Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования процессов образования, физико-химических и прикладных свойств синтетических полиэлектролитов (ПЭ) представляют актуальное направление в современной химии высокомолекулярных соединений. Полиэлектролиты широко распространены в живой природе, синтетические и природные ПЭ находят большое применение в современных технологиях, медицине и т.д. Круг синтетических ПЭ весьма невелик, поэтому важен поиск новых структур, возможностей регулирования строения, молекулярных масс для получения необходимых функциональных свойств.
К широко востребованным катионным ПЭ относятся кватернизованные диаллилдиалкиламмониевые полимеры, механизм получения и свойства которых были ранее изучены. В то же время, отсутствие в звеньях четвертичных аммониевых структур функциональных групп ограничивают возможности модификации мономеров и полимеров на их основе. Кроме того, кватернизованные полиамины теряют свои свойства в щелочных растворах. Поэтому большой интерес представляют производные ряда диаллиламина (ДАА) в некватернизованной форме – сам ДАА и алкилдиаллиламины. Наличие вторичных/третичных аминогрупп открывает возможности для химической модификации и позволяет варьировать свойства потенциальных полимеров в зависимости от рН среды от полисолей до полиоснований. Полимеры с некватернизованной структурой амина в звеньях весьма перспективны и актуальны для биомедицинских целей благодаря низкой токсичности.
Хорошо известны трудности синтеза полимеров из аллильных и диаллильных мономеров в некватернизованной форме, связанные с вырожденной передачей цепи на мономер и образованием аллильного радикала передачи с очень низкой реакционной способностью по отношению к двойным связям. Реакция деградационной передачи цепи в этом случае фактически контролирует процесс, приводя к драматическому падению скорости полимеризации и получению только низкомолекулярных олигомерных продуктов. Первые работы по изучению радикальной полимеризации аллильных мономеров были сделаны Bartlett и Altschul в 1945 г. Последующие исследования были направлены на преодоление трудностей полимеризации различных аллильных мономеров. a,b Особое место занимает большой цикл работ группы В.А. Кабанова и В.П. Зубова с сотрудниками, в которых авторы предложили использовать апротонные и протонные кислоты для уменьшения конкурентной способности реакции передачи цепи.2c Однако, попытки преодолеть затухание процесса и получить полимеры с заметной молекулярной массой не привели к существенным успехам. В то же время, как отмечалось выше, мономеры ряда ДАА в кватернизованной форме – соли N,N-диаллил-N,N-диалкиламмония – полимеризуются при сравнительно высоких скоростях под действием химических радикальных инициаторов с образованием катионных ПЭ с достаточно высокими значениями ММ.
Все сказанное определяет актуальность рассмотрения принципиальной возможности осуществления полимеризации (ди)аллиламинов в некватернизованной форме, используя иные подходы, базирующиеся на методах, позволяющих исследовать механизмы конкурирующих процессов и влияние среды на протекание реакций. Ценную информацию о конкурентной способности элементарных реакций, в частности, радикальной полимеризации (ди)аллиламинов может дать изучение методами квантовой химии с учетом модельных растворителей. В последнее время формируется подход, рассматривающий влияние структуры раствора на протекание процессов с участием ионов, включающий исследования диэлектрических и структурных свойств растворов. Реакции радикальной полимеризации, в том числе ионогенных мономеров, не рассматривались и не изучались с этой точки зрения. В то же время указанные свойства раствора должны оказывать существенное влияние на реакционную способность мономеров, в частности, аминов в кислых средах. Поэтому развитие таких подходов к реакциям радикальной полимеризации (ди)аллиламинов весьма актуально.
Цель работы заключалась в решении проблемы полимеризационной способности (ди)аллиламинов, разработке подхода для осуществления полимеризации мономеров ряда диаллиламина в некватернизованной форме и методов полимеризации, установлении закономерностей новых радикальных процессов полимеризации и механизмов влияния среды на эти процессы, изучении свойств новых полимеров - вторичных и третичных полидиаллиламинов в форме полисолей и полиоснований, - наиболее важным из которых является обнаруженная высокая антимикробная активность.
Основные задачи работы:
-теоретическое исследование методами квантовой химии механизмов и общих закономерностей элементарных реакций радикальной полимеризации мономеров ряда ДАА для выявления возможности получения полимеров из некватернизованных мономеров ряда ДАА;
-разработка методов получения новых мономеров - трифторацетатов вторичных/третичных диаллиламинов, и методов синтеза новых полимеров на их основе;
-исследование кинетических закономерностей новых полимеризационных процессов;
-исследование структурных и диэлектрических свойств исходных полимеризационных растворов солей диаллиламмония методами СВЧ диэлектрической спектроскопии и низкочастотной электропроводности;
-анализ теоретических и экспериментальных данных и оценка влияния структуры и диэлектрических свойств исходных растворов мономеров на кинетические параметры радикальной полимеризации мономеров ряда диаллиламмония;
-изучение свойств новых полимеров, в том числе обнаруженной высокой антимикробной активности широкого спектра, связи биологических активности со структурой и полиэлектролитными свойствами новых вторичных/третичных полиаминов.
Научная новизна. Все результаты работы получены впервые. Из них наиболее существенными являются следующие:
-Предложен и теоретически обоснован подход к получению полимеров из мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме, развитый в ходе систематического изучения методами квантовой химии закономерностей и механизмов элементарных реакций роста и передачи цепи на мономер с учетом среды-растворителя различной полярности. Главным его моментом является создание в полимеризационной среде подавляющего количества мономера в протонированной форме, что приводит к уменьшению конкурентной способности реакции передачи цепи и ее трансформации в эффективную передачу. Предложенный новый подход является общим и может быть применим ко всем мономерам ряда аллил- и диаллиламинов.
-В рамках предложенного общего подхода синтезированы новые мономерные системы – трифторацетатные соли вторичных и третичных диаллиламинов, разработаны методы их полимеризации под действием традиционного радикального инициатора в относительно мягких условиях.
-Впервые получены новые вторичные и третичные полидиаллиламины - полимерные соли (ПДААС) и полиоснования (ПДАА) с достаточно высокой молекулярной массой (ММ ~65000) - представители нового семейства полимеров.
-Развит применительно к радикальным реакциям катионогенных мономеров новый подход, рассматривающий влияние структуры раствора на протекание процессов с участием ионов. Впервые показано, с использованием методов СВЧ диэлектрической спектроскопии и низкочастотной электропроводности, влияние структуры и диэлектрических свойств исходного полимеризационного раствора на кинетические параметры радикальной полимеризации; показано, что наличие “свободной” воды в исходных растворах диаллиламмониевых мономеров ответственно за характер концентрационного поведения констант скорости элементарных реакций роста и передачи цепи на мономер, бимолекулярного обрыва цепи.
-Получены новые антимикробные полимеры, не имеющие аналогов среди биоцидов. Впервые показано, что замена кватернизованной аминогруппы в пирролидиниевом звене на вторичную/третичную может кардинально изменить свойства полимеров, обеспечив ПДААС высокую антимикробную биоцидную активность широкого спектра действия. Показана важная роль гидрофильных свойств и способности к образованию водородных связей в биологической активности полимеров.
Научная значимость работы. Развитые в диссертации подход и методология полимеризации мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме носят общий характер и применимы ко всем мономерам ряда аллиламинов. Данные исследования радикальных реакций диаллиламинов в различных средах важны для понимания механизмов свободнорадикальных взаимодействий и дополняют эту область знаний.
Полученные результаты открывают возможность для создания нового семейства полимеров, проявляющих свойства как полисолей, так и полиоснований в зависимости от рН среды - катионных ПЭ на основе аллил-/диаллиламинов с достаточно высокими ММ и возможностью для химической модификации благодаря наличию функциональных групп.
Выделенные новые полиоснования - вторичные/третичные полидиаллиламины обладают рядом отличительных свойств, включая способность к образованию водо- и спиртонабухающих гелей, и представляют отдельную перспективную область исследований.
Развитый в работе новый подход, рассматривающий влияние структуры и диэлектрических свойств раствора на кинетические параметры полимеризации диаллиламмониевых мономеров, можно полагать, носит общий характер и применим к другим процессам полимеризации ионогенных мономеров. Полученные данные относительно гидрофобной гидратации диаллиламмониевых мономеров расширяют круг катионов разного типа, для которых характерна гидрофобная гидратация.
Биологическая активность ПДААС ставит важную научную задачу, касающуюся механизма их противомикробного и, прежде всего, туберкулоцидного (т.е., убивающего микобактерию туберкулеза) действия, учитывая строение наружной оболочки микобактерий, делающее их непроницаемыми для большинства известных неспецифических биоцидов.
Практическая значимость работы. Одним из важных и практически значимых свойств новых полидиаллиламинов является высокая антимикробная биоцидная активность широкого спектра действия, включая активность против микобактерии туберкулеза. Совокупность этих проявлений выделяет ПДААС из ряда известных катионных биоцидов и, на сегодняшний день, делает их уникальными среди всех известных в мире катионных неспецифических биоцидов. Изученные антимикробные свойства полидиаллиламинов, а также полученные данные относительно поведения этих полимеров в различных условиях позволяют рассматривать их в качестве перспективных дезинфектантов высокого уровня для использования в медицинской практике. В целом, получение и исследование биоцидных полимеров с первичной/вторичной/третичной структурой амина представляет новое перспективное направление в области синтеза антимикробных полимеров.
Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах работы - от выбора направления, постановки конкретных задач, планирования и проведения ключевых исследований до анализа, обобщения и литературного оформления полученных результатов. Вместе с тем, в диссертации используются данные, полученные и опубликованные в соавторстве с Д.А. Топчиевым, Н.А. Клещевой, Ю.А. Васильевой, Г.Л. Громовой, А.И. Мартыненко, М.П. Филатовой, А.К. Лященко, А.С. Лилеевым, А.Ф. Мороз, Л.В. Диденко и другими. Всем соавторам автор приносит искреннюю признательность за активное и плодотворное сотрудничество. Автор приносит глубокую благодарность ближайшей коллеге по лаборатории химии полиэлектролитов и медико-биологических полимеров ИНХС РАН, старшему научному сотруднику, к.х.н. Н.А. Клещевой за постоянное содействие в работе.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на отечественных и международных конференциях, в том числе: на международных конгрессах и симпозиумах по расчетным методам в химии (Israel 1996, Москва 1996), радикальной полимеризации (Italy 1996), макромолекулам (Korea 1996, Prague 1999), химии растворов (Slovenia 2005, Суздаль 2007, Austria 2009) и диэлектрическим свойствам растворов (France 2008); на Европейских полимерных конгрессах (Stockholm 2003, Москва 2005), Всероссийских Каргинских конференциях (Москва 2004, 2007 и 2010), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва 2007), Х Всероссийской конференции по структуре и динамике молекулярных систем (Яльчик 2003), научных конференциях ИНХС РАН (Москва 1997, 1999, 2003 и 2009).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 48 научных публикациях, включая 18 статей в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 2 патента и 28 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения (с кратким обзором литературы и постановкой задачи), четырех глав, содержащих критический анализ литературы, изложение результатов, их обсуждение и заключение, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (225 наименований). Диссертация изложена на 223 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 20 таблиц.
