Отчет д.ф.-м.н. В.В.Василевской

Марков ВолодяЕрмилов ВиталийКротова МашаГлаголевы Аня и МишаАблязов ПавелЗиятдинов АзаматMichel VertПетровская КатяГусев ЛеонидKenichi YoshikawaАлексей Лазутин Gerrit ten BrinkeКлочков АлексейLaurent Lecklerq

Направления научныхисследований:9привитые)Амфифильные макромолекулы (линейные и– компьютерное моделирование;9Поверхностные нанореакторы– теория и компьютерное моделирование;9комплексы
Полиэлектролиты. ДНК и интерполимерные– теория, компьютерное моделирование;Амфифильные макромолекулы
9содержат группы, имеющие различноесродство с полярными и неполярными
растворителями;9образуют в растворах и расплавах сложныемикроупорядоченные структуры•Линейные,амфифильные на уровнеотдельного звена• Привитые(гребнеобразные)Конформации линейных амфифильных макромолекулпо мере ухудшения качества растворителя

Гребнеобразные макромолекулы с различными
статистиками распределения точек пришивкиРегулярный сополимерИсследованы гребнеобразныемакромолекулыс высокой плотностью пришивки (n=2)боковых цепей,c различными степенями
полимеризации N и mБелковоподобный сополимерN - степень полимеризации основной цепиm - степень полимеризации боковой цепиn – расстояние между точками пришивки боковых цепей.

Мгновенные снимки амфифильныхгребнеобразных макромолекулРегулярный сополимерУхудшение качества растворителяБелковоподобныйсополимер9В обоих случаях переход проходит через фазу образования ожерельеподобной конформации.
9 Форма глобул зависит от статистики распределения точек пришивкибоковых цепей, а также их степени полимеризации и температуры.

А.А. Старостина, А.А. Клочков, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов.
- Высокомолекулярные соединения А, 2008, т. 50A, № 9, стр. 1691–1703Теплоемкость Сv & температура Т
T20.14bT1

r

T1bТемпература Ttr перехода клубок-глобула& степень полимеризации mбоковых цепей12b

T3 T r20.12

N=1280.10

2,5T tr

0.08

Cv

2,00.06
0.04
1,50.0200.00
0.0

24681012m
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

T
Регулярный сополимер - два максимума
1. Переход клубок-глобула
2. Формирование единой глобулы из бусинок
Белковоподобный сополимер – три максимума
1. Переход клубок-глобула
2. Формирование единой глобулы из бусинок
3. Изменение формы глобулы

(-∆-) – регулярный сополимер(-○-) - белковоподобный сополимер

Температура перехода Ttr клубок-глобула
понижается по мере роста степени
полимеризации m и вне зависимости отстатистики распределения точек пришивки
−0.16 ± 0.02
аппроксимируется какTtr ~ m

Borisov O.V., Zhulina E.B., Macromolecules,
2006, v.38, p. 2506
−3/ 21−0.14

Ttr ~ m~mЖесткоцепные амфифильные макромолекулы: сфиксированным углом изгибаГлобулы

Ожерелье –подобные конформацииФазовые диаграммы жесткоцепных амфифильных макромолекул впеременных сегмент Куна Lk & качество растворителяV.A. Markov, V.V. Vasilevskaya, P.G. Khalatur, G. tenBrinke, A.R. Khokhlov. Macromolecular Symposia
2007, v. 252, pp. 24-35
В.А. Марков, В.В. Василевская, П.Г. Халатур, Г. тенБринке, А.Р. Хохлов. - Высокомолекулярные
соединения A, 2008, т. 50, № 6Концентрированный раствор амфифильных макромолекул:Хороший растворитель

Lk = 2.9

Lk = 19.2

Lk = 29.2

Плохой растворитель

Lk = 2.9

Lk = 19.2

Lk = 29.2

При ухудшении качества растворителя концентрированного раствора гибкиеамфифильные макромолекулы формируют отдельные глобулы, жесткие – жгуты изнескольких цепей V.A. Markov, V.V. Vasilevskaya, G. ten Brinke, A.R. Khokhlov.
Macromolecules 2008 v.41, pp.7722-7728

Жесткоцепные амфифильные макромолекулы: сфиксированными углом изгиба и углом внутреннегоϕвращенияθ

U bond = ε st ( cosθ − cosθ0 )2
U tors = −ε st cos( ϕ − ϕ 0 )Вытянутая спиральПлотная спираль52<Rg >3180081624
32300

4200

εst=0

<Rg > 140

εst=8120

εst=24εst=16εst=32

100

280
60

1100160

2

40
20
0

00,00,51,0

1,52,02,5-εHHПереход клубок-глобула происходитдовольно

резко, в узкой области изменения качестварастворителя. Коллапс таких макромолекулпроходит через стадию формированияожерельеподобных конформаций. В глобулежестких макромолекул цепь несколько разскладывается сама на себя, ее отдельные ветви
переплетаются.

0,00,51,01,5-εHH2,0По мере ухудшения качества растворителя
уменьшается расстояние между витками,увеличивается число звеньев в витке, а сама цепь приэтом ожесточается и формируетвысокоструктурированную стержнеобразную глобулу.
Глобулы гибких цепей могут изогнуться исформировать шпилькообразная структура.

М.К. Глаголев, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. - Высокомолекулярные соединения А 2010, т. 52А, №7Концентрированный раствор амфифильных макромолекулс локальной спиральной структурой (фиксированные углы изгиба ивнутреннего вращения)Комплекс-фибрилла

ухудшение качества растворителяРацемическая смесь правых и левых изомеровПри ухудшении качества растворителя
макромолекулы объединяются в фибриллыкомплексы, состоящие из нескольких
макромолекул, которые переплетаются
относительно друг друга. В рацемических
смесях левых и правых изомеров происходит
разделение, т.е. комплексы-фибриллы, какправило, содержат изомеры одной и той жехиральности

Сополимер гидрофильных и амфифильных мономерных звеньевОхлаждение
быстроемедленноеГлобула, сформированная при “быстромохлаждении”, имеет спиральнуюконформацию, в которой все гидрофильныегруппы вытеснены на периферию.

Соседние вектора связи ориентируютсядруг по отношению к другупреимущественно под одинаковыми
углами (β~60º).

В.А. Ермилов, В.В.Василевская,А.Р.Хохлов. - Высокомолекулярные
соединения 2007, 49А, №1, стр. 109118

Сополимер гидрофильных и амфифильных мономерных звеньевРадиус действия потенциала
Rc=2

Rc=2.5

Rc=3

N=128

N=64

В.А. Ермилов, В.В.Василевская, K.Yoshikawa, А.Хохлов. Высокомолекулярные
соединения, 2010, т.52А, №2

Rc =4

Микрофазное расслоение в расплаве гребнеобразных идиблок «клубок-гребенка» сополимеров
Модель :NСтепень полимеризации основной цепи: N = 24Степень полимеризации боковых цепей: m = 2
Боковые цепи пришиты к каждому звену основной цепи гребнеобразного блока,начиная с концевого
Число цепей n = 1, 3, 6, 12, 18, 24
Звенья основной цепи и боковых привесок сильно отталкиваютсяε – параметр, описывающий эти взаимодействияМикрофазное расслоение в расплаве гребнеобразных идиблок «клубок-гребенка» сополимеров: метод Монте КарлоЭнергия взаимодействия ε= 8n=1n=12Плотность ~0.5n=3n=18

N=24n=6n=24

В концентрированных растворах диблок-сополимеров «линейная цепь-гребенка» придостаточно высокой несовместимости звеньев основной и боковых звеньев происходитмикрофазное расслоение. Образуются цилиндры, параллельные и пересекающиеся ламели, атакже двухсвязные структуры.
А.А.Глаголева, В.В.Василевская, А.Р.Хохлов. Высокомолекулярные соединения 2010, №3Поверхностные нанореакторы
hexane (oil)13waterIf f1 < f2,f3 – гидрофобные мономерные звенья
If f2 < f1,f3 – гидрофильные мономерные звенья
If f3 < f1,f2 – амфифильные мономерные звенья2Состояние 3 (поверхностный слой в нескольконанометров) может играть роль поверхностного реактора

A. Goldar, J.L. Sikorav (2004) studied theenhancement of renaturation of complementary
single-stranded DNA’s in water/phenol emulsions.

Monomers of single-stranded DNA are surface active =>they are concentrating at the boundaries (in the surfacenanoreactors) => the probability that complementary
chains meet each other increases => renaturation rate isincreased.

A.Goldar, J.-L. Sikorav Eur. Phys. J. E 2004, v.14, pp.211-239

Реакция между низкомолекулярными поверхностноактивные реагентами в эмульсииРаспределение реагентов в эмульсии в зависимости от ихповерхностной активностиεs=−4εs=−6εs=−8εs=−10П.Н. Аблязов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Коллоидный журнал 2007, т.69,№3, cтр. 293-299

Существует оптимальный размер капель R* эмульсии, при которомскорость реакции максимальная
М- скорость реакцииR – радиус капельэмульсии

RR*R*RaРеакция в поверхностном нанореакторе вприсутствии полимерного катализатораA+B
ϕϕoutA,ϕout
BbA,ϕϕ ,ϕb
Bin

A

C+BinBядро капливнешнийрастворRоболочка каплиповерхностноактивныемолекулы
субстрата A икатализатора BЕ.В. Петровская, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов.
- Высокомолекулярные соединения 2007, т.49, №6, стр. 1080-1088Зависимость скорости реакции M от радиуса капли R дляразличных степеней полимеризации N катализатораСильная поверхностная активность реагентовСлабая поверхностная активность реагентов

N=1(a)
N=2(b)
N=5(c)
N=10(d)N=30(e)•При R<R* скорость ведет себяодинаково для любых N•При R>R* чем больше N, темсущественнее падает скорость•При R<R* чем меньше N, тем большескорость реакции• При R>R* чем больше N, тем существеннеепадает скоростьОптимально использовать полимерные катализаторы с невысокими (порядка нескольких звеньев)степенями полимеризации, а так же необходимо соблюдать соотношение между концентрациямиреагентов, степенью полимеризации катализатора и размером капель эмульсии, при котором, с одной
стороны, происходит активное концентрирование реагентов в поверхностных слоях, а с другой - недопускается эффективное отравление этих слоев посредством преимущественного концентрирования
одного из компонентов.

Охапкин И.М., Махаева Е.Е., Хохлов А.Р. Гидролиз n-нитрофенилбутерата в эмульсии
масло-вода под действием полимерного катализатора.

Эмульсии в случае поверхностно-активных реагентовиграют роль неспецифических катализаторов

Кинетика Михаэльс-Ментен

Мo - скорость реакции в начальный
момент времениφA - концентрация субстрата(а) - поверхностная активность (ПА) катализатора выше поверхностнойактивности субстрата(b)-(c) - поверхностная активность (ПА) катализатора ниже поверхностнойактивности субстратаРАЗРУШЕНИЕ ГЛОБУЛ СО- И ГОМОПОЛИМЕРНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛПО МЕРЕ РОСТА КОНЦЕНТРАЦИИ ДИФИЛЬНОГО СУБСТРАТАУвеличение концентрации дифильного субстратаабвгдежзП.Н. Аблязов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов.
-Высокомолекулярные соединения А, 2009ИНТЕРПОЛИМЕРНЫЕПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ КОМПЛЕКСЫИнтерполимерные комплексы возникают при смешении растворовпротивоположно заряженных макроионов. Если суммарный зарядкомплекса равен нулю (стехиометрические комплексы), комплексы
осаждаются

+++-+-++-А.В.Кабанов, А.Б.Зезин, Успехи химии, 1982

Interpolymer polyelectrolyte complexes(IPEC)IPEC properties considerably depend on the positive and negative charge ratios
within mixtures.
9 Stoichiometric complexes contain equal amounts ofopposite charges. The net charge is thus zero, andmacroscopic phase separation is observed (precipitation).
9Non-stoichiometric complexes appear if there is an excessof charges of one sign in the solution. These complexes aregenerally in the form of hydrodispersed tiny particles or
micellar aggregates stabilized by the presence of a surface
net charge.

++++-++++-А.В.Кабанов, А.Б.Зезин, Успехи химии, 1982Растворимые стехиометрические комплексыДля образования растворимых стехиометрических комплексов в одну из цепейвводятся гидрофильные группы.
1.

Block-ionomer + opposite charged polyelectrolyte.
Hydrophylic block is engrafted to one of the macromolecule.
Micelle-like complex+++-+

1. A.Harada, K.Kataoka, Macromolecules, 1995
2. E.Yu.Kramarenko, A.R.Khokhlov,
J. Chem.Phys, 2006--- 2. Hydrophilic blocks are imputed into the main chain.
+ + + +-

L.Leclercq, M.Vert Eur.J.Pharmacol.Sci.,2005-Complex consisted of oppositely charged macromoleculeswith different affinitity to solvent
e.g. hydrophobic cation and hydrophylic anion macromolecule.

Two-phase model-+--+++-++-

9Due to the electrostatic attaction between
positive and negative charges macroions
form complex with zero total charge
9Hydrophobic units of macrocation
tend to avoid contact with aqueous solution
9 Hydrophilic monomer units of macroanion
try to increase their interaction with solvent

It can be proposed that such complex has two-phase structure.
Core of complex monomeric units of both macroions.
Its density is high (strong electrostatic interaction)
Shell
Only hydrophilic monomer units.
The width of shell is detemined by balance:
Electrostatic interaction between
Interaction energy of hydrophilic units
positively charged core andwith solvent
negatively charged shell
V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov.
- Macromolecules 2007, v. 40, n. 16, pp. 5934-5940

Полианионы

Scheme 1. Chemical formula of PLCANa, PLCAINa, PAANa and PLL,HBr.

Poly(L-lysine citramide)Содержит два отрицательных заряда на мономерное звеноOHNH

CH(CH2)4NH

COO-Na+CCO

CH2

CH2

PLCANaCO

COO-Na+poly(L-lysine citramide imide)O

C CH2NNH CH (CH2)4
COO-Na+O

C C CH2COHOPLCAINaСодержит один отрицательный заряд на мономерное звено
CH2CHPAANa

COO-Na+Поликатион - Poly(L-lysine) hydrobromide
OCCHNH(CH2)4NH3+Br-PLL,HBrЗависимости гидродиамического радиуса
PLCA/PLL и PLCAI/PLL комплексов.
M.Vert, L.Leclercq, France.
1000

PLL80-PLCA

PLL12-PLCAI800

PLL12-PLCA

PLL27-PLCAI700

PLL27-PLCA

PLL80-PLCAI

600

600

Rh (nm)Rh (nm)

800

400

500
400
300
200

200

100
0000,20,40,60,811,200,20,40,8[NaCl] in mol/L[NaCl] in mol/L

PLCA poly(L-lysine citramide)
PLL poly(L-lysine)
PLCAI poly(L-lysine citramide imide)

0,6NameMw(g/mole)

Degree of polymerization

Polycations
PLL12
PLL27
PLL80

12700
26300
73500

61126352

Polyanions
PLCAI
PLCA

51500
39000

5481131Интерполимерный комплекс макромолекул с различнымсродством к растворителю по мере увеличенияконцентрации низкомолекулярной соли1Двухфазныйкомплекс сглобулярным
ядром2ДеколлапскомплексаРазделениемакромолекул

43Коллапсмакромолекул
М.К. Кротова, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов.
Высокомолекулярные соединения А, 2009Сравнение теории и эксперимента:зависимость радиуса R частиц отконцентрации соли ns

M.K. Krotova, V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov.
- MacromoleculesКомпактизация ДНК в присутствии отрицательнозаряженного белка (альбумина бычьей сыворотки)ЭкспериментМодельТеорияПомещенная в раствор отрицательно заряженного белкамакромолекула ДНК коллапсирует и претерпевает обратныйпереход в клубковое состояние при введении низкомолекулярной
соли. Это явление (снижение действия агента, вызывающегоколлапс ДНК, посредством введения низкомолекулярногоэлектролита) было обнаружено и описано впервые

M. K. Krotova, V. V. Vasilevskaya, N. Makita, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov.
Phys.Rev.Lett. 2010, v.105

Кандидатские диссертации:1. Клочков А. А. «Конформационные свойства линейных и привитых амфифильных
полимеров». Руководители – А.Р.Хохлов, В.В.Василевская. 31 октября 2007 г.
2. Аэров А.А. «Эффекты, связанные с равновесным распределением ионов внизкомолекулярных ионных жидкостях и полиэлектролитных гелях: теоретическое
рассмотрение». Руководители – И.И.Потемкин, В.В.Василевская. 21 марта 2008года
3. Марков В.А. «Самоорганизация жесткоцепных амфифильных макромолекул вразбавленных и концентрированных растворах».
Руководители – А.Р.Хохлов, В.В. Василевская. 18 ноября 2009 г.
4. Ермилов В.А. «Компьютерное моделирование макромолекулярных систем,имитирующих самоорганизацию белковых макромолекул и их взаимодействие споверхностью». Руководитель – В.В. Василевская, 1 июля 2010Список дипломников1. Петровская Е.В. «Амфифильные макромолекулы в системах, содержащих воду иорганический растворитель», декабрь 2006 года2. Зиятдинов А.Ш. «Анализ экономического и научного рынков топливных элементов»июнь 2007 года3. Аблязов П. Н. «Компьютерное моделирование поверхностных нанореакторов»,декабрь 2007 года4. Глаголев М. К. «Амфифильные макромолекулы с фиксированными угламивнутреннего вращения: компьютерное моделирование», декабрь 2008 года5. Глаголева А. А. «Самоорганизация амфифильных гребнеобразных макромолекул врастворах и расплавах», декабрь 2008 года6. Ерохина Е. А. «Компьютерное моделирование полимолочной кислоты», декабрь2008 годаПУБЛИКАЦИИ 2006-2010 гг.
 А.Р. Хохлов, В.В. Василевская. Ферментоподобные каталитические
системы. - Наука в России 2007, №6, стр. 4-9
 В.В. Василевская, А.Р.Хохлов, Е.Ю. Демыгина. Создание катализаторовна принципах функционирования ферментов. - В мире науки 2006, №6,
стр .4-9
 I.M. Okhapkin, V.I. Lozinsky, V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov. Surface
nanoreactors for efficient catalysis of hydrolytic reactions. – глава в книгу
“Nanoreactor Engineering for Life Sciences and Medicine” (A.Ostafin, K.
Landfester, L. Sridar, A. Moukasian, Eds) chapter 6, pp.187-208, 2008
 S.G. Starodoubtsev, V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov. Conformationaltransitions in cross-linked ionic gels: Theoretical background, recentdevelopment, and application. – глава в книгу “Smart polymers: applications
in biotechnology and biomedicine”, Taylor & Francis 2007, pp.81-114

Российские журналы1.

В.А.Ермилов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Анализ вторичной структуры глобул сополимеров амфифильныхи гидрофильных звеньев: компьютерное моделирование. – Высокомолекулярные соединения 2007, т.49А, №1,
стр. 109-118.
2. Е.В. Петровская, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Каталитические реакции в эмульсиях в присутствииполимерного катализатора. - Высокомолекулярные соединения 2007, т.49А, №6, стр. 1080-1088
3. П.Н. Аблязов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Реакции в поверхностных микрореакторах: компьютерное
моделирование. - Коллоидный журнал 2007, т.69, №3, cтр. 293-299
4. Е.В. Петровская, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Переход спираль-клубок в ДНК в присутствииденатурирующего агента. – Вестник МГУ 2007, №2 , стр. 35-39
5. В.А. Марков, В.В. Василевская, П.Г. Халатур, Г. тен Бринке, А.Р. Хохлов. Конформационные свойстважесткоцепных амфифильных макромолекул: фазовая диаграмма. - Высокомолекулярные соединения A, 2008,
т. 50, № 4
6. А.А. Старостина, А.А. Клочков, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Амфифильные гребнеобразные макромолекулыс различной статистикой распределения точек пришивки боковых цепей: математическое моделирование. Высокомолекулярные соединения А 2008, т. 50A, № 9, стр. 1691–1703
7. П.Н. Аблязов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Разрушение глобул со- и гомополимерных макромолекул вприсутствии дифильного субстрата. -Высокомолекулярные соединения 2009, т. 51А, №4 А, стр. 629-635
8. М.К. Кротова, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Влияние низкомолекулярной соли на стехиометрические
полиэлектролитные комплексы, состоящие из противоположно заряженных макромолекул с различнымсродством к растворителю. - Высокомолекулярные соединения А 2009, т. 51А, №10, стр. 1760-1768.
9. А.А. Глаголева, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Микрофазное расслоение в расплавах диблоксополимеров,включающих линейную цепь и амфифильный блок. -Высокомолекулярные соединения А 2010, т. 52А, №2,
стр.78-86.
10. В.А.Ермилов, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Вторичная структура глобул сополимеров, состоящих изамфифильных и гидрофильных звеньев: влияние радиуса действия потенциала. - Высокомолекулярныесоединения А 2010, т. 52А, №3, стр.466-477.
11. М.К. Глаголев, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Компактизация жесткоцепных амфифильных макромолекул слокальной спиральной структурой. - Высокомолекулярные соединения А 2010, т. 52А, №3Список публикаций:Зарубежные журналы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

V.V. Vasilevskaya, A.A. Aerov, A.R. Khokhlov. Control of reactions between surfactant reagents inminiemulsions. Surface nanoreactors. – Colloid & Polymer Science 2006, v.284, n.5, pp. 459-467.
V.V. Vasilevskaya, L.V. Gusev, A.R. Khokhlov. Protein sequences as literature text. - Macromolecul. TheorySimul. 2006, v.15, n.5, pp.425-431.
V.V. Vasilevskaya, V.A. Markov, P. G. Khalatur, A.R. Khokhlov. Semiflexible amphiphilic polymers: cylindricalshaped, collagen-like, and toroidal structures. – J.Chem.Phys. 2006, v.124, p. 144914V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov. Study of interpolymer complexes ofoppositely charged macromolecules with different affinity to solvent. - Macromolecules 2007, v.40
V.A. Markov, V.V. Vasilevskaya, P.G. Khalatur, G. ten Brinke, A.R. Khokhlov. Diagram of state of stiff
amphiphilic macromolecules. – Macromol. Symposia 2007, v. 252, pp. 24-35
V.V. Vasilevskaya, V.A. Markov, G. ten Brinke, A.R. Khokhlov. Self-organization in solutions of stiff-chain
amphiphilic macromolecules. - Macromolecules 2008, v.41, pp.7722-7728.
M.K. Krotova, V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov. Salt effects on interpolymer
complexes of oppositely charged macromolecules having different affinity to solvent. – Macromolecules 2009,v.42, n.19, pp. 7495-7503.
M. K. Krotova, V. V. Vasilevskaya, N. Makita, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov. DNA compaction in a crowded
environment with negatively charged protein. - Phys.Rev.Lett. 2010, v.105, n.12Cогласно информационной базе ISI Web of Knowledge1191
Общее число ссылок–Среднее число ссылок в год –45Среднее число ссылок на статью - 26h-index 16