Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 9
2.1. Амфифильные полимеры. Основные понятия и характеристики 9
2.1.1. Строение амфифильных полимеров 9
2.1.2. Самоорганизация амфифильных полимеров 12
2.1.3. Движущие силы самоорганизации 14
2.2. Наночастицы на основе амфифильных полимеров 16
2.2.1. Полимерные мицеллы 16
2.2.2. Нанокапсулы и наночастицы 18
2.2.3. Липосомы. Модификация полимерами 19
2.3. Применение полимерных наносистем в биомедицинских целях 21
2.3.1. Общие требования, предъявляемые к полимерам, входящим в лекарственные системы 21
2.3.2. Требования, предъявляемые к наноразмерным полимерным системам доставки БАВ 25
2.3.3. Поведение полимерных наносистем в организме 29
2.3.4. Потенциальные области применения полимерных наночастиц в качестве систем доставки БАВ 32
3. Обсуждение результатов 40
3.1. Обоснование выбора метода синтеза амфифильных полимеров N-винилпирролидона и акриламида 40
3.2. Синтез амфифильных полимеров N-винилпирролидона и акриламида 57
3.2.1. Полимеризация N-винилпирролидона 57
3.2.2. Полимеризация акриламида 63
3.3. Синтез функциональных производных амфифильных полимеров N-винилпирролидона и акриламида 71
3.3.1. Синтез амфифильных полимеров N-винилпирролидона, содержащих боковые эпоксидные группы 71
3.3.2. Синтез амфифильных полимеров N-винилпирролидона, содержащих аминокислотные остатки 74
3.3.3. Синтез полимерных металлокомплексов 77
3.3.4. Синтез амфифильных полимеров акриламида, содержащих боковые аминогруппы 82
3.4. Исследование строения и свойств синтезированных амфифильных полимеров 83
3.4.1. Растворимость амфифильных полимеров 83
3.4.2. Определение критической концентрации агрегации амфифильных полимеров N-винилпирролидона 86
3.4.3. Характеристика полимерных наночастиц 89
3.4.4. Возможность модификации липидных слоев 90
3.5. Возможность использования функциональных амфифильных полимеров N-винилпирролидона и акриламида в медико-биологических областях 91
3.5.1. Токсичность полимеров 91
3.5.2. Индукция интерферона 93
3.5.3. Использование полимеров в качестве носителей ДНК 95
3.5.3. Адъювантная активность 96
4. Экспериментальная часть 98
4.1. Исходные реагенты 98
4.2.1. Синтез хлорангидрида стеариновой кислоты 103
4.2.2. Синтез полимеров N-винилпирролидона и акриламида в присутствии хлорангидрида стеариновой кислоты 103
4.2.3. Синтез эпоксидированного ПВП (ЭПВП) 104
4.2.4. Синтез сополимера N-винилпирролидона и аллилглицидилового эфира (исходное соотношение 80:20 мол.%) 105
4.2.5. Модификация эпоксидированного поливинилпирролидона (ЭПВП) аминокислотами 106
4.2.6. Реакция сополимера N-винилпирролидона и аллилглицидилового эфира с аминокислотами 106
4.2.7. Реакция модифицированного эпоксидированного амфифильного поливинилпирролидона, содержащего аминокислотные остатки с солями металлов (хлоридами кобальта и меди) 107
4.2.8. Синтез амфифильных полимеров акриламида, содержащих боковые аминогруппы 108
4.3. Методы анализа и исследование реакций 109
4.3.1. Изучение кинетики полимеризации N-винилпирролидона в присутствии хлорангидрида стеариновой кислоты 109
4.3.2. Исследование возможности взаимодействия акриламида с хлорангидридом стеариновой кислоты 111
4.3.3. Определение молекулярной массы, полученных амфифильных полимеров 111
4.3.4. Определение количества эпоксидных групп методом потенциометрического титрования 112
4.3.5. Анализ полимера, содержащего аминокислотные группы 113
4.3.6. Определение критической концентрации мицеллообразования 114
4.3.7. Исследование с помощью монослойной техники структурной организации липидных и смешанных полимер-липидных мембран 114
4.3.8. Методы исследования свойств низкомолекулярных и полимерных соединений 115
4.4. Биологические исследования 116
4.4.1. Исследование цитотоксичности полимеров 116
4.4.2. Подговка клеток для исследований 117
4.4.3. Исследование антиген-специфической и поликлонально индуцированной пролиферации 117
Выводы 119
Список литературы 121
- Строение амфифильных полимеров
- Поведение полимерных наносистем в организме
- Полимеризация N-винилпирролидона
- Синтез хлорангидрида стеариновой кислоты
Введение к работе
Актуальность исследования. В последние несколько десятилетий заметно вырос интерес к наноразмерным материалам, как новому поколению фармацевтически перспективных систем.
Типичными и достаточно хорошо исследованными наноразмерными структурами, нашедшими применение, в том числе в фармацевтической технологии, являются липосомы, представляющие собой мицеллярпые водосовместимые системы на основе липидов. Липосомы могут быть эффективно использованы для лиофилизации плохо растворимых в воде препаратов и пролонгирования их действия за счет иммобилизации в липосомальных структурах.
В то же время, несмотря на свою привлекательность при использовании в качестве носителей лекарственных препаратов, основывающуюся на безвредности липидов и их высокой способности к самоагрегации, липосомы имеют ряд существенных недостатков.
В первую очередь это относится к недостаточной устойчивости липосом в среде биологических жидкостей, их склонности к захвату клетками ретикуло-эндотелиальной системы, наконец, высокой стоимости липидов и их неустойчивости при хранении.
Наиболее широко используемым методом устранения этих недостатков липосом является модификация липосомальных мембран водорастворимыми амфифильными полимерами, содержащими в структуре гидрофильные и гидрофобные блоки. Такие полимеры, встраиваясь гидрофобными фрагментами в липидные оболочки, образуют на поверхности липосом слой гидрофильных фрагментов, защищающих их от разрушающих воздействий.
В настоящее время основным типом амфифильных полимеров, применяемых для модификации липосом, являются амфифильные производные полиэтиленоксида - относительно низкомолекулярный полиэтиленгликоль,
содержащий одну или две концевые гидрофобные группы, и блоксополимеры полиэтилен- и полипропиленоксидов (плюроники).
Существенно, что амфифильные полимеры способны образовывать агрегированные наноразмерные структуры, которые представляют самостоятельный интерес. Причем, варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, удается эффективно управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения наносистем различного строения.
Можно отметить ряд областей использования наносистем на основе амфифильных полимеров, например, фармацевтическую химию, хроматографию, процессы эмульсионной полимеризации, косметологию, биотехнологию, биохимию.
Однако ряд недостатков агрегатов на основе полиэтиленоксида ограничивает их эффективность. Среди таких недостатков можно отметить сложности дополнительной функционализации таких полимеров, что затрудняет возможность введения в них группировок-векторов, обеспечивающих транспорт всей системы к пораженному органу. С другой стороны, до сих пор окончательно не ясны аспекты токсикологии полимеров этиленгликоля.
Все это определило необходимость поиска альтернативных амфифильных полимеров, которые могут быть использованы для создания функционализованных липосомальных мембран и агрегатов.
В данной работе для создания таких систем были использованы производные поли-Ы-винилпирролидона (ПВП), который широко используется в качестве компонента различных лекарственных систем.
Однако, к началу данной работы функциональные амфифильные полимеры карбоцепных водорастворимых полимеров, в первую очередь поли-N-винилпирролидона (ВП), разработаны не были.
Поэтому данная работа была направлена на разработку метода синтеза амфифильных производных полимеров N-винилпирролидона, содержащих дополнительные функциональные группы, их исследование и выявление
возможности применения. Определенное внимание в работе было уделено также синтезу и исследованию функциональных амфифильных полимеров акриламида (АА).
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка методов синтеза амфифильных полимеров винилпирролидона и акриламида, способных к образованию самоорганизующихся в водных растворах наноразмерных систем и содержащих боковые функциональные группы в полимерном фрагменте, исследование их свойств и первичное изучение биологической активности разработанных полимеров.
Научная новизна.
Показано, что радикальная полимеризация N-винилпирролидона и акриламида в присутствии инициатора радикальной полимеризации (азодиизобутиронитрила) и хлорангидрида длинноцепной монокарбоновой кислоты (на примере стеароилхлорида (ХАСК)) приводит к получению новых водорастворимых низкомолекулярных амфифильных поли-Ы-винилпирролидона и полиакриламида, содержащих один концевой стеароильный фрагмент, связанный с основной цепью кетонной группой.
Разработаны методы синтеза новых функциональных амфифильных полимеров, содержащих боковые функциональные группы в полимерном фрагменте - эпоксидные и аминокислотные - для амфифильного поли-N-винилпирролидона и третичные аминные - для амфифильного полиакриламида. С использованием модифицированной реакции Дарзана разработан метод синтеза амфифильных полимеров N-винилпирролидона, содержащих боковые эпоксидные группы, на основе которых могут быть получены биологически активные аминокислотные производные и их комплексы с переходными металлами.
Установлено, что такие функциональные амфифильные полимеры образуют в водных системах организованные наноразмерные структуры.
Показано, что амфифильные полимеры с боковыми аминокислотными группами обладают адъювантной активностью при комплексовании с гаптенами, а их комплексы с переходными металлами являются индукторами интерферона. Установлено, что аминосодержащий амфифильный полиакриламид образует комплексы с нуклеиновыми кислотами.
Практическая значимость. Показано, что полученные функциональные амфифильные полимеры N-винилпирролидона и акриламида могут быть использованы в качестве носителей биологически активных веществ и систем с собственной биологической активностью.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ - 2004» (Москва, 2004); Всероссийской конференции «Молодые ученые и инновационные химические технологии» (Москва, 2007); Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» и «Ломоносов-2007» (Москва, 2005 и 2007); 4-ом международном конгрессе «Biotechnology: State of the art and prospects of development» (Москва, 2007); международных конференциях 11- W. Mejbaum-Katzenellenbogen's Molecular Biology Seminars on Amphiphiles and Their Supramelecular Aggregates in Basic and Applied Science (Вроцлав, Польша, 2005); «New Polymers and Radioprotectors for Biology and Medicine» (Ереван, Республика Армения, 2007).
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 10 печатных работах, в том числе, 3 статьях в журналах и сборниках, 7 тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 133 страницах, состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка литературы; содержит 10 таблиц, 26 рисунков, 128 библиографических ссылок.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
Строение амфифильных полимеров
Типичная амфифильная молекула полимера (от греч. «амфи», означающего «с двух сторон», и фило - «любящий») [1] содержит в своем составе достаточно длинные гидрофильную и гидрофобную части.
Полимеры, имеющие дифильное строение, получают полимеризацией мономеров различных типов (обычно двух) или последующей модификацией водорастворимого полимера по функциональным группам. В зависимости от способа получения амфифильные молекулы полимеров могут иметь различное строение, например, блок-сополимеры состоят из блока(ов) одного вида гомополимера, присоединенного к блоку(ам) другого вида [2]. При этом блочные полимеры могут быть трех основных видов: диблочные, триблочные, и с концевой гидрофобной группой. Мультиблочные макромолекулы могут иметь регулярное или случайное чередование блоков.
В зависимости от наличия заряда в гидрофильном блоке макромолекулы амфифильные полимеры могут быть ионными (полиэлектролиты) и неионными. В качестве неионного гидрофильного фрагмента в большинстве рассматриваемых в настоящее время амфифильных полимеров используются блоки полиэтиленоксида (ПЭО) [2]. В ряде случаев наряду с блоками полиэтиленоксида для введения в полимер гидрофобных фрагментов в полимер вводят блоки других алкилеоксидов - полипропиленоксида (ППО) и полибутиленоксида (ПБО) [3,4]. Сополимеры ПЭО и ППО объединены торговым названием Плюроники, а сополимеры ПЭО и ПБО - Синпероники [5,6].
Реже в качестве неионных гидрофильных блоков, придающих амфифильным полимерам растворимость в воде, в отдельных работах используют также фрагменты поливинилового спирта, полиакриламида, поливинилпирролидона. Ионные амфифильные блок-сополимеры могут быть анионными или катионными. В случае анионных дифильных молекул заряженные блоки представлены полиакриловой кислотой, полиметакриловой кислотой, полималеиновой кислотой и другими кислотами. Для синтеза амфифильных полимеров они сочетаются с неионными блоками полистирола, полиметилметакрилата или полиизобутилена.
При получении положительно заряженных амфифильных макромолекул носителями заряда обычно выступают протонированные третичные амины, у которых степень ионизации зависит от рН среды. Примерами таких катионных полиэлектролитных блоков могут служить поли(2-винилпиридин), поли[2(диметиламино)этилметакрилат], полиимины различного строения.
В большинстве случаев в качестве гидрофобных фрагментов амфифильные полимеры содержат блоки или длинноцепные группы с алифатическими последовательностями или ароматическими углеводородными радикалами. Для ПЭО можно привести следующий перечень гидрофобных составляющих амфифильных полимеров (по возрастанию гидрофобности): L-лизин, Р-бензоил-Ь-аспартат, у-бензоил-Ь-глутамат, капролактон. Разумеется, круг используемых полимеров приведенными примерами не исчерпывается. Основными методами получения таких амфифильных полимеров на основе ПЭО является анионная полимеризация или же радикальная полимеризация с использованием различных инициаторов. Все эти методы позволяют получить полимеры с молекулярной массой (l-lOO)xlO , а также с различным гидрофильно-гидрофобным балансом.
К настоящему времени синтезировано большое количество блок-сополимеров с самой разнообразной архитектурой, которые были реализованы при создании амфифильных полимеров [7].
Примерами блочных амфифильных полимеров может служить большое количество различных блок-сополимеров, например: полиэтиленоксид (ПЭО) -полилактид [8], ПЭО - полиф-бензил-Ь-аспартат) [9], полиэтиленоксид (ПЭО) -поли-є-капролактон (PCL) [10], ПЭО - полипропиленоксид (ШЛО) [11].
Отдельной группой амфифильных полимеров являются полимеры, содержащие в качестве гидрофильного фрагмента полимерную цепь из гидрофильных мономерных звеньев, а в качестве гидрофобного фрагмента длинноцепные алифатические радикалы. Примерами амфифильных полимеров, имеющих такое строение, могут служить системы (ПЭО) - диациллипид, ПЭО -алкилфосфатидилэтаноламин [12], полимеры поливинилпирролидона и полиакриламида с одной концевой гидрофобной группой [13]. Молекулы полимеров, содержащие жирнокислотные остатки, являются амфифильными, так как имеют большую гидрофильную часть и короткую, но сильно гидрофобную часть.
Свойства амфифильных полимеров определяются химическим строением и гидрофильно-гидрофобным балансом их макромолекул. В зависимости от гидрофильно-гидрофобного баланса такие сополимеры могут быть как масло- , так и водорастворимыми, в связи с чем можно выделить два класса полимеров: иономеры и гидрофобно-модифицированные полимеры [14].
Поведение полимерных наносистем в организме
Внутривенное введение. Транспорт внутривенно вводимых полимерных наночастиц состоит из последовательных стадий циркуляции в плазме крови, экстравазации - перехода из плазмы в интерстициальную (межклеточную) жидкость, перехода из интерстициальной жидкости в лимфу и возврата в плазму.
При этом на процесс перемещения наночастиц влияет их проницаемость через стенки сосудов, которая уменьшается с увеличением размера наночастиц до тех пор, пока их размер не достигнет критического значения - около 20 нм.
Выведение полимерных наночастиц из циркуляции может определяться захватом клетками ретикуло-эндотелиальнои системы, связыванием с внеклеточным матриксом и рецепторами клеточной поверхности, а также фильтрацией через почки [58] и зависит от структуры системы, а также от заряда функциональных групп полимера [59]. Экстравазация, захват частиц клетками ретикуло-эндотелиальнои системы и клиренс (проникновение) полимеров через почки - независимые процессы. При этом переход в лимфу, связывание с компонентами интерстициальной жидкости и захват клетками в интерстициальном пространстве и лимфатических узлах зависят именно от экстравазации. Таким образом, продолжительность циркуляции в значительной степени определяется проницаемостью сосудов.
С этой точки зрения частицы можно подразделить на два класса, определяемые размером частиц, влияющим на проникновение через стенки сосудов - неэкставазирующие и экстравазирующие.
В отдельных случаях на ускорение клиренса наночастиц может оказывать влияние их кооперативное связывание с тканями. В этом случае более крупные наночастицы могут проникать через почечные фильтры быстрее, чем более мелкие и даже макромолекулы при близком химическом строении [60].
Так, обнаружено, что отдельные макромолекулы декстрана циркулируют более долгое время и взаимодействуют с фагоцитами в значительно меньшей степени, чем полимерные наночастицы, покрытые декстраном [58].
При внутривенном введении реализуются типичные преимущества иммобилизованных систем - повышение биодоступности, уменьшение токсичности препаратов, а главное, пролонгированность действия в организме и, в том числе, увеличение продолжительности циркуляции в кровотоке.
В работе [61] показано, что внутривенное введение кроликам ципрофлоксацина, включенного в ПН из полиизобутилцианоакрилата, приводит к увеличению времени его циркуляции в кровотоке в 10 раз, снижая при этом в несколько раз цитотоксическое действие препарата.
Радиоактивномеченные С поли(гексадецил-цианоакрилатные) наночастицы, модифицированные ПЭГ, после внутривенного введения обладают значительно большим временем циркуляции, по сравнению с немодифицированными частицами [62]. Более длительная циркуляция наблюдалась также для препарата Camptosar (наночастицы на основе ПЭГ и фосфолипидов SN-38). Так, спустя 3 часа после его внутривенного введения в кровотоке все еще детектировали активную форму соединения [63]. Внутривенно вводимые ПН также хорошо себя зарекомендовали в биомедицинской диагностике. Например, радиотомографические исследования экспериментальных животных после назального и внутривенного введения наночастиц «Biovector» показали быстрое выведение препарата через почки [64]. Наночастицы хитозана, сшитые глутаровым альдегидом с включенным лекарственным веществом, показали высокую стабильность в кровотоке и позволили проанализировать распределение данных частиц в органах и тканях [65].
Пероральное применение. Пероральное введение является простейшим способом доставки лекарственных средств. Пероральное применение полимерных наночастиц может быть использовано в случае заболеваний пищеварительной системы.
Иммобилизация в наночастицы играет важную роль для лекарственных веществ, активно разрушаемых желудочной средой, таких, как инсулин, гепарин и некоторые антибиотики. В этом случае наночастица как носитель защищает иммобилизованное вещество от действия пищеварительных ферментов. Показано, что мицеллы при включении в них лекарственных препаратов, и пероральном их применении, способны проникать через слизистую кишечника [66]. Интересным является то, что смешанные мицеллы способны улучшать биодоступность не только липофильных лекарственных средств (которые имеют сродство к гидрофобному ядру мицеллы), но также и полярных веществ, включая такие молекулы как пептиды и белки. Было продемонстрировано, что смешанные мицеллы, состоящие из жирных кислот и синтетических ПАВ, способствуют абсорбции в кишечнике и лимфатической доставке плохо абсорбируемых полярных компонентов лекарственных средств, таких как циклоспорин. В работе [67] показана высокая эффективность перорального применения циклоспорина-А, включенного в Cremophor EL (полимерная наночастица на основе полиоксиэтилированного касторового масла). Авторы работы [68] показали повышение поглощения в толстой кишке человека таких препаратов как 5-фтороурацил, метатрексат и винкристин, включенных в сшитые полимерные липосомальные оболочки.
Пероральное применение наночастиц из поликапролактона и полимолочной кислоты, содержащих в качестве БАВ циклоспорин, привело к его накоплению в печени. Концентрация перорально вводимого циклоспорина при этом составляла 5 мг/кг, а размер вводимых наночастиц 160 нм [69].
Как уже упоминалось ранее, полимерные наночастицы могут быть использованы для доставки различных фармацевтических, а также диагностических и терапевтических средств. При этом в каждом конкретном случае система доставки должна обладать набором свойств, присущих данному препарату.
Так, например, системы для диагностических целей должны обладать не очень высокой способностью к солюбилизации, в то время как для препаратов терапевтического применения необходима максимально возможная концентрация лекарственною препарата в полимерной системе. Также одним из важных свойств, исходя из которого определяется область применения полимерных наночастиц, является их размер.
Полимеризация N-винилпирролидона
Как было отмечено ранее, молекулярный вес полимеров, использующихся для биомедицинских целей, является важнейшим условием применения макромолекулярных соединений. Существует два основных подхода к регулированию молекулярной массы полимеров - радикальная полимеризация мономера в присутствии регуляторов молекулярной массы и фракционирование полученного полимера. Наиболее простым и чаще используемым является первый подход.
В данной работе для получения полимеров N-винилпирролидона с заданным значением молекулярной массы, содержащих концевые гидрофобные группы, проводили радикальную полимеризацию мономера в присутствии инициатора - азодиизобутиронитрила (ДАК) и передатчика цепи (регулятора роста цепи) - хлорангидрида. В качестве регулятора роста цепи был выбран хлорангидрид стеариновой кислоты. Последнее определялось необходимостью синтеза амфифильных полимеров, способных к самоорганизации в растворе, что определяется наличием в полимерах длинноцепных гидрофобных концевых фрагментов.
Для выявления оптимальных условий синтеза полимеров N-винилпирролидона и акриламида с заданными характеристиками была проведена полимеризация этих мономеров с варьированием основных условий полимеризации (концентрация мономеров, инициатора и регулятора, температура реакции).
При синтезе амфифильного поли-ТЧ-винилпирролидона реакцию проводили в среде сухого диоксана в пробирках с притертыми пробками, заполненных аргоном. После проведения реакции образовавшийся полимер осаждали в диэтиловый эфир, отмывали осадителем, сушили в вакууме. После этого очистку амфифильного полимера проводили диализом в течение суток. По окончании диализа содержимое диализных мешков сушили лиофильно, а затем в вакуумном пистолете.
Как видно, зависимость имеет экстремальный характер. Возрастание выхода и молекулярной массы при увеличении концентрации мономера до оптимальной определяется большей возможностью соударения растущей полимерной цепи и молекул мономера в условиях наличия конкурирующих процессов обрыва цепи.
Дальнейшее повышение концентрации мономера приводит к возрастанию вязкости реакционной среды, уменьшению подвижности растущих радикалов, затруднению диффузии молекул мономера, а также к возрастанию роли процессов, приводящих к обрыву цепи. Кроме того, повышение концентрации нарушает изотермичность процесса, затрудняет отвод тепла из реакционной смеси, что приводит к появлению местных перегревов и деструкционных процессов. Эти факторы понижают молекулярную массу и выход. Возможно, на снижение выхода и молекулярной массы синтезируемого полимера при высоких концентрациях мономера, влияет также возрастание доли рекомбинации первичных радикалов, подход которых к молекулам мономеров в условиях возрастающей вязкости системы диффузионно затруднен.
Повышение концентрации инициатора приводит к возрастанию выхода полимера до оптимальных количеств инициатора (1-1,5 мол.%). Дальнейшее повышение количества введённого инициатора приводит к снижению выхода полимера.
Уменьшение выхода полимера при сравнительно высоких концентрациях инициатора, возможно, объясняется образованием в системе некоторого количества неамфифильного полимера, который уходит через диализную мембрану. Молекулярная масса полимера при увеличении количества инициатора, как и следовало ожидать, снижается.
Проведение реакции полимеризации при различных температурах показало, что выход выделяемых продуктов с повышением температуры до 70-90 С растёт (Рис. 13). С другой стороны, их молекулярная масса при этом падает.
Повышение выхода полимера в начальном диапазоне температур объясняется стандартными причинами. Так, в связи с тем, что энергия активации реакции инициирования велика по сравнению с энергией активации реакции роста и обрыва цепи, повышение температуры значительно больше влияет на инициирование, чем на рост и обрыв. Вследствие этого скорость инициирования возрастает. Увеличение скорости инициирования сопровождается возрастанием концентрации свободных радикалов, что приводит к ускорению всех элементарных актов полимеризации, в том числе и скоростей обрыва. Кроме того, повышение температуры усиливает реакции передачи цепи, реакции деструкции. Это находит отражение в увеличении доли низкомолекулярных фракций.
Амфифильный полиакриламид (ПАА) также синтезировали полимеризацией в растворе в присутствии хлорангидрида стеариновой кислоты (ХАСК). В качестве растворителя использовали диоксан, инициатор -азодиизобутиронитрил (ДАК). Реакцию проводили в пробирках с притертыми пробками в атмосфере аргона. Пробирки помещали в термостат при определённой температуре на требуемое время. По истечении заданного времени выпавший осадок полимера отфильтровывали на фильтре Шотта, промывали этиловым спиртом, экстрагировали этанолом. После этого очистку амфифильного полимера проводили диализом в течение суток. По окончании диализа содержимое диализных мешков сушили лиофильно, а затем в вакуумном пистолете. Для этой серии опытов, также как и в случае амфифильного поли-N-винилпирролидона, были выявлены зависимости выхода и молекулярной массы образующихся полимеров путем варьирования основных параметров полимеризации. На Рис. 15 показано влияние на выход и молекулярную массу амфифильного полиакриламида увеличения в исходной реакционной смеси концентрации мономера при сохранении постоянного соотношения количеств мономера, инициатора и регулятора. На этом графике заметно наличие оптимального значения концентрации -примерно 50 масс.%, при уменьшении или повышении которого выход ПАА снижается. Наличие оптимальной концентрации можно объяснить тем, что при высокой концентрации системы раствор обладает повышенной вязкостью, а следовательно и рост цепи заметно падает, поскольку с большей вероятностью протекают реакции обрыва, чем роста цепи.
Синтез хлорангидрида стеариновой кислоты
В хорошо промытые и высушенные пробирки с притертыми пробками загружали расчётное количество мономера (N-винилпирролидон, акриламид), требуемое количество хлорангидрида, инициатора и растворитель (диоксан). Пробирки продували инертным газом. Затем их помещали в термостат, где поддерживалась заданная температура с точностью ±0,2С. После определённого времени содержимое пробирок осаждали в диэтиловый эфир в случае полимеризации N-винилпирролидона, в некоторых случаях разбавляли растворителем; в случае полимеризации акриламида образовавшийся полимер изымали из пробирки, отфильтровывали на фильтре Шотта, промывали этанолом. Полученные полимеры очищали переосаждением, затем экстрагировали соответствующим растворителем в приборе Сокслета. После этого очистку амфифильного полимера проводили диализом в течение суток.
Расчетное количество натрия или метилата натрия растворяли в абсолютированном этиловом спирте. Полученный раствор этилата натрия добавляли по каплям с постоянной скоростью в течение 2 часов к перемешиваемой смеси ПВП и хлорацетамида при температуре 283 К (10С). Для проведения реакции эпоксидирования использовалось мольное соотношение полимер:хлорацетамид:натрий 1:0,75:1 соответственно. После добавления этилата натрия температура самопроизвольно поднималась на 2-3 С. При этой температуре смесь перемешивали в течение пяти часов. По истечении заданного времени выпавший осадок отфильтровывали и экстрагировали на приборе Сокслета серным эфиром в течение 3 дней. Фильтрат концентрировали на роторном испарителе. Далее продукт реакции был растворён в сухом ДМСО и раствор полимера трижды отфильтровывали от хлорида натрия на фильтре Шотта. Фильтрат высадили в ацетон и сушили в вакуумном шкафу до постоянного веса. Полимер, полученный после концентрирования на роторном испарителе, очищали точно таким же образом [126]. Выход составляет 65% от загрузочной массы.
Полученный полимер представлял собой белый порошок, хорошо растворимый в воде, плохо в диметилформамиде, диметилсульфоксиде, уксусной кислоте; нерастворимый в спирте, эфире, гептане и других обычных органических растворителях.
В ампулу емкостью 100 мл загружали 17,9 г N-ВП (0, 16 моль), 4,6 г АГЭ (0, 04 моль), 0,26 г динитрилазобисизомасляной кислоты (ДАК) (0, 0016 моль) и 42,75 мл диоксана (0, 47 моль). Ампулу заполняли аргоном и запаивали. Реакцию проводили в термостате при 343 К (70С) в течение 20 часов. После окончания реакции ампулу вскрывали и содержимое осаждали в десятикратный объем диэтилового эфира. Полученный сополимер дважды переосаждали, экстрагировали диэтиловым эфиром в приборе Сокслета, высушивали в вакууме до постоянного веса. Выход сополимера составляет 82%. Состав продукта определяли функциональным анализом по эпоксидной группе. При таком соотношении исходных мономеров содержание эпоксидных групп равно 9,7% [127].
В колбу, снабженной мешалкой загружали 10 г ЭПВП, содержащего 10% эпоксидных групп (0, 086 моль), 20-ти кратный избыток аминокислоты (глицин — 13,0 г; Р-аланин - 15, 5 г; у-аминомасляная кислота - 17, 9 г; ) и 167 мл дистиллированной воды. После растворения реагентов при перемешивании в колбу добавляли водный раствор едкого натра в количестве 7,1 г (0, 18 моль) в 16,7 мл дистиллированной воды. Реакция протекает в течение 4 часов при комнатной температуре (298К). Реакционную смесь оставляли на ночь и затем проводили нейтрализацию 0,5 н раствором НС1 до рН=7. После нейтрализации раствор очищали диализом в течение 5-7 дней и сушили лиофильно. Выход 7 г (70%).
В колбу загружали амфифильный ЭПВП с аминокислотными остатками и растворяли в смеси растворителей этанол : ацетон в соотношении 3 : 1 (концентрация полимера в растворителе составляет 2 %). После растворения исходных веществ к реакционной массе при перемешивании приливали 2,5 % раствор соли металла в этаноле. Полученный раствор перемешивали в течение 15 минут при комнатной температуре (298К). Затем реакционную смесь концентрировали на роторе до выпадения полимерного металлокомплекса, экстрагировали ацетоном на приборе Сокслета в течение 6 дней (до отрицательной реакции на металл в ацетоновых экстрактах) и сушили в вакуумном шкафу в течение 24 часов при 308К. Выход примерно составлял 78-85%. В таблице 10 приведены загрузки исходных веществ.
Молекулярная масса образца, взятого для проведения эксперимента, составляла 5200. Полиакриламид, частично содержащий в своей цепи боковые аминогруппы, получали взаимодействием заранее синтезированного амфифильного полиакриламида с Ы,Ы-диметилэтилендиамином. Реакцию проводили в течение 6 часов в среде сухого диметилсульфоксида при температуре 80 С. Далее полимер осаждали в абсолютированный этанол. Затем полимер декантировали и растворяли в дистиллированной воде, и доводили рН раствора до нейтрального значения. Полученный раствор диализовали против воды в течение четырех суток и лиофильно сушили.
Для изучения процессов полимеризации N-винилпирролидона в присутствии хлорангидрида стеариновой кислоты применяли дилатометрический метод, который является одним из самых точных среди известных в настоящее время способов. В основе метода лежит изменение объема реакционной среды в результате полимеризации.
Для измерений готовили растворы идентичные по составу, но различающиеся концентрацией одного из компонентов (мономера -N-винилпирролидона, инициатора - динитрила азоизомасляной кислоты, или хлорангидрида). Затем раствор помещали в дилатометр и пропускали через него ток инертного газа.
После этого дилатометр помещали в термостат, нагретый до температуры полимеризации. За изменением уровня жидкости в капилляре следили при помощи катетометра КМ-6. На основании полученных данных строили зависимости усадки реакционной смеси в капилляре от времени полимеризации.
