Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор 5
1. Синтез дендримеров и их основные классы 5
2. Структура и свойства молекул дендримеров 13
3. Ионизационное равновесие в растворах полипропилениминовых дендримеров 34
4. Интерполиэлектролитные реакции с участием дендримеров . 41
Экспериментальная часть 49
1. Объекты исследования 49
2. Методы исследования 50
Результаты и их обсуждение 54
1. Интерполиэлектролитные комплексы анионных сеток с дендримерами 54
2. Коллапс полиэлектролитных сеток при взаимодействии с дендримерами 75
3. Кинетика и механизм сорбции дендримеров противоположно заряженными сетками 92
4. Особенности структурной организации поликомплексных гелей 111
Выводы 118
Список литературы 120
- Структура и свойства молекул дендримеров
- Интерполиэлектролитные реакции с участием дендримеров
- Коллапс полиэлектролитных сеток при взаимодействии с дендримерами
- Кинетика и механизм сорбции дендримеров противоположно заряженными сетками
Введение к работе
В последние годы значительное внимание исследователей привлекает
изучение активированного транспорта линейных синтетических и
природных полиэлектролитов - ДНК, белков, полисахаридов в
противоположно заряженных сильно набухающих полиэлектролитных
сетках. Такие исследования важны как для моделирования активированного
транспорта природных полиэлектролитов в биологических средах, так и для
конструирования новых функциональных (ферментативных,
диагностических) полиэлектролитных материалов, систем для контролируемого выделения физиологически активных соединений, в особенности высокомолекулярных.
Использование в качестве пенетрантов дендритных полиионов представляет интерес для изучения особенностей переноса компактных частиц в противоположно заряженных полиэлектролитных гелях. Кроме того, исследование взаимодействий с химически комплементарными макромолекулами важно и для более глубокого понимания строения и свойств самих дендримеров. Дендримеры - особый класс полимеров, молекулы которых представляют собой регулярно разветвленные, высокоупорядоченные макромолекулы, построенные по закону непрерывно ветвящегося дерева. Благодаря регулярному строению, монодисперсности, легко задаваемой при синтезе функциональности, дендримеры за последние 20 лет стали одним из популярных объектов химии полимеров. Основной интерес исследователей в этой области фокусируется на вопросах, касающихся внутренней структуры дендримеров, их конформационной подвижности, проницаемости для различных соединений, в том числе и высокомолекулярных. Применительно к ионогенным дендримерам это в первую очередь связано с изучением их взаимодействия с противоположно заряженными макромолекулами и частицами различной природы.
Данная работа посвящена исследованию равновесия, кинетики и механизма сорбции полипропилениминовых дендримеров пяти генераций анионными гелями, а также изучению структурной организации и свойств продуктов сорбции - поликомплексных гелей.
Структура и свойства молекул дендримеров
Изучение пространственной структуры молекул является важным этапом в развитии химии дендримеров. Несмотря на то, что в этой области на сегодняшний день опубликовано достаточно большое количество экспериментальных и теоретических работ, исследования в данном направлении ведутся и сейчас, а вопрос о внутреннем устройстве молекул дендримеров до сих пор является дискуссионным.
Одной из первых теоретических работ, в которых были рассмотрены такие вопросы, как форма дендримерных молекул, распределение плотности звеньев, расположение концевых групп, была публикация ДеЖенна и Хервета [17]. Авторами рассмотрена модель молекулы дендримера с гибкими фрагментами между точками ветвления, в которой мономерные звенья, принадлежащие к определенной генерации, находятся в концентрических областях, расположенных вокруг центра молекулы. Показано, что молекула дендримера может расти только до некоторой определенной генерации, т.е. существует такой предельный размер, после достижения которого имеющегося пространства становится уже не достаточно для присоединения повторяющихся звеньев к точкам ветвления. Рост массы молекулы с увеличением числа генераций описывается степенной функцией, в то время как занимаемый объем - кубической. Плотность звеньев (отношение массы к объему) в определенный момент достигает такого значения, что дальнейший рост молекулы оказывается невозможным. ДеЖенном и Херветом было получено радиальное распределение плотности звеньев, которая минимальна в центре и монотонно возрастает по направлению к периферии, достигая максимума во внешнем слое молекулы. Все концевые группы располагаются на периферии молекулы. Данная модель получила название dense shell - модель с плотной оболочкой.
Однако, дальнейшие теоретические исследования предсказали обратный результат. Так, в работе [18] описано моделирование процесса роста дендримерных молекул с трифункциональным разветвляющим центром и гибкими спейсерами различной длины. Для каждой из полученных молекул дендримера в рамках кинетической модели было рассчитано распределение плотности звеньев внутри частицы и расположение концевых групп. Согласно проведенным расчетам, молекулы дендримеров представляют собой достаточно компактные структуры, плотность звеньев в которых максимальна в центре и монотонно снижается к периферии. Такая модель строения молекулы дендримера получила название dense core - молекула с плотным ядром.
Похожие результаты уже для равновесного состояния дендримерных молекул были получены методами Монте-Карло и молекулярной динамики в работах [19, 20]. Авторы показали также, что далеко не все концевые группы находятся во внешнем слое молекулы, напротив - они распределены по всей внутренней сфере молекулы и некоторые из них даже могут быть обнаружены в непосредственной близости от ее ядра. На рис. 1 приведено распределение плотности вещества в модельной молекуле для дендримеров семи генераций. Видно, что плотность звеньев максимальна в центре и снижается по направлению к периферии. В молекулах дендримеров высших генераций имеются пустоты, области с минимальной плотностью звеньев, при этом, как показывают расчеты, ближайшие к центру мономерные звенья вытянуты таким образом, чтобы молекула занимала максимально возможный объем, а мономерные звенья, расположенные ближе к периферии, обращены внутрь и поджаты [19].
Поскольку для предполагаемых практических применений дендримеров более предпочтительной является структура с полой внутренней областью, авторами представлены теоретические рассуждения о возможности создания таких структур. Так, одним из способов, позволяющих контролировать структуру, может быть введение в молекулу зарядов, а также использование эффекта сегрегации. Можно представить себе и молекулу, первые 5-8 генераций которой построены из очень жестких мономеров и образуют сердцевину, имеющую полости, а далее присоединены гораздо более гибкие звенья, которые формируют плотную оболочку.
Все вышеописанные теоретические рассмотрения проводились для молекул, не имеющих синтезированных аналогов. Одной из первых работ, посвященных молекулярному моделированию реальных, синтезированных молекул дендримеров, была публикация Нэйлора [22], в которой проводилось моделирование полиамидоаминовых (ПАМАМ) дендримеров 1-7 генераций. Было показано, что низшие генерации представляют собой достаточно открытые «куполообразные» структуры, в то время как молекулы высших генераций являются плотными, сферообразными, содержащими внутренние пустоты, заполненные растворителем и соединенные между собой каналами. Переход от развернутой к компактной конформации наблюдается между третьей и четвертой генерациями. В подтверждение этому в работе [23] приведены модели молекул ПАМАМ дендримеров 3-ей и 4-ой генераций. Молекула дендримера 3 генерации имеет достаточно открытую, ассиметричную структуру, в то время как молекула дендримера 4-ой генерации боле плотная, а ее форма приближается к сферической.
Интерполиэлектролитные реакции с участием дендримеров
Еще одним способом изучения структуры и свойств полиэлектролитных дендримеров может быть исследование их взаимодействий с противоположно заряженными линейными полиэлектролитами. Впервые в работе [68] было изучено взаимодействие ПАМАМ дендримеров с концевыми карбоксильными группами и гибкоцепного линейного поликатиона — полидиметилдиаллиламмоний хлорида. Методами турбидиметрического, потенциометрического титрования и светорассеяния [69, 70] было показано, что смешение растворов дендримера и линейного полииона в нейтральной и щелочной средах приводит к образованию нерастворимых комплексов. Такие поликомплексы стабилизированы солевыми связями, так как при подкислении системы, т.е. при переходе в область рН, в которой карбоксильная группа находится в протонированном состоянии, осадок комплекса растворяется. Растворение комплекса происходит и в концентрированных растворах NaCl, что также подтверждает электростатическую природу связывания. Однако в вышеописанных исследованиях использовались дендримеры, несущие заряженные группы лишь на поверхности частицы, т.е. взаимодействие с противоположно заряженным линейным полиэлектролитом в данном случае ограничивалось только поверхностью дендримерной частицы. В этом смысле гораздо более информативными оказались исследования интерполиэлектролитных реакций полипропилениминовых дендримеров с линейными полианионами [71]. Полипропилениминовые дендримеры, будучи поликатионами, способны взаимодействовать с противоположно заряженными полиэлектролитами, а молекулы таких дендримеров содержат протонируемые аминогруппы не только на поверхности, но и во всем объеме частицы. Основной задачей при изучении взаимодействий полипропилениминовых дендримеров с линейными полианионами было выяснение вопроса о возможности проникновения линейной цепи в объем молекулы дендримера и о доступности внутренних аминогрупп для взаимодействий с цепями линейного полиэлектролита.
Тот факт, что дендример является слабым поликатионом, позволил исследовать равновесие реакции методом потенциометрического титрования. Авторы использовали методологию, развитую ранее для изучения интерполиэлектролитных реакций между двумя противоположно заряженными линейными полиэлектролитами [72]. Оказалось, что полипропилениминовые дендримеры 1-ой - 5-ой генераций способны образовывать комплексы с линейными полианионами - полиакрилатом и полистиролсульфонатом натрия в тех средах, в которых оба компонента хотя бы частично заряжены. На рис. 7 приведены зависимости доли образовавшихся межцепных солевых связей 0 (отношение количества пар противоположно заряженных групп, образовавших друг с другом солевые связи, к общему количеству заряженных групп одного из взаимодействующих полиэлектролитов) от рН для системы дендример -полиакриловая кислота [71].
Видно, что образующиеся комплексы стабильны в широком интервале рН и кооперативно разрушаются при выходе за его пределы. DAB-dendr-(NH2)4-IIAK (1,Г), DAB-dendr-(NH2)8 - ПАК (2,2Л), DAB-dendr-(NH2)i6 - ПАК (3,3Л), DAB-dendr-(NH2)32 - ПАК (4,4 ), DAB-dendr-(NH2)64 - ПАК (5,5 ) и зависимость а от рН для ПАК (6), DAB-dendr-(NH2)8 (7), DAB-dendr-(NH2)i6 (8), DAB-dendr-(NH2)32 (9) в бессолевом водном растворе [71]. Более того, результаты анализа низкомолекулярных продуктов реакции свидетельствуют о том, что как внешние первичные, так и внутренние третичные аминогруппы дендримера образуют солевые связи с противоположно заряженными анионными группами линейных полиакрилата и полистиролсульфоната натрия. Другими словами, молекула дендримера оказывается полностью проницаемой для цепи линейного гибкоцепного полиэлектролита, который взаимодействует не только с поверхностью, но и с внутренней частью дендримерной частицы, как это схематически показано ниже:
Так же, как и при взаимодействии пары противоположно заряженных линейных полиэлектролитов, в системах дендример — линейный полианион возможно образование нестехиометричных водорастворимых комплексов. На рис. 8 приведена кривая турбидиметрического титрования раствора полиакрилата натрия раствором дендримера [71]. Видно, что при смешении раствора линейного полианиона и полипропилениминового дендримера раствор остается прозрачным вплоть до состава смеси (отношение суммарного количества аминогрупп дендримера к количеству анионных групп линейного полиэлектролита), равного 0.6. Кривая турбидиметрического титрования раствора IlANa раствором DAB-dendr-(NH2)4 (1), DAB-dendr-(NH2)8 (2), DAB-dendr-(NH2)i6(3), DAB-dendr-(NH2)32 (4). и DAB-dendr-(NH2)64(5) [71]. Совершенно иначе протекает взаимодействие полипропилениминовых дендримеров с жесткими полиэлектролитами, например с ДНК [73]. Дендритное строение поликатиона обуславливает тот факт, что в этом случае проницаемость частицы для цепи полиэлектролита и образование солевых связей с внутренними аминогруппами становятся невозможными. В силу своей жесткости молекула ДНК не может быть втянута внутрь дендримернои частицы, и взаимодействие ограничивается поверхностью дендримернои частицы. При эквимольном составе смеси полипропилениминовые дендримеры образуют с ДНК водонерастворимые комплексы. Однако, в таких комплексах около трети фосфатных групп ДНК не образуют солевых связей с противоположно заряженными группами дендримера, так как значительная часть аминогрупп дендримера, находящихся во внутренней сфере молекулы, оказывается недоступной для взаимодействия с участками молекулы ДНК (схема 21). Такие стехиометричные комплексы способны связывать дополнительные количества дендримера свободными фосфатными группами. Это приводит к образованию водорастворимых нестехиометричных комплексов (для дендримеров 3-ей и более высоких генераций). Растворимость таких комплексов обеспечивается за счет избыточных протонированных аминогрупп дендримера.
Коллапс полиэлектролитных сеток при взаимодействии с дендримерами
Для понимания характера коллапса сеток необходимо проследить, какие изменения претерпевает исходный образец геля в процессе его превращения в #ИПК. В этих исследованиях использовали крупные монолитные образцы анионных гелей кубической формы с длиной ребра 1-1.5 см и массой 1-3 г. Это позволяло визуально наблюдать изменения, которые происходят с образцами гелей в результате взаимодействия с химически комплементарными молекулами дендримеров, следить за изменением их массы с высокой точностью и манипулировать с ними как с крупными объектами, в частности, механически разделять их и анализировать отдельные части образцов. Преимущества и возможности получать уникальную информацию при исследовании таких образцов убедительно продемонстрированы в работе [89] при изучении фазовых превращений гелей при изменении внешних условий, например, качества растворителя. Схема III На схеме приведен внешний вид срезов исходного геля (А), частично превращенных образцов (Г и F") и конечного продукта - #ИПК (С). В случае DAB-dendr-(NH2)64, в силу особенностей кинетики реакции, которые будут рассмотрены ниже, сорбция останавливается на некоторой промежуточной стадии с образованием продуктов типа F или F\
Обратимся к рассмотрению равновесного распределения молекул дендримеров в продуктах незавершенной сорбции. Для изучения такого распределения были получены образцы поликомплексных гелей, содержащие количество дендримера, недостаточное для полного превращения в комплекс всей исходной сетки. Эксперимент проводили следующим образом: образцы анионных гелей помещали в водный раствор DAB-dendr-(NH2)xHCl, задавая соотношение общего числа первичных и третичных аминогрупп дендримера и анионных групп сетки (Z) равным 0.5. Для достижения равновесия образцы выдерживали в растворе дендримера двое суток. Далее механически отделяли внешнюю часть образца от его сердцевины (ядра), каждую из частей раздельно помещали в 1мл 0.25н раствора NaOH и выдерживали в течение суток. Выше было показано, что дендример, включенный в состав #ИПК, при рН 11.5 количественно выделяется в окружающий раствор. После инкубирования в щелочных растворах образцы вынимали ив оставшемся растворе, предварительно подкисленном до рН«3.5, определяли количество дендримера турбидиметрическим титрованием раствором nCCNa. В случае DAB-dendr-(NH2)4HC1 и DAB-dendr-(NH2)8HCl концентрацию дендримера в растворе определяли также методом потенциометрического титрования. Результаты измерений для системы, #nAMriCNa - DAB-dendr-(NH2)xHCl приведены в табл. 7.
Из представленных в таблице данных видно, что дендример первой генерации равномерно распределен между внешним и внутренним слоями. В то же время в случае дендримеров 2-ой - 4-ой генераций ситуация совершенно другая. Как видно из таблицы 7, внутренняя часть частично превращенных образцов практически не содержит дендримера, по крайней мере, его количество меньше определяемого экспериментально. Практически весь DAB-dendr-(NH2)xHGl (х = 8, 16, 32) содержится во внешнем слое образца. Такое же различное для первой и высших генераций распределение молекул дендримеров наблюдается и в продуктах взаимодействия DAB-dendr-(NH2)xHCl с гелем #lTANa. Существенно, что обе сосуществующие макроскопические фазы - периферийная фаза #ИПК и внутренняя сильно набухшая фаза исходного геля, не перемешиваются, и граница между ними не размывается и не смещается.
Ситуация остается такой же и при достаточно длительном (более месяца) выдерживании частично превращенных образцов (типа F или F" на схеме III) в воде. Об этом прямо свидетельствуют результаты анализа распределения DAB-dendr-(NH2)8HCl, DAB-dendr-(NH2)i6HCl и DAB-dendr-(NH2)32HC1 в продуктах незавершенной сорбции, инкубированных в воде в течение месяца — и в этом случае при измерении количества дендримера во внутренней и внешней частях образца оказалось, что практически весь дендример содержится в оболочке. Отсюда следует важный вывод о том, что неоднородное распределение дендримеров высших генераций в продуктах неполной сорбции имеет термодинамическую природу и не связано с особенностями кинетики процесса сорбции, которая будет рассмотрена ниже.
Заметим, что сорбция анионными сетками дендримера первой генерации имеет, как ив случае всех остальных генераций дендримеров, фронтальный характер. Однако, с течением времени в продуктах незавершенной сорбции происходит размывание границы гель - #ИПК, в конечном итоге приводящее к равномерному распределению молекул DAB-dendr-(NH2)4 в образце геля.
Неоднородное распределение дендримеров 2-4 генерацийв поликомплексных гелях наблюдается при всех степенях завершенности сорбции, F=qD/q#n3) 0 F 1. На рис. 15 приведены зависимости отношения m/m0 от степени завершенности сорбции F для систем #ПАМПСЫа или #IIANa - полностью протонированные дендримеры 1-ой - 4-ой генераций. Здесь m - масса образца частично превращенного геля (при заданной степени сорбции F), то - масса исходного образца равновесно набухшего геля.
Кинетика и механизм сорбции дендримеров противоположно заряженными сетками
Перейдем к рассмотрению кинетики процесса сорбции. На рис. 18 и 19 приведены кинетические кривые сорбции полностью протонированных полипропилениминовых дендримеров пяти генераций слабосшитыми гелями ШАМПСЫа и #ITANa из водных бессолевых растворов. Кинетические измерения проводили следующим образом: образец равновесно набухшего геля кубической формы погружали в 0.01 осново-моль/л раствор DAB-dendr-(NH2)xHCl, задавая эквимольное соотношение между аминогруппами дендримера и отрицательно заряженными звеньями сетки. Затем через 1-2 часа образец вынимали, ив оставшемся растворе определяли концентрацию дендримера методами турбидиметрического или потенциометрического титрования (как описано в экспериментальной части). Извлеченный образец геля переносили в новую порцию 0.01 осново-моль/л раствора DAB-dendr-(NH2)xHCl и вновь через 1-2 часа определяли остаточную концентрацию дендримера в растворе. Такой режим был выбран, чтобы предотвратить слишком большое изменение концентрации при поглощении гелем дендримера, поскольку концентрация уменьшается как вследствие сорбции DAB-dendr-(NH2)32HCl, так и из-за разбавления раствора при выделении воды из образца в процессе сорбции. Эту процедуру многократно повторяли до завершения процесса сорбции.
Кинетические кривые сорбции DAB-dendr-(NH2)xHCl гелем #ITANa, m nANa lr, концентрация дендримера 0.01 осново-моль/л, Т=20С. Исходная концентрация дендримера (0.01 осново-моль/л) отвечает внутридиффузионному режиму сорбции, при котором кинетика сорбции определяется только скоростью переноса дендримерных молекул в фазе геля и не зависит от концентрации молекул пенетранта в окружающем растворе. Как видно из рис. 20, на котором приведены кинетические кривые сорбции полностью протонированного DAB-dendr-(NH2)32HCl сеткой #IIANa для трех различных концентраций дендримера, скорость сорбции перестает зависеть от концентрации дендримера в окружающем растворе при С 0,007 осново-моль/л. Аналогичные результаты были получены и для другого геля -ШАМПСШ.
Обращает на себя внимание и то, что сорбция при переходе от третьей к четвертой генерации не замедляется - кинетические кривые сорбции DAB-dendr-(NH2)i6HCl и DAB-dendr-(NH2)32HCl как гелем #ITANa, так и гелем #nAMIlCNa практически совпадают. Этот интересный и многократно проверенный факт на сегодняшний день не находит удовлетворительного объяснения и требует, по-видимому, серьезных дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Кинетика сорбции дендримера пятой генерации существенно отличается от таковой для дендримеров 1-4-ой генераций. Прежде всего это выражается в резком падении начальной скорости сорбции, что видно из сравнения кинетических кривых на рис. 18 и 19. Вместе с тем для дендримера пятой генерации в отличие от других дендримеров не удается достичь высоких значений F(t). При количестве этого дендримера, достаточном для заполнения всего образца геля, кинетические кривые сорбции выходят на предел при значениях F(t)«0.3-0.5.
Для того чтобы лучше понять наблюдаемые явления, обратимся к рассмотрению механизма переноса заряженных частиц в противоположно заряженных сетках. Основные положения этого механизма были впервые сформулированы применительно к взаимодействию линейных полиионов с противоположно заряженными гелями [94]. Было установлено, что транспорт линейных полиэлектролитов в гелях представляет собой эстафетный перенос участков линейного полиэлектролита в фазе геля по направлению от границы к центру образца, в основе которого лежит интерполиэлектролитная реакция обмена между фрагментами сетки, связанными в комплекс с линейным полиэлектролитом и свободными участками сетки, расположенными дальше от периферии образца. Ниже приведена схема такого механизма применительно к системе анионный гель - катионные дендримеры высших генераций (на примере DAB-dendr-(NH2)16). Вакансия-свободный фрагмент геля
Сосуществующими фазами являются: раствор дендримера, анионный гель и фаза #ИПК, расположенная между гелем и раствором дендримера. На границе между раствором и слоем образовавшегося комплекса происходит интерполиэлектролитная реакция соединения молекул дендримера и звеньев сетки, сопровождающаяся образованием нового продукта —ИПК. При взаимодействии полностью заряженных дендримеров и сетки образуется стехиометричный #ИПК. Интерполиэлектролитная реакция соединения является движущей силой процесса сорбции дендримера сеткой. Соответственно, проникновение дендримерных молекул в сетку и их движение от периферии образца, т.е. от границы #ИПК - раствор по направлению к центру образца, является химически активированным транспортом. Очевидно, что анализ ситуации, складывающейся на границе между раствором дендримера и образовавшимся на поверхности образца #ИПК, недостаточен для понимания процесса переноса молекул дендримера в геле. Возможность такого переноса и, соответственно, увеличение протяженности фазы комплекса, прямо связана с явлениями, протекающими на внутренней межфазной границе между #ИПК и исходным непрореагировавшим гелем. Дендримерные молекулы, включенные в состав #ИПК, на этой границе находятся в контакте с анионным гелем.