Сопоставление гидродинамических характеристик модельного дендримера первой генерации (а6) с новыми разветвленными дендритными структурами на основе трифункционального мономера (АВ2)

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Сопоставление гидродинамических характеристик модельного дендримера первой генерации (А6) с новыми разветвленными дендритными структурами на основе трифункционального мономера (АВ2) Цветков Н. В.1, Губарев А. С.2, Лезов А. А.3, Серкова Е. С.4,

Шифрина З. Б.5

'Цветков Николай Викторович / Tsvetkov Nikolay Victorovich — доктор физико-математических наук,

профессор;

2Губарев Александр Сергеевич / Gubarev Alexander Sergeevich — кандидат физико-математических наук,

старший преподаватель;

3Лезов Алексей Андреевич /Lezov Alexey Andreevich — кандидат физико-математических наук, старший

научный сотрудник, кафедра молекулярной биофизики и физики полимеров, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург; 4Серкова Елена Сергеевна /Serkova Elena Sergeevna — младший научный сотрудник; 5Шифрина Зинаида Борисовна / Shifrina Zinaida Borisovna — доктор химических наук, лаборатория макромолекулярной химии, Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова, Российская академия наук, г. Москва

Аннотация: проведены новый синтез и детальный анализ дендритных аналогичных структур на основе пиридилфениленовых циклов. Комплексом методов молекулярной гидродинамики определены молекулярные массы и конформация исследованных частиц в растворах тетрагидрофурана.

Abstract: the newly proposed synthesis and thorough analysis were carried out for dendritic analogous structures on the basis of pyridylphenylene cycles. The molecular masses and conformation of studied samples were determined in tetrahydrofuran solutions by complex of hydrodynamic methods.

Ключевые слова: дендримеры, пиридилфениленовые структуры, характеристики предельно разбавленных растворов, молекулярные массы.

Keywords: dendrimers, pyridylphenylene structures, dilute solutions properties, molecular masses.

ВВЕДЕНИЕ

Дендримеры на сегодняшний день остаются системой, представляющей большой фундаментальный и практический интерес для изучения и последующего применения в широком спектре приложений в связи с неограниченными возможностями построения симметричной, узкодисперсной, но в то же время разветвленной структуры. В настоящее время наиболее востребованным применением дендримеров является их использование в качестве молекулярных контейнеров для инкапсуляции и целевой доставки лекарственных препаратов в тело пациента. Данная функция занимает прочную нишу в современной фармакологии и медицине [1-3]. Дендримеры и дендритные структуры также используются в качестве катализаторов, для построения систем для оптического зондирования, создания и стабилизации наночастиц неорганических металлов и др.

Объединение функциональных возможностей линейных полимеров и дендритных структур создает предпосылки для прорывных технологий в области новых материалов, фармакологии и нанотехнологий. Наряду с большим количеством работ, посвященных характеристике разветвленных макромолекул, обладающих большой скелетной гибкостью, изучение дендримеров, построенных на матрице жестких пиридилфениленовых циклов, представляется целесообразным для получения данных об особенностях конформации и поведения таких частиц в растворах. Для решения этой задачи были синтезированы дендримеры первой генерации (А6), являющиеся основой сверхразветвлённых фенилен-пиридиновых полимеров, и дендритные структуры на основе трифункционального мономера (АВ2). В результате было проведено сопоставление гидродинамических характеристик синтезированных объектов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рис. 1. Структурная формула Рис. 2. Разветвленная дендритная структура

пиридилфениленового модельного дендримера на основе 3-функционального мономера (АВ2) (А6) первой генерации

Структурная формула изученного дендримера первой генерации (А6) представлена на рис. 1. Первичные экспериментальные данные и условия синтеза А6 опубликованы ранее [4].

Дендритные структуры (рис. 2) были синтезированы в несколько этапов: I) синтезирован 1,2-бис(4-(фенилэтинил) фенил) этан-1,2-дион (5), который получен в результате палладий-катализируемого кросс-сочетания (реакция Соногаширы) 1,2-бис(4-бромфенил) этан-1,2-диона (1) с фенилацетиленом (2); II) синтезирован 4-гидрокси-3,4-бис(4-(фенилэтинил)фенил)-2,5-ди(пиридин-3-ил)циклопент-2-ен-1-он (5) по реакции Кновенагеля взаимодействием дикетона (5) с 1,3-ди(пиридин-2-ил)пропан-2-оном (4). Синтез проводился в смеси этанола и бензола в присутствии каталитического количества гидроксида калия при 85°С; III гомоконденсацией циклона (5) по реакции Дильса-Альдера путем варьирования параметров реакции получены дендритные структуры ДС1 (загрузка: 0.017 моль/л, Т = 160оС, t = 12 ч.) и ДС2 (загрузка: 0.017 моль/л, Т = 220оС, t = 32 ч.). На всех этапах структура синтезированных соединений подтверждалась методом спектроскопии ЯМР 'Н. На рис. 2 стрелками показаны возможные направления роста структуры.

п /с, см /г

уд

ДС2

......  ......о.

ДС1

.....•"•

Д.......А ......Д ......Д

A6

0.02 0.04 с, г/см

Ap1Q3, г/см3

1-

Дтг

А,0

ц--

АГ

ДС2 Д ДС1 • A6

0 0.004 0.008 С, г/см

Рис. 3. Зависимость приведенной удельной Рис. 4. Зависимость Ар (разности плотности вязкости пуд/с от концентрации раствора и растворителя) от концентрации

растворов с растворов с

3

6

2

3

0

Для приготовления растворов использовался тетрагидрофуран (ТГФ) (ХЧ, «Вектон»). Были определена: характеристики растворителя при 25оС: динамическая вязкость п0=0.494 сП и плотность р0=0.8824 г/см3.

Использовали методы вискозиметрии, денситометрии, динамического рассеяния света и скоростной седиментации при изучении растворов образцов в ТГФ при 25оС. Подробное описание методов приведено в работах [5, 6].

Ш6, см2/с

D

Св-1

1.5-

6

s

1.

3

0.04

0.08

c, г/см

0.5-

c104, г/см3

10

0

0.

Рис. 5. Зависимость коэффициентов Рис. 6. Зависимость обратных

поступательной диффузии D образца A6 в коэффициентов седиментации s'1 образца A6 ТГФ при 25оС в ТГФ при 25оС

Из экспериментов по изучению вязкого течения разбавленных растворов изучаемых объектов была определена величина характеристической вязкости [rj] (рис. 3). Для интерпретации результатов скоростной седиментации требуется величина удельного

парциального объема V = (0.82 + 0.02) см3/г, которая была получена по стандартной процедуре (рис. 4) путем определения плотностей раствора в зависимости от концентрации [7]. Данные метода скоростной седиментации были обработаны при помощи программы Sedfit с использованием модели непрерывного распределения c(s) [8]. Методом динамического рассеяния света (ДРС) был исследован образец A6. Спектры времен релаксации

характеризовались одним основным пиком. Зависимости обратного времени релаксации 1/г от

2 ~ _

квадрата волнового вектора q имели линеиныи характер, а аппроксимационные прямые

проходили через начало координат, что свидетельствует о диффузионном характере

наблюдаемого процесса (рис. 5).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Основные гидродинамические характеристики представлены в Таблице, а первичные экспериментальные данные на рис. 4 - 6. Важным аспектом проведенной работы является возможность сопоставления данных о величине молекулярной массы (ММ) А6, полученной методами молекулярной гидродинамики, с результатами спектрометрии MALDI-TOF. Результат спектрометрии MALDI-TOF приводит к величине m/z: 1370 (M+, calcd 1369.66) [4]. Эта величина прекрасно коррелирует с расчетной по структуре A6 (C102H60N6): 1369.56 г/моль.

Таблица 1. Гидродинамические характеристики исследуемых полимеров и композитов в ТГФ при 25оС

Образец М, см3/г М013, c (/?/sph)o -DolO7, см2/с Ао1010, г см2/ (с моль) (MsD / Msf)10- 3 г/моль

A6 5.47 0.72 1.26 4.2 3.10 1.66 / 1.60

ДС1 4.34 0.81 1.55 - 2.42 1.0

ДС2 5.75 1.18 1.67 - 2.49 1.9

Молекулярные массы в настоящей работе рассчитывали по формуле Сведберга [9, 10]:

Md = D]

где R - универсальная газовая постоянная, [s] = S0 Т]0 /(1 ~Vp0 ) и [D] = D % / T -

характеристические коэффициента: седиментации (s0) и диффузии (D0 - результат ДРС), соответственно; T - абсолютная температура. В виду сильной окрашенности растворов, проведение экспериментов ДРС было затруднено. В связи с этим характеристический коэффициент диффузии оценивали из фрикционного отношения поступательного трения

(f / fsph)o по результатам обработки Sedfit (в первом приближении [D] = [D]^ ) [8]:

[D]f =

где k - постоянная Больцмана.

Для проверки согласованности данных была рассчитана величина гидродинамического инварианта [11]:

A =

Величина А0 удовлетворительно коррелирует со значением (2.8*10"10) г см2/(с моль), характерным для жестких непротекаемых сфер [11]. Этот вывод является ожидаемым в связи с химической структурой исследуемых объектов и позволяет перейти к дальнейшему анализу.

Следует отметить, что сопоставление полученных молекулярных масс для изученного дендримера A6 из спектрометрического метода хорошо коррелирует с ММ из независимого седиментационно-диффузионного анализа. Несколько большее значение MsD скорее всего связано с явлением сольватации.

ММ дендритных структур по порядку величины совпадает со значением, полученным для дендримера А6. Этот факт подтверждается близкими по значению гидродинамическими характеристиками. Перейдем к оценке степени полимеризации n дендритных структур: молекулярная масса повторяющегося звена дендритных структур (C34N2H21) - M0=457.57 г/моль. Таким образом, для изученных ДС1 и ДС2 n = 2.2 и 4.2, соответственно: можно констатировать, что соединения ДС1 и ДС2 являются олигомерами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено сопоставление гидродинамических характеристик дендримера первой генерации с дендритными структурами на основе трифункционального мономера. Для получения высокой степени полимеризации дендритных структур, требуется дальнейший подбор условий реакции синтеза. Установлена корреляции величины ММ для дендримера A6 из независимых методик: спектрометрия и седиментационно-диффузионный анализ. Можно сделать вывод о том, что синтез сверхразветвленных полимеров на основе изученного дендримера представляется перспективным и в результате него будут получены полимеры, которые могут быть с успехом исследованы комплексом гидродинамических методов.

Работа была выполнена при поддержке РФФИ (мол_нр № 16-33-50142). Часть экспериментальных данных получена на оборудовании РЦ СПбГУ «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники».

Литература

1. Wang H., Zheng L. F., Peng C. et al. Computed tomography imaging of cancer cells using acetylated dendrimer-entrapped gold nanoparticles // Biomaterials, 2011. V. 32. № 11. P. 2979-2988.

2. Pavlov G. M., Korneeva E. V., Jumel K. et al. Hydrodynamic properties of carbohydrate-coated dendrimers // Carbohydr. Polym., 1999. V. 38. № 3. P. 195-202.

3. Lederer A., Burchard W. Hyperbranched Polymers: Macromolecules in between Deterministic Linear Chains and Dendrimer Structures. Royal Society of Chemistry: Cambridge, 2015. P. 285.

4. Kuchkina N. V., Zinatullina M. S., Serkova E. S. et al. Hyperbranched pyridylphenylene polymers based on the first-generation dendrimer as a multifunctional monomer // RSC Advances, 2015. V. 5. № 120. P. 99510.

5. Tsvetkov N. V., Gubarev A. S., Lebedeva E. V. et al. Conformational and Hydrodynamic Parameters of Hyperbranched Pyridylphenylene Polymers // Polym. Int., 2016. (In press, DOI: 10.1002/pi.5298).

6. Pavlov G. M., Perevyazko I. Y., Okatova O. V. et al. Conformation parameters of linear macromolecules from velocity sedimentation and other hydrodynamic methods // Methods, 2011. V. 54. № 1. P. 124-135.

7. Kratky O., Leopold H., Stabinger H. The determination of the partial specific volume of proteins by the mechanical oscillator technique // Methods Enzymol., 1973. V. 27. P. 98-110.

8. SchuckP. Size-distribution analysis of macromolecules by sedimentation velocity ultracentrifugation and Lamm equation modeling // Biophys. J., 2000. V. 78. № 3. P. 1606-1619.

9. Scott D. J., Harding S. E., Rowe A. J. Analytical Ultracentrifugation: Techniques and Methods. RSC Publishing: Cambridge, 2006. P. 587.

10. Tsvetkov V. N., Eskin V. E., Frenkel S. Y. Structure of Macromolecules in Solution. The National Lending Library for Science and Technology: Boston, 1971. P. 762.

11. Tsvetkov V. N. Rigid-chain polymers. Consult. Bureau. Plenum.: London, 1989. P. 490.

Гидродинамические и оптические свойства золей наноцеллюлозы, оксида

алюминия и их гибрида Лебедева Е. В.1, Мартаков И. С.2, Торлопов М. А.3, Кривошапкин П. В.4, Цветков Н. В.5

'Лебедева Елена Витальевна /Lebedeva Elena Vitalievna — кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра молекулярной биофизики и физики полимеров, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург; 2Мартаков Илья Сергеевич /Martakov Ilia Sergeevich — младший научный сотрудник, лаборатория ультрадисперсных систем; 3Торлопов Михаил Анатольевич / Torlopov Mikhail Anatolievich — кандидат химических наук, доцент,

лаборатория химии растительных полимеров; 4Кривошапкин Павел Васильевич /Krivoshapkin Pavel Vasilievich — кандидат химических наук, доцент, лаборатория ультрадисперсных систем, Институт химии Коми научного центра

Уральское отделение Российская академия наук, г. Сыктывкар; 5Цветков Николай Викторович / Tsvetkov Nikolay Victorovich — доктор физико-математических наук,

профессор,

кафедра молекулярной биофизики и физики полимеров, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: в работе изучены гидрозоли наноцеллюлозы, оксида алюминия и их гибрида методами вискозиметрии, рефрактометрии, денситометрии, динамического рассеяния света и двойного лучепреломления в потоке. Получены гидродинамические и оптические характеристики исследуемых систем: величины характеристической вязкости, коэффициенты поступательной диффузии, оптические коэффициенты сдвига. Abstract: viscometry, refractometry, densitometry, dynamic light scattering, flow birefringence were used in the studies of hydrosols of cellulose nanocrystals, auminium oxide and their hybrid. The hydrodynamical and optical characteristics were obtained: intrinsic viscosity, values of translational diffusion coefficients and optical shear coefficients.

Ключевые слова: наноцеллюлоза, оксид алюминия, гибридные золи. Keywords: nanocellulose, aluminum oxide, hybrid sols.

Золи наноцеллюлозы (НЦ) проявляют свойство тиксотропии, способны к самоорганизации и плёнкообразованию, используются для получения аэро- и гидрогелей с высоким модулем упругости. Области применения биополимерных наночастиц: получение биоразлагаемых наполнителей для гелей и пластиков; средств доставки лекарств; плёнок; покрытий и наполнителей [1, 2].

Модифицирование целлюлозы неорганическими наночастицами позволяет регулировать термические, оптические, гидродинамические и другие физико-химические свойства. В этой связи изучение гибридных золей на основе НЦ является актуальным.