Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Супрамолекулярные системы на основе катионных пав – агрегационные свойства и функциональная активность 11
1.1 Поверхностно-активные вещества и их свойства 11
1.2 Мицеллообразование 12
1.3 Солюбилизация 15
1.4 Применение катионных ПАВ 17
1.5 Супрамолекулярный катализ 18
1.6 Антикоррозионные и противомикробные свойства катионных ПАВ 26
1.7 Микроэмульсии 32
ГЛАВА 2. Исходные вещества. методы исследования. приборы (Экспериментальная часть)
2.1 Исходные вещества и реагенты 41
2.2 Приготовление растворов 45
2.3 Методы измерения
2.3.1 Спектрофотометрические исследования 46
2.3.2 Тензиометрия и кондуктометрия 49
2.3.3 Потенциометрические измерения 50
2.3.4 рН-метрия 51
2.3.5 Динамическое рассеяние света 51
2.3.6 Изучение антикоррозионных свойств 51
2.3.7 Изучение антимикробных свойств 52
2.3.8 ЯМР-спектроскопия 53
2.3.9 Флуориметрия 54
2.3.10 Турбидиметрия 54
2.4 Расчет погрешностей измерения 55
ГЛАВА 3. Самоорганизация и каталитическая активность систем на основе катионных пав, содержащих полярный фрагмент в головной группе 57
3.1 Агрегационное поведение в водных растворах гидроксиалкиламмониевых ПАВ 57
3.2 Агрегационное поведение морфолиниевых ПАВ 64
3.3 Солюбилизационные свойства катионных ПАВ с гидроксиэтильным фрагментом в головной группе в отношении эфиров карбоновых кислот 68
3.4 Каталитический эффект гидроксиалкиламмониевых ПАВ 70
3.5 Каталитическое действие систем на основе морфолиниевых ПАВ 82
3.6 Выявление причины высокого каталитического дейcтвия катионных ПАВ с гидроксиалкильным фрагментом в головной группе 85
3.7 Антикоррозионный эффект морфолиниевых ПАВ 95
3.8 Антимикробная активность морфолиниевых ПАВ 104 3.9. Способность морфолиниевых ПАВ встраиваться в липидные бислои 106
ГЛАВА 4. Поликомпонентные системы на основе гидроксиалкиламмониевых пав 109
4.1 Микроэмульсии на основе гидроксиалкиламмониевых ПАВ 109
4.2 Смешанные супрамолекулярные системы на основе гидроксиалкиламмониевых ПАВ и амфифильных аминов 120
4.2.1 Мицеллярные системы катионное ПАВ – первичный длинноцепочечный амин 120
4.2.2 Полимер-коллоидные системы катионное ПАВ–ПЭИ 127
Основные результаты и выводы 147
Перечень сокращений 149
Литература
- Применение катионных ПАВ
- Спектрофотометрические исследования
- Солюбилизационные свойства катионных ПАВ с гидроксиэтильным фрагментом в головной группе в отношении эфиров карбоновых кислот
- Мицеллярные системы катионное ПАВ – первичный длинноцепочечный амин
Введение к работе
Актуальность работы. Самоорганизующиеся супрамолекулярные системы на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) являются объектами пристального научного внимания и находят все новые практические приложения в различных технологических процессах в качестве «мягких» наноразмерных систем с контролируемыми свойствами. Многообразие видов их структурной организации, возникающей за счет нековалентной самосборки амфифильных соединений, предопределяет возможность проявления ряда уникальных свойств, среди которых следует выделить способность к адсорбции на поверхностях, солюбилизационные свойства в отношении органических соединений, возможность связывания с биосубстанциями. Трудно переоценить роль супрамолекулярных систем при их использовании в качестве реакционной среды: ускорение процессов при переходе от молекулярных растворов к системам на основе ПАВ может составлять несколько порядков. Совершенно очевидно, что систематическое исследование супрамолекулярных систем с привлечением комплекса современных физико-химических методов позволит выявить взаимосвязь между их структурными особенностями и функциональными проявлениями, позволит решать задачи целенаправленного дизайна систем с заданными свойствами. Современные тенденции развития супрамолекулярной химии и ее прикладных аспектов выдвигают все более жесткие требования при выборе объектов для создания наносистем. Среди наиболее значимых критериев – эффективность, экологичность, низкий порог агрегации, низкая токсичность, доступность, контролируемость свойств. Модификация структуры молекул амфифилов, в частности за счет введения в ее головную группу полярных фрагментов, переход к соединениям с несколькими головными группами, реализация дополнительных возможностей связывания за счет расширения типа нековалентных взаимодействий, изменение морфологии супрамолекулярных агрегатов – вот основные векторы, позволяющие создавать системы, соответствующие этим критериям. Все вышесказанное определяет актуальность проведенного исследования и его научную значимость.
Работа выполнена в лаборатории Высокоорганизованных сред Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук в рамках государственной бюджетной темы «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос.регистрации 01201157530). Работа проведена при финансовой поддержке РФФИ: проект № 09-03-00572-а «Биомиметические супрамолекулярные системы на основе амфифильных соединений и полимеров как наноразмерные контейнеры и катализаторы»; № 12-03-97066-р_поволжье_а «Наноразмерные самоорганизующиеся системы с контролируемым структурно-фазовым поведением, обладающие каталитической, антикоррозионной и антимикробной активностью»; № 12-03-31292 мол_а «Полимер-коллоидные комплексы как основа для создания невирусных векторов: влияние структуры компонентов»; Министерства образования и науки РФ: гос. контракт № 14.740.11.0384 «Дизайн стабильных нанодисперсных систем на основе амфифильных и макроциклических соединений, обладающих каталитической, люминесцентной и антимикробной активностью». Цель работы заключается в установлении взаимосвязи между структурой и свойствами катионных ПАВ с полярным фрагментом в головной группе и создание на этой основе полифункциональных супрамолекулярных систем с высокой каталитической активностью, большой солюбилизационной емкостью, выраженными антибактериальными и антикоррозионными свойствами.
Научная новизна работы.
1) В работе проведено систематическое комплексное исследование катионных ПАВ, содержащих
гидроксиалкильный и/или морфолиниевый фрагмент в головной группе. Некоторые из
исследованных ПАВ были впервые синтезированы (в частности, 1,6-гексалиден-бис-(N-
цетилморфолиний) бромид (МПАВ 16-6-16)). Все экспериментальные данные и характеристики
изученных систем являются оригинальными.
2) Установлена корреляция между агрегационной, солюбилизационной и каталитической
активностью в серии моно- и дикатионных ПАВ с цетильным радикалом. Среди исследованных
систем следует выделить мицеллярные растворы 1,6-гексалиден-бис-
(гидроксиэтилметилцетиламмоний) бромида (16-6-16(ОН)) и цетил(2-гидроксиэтил)морфолиний бромида (МПАВ-16(ОН)), для которых впервые показана выраженная субстратная специфичность и высокий каталитический эффект, достигающий трех порядков в случае гидролиза п-нитрофенилкаприната. Найден концентрационный диапазон их максимальной активности.
-
Впервые сформированы и охарактеризованы прямые микроэмульсии с высоким содержанием воды на основе катионных ПАВ с гидроксиалкильным фрагментом в головной группе, проявляющие каталитическое действие в процессах нуклеофильного замещения.
-
Для гомологической серии катионных ПАВ с морфолиниевым фрагментом проведена оценка антикоррозионных свойств. Показано, что цетильное производное N-цетил-N-метилморфолиний бромид (МПАВ-16) обеспечивает защиту свыше 90 % при концентрации 10 мг/л, при этом оно характеризуется широким спектром антимикробного действия в отношении ряда грибов и бактерий, в том числе уникальной бактерицидностью в отношении сульфатвосстанавливающих бактерий: 100 % подавление при концентрации ПАВ 7.5 мг/л.
Полученные результаты защищены патентом на изобретение: «Ингибитор коррозии-бактерицид для минерализованных сероводородсодержащих и углекислотных сред».
Методы исследования. В работе использованы методы тензиометрии, потенциометрии, кондуктометрии, рН-метрии, динамического и электрофоретического рассеяния света, спектрофото-метрии, ЯМР- и ИК-спектроскопии, турбидиметрии, флуориметрии.
Практическая значимость.
-
В ходе исследований на основе моно- и дикатионных ПАВ с гидроксиэтильным фрагментом в головной группе разработаны эффективные супрамолекулярные системы, обладающие высокой солюбилизационной емкостью и значительной каталитической активностью в процессах нуклеофильного замещения.
-
На основе катионных ПАВ с морфолиниевым фрагментом в головной группе разработаны высокоэффективные ингибиторы коррозии-бактерициды, сочетающие высокую степень защиты с широким спектром антимикробного действия.
-
Сложно-эфирные связи играют важную роль в процессах расщепления белковых молекул и нуклеиновых кислот, входящих в состав клеток и тканей живых организмов. Поэтому реакция расщепления эфиров карбоновых кислот может служить моделью для понимания процессов, происходящих в организме, что имеет важную практическую значимость.
На защиту выносится:
1. Оценка поверхностной активности и агрегационных параметров мицеллярных систем на основе
катионных ПАВ, содержащих гидроксиалкильный и/или морфолиниевый фрагмент в головной
группе.
2. Данные о солюбилизационной емкости исследуемых катионных ПАВ, а также об их
каталитическом эффекте в отношении гидролиза эфиров карбоновых кислот.
3. Анализ причин высокого каталитического действия гидроксиалкиламмониевых ПАВ.
4. Результаты определения антикоррозионных и противомикробных свойств систем на основе
морфолиниевых ПАВ.
5. Определение области существования стабильных прямых микроэмульсий с большим содержанием
воды на основе гидроксиалкиламмониевых ПАВ; данные об их агрегационных свойствах и
каталитическом действии в процессах щелочного гидролиза эфиров карбоновых кислот.
6. Количественные характеристики супрамолекулярных систем на основе катионных ПАВ и
гидрофобизированных аминов, проявляющих высокий каталитический эффект при расщеплении
сложноэфирных связей.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Всероссийской школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область, пансионат «Союз», 2010 г.); Всероссийской молодежной конференции «Успехи химической физики» (Черноголовка, 2011 г.); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011 г.); XI международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011 г.); Всероссийской молодежной конференции «Теоретическая и
экспериментальная химия жидкофазных систем» (Казань, 2011 г.); Международной молодежной конференции «Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и ионообменных процессах» (Казань, 2012 г.); XIX Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2012 г.); Международной молодежной конференции «Катализ в органическом синтезе» (Новочеркасск, 2012 г.); Симпозиуме «Современные проблемы нанокатализа» с международным участием (Ужгород, 2012 г.); Восьмой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2012 г.); Итоговой научной сессии к 100-летию академика П.А. Кирпичникова (Казань, 2013 г.); VII Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием по химии и наноматериалам «Менделеев-2013» (Санкт-Петербург, 2013 г.); IV International conference on colloid chemistry and physicochemical mechanics (Moscow, 2013 г.); Всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Пансионат «Маяк», г. Туапсе, 2009, 2011-2013 г.г.); Научной сессии КНИТУ по итогам 2013 года в секции «Механизм, термодинамика и кинетика химических реакций в гомо- и гетерогенных системах и методы их исследования» (Казань, 2014 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях в научных рецензируемых изданиях, из них 3 в научных изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, и 4 в иностранных изданиях, входящих в библиографическую базу данных Web of Science. Получен патент на изобретение. Сделаны устные доклады на 5 конференциях, а также опубликованы 15 тезисов докладов. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (223 ссылки на публикации отечественных и зарубежных авторов). Общий объем диссертации составляет 177 страниц, включает 26 таблиц, 61 рисунок и 5 схем.
Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. Соискатель самостоятельно провел анализ имеющейся литературы по теме исследования, определил основные направления работы по диссертации, обобщил результаты проведенной экспериментальной работы и сформулировал основные положения, выносимые на защиту. Он также принимал участие в постановке задачи и разработке плана исследований, а также подготовке публикаций по теме диссертационной работы. Автор выражает благодарность сотрудникам ИОФХ им. А.Е. Арбузова зав. лабораторией Захаровой Л.Я. и с.н.с. Миргородской А.Б. за постоянное внимание, помощь в проведении исследований и всестороннюю поддержку, с.н.с. Лукашенко С.С. за синтез катионных ПАВ, с.н.с. Сякаеву В.В., зав. лаб. Латыпову Ш.К. за помощь в проведении ЯМР-экспериментов и обсуждении полученных результатов, сотрудникам открытого акционерного общества «НАПОР» за помощь в проведении антикоррозионных испытаний, сотрудникам лаборатории ХБИ за помощь в проведении биологических исследований.
Применение катионных ПАВ
Большой интерес к комплексному исследованию катионных ПАВ и супрамолекулярных систем на их основе связан с успешным применением этих соединений в различных областях промышленности, науки и жизнедеятельности. Ключевыми факторами, предопределяющими функциональную активность растворов катионных ПАВ, являются заряд супрамолекулярных агрегатов, отвечающий за электростатические взаимодействия в системе, и наличие гидрофобного домена. Новые дополнительные возможности и свойства возникают в случае, когда в молекуле катионного ПАВ содержатся функциональные фрагменты, способные к специфическим взаимодействиям.
Катионные ПАВ традиционно используются в качестве диспергирующих, моющих, антистатических и дезинфицирующих средств в текстильной, лакокрасочной, пищевой, фармацевтической промышленности [13-19]. Трудно переоценить их роль в медицине и биотехнологиях. Так, они образуют комплексы с ДНК, вызывая при этом ее перезарядку и компактизацию, что позволяет предлагать их в качестве эффективных и малотоксичных векторов для генной инженерии [14, 15]. Катионные ПАВ используются как транспортные средства для доставки в клетки активных антибактериальных агентов, молекул фотосенсибилизатора в фотодинамической терапии [13, 20-25]. Они применяются в трансдермальных препаратах для увеличения проникновения лекарственных средств через кожу [26-29]. Это особенно важно в случае гидрофильных соединений (например, лидокаина, кофеина, кетопрофена), плохо проходящих через роговой слой. В работе [30] показано, что для этих целей успешно могут использоваться дикатионные ПАВ, которые к тому же не вызывают изменений в структуре кожи.
Способность катионных ПАВ к самосборке в четко определенные структуры положена в основу синтеза и проектирования мезопористых и наноструктурированных материалов. С применением катионных амфифилов в качестве покрывающего реагента, а также мягкого шаблона синтезируют, в частности, монодисперсные золотые стержни. Катионные ПАВ стабилизируют наночастицы в ходе их синтеза и препятствуют процессам агломерации, что позволяет получать системы с высокоразвитой площадью поверхности [31, 32]. Возрастающий интерес к углеродным нанотрубкам и проблема их диспергирования в растворах привели к использованию для этих целей катионных ПАВ. Из-за высокого поверхностного потенциала и значительного сродства к поверхности нанотрубок наиболее перспективными показали себя дикатионные соединения.
Среди важнейших практически значимых свойств супрамолекулярных систем на базе катионных ПАВ следует выделить их способность выступать в качестве нанореакторов, позволяющих направленно регулировать скорость и механизм, проходящих в них химических процессов, а также их антикоррозионное и антимикробное действие.
В отличие от гомогенных каталитических процессов в супрамолекулярных системах реализуются иные принципы каталитического действия, в значительной степени воспроизводящие наиболее эффективные (биокаталитические) механизмы функционирования. В зависимости от природы компонентов и их соотношения в системе могут быть сформированы супрамолекулярные структуры различного типа, в том числе прямые и обратные мицеллы, микроэмульсии, везикулы и жидкие кристаллы. Структурные и фазовые переходы в наноструктурах могут существенно влиять на скорость и механизм химических процессов, проходящих в этих системах. Дополнительно изменять реакционную способность солюбилизированных реагентов можно с помощью применения различных модифицирующих добавок (ионов металлов [33], электролитов [8, 34-37], со-ПАВ [38-40], каликсаренов [41], полимеров [42-47] и т.д.). Это позволяет регулировать каталитическую активность систем и может быть использовано для решения широкого ряда задач.
Катализ реакций в организованных средах вызывает большой исследовательский интерес [4, 6, 7, 48-51]. Заключение реагентов в наноразмерные агрегаты приводит к резкому увеличению их локальных концентраций (фактор концентрирования) и изменяет микроокружение (фактор микроокружения), влияя, тем самым, на их реакционную способность. Наряду с указанными факторами на скорость реакции могут влиять структурные переходы в системе. Поэтому исследование каталитической активности также требует знания структурного поведения системы, в частности, параметры упаковки, морфологию агрегатов, поверхностный потенциал и т.д.
Наиболее традиционной и теоретически осмысленной областью супрамолекулярного катализа является мицеллярный катализ. Каталитическое действие мицелл ПАВ на скорость химической реакций нашло применение в органической химии и химической технологии. Оно описано для целого ряда химических процессов: реакции гидролиза (сольволиза), гидратации, нуклеофильного замещения, окислительно-восстановительных и радикально-цепных реакций, фото- и радиационно-химических процессов [52, 53]. Отмечается, что термин мицеллярный катализ является не вполне корректным, так как истинный катализ не должен существенно влиять на равновесие реакции. Тем не менее, он наиболее приемлем, поскольку выполняются другие условия, связанные с изменением скорости реакции при добавлении небольших концентраций ПАВ ( 0.01 М) и отсутствием расхода ПАВ в самих реакциях. Ускорения процессов, наблюдаемые при переходе от молекулярных к
Спектрофотометрические исследования
Для приготовления растворов использовалась кипяченая бидистиллированная вода (рН = 6.8-7, = 2-3 мкСм/см). Для кинетических исследований готовили 0.03 М раствор субстрата в этаноле и дозировали его таким образом, что в реакционной кювете его концентрация составляла 510-5 - 510-4 М. Для флуориметрии готовили раствор пирена с исходной концентрацией 610-4 М в этаноле (рабочая концентрация 110-6 М).
Буферные растворы готовили из фиксаналов в кипяченой бидистиллированной воде. Липосомы дипальмитоилфосфатидилхолина (ДПФХ) для турбидиметрического метода готовили следующим образом: необходимую навеску ДПФХ растворяли в 60 мкл хлороформа и оставляли при комнатной температуре на воздухе для испарения растворителя, в результате чего образовывалась тонкая пленка липида. Далее полученную пленку суспензировали в буферном растворе при температуре 60 оС и интенсивном перемешивании. Полученную дисперсию подвергали термообработке: охлаждали поочередно в жидком азоте и нагревали на водяной бане (60 оС). Процедуру повторяли трижды. Затем суспензию пропускали через экструдер LiposoFast Basic компании «Avestin». Полученные липосомы характеризовали на спектрофотометре UV VIS Spectrophotometer SPECORD PLUS «AnalytikJena».
Для ЯМР-спектроскопии растворы готовили в дейтерированной воде с атомной долей дейтерия не менее 99.9 % (ФГУП Российский научный центр Прикладная химия Опытный завод).
Микроэмульсии формировали путем смешения компонентов в следующих пропорциях: концентрация ПАВ 0.2 М, содержание гексана 2 % от общего веса, молярное соотношение ПАВ/н-бутанол 1:5, остальное – вода, щелочь или буферный раствор.
Кинетику гидролиза п-нитрофениловых эфиров карбоновых кислот исследовали спектрофотометрическим методом на приборе “Specord UV-VIS”. За протеканием реакции следили по изменению оптической плотности растворов при длине волны 400 нм (максимум поглощения п-нитрофенолят-аниона) при начальной концентрации субстрата 2-5 10 5 М в условиях псевдопервого порядка: 20-100-кратный избыток нуклеофила. Степень превращения более 90 %. В ходе эксперимента проводили термостатирование растворов с точностью ± 0.1 оС. Типичный вид кинетической зависимости приведен на рис. 2.2. Наблюдаемые константы скорости кнабл определяли из зависимости \п(Dх - D) =-kHa6]lt + const, где D и Da, - оптическая плотность раствора в момент времени t и по окончанию реакции соответственно. Значения кнабл рассчитывали методом наименьших квадратов, в расчет брали среднее арифметическое значение трех измерений, отличающиеся не более чем на 3 %.
Для определения значений поверхностного потенциала воспользовались принятым подходом, предусматривающим исследование спектральных свойств молекул-зондов, способных встраиваться в межфазный слой и реагировать на изменения его структуры. Все исследуемые растворы подчинялись закону Бугера-Ламберта-Бера [171]. В качестве зонда выбран п-нитрофенол, значения рКа которого определяли спектрофотометрически по максимуму полосы поглощения его анионной формы ( = 400 нм, 18000) (рис. 2.3 а). По спектрам поглощения
п-нитрофенола при различных значениях рН рассчитывали наблюдаемую величину рKа. Примеры спектров п-нитрофенола, снятых при различных рН, а также изменение значений рKа,набл этого соединения в зависимости от концентрации исследуемых ПАВ приведены на рис. 2.3.
Для определения солюбилизационной емкости агрегатов ПАВ был использован гидрофобный зонд - краситель Оранж ОТ [172]. Навеску красителя (0.0005 - 0.001 г) заливали 2 мл раствора ПАВ с необходимой концентрацией, полученную смесь интенсивно перемешивали 2 часа и выдерживали в течение двух суток, для получения насыщенного раствора. По истечении указанного срока отфильтровывали нерастворившийся осадок и измеряли оптическую плотность полученного раствора (D) в кюветах с толщиной 0.2-1 см (максимум поглощения при =495 нм). 2.3.2 Тензиометрия и кондуктометрия
Измерение поверхностного натяжения растворов ПАВ проводили в термостатируемой ячейке на тензиометре К6 фирмы KRSS, используя метод отрыва кольца [173, 174]. Объем раствора для тензиометрического измерения составлял 10 мл, диаметр платиноиридиевого кольца 20 мм. Кольцо перед каждым измерением обезжиривали этиловым спиртом и обжигали пламенем горелки.
Удельную электропроводность измеряли на кондуктометре Inolab Cond 720. Указанные методы применялись для определения концентрационных границ формирования наноагрегатов. Значения ККМ и ККА определяли по излому на графиках зависимости поверхностного натяжения и электропроводности от концентрации ПАВ, который соответствует началу агрегации. Типичный вид зависимостей приведен на рис. 2.4.
Солюбилизационные свойства катионных ПАВ с гидроксиэтильным фрагментом в головной группе в отношении эфиров карбоновых кислот
При исследовании противомикробной активности в качестве тест-объектов были использованы следующие микроорганизмы: Staphylococcus aureus АТСС 209p, Escherichia coli CDC F-50, Bacillus cereus АТСС 8035, Trichophyton mentagrophytes var. gypseum 1773, Candida albicans BKПГу-401/NCTC 885-653. Бактериостатические свойства изучали методом серийных разведений по методике [176]. Бактериальная нагрузка в опыте составляла 300000 микробных клеток в 1 мл (кл/мл). Фунгистатическая активность соединений изучена методом серийных разведений на жидкой среде Сабуро по методике [177]. Бактерицидную активность реагентов в отношении СВБ определяли по стандартной методике [178] в питательной среде Постгейта на накопительной культуре с содержанием бактерий 106 кл/мл. Индекс активности культуры - 100 единиц.
Все ЯМР эксперименты проводили на приборе Braker AVANCE-600 с рабочей частотой 600.13 МГц для -спектров. Спектрометр Bruker был оснащен многоядерным z-градиентным инверсивным зондом, который позволяет создать градиент поля с силой 50 Гс см"1. Все эксперименты проводили при температуре 30±0.2 оС. Химические сдвиги приведены относительно HDO (4.7 ррт) в качестве внутреннего стандарта. Эксперименты Фурье-преобразующего импульсно-градиентного спин-эхо (FT-PGSE) [179-181] проводили, используя BPP-STE-LED (биполярная импульсная пара - стимулированное эхо - продольная задержка вихревого тока) последовательность. Данные были получены с задержкой диффузии в 50.0 или 120.0 мс, с биполярным градиентом импульса длительностью от 2.2 до 6.0 мс (в зависимости от исследуемой системы), с градиентным импульсом 1.1 мс (30 %) и с задержкой вихревых токов 5.0 мс. Величину биполярного импульсного градиента постепенно варьировали от 0.01 до 0.32 Т/м в 32 шага.
Эксперимент по диффузии проводили как минимум три раза и использовали только данные с корреляционным коэффициентом натурального логарифма с нормализованным ослаблением сигнала (In I/I0) как функция от амплитуды градиента Ь=у 8 g (А-8/3) (у - гиромагнитное отношение, g - импульсная градиентная сила, Л - время, которое отделяет импульсные градиенты, 8 -длительность импульса) выше, чем 0.999. Все отдельные пики были проанализированы и представлены средние значения. Во время эксперимента установленную температуру 30 оС поддерживали с помощью потока воздуха 535 л/ч, чтобы избежать колебания температуры из-за нагрева образца в магнитном поле импульсных градиентов. После Фурье-трансформации и основной коррекции, диффузионные измерения обрабатывали с помощью пакета программ Bruker Xwinnmr (версия 3.5). Импульсные программы для всех экспериментов ЯМР были взяты из библиотеки программного обеспечения Bruker.
Флуоресцентные спектры для пирена (110-6 М) были записаны в растворах ПАВ при 25 оС на спектрофотометре Varian Cary Eclipse (возбуждение образца происходило при длине волны 335 нм). Спектры излучения фиксировали в диапазоне 350-500 нм. Толщина ячейки составляла 10 мм. Скорость сканирования составляла 120 нм/мин.
Турбидиметрические измерения для определения фазового перехода в смесях ПАВ/ДПФХ проводили на спектрофотометре UV VIS Spectrophotometer SPECORD PLUS «AnalytikJena» по методике [182]. Образцы ДПФХ перед измерением разбавляли до концентрации 710-4 М буферным раствором. Эксперимент проводили при длине волны 350 нм. Толщина поглощающего слоя составляла 10 мм. При непрерывном перемешивании образцов в процессе нагревания регистрировали зависимость оптической плотности от температуры. Скорость нагревания была 0.1 оС в минуту, температуру изменяли в интервале от 35 до 45 оС. Далее к измеренному образцу липосом ДПФХ добавляли аликвоты растворов ПАВ и повторяли процедуру определения. Полученные турбидиметрические зависимости подвергали математическим обсчетам, используя уравнение Вант-Гоффа для двух состояний. Из полученных данных определяли температуру фазового перехода липидного бислоя, которая соответствовала точке перегиба на турбидиметрической кривой.
Мицеллярные системы катионное ПАВ – первичный длинноцепочечный амин
Однако, концентрация воды в системе приблизительно в 50 раз выше, чем спирта, кроме того рКа воды почти на две логарифмические единицы выше рКа бутанола. Это позволяет утверждать, что при взаимодействии с п-нитрофениловыми эфирами доминирующим нуклеофильным реагентом является гидроксид-ион, а вкладом алкоголиза можно пренебречь.
Анализ кинетических данных (табл. 4.1), характеризующих щелочной гидролиз эфиров карбоновых кислот в прямых микроэмульсиях ПАВ/гексан/бутанол/вода, позволяет выявить единство тенденций изменения скорости реакции в зависимости от структуры ПАВ для обоих субстратов: ПНФА и ПНФЛ. Значения наблюдаемой константы скорости гидролиза в исследуемых микроэмульсиях мало зависят от длины радикала в молекуле ПАВ, в отличие от мицеллярных систем, где гидрофобность радикала играет важную роль [192]. Так, величина kнабл почти одинакова для микроэмульсий на основе гидроксиалкильных ПАВ с додецильным и октадецильным радикалом, и несколько выше для соединения с гексадецильным заместителем. ПАВ с гидроксиэтильным фрагментом в головной группе, проявляют на порядок более высокое ускоряющее действие, чем их триметиламмониевые аналоги, не способные к образованию водородных связей (например, ЦТАБ). Введение в головную группу ПАВ второго гидроксиэтильного фрагмента приводит к значительному увеличению константы скорости гидролиза в микроэмульсиях. Резкое замедление процесса фиксируется в том случае, когда 2-гидроксиэтильный фрагмент замещают на 3– гидроксипропильный (табл. 4.1). Одной из важнейших причин, обеспечивающей ускорение щелочного гидролиза эфиров карбоновых кислот в микроэмульсиях на основе катионных ПАВ, является концентрирование нуклеофильного реагента у межфазной поверхности агрегата, в котором солюбилизирован гидрофобный субстрат. Чем выше положительный поверхностный потенциал и чем более выражен отрицательный заряд нуклеофила, тем большего ускорения реакции можно ожидать.
Прямым экспериментальным измерением можно определить лишь значение электрокинетического потенциала ( -потенциал) микрокапли. Дзета-потенциал является важным параметром, который определяет агрегативную устойчивость системы и который составляет часть поверхностного потенциала (40 дисперсной частицы [214]. С помощью электрофоретического рассеянисвета мы определили, что для микроэмульсии ЦГАБ/гексан/бутанол/вода потенциал равен 28 мВ (рис. 4.1).
Поверхностный потенциал определяют косвенными методами, в частности методом спектральных зондов (см. экспериментальную часть и главу 3.6). Определенные в микроэмульсиях на основе катионных ПАВ и неионного ПАВ Бридж-97 значения рКа п-нитрофенола, позволяют оценить величины поверхностного потенциала (табл. 4.1). Из полученных данных следует, что значения Ч у агрегатов в микроэмульсии на основе ПАВ, содержащих гидроксиалкильный фрагмент, составляют 35-45 мВ, то есть они близки к величине потенциала, определенного для их триметиламмонийного аналога ЦТАБ. Это может быть объяснено тем, что радикалы, формирующие головную группу, влияют на плотность заряда у четвертичного атома азота (следовательно, и на поверхностный потенциал) за счет индукционного эффекта, который мало различается для метильного и 2-гидроксиэтильного, а тем более 3 гидроксипропильного радикалов. Некоторый рост значений наблюдается при увеличении длины гидрофобного радикала. В микродисперсных системах соблюдается соотношение \Ч \ \Q, а в случае слабозаряженных поверхностей значения поверхностного и электрокинетического потенциала становятся близкими. Эту ситуацию мы наблюдаем для микроэмульсии на основе ЦГАБ.
Значения поверхностного потенциала в прямых микроэмульсиях приблизительно на 100 мВ меньше, чем в мицеллярных растворах на основе тех же ПАВ. Это является основной причиной того, что при одинаковых рН и температуре константы скорости гидролиза эфиров карбоновых кислот в 3-10 раз выше в мицеллярных растворах по сравнению с микроэмульсиями (табл. 4.1). Важную роль в динамической структуре микроэмульсий играет со-ПАВ, которое, локализуясь в межфазном слое микрокапли, приводит к снижению ее поверхностного потенциала. Варьируя содержание бутанола в системе, мы направленно изменяли величину , что, в свою очередь, позволяло регулировать скорость гидролиза ПНФА в микроэмульсии. Так, увеличивая содержание бутанола в межфазном слое и изменяя соотношение ПАВ:со-ПАВ от 1:3 до 1:10, мы инициировали падение поверхностного потенциала от 39.6 до 30.7 мВ, и, как следствие, уменьшение наблюдаемой константы скорости гидролиза исследуемых эфиров (рис. 4.2).
