификации декстрана для химической модификации других полисахаридов, отличающихся от декстрана структурой, молекулярной массой, физико-химическими свойствами, нами были выбраны микробные полисахариды аубазидан и родэксман.
Аубазидан - структурно-метаболический внеклеточный полисахарид, продуцируемый дрожжеподобным грибом Aureobasidium pullulans, штамм 8, был получен в ЛХФИ в 1959 г. Он представляет собой сильно разветвленный глюкан с молекулярной массой 5-9 млн Да. Основная цепь (кор) полисахарида состоит из (3-1,3-связанных глюкопиранозных единиц, от каждой третьей из них отходит присоединенная Р-1,6-связью боковая цепочка, состоящая из а-1,4-связанных остатков глюкозы; р-1,3-связи составляют в среднем около 50% от общего числа гликозидных связей. х = 0,5-2;п = (5-14)х10-3 Аубазидан представляет собой кремовый аморфный порошок без запаха, малорастворимый в воде, после набухания он образует бесцветные прозрачные вязкие гели, практически не растворим в большинстве органических растворителей, но при нагревании образует прозрачные вязкие гели в диме-тилсульфоксиде. Полисахарид не обладает антигенными свойствами, малотоксичен, проявляет седативный эффект, повышает неспецифическую резистентность макроорганизмов к некоторым инфекциям, оказывает противовирусное действие; рекомендован в качестве вспомогательного и пролонгирующего средства для получения лекарственных форм. Проводились исследования путей химической модификации аубазидана, изучена биологическая активность ряда его производных.
Родэксман, продуцируемый культурой дрожжей Rhodotorula rubra, штамм 14, представляет собой маннан, состоящий из чередующихся р-1,3- и Р-1,4-связанных маннопиранозных звеньев.
Является полисахаридом с высокой биологической активностью, практически не токсичен, нормализует систему свертывания крови и липидныи обмен при экспериментальном атеросклерозе, обладает выраженной антили-пидемической активностью, повышает неспецифическую резистентность, при введении по определенной схеме обладает радиозащитным действием.
Очистка маннана. Проводилась по общепринятой для данного вида полисахаридов методике. Маннан-сырец (образцы завода "Минмедпрепараты") растворяли в воде при тщательном перемешивании (20 г в 1,7 л воды). Полученный раствор фильтровали через нутч-фильтр, а затем отделяли от осадка центрифугированием. В очищенный раствор добавляли реактив Фелинга и выдерживали 4 часа. Полученный медный комплекс полисахарида деиони-зировали в статических условиях, используя ионообменную смолу КУ-2-8 и осаждали маннан этанолом. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали спиртом, эфиром и сушили в вакууме.
Периодатное окисление полисахаридов. Точную навеску тонко измельченного полисахарида (10 г) растворяли в 0,5 л дистиллированной воды или буферного раствора. Параллельно в мерной колбе на 0,5 л растворяли точную навеску периодата натрия (1 моль на моль моносахаридного фрагмента в случае декстрана и аубазидана и 0,5 моль/моль в случае родэксмана) в буферном растворе или в воде. В последнем случае рН доводили до необходимого значения добавлением НС1.
К раствору полисахарида приливали 490 мл периодата натрия и доводили объем смеси до 1 л. Реакционную массу встряхивали и оставляли в темноте на 2-3 суток. Расход периодата натрия контролировали спектрофо-тометрическим методом при длине волны 222,5 нм. После окончания реакции добавляли этиленгликоль для разложения непрореагировавшего периодата, реакционную массу концентрировали и диализовали в течение 2 суток против дистиллированной воды. Продукты реакции осаждали этанолом после концентрирования в вакууме, отфильтровывали, промывали спиртом, эфиром. Выход полисахаридальдегидов - 80%.
В случае аубазиданполиальдегида (АПА) нерастворимый в воде гель полиальдегида отфильтровывали, промывали 3-4 л дистиллированной воды (до отсутствия в промывной воде ионов Ю4 , которые определяли спектро-фотометрически). Осадок промывали спиртом, эфиром и сушили в вакууме 2 часа. Получали 7,5 г АПА. Выход - 75%.
Спектрофотометрическое определение расхода периодата. Расход периодата натрия определяли спектрофотометрическим методом при 222,5 нм. Для этого из реакционной массы отбирали 0,5-1 мл раствора и разбавляли в 500-250 раз. Измеряли оптическую плотность опытного и контрольного растворов против дистиллированной воды.
Спектральное исследование продукта взаимодействия декстранполиальдегида с резорцином
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - физическое явление, которое независимо друг от друга описали Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл в 1946 году. За это открытие они разделили Нобелевскую премию по физике 1952 года. Это явление представляет собой взаимодействие атомных ядер, помещенных во внешнее магнитное поле, с приложенным электромагнитным полем, осциллирующим на определенной частоте. Магнитное состояние внутри материала измеряется путем наблюдения за поглощаемой и излучаемой атомными ядрами радиацией.
ЯМР используется в качестве метода спектроскопического исследования физических, химических и электронных свойств молекул. Кроме того, принцип ЯМР лежит в основе ЯМР-интраскопии. ЯМР является одним из методов, используемых для создания квантовых компьютеров.
Развитие применения ЯМР в аналитической химии и биохимии идет параллельно с общим развитием электромагнитной технологии и ее внедрением в гражданскую жизнь. Во время Второй мировой войны Перселл работал над разработкой и применением радаров в Радиационной лаборатории МТИ (Массачусетский технологический институт). До того, как Перселл открыл ЯМР, он занимался в рамках этого проекта исследованием генерации и обнаружения радиочастотной энергии и поглощения этой энергии веществом. Возможно, эта работа способствовала его пониманию ЯМР и связанных с ним явлений.
В течение нескольких следующих десятилетий в практике ЯМР использовался метод, известный как спектроскопия незатухающей гармонической волной. В одном варианте этого метода магнитное поле остается постоянным, а частота генерирующего поля меняется, чтобы выявить резонансные участки спектра. Чаще используется другой вариант, в котором поддерживается постоянная частота генерирующего поля, а магнитное поле меняется, проходя через резонансы. Недостаток этого метода заключается в том, что он исследует каждую частоту в отдельности, последовательно, что приводит к плачевным результатам из-за малой чувствительности ЯМР, - то есть ЯМР страдает из-за малости отношения сигнал/шум.
К счастью для ЯМР в целом, отношение сигнал-шум (С/Ш) может быть улучшено путем усреднения сигнала. Усреднение сигнала увеличивает С/Ш, умножая его квадратный корень из числа полученных сигналов. Метод, известный как спектроскопия ЯМР с Фурье-преобразованием (FT-NMR) может ускорить процесс сканирования, позволяя исследовать одновременно некоторый диапазон частот. Этот метод стал гораздо шире использоваться, когда появились компьютеры, способные производить требующее больших вычислительных затрат Фурье-преобразование данных из временного интервала в частотный, что нужно для создания спектра.
FT-NMR было впервые применено Ричардом Р. Эрнстом. Образец (который по-прежнему помещается в статическое внешнее магнитное поле) подвергается воздействию короткого радиочастного импульса (RF), В соответствии с теорией Фурье, чем короче импульс, тем шире содержащийся в нем диапазон частот. Импульс нарушает энергические состояния исследуе мых ядер (например, Н). В конце импульса ядра релаксируют в равновесное состояние, излучая поглощенную системой энергию снова в радиочастотном диапазоне. Датчики регистрируют распад возмущенного состояния как функцию времени (спад свободной индукции (FID)). Если подвергнуть этот времязависимый образ Фурье-преобразованию, получается частотозависи-мый образ ядерных резонансов, т.е. ЛМР-спектров.
Использование специально сконструированных импульсов различных форм, частот и длительностей дает спектроскописту большую гибкость при решении, какие именно участки молекулы, или какие интра- и интермолекулярные динамические процессы он может изучать. Подобная же техника, но используемая в оптической спектроскопии, называется просто спектроскопия с Фурье-преобразованием.
Двумерная ЯМР-спектроскопия - вид Фурье-спектроскопии ЯМР, в котором участвуют по крайней мере два импульса, промежуток времени между которыми изменяется при повторении эксперимента. Первое измерение - это частота возбуждения, второе измерение основано на промежутке времени между двумя импульсами (благодаря свойствам Фурье-преобразования это второе измерение, в конечном счете, тоже выражается в частотных терминах). В многомерном ЯМР используется последовательность импульсов, и по крайней мере один изменяемый промежуток времени (в трехмерном ЯМР используются две изменяемые последовательности импульсов, в четырехмерном - три последовательности и т.д.).
Использование переменных временных интервалов позволяет, помимо прочего, выявление передачи намагниченности между ядрами и, следовательно, обнаружение видов ядерно-ядерного взаимодействия, позволяющих передачу намагниченности. Выявляемые таким образом взаимодействия подразделяются, как правило, на два вида: взаимодействия через связи и взаимодействия через пространство. Последние обычно являются следствием ядерного эффекта Оверхаузера. Обратите также внимание на то, что эксперименты, использующие ядерный эффект Оверхаузера, позволяют определить расстояния между атомами.
Курт Вютрих, Эд Бэкс, Владимир Скленар и многие другие превратили двумерный и многомерный Фурье-ЯМР в мощный метод биохимических исследований, особенно в области определения структуры биополимеров (белков или даже небольших нуклеиновых кислот). За эту работу Вютрих получил часть Нобелевской премии по химии 2002 года. Этот метод дополняет метод рентгеновской кристаллографии полимеров и наиболее часто применятся к биомолекулам в жидком и жидкокристаллическом состоянии, тогда как кристаллография (о чем свидетельствует название) применяется к молекулам в твердом состоянии. Хотя ЯМР используется также и в изучении твердых тел, в твердом состоянии трудно достичь детальной информации о структуре биомолекул на атомном уровне.
Пакет программ Advanced Chemistry Development (ACD) для расчета 13С ЯМР спектров
Мембраны и модельные мембранные системы. Клеточные мембраны состоят главным образом из фосфолипидов и клеточных белков. Липидьт играют критическую роль в функционировании мембран. По крайней мере частично это вызвано их динамической структурой. Фосфолипиды состоят из полярной головной группы и длинной углеводородной цепи. В принятой в настоящее время модели мембранной структуры фосфолипиды представляют собой двуслойную структуру, в которой полярные головные группы расположены снаружи (водный раствор), а углеводородные цепи - внутри. Молекулы обладают значительной свободой передвижения, основанной на вращательной подвижности углеводородной цепи, которая возникает при температуре "желирования" на диффузном движении всей молекулы вбок внутри двуслойной структуры.
В модельных системах, содержащих только липидный компонент и воду, желирование относительно четко очерчено, и вращательное движение цепи, как и последующую диффузию, можно легко исследовать. В смеси различных липидов и в реальных мембранах желирование слабо очерчено и распространяется на большой диапазон температур. Этот диапазон включает в себя рабочую температуру живого организма. Динамическая структура ли-пидных компонентов, безусловно, важна для определения физических, химических и биохимических свойств мембранных систем. Принятая в настоящее время модель мембранной структуры, считающаяся удовлетворительной для объяснения многих свойств мембраны, - это "жидкостно-мозаичная" модель Сингера и Николсона. Согласно этой модели фосфолипиды образуют жидкий би слой, в который погружены мембранные белки, которые способны (благодаря жидкостным свойствам фосфолипидной матрицы) относительно свободно перемещаться в двух поперечных направлениях. По оценкам вязкость липидной матрицы превышает вязкость воды от 100 до 1000 раз.
Даже в модельных системах не существует среднего или дальнего порядка, так что дифракционные исследования могут представить только очень ограниченные данные. Важное значение имеет модельная система, в которой представлен некоторый макроскопический порядок и которая описывает возникновение многослойных систем, ориентированных между стеклянными пластинами. В этом случае определена общая ориентация липидных "пластов" по отношению к внешней системе координат, хотя динамическое разу-порядочение между отдельными фосфолип идами все же существует.
Полимерные системы. Полимеры представляют собой макромолекулы, полученные последовательным соединением (полимеризацией) одной или более малых молекул (мономеров). В случае линейных гомополимеров их структура и компоновка могут быть описаны индикацией повторяющихся мономерных звеньев цепи.
В случае использования двух мономеров они могут распределяться в цепи случайным образом, или чередоваться, или же объединяться в соединяющиеся в цепь "блоки", в зависимости от режима приготовления сополимера.
Обычно цепи очень длинны (102-106 звеньев) и в твердом состоянии они закручиваются и переплетаются между собой, создавая чрезвычайно аморфную структуру с отсутствием дальнего или ближнего порядка. Тот факт, что цепи длинны, что длина их меняется, и сама структура их раствора эффективно препятствуют сколько-нибудь заметной кристаллизации. Обычно при низких температурах системы совершенно неподвижны, за исключением перемещений боковых групп (например, -СН3) и небольших движений некоторых сегментов в основной цепи (что может иметь отношение к их механическим свойствам). Системы, находящиеся в таком состоянии при температуре окружающей среды, называются стеклополимерами.
По мере роста температура достигает особого значения, называемого "температурой стеклования" (7 ). При этой температуре происходит значительное вращательное движение относительно основной цепи полимера. Теперь система легко деформируется, и именно в этой фазе такие полимеры (термопластики) могут плавиться, принимая формы, которые они сохраняют при охлаждении (это одно из самых полезных свойств пластиков). Полимеры, находящиеся в таком подвижном и легко деформируемом состоянии при комнатной температуре, называются эластомерами. Если между цепями существует небольшое количество сшивающих связей, они после деформации возвращаются в исходное положение (при этом вся система возвращается к своей изначальной макроскопической форме). Такие полимеры называются резинами. В эластомерах и резинах отсутствует какой бы то ни было порядок и присутствует весьма значительная свобода движения, главным образом, вокруг осей цепи.
Иногда в полимерах, не достигших точки стеклования, имеются области, в которых присутствуют ближний и дальний порядки. Такие области называются кристаллическими, хотя они упорядочены менее сильно и в меньших размерах, чем в обычных молекулярных кристаллах. Доля таких областей обычно оценивается при помощи дифракционных методов и может быть увеличена путем медленного понижения температуры, начиная с отметки Т Tg сквозь 7 е, что дает больше времени для упорядочения, а также путем отжига. Как правило, точная структура этих кристаллических областей в блочных полимерах плохо известна и является в настоящее время областью интенсивных исследований, но их воздействие на физические и механические свойства многократно описано. В целом они более упорядочены, значительно плотнее упакованы и гораздо менее подвижны, чем аморфные области системы, и во много раз увеличивают прочность твердого вещества.
Если полимеры с высоким содержанием кристаллических областей разделены на волокна, кристаллические области выстраиваются параллельно, что приводит к кооперативному эффекту. Это оказывает огромное влияние на механические свойства, придавая волокнам характерную для них высокую прочность на растяжение.
Таким образом, важные физические свойства различных полимерных систем будут определяться присутствующей в веществе, представляющем собой, в основном, аморфное и разупорядоченное твердое тело, степенью упорядочения от ближнего до среднего порядка, а также свободой молекулярных движений. Эта свобода ограничена при температурах ниже Т%, но при более высокой температуре возникает полная свобода вращательного движения цепей.
