Закономерности солюбилизации полиароматических соединений мицеллярными системами на основе катионных ПАВ

УДК 544.77.03

А. А. Сердюк, Г. А. Гайнанова, А. Б. Миргородская, Е. А. Карпичев, Л. Я. Захарова, Е. Л. Гаврилова

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОЛЮБИЛИЗАЦИИ ПОЛИАРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ МИЦЕЛЛЯРНЫМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ КАТИОННЫХ ПАВ

Ключевые слова: полиароматические соединения, поверхностно-активные вещества, солюбилизация.

Проанализировано влияние структуры солюбилизата (размер полиароматического каркаса, планарность / непланарность молекулы, наличие в ее структуре гидрофильных заместителей) и ПАВ (изменение структуры головной группы) на процесс солюбилизации полиароматических соединений катионными поверхностно-активными веществами. Установлены особенности и закономерности этого процесса.

Keywords: polyaromatic compounds, surfactant, solubilization.

Influence of structure of solubilizate (size of polyaromatic scaffold, molecular planarity/nonplanarity, hydrophilic substituent availability) and surfactant (change of structure of head group) on the solubilization of polyaromatic compounds by cationic surfactants were analyzed. Characteristic and regularity of these processes were determined.

Введение

Полиароматические соединения (ПАС) являются важным классом органических веществ и обладают набором уникальных свойств. Они используются как катализаторы, лекарственные препараты с широким спектром активности, как компоненты высокоселективных сенсоров в аналитической практике, молекулярные блоки при построении супрамолекулярных ансамблей и др. [1]. Одна из проблем, которая возникает при использовании таких соединений, связана с их низкой растворимостью в воде, поскольку структура этих веществ включает в себя большие гидрофобные ароматические фрагменты. Разработка подходов к созданию водорастворимых систем, содержащих полиароматические соединения, не только позволит существенно расширить области их применения, но и даст возможность найти новые перспективны использования для веществ этой группы.

Солюбилизация является одним из ключевых свойств мицеллярных систем, обусловливающих их широкое применение в современных нано- и биотехнологиях, в том числе, в доставке лекарственных средств, катализе, химическом анализе и пр. [2, 3]. Подбор эффективных мицеллярных композиций для увеличения растворимости гидрофобных полиароматических соединений и создание водорастворимых систем на их основе является не только важной фундаментальной задачей, но и основой прикладных разработок.

В настоящей работе внимание будет сосредоточено на двух типах полиароматических соединений (рис. 1) - планарных (нафталин, антрацен, ализарин) и непланарных (каликс[4]резорцинарены). Внимание к ПАС первого типа обусловлено тем, что многие представители веществ этой группы находят применение в аналитической химии, а также обладают выраженной биологической [4, 5] и др. ПАС второго типа представляют интерес как эффективные экстрагенты для ионов металлов, катализаторы различных органических реакций и полифункциональные супрамолекулярные платформы для построения ансамблей различных типов [6, 7].

Планарные

Непланарные

Ализарин

Каликс[4]резорцинарен

Рис. 1 - Структура исследуемых в работе ПАС

Целью настоящей работы является создание мицеллярных систем на основе катион-ных ПАВ (рис. 2) для эффективной солюбилиза-ции гидрофобных ПАС и определение влияния структуры солюбилизата на этот процесс.

Br-

НзС.

\/Н3

Br-

НзС

С16Н33 СНз

ЦТАБ

С16Н33

\/Н3

ЦГАБ

ОН

Рис. 2 - Структура использованных в работе катионных ПАВ

Установление закономерностей процесса солюбилизации ПАС позволит в дальнейшем перейти к направленному и научно обоснованному поиску мицеллярных композиций и в конечном итоге создать водорастворимые биосовместимые формы ПАС и их аналогов. Это даст возможность существенно расширить круг соединений, пригодных для дальнейшего применения в водных системах, а также предложить пути оптимизации существующих систем для биодоставки гидрофобных лекарственных препаратов.

Экспериментальная часть

Каликс[4]резорцинарен (КР-В), содержащий на верхнем ободе аминокислотные остатки

О

СН

О

N

N

(валин) и толильный радикал на нижнем ободе синтезировали по методике, аналогичной описанной в [7]. Цетил^-гидроксиэтилдиметиламмоний бромид (ЦГАБ) синтезировали по методике [8]. Состав, структуру, и чистоту полученных соединений подтверждали данными элементного анализа, ИК- и ЯМР-спектроскопии.

Нафталин, антрацен, ализарин и бромид цетилтриметиламмония (ЦТАБ) производства «Aldrich» (чистотой > 99 %) использовали без дополнительной очистки.

Для приготовления растворов применяли воду, очищенную на установке Direct-Q 5 UV (рН = 6,8-7,0; х = 2-3 мкСм/см).

Спектры поглощения растворов записывали в термостатируемых кварцевых кюветах с помощью спектрофотометра Specord 250 Plus.

Коэффициент экстинкции (е) субстратов в растворах ПАВ определяли из значения оптической плотности (D) пробы в максимуме поглощения при заданной концентрации субстрата (С) по уравнению е = D/l-C. При определении коэффициентов экстинкции ализарин и каликс[4]резорцинарен КР-В вводились в мицеллярные растворы ПАВ в виде раствора в ДМСО с такой концентрацией, чтобы содержание ДМСО в получаемом растворе не превышало 4 об. %. Коэффициент экстинкции для антрацена определяли в н-декане по причине его крайне низкой растворимости в воде и водных растворах ПАВ.

Солюбилизационное действие мицеллярных систем по отношению к субстратам оценивали, определяя его предельное содержание в растворах ПАВ. Для этого готовили растворы ПАВ в интервале от 0,07 до 5,0 мМ к которым добавляли фиксированное количество солюбилизируемого субстрата. Приготовленные пробы тщательно встряхивали и оставляли на 48 часов при термостатировании (25 0С) для достижения равновесия. Затем отфильтровывали нерастворившийся остаток; фильтрат помещали в кварцевую кювету и регистрировали спектр поглощения пробы. На основании полученного значения D раствора в максимуме поглощения оценивали его содержание в пробе с учетом коэффициента экстинкции соответствующего субстрата.

Размеры агрегатов после солюбилизации субстратов определяли на спектрометре динамического рассеяния света Malvern ZetaSizer Nano ZS (Malvern Instruments, Великобритания). Полученные данные обрабатывались с помощью пакета программ Malvern DTS Software 5.10.

Результаты и их обсуждение

На процесс солюбилизации ПАС катионными поверхностно-активными веществами может оказывать влияние как структура солюбилизата (размер полиароматического каркаса, планарность / непланарность молекулы, наличие в ее структуре гидрофильных заместителей), так и структура самого ПАВ (изменение структуры головной группы). Поэтапно рассмотрено влияние каждого из этих факторов.

Влияние размера полиароматического каркаса. Установить характер влияния размера полиароматического каркаса на процесс солюбилизации ПАС можно путем сравнения особенностей солюбилизации нафталина и антрацена. Так, нафталин, каркас которого состоит из двух бензольных фрагментов, солюби-лизируется молекулами ЦТАБ более чем в 60 раз лучше, чем антрацен, состоящий из трех бензольных фрагментов. При изменении природы ПАВ - переходе к ЦГАБ - тенденция сохраняется, хотя и выражена не так сильно. ЦГАБ солю-билизирует нафталин в 17 раз лучше, чем антрацен (рис. 3).

CS104, M

0,5 -

0,4 -

0,3 -

0,2 -

0,1 -

о антрацен д нафталин

CS104, M

- 6

• 4

2

У\ АА/УА

ГКХШ>

0 1

Рис. 3 - Зависимость концентрации насыщения водных растворов нафталина и антрацена от концентрации ЦГАБ в этом растворе

В водном растворе ЦТАБ с концентрацией 5,0 мМ растворяется 8,5-10-4 М нафталина и 1,8-10-5 М антрацена. В растворе ЦГАБ с такой же концентрацией - 5,4-10-4 М нафталина и 2,4-10-5 М антрацена. По сравнению с водой, в которой растворимость нафталина и антрацена составляет ~2,0-10-4 М и 2,5-10-7 М, соответственно [1], увеличение растворимости составляет 3-4 раза (нафталин) и ~100 раз (антрацен).

Процесс солюбилизации сопровождается формированием частиц довольно крупного размера. ЦГАБ с нафталином формирует частицы диаметром около 140 нм, а с антраценом - 100 нм. ЦТАБ с нафталином и антраценом формирует полидисперсные частицы (табл. 1). В водных же растворах этих ПАВ без ПАС диаметр частиц составляет 2-4 нм, что соответствует размеру классической сферической мицеллы [2].

Влияние наличия в структуре молекулы субстрата гидрофильных заместителей. Наличие гидрофильных заместителей является одним из ключевых факторов, влияющих на растворимость веществ [1, 2]. Этот эффект ярко проявляется для антрацена и ализарина- структур, состоящих из одинакового полиароматического каркаса, но отличающихся наличием гидрофильных заместителей. Так, солюбилизация ализарина молекулами ЦГАБ протекает в 20 раз эффективнее, чем

8

0

0

6

C 103 М

ЦГАБ ' ""

антрацена, а молекулами ЦТАБ - в 15 раз эффективнее.

Если зависимости концентрации насыщения водных растворов антрацена от концентрации ПАВ после ККМ имеют линейный вид (рис. 3), то при солюбилизации ализарина на графике зависимости наблюдается излом (для ЦТАБ - при ~ 2,0 мМ; для ЦГАБ - при ~ 1,5 мМ; рис 4), свидетельствующий о снижении солюбилизационной емкости. Причиной данного феномена могут быть структурные переходы в растворах ПАВ. Это подтверждается результатами динамического светорассеяния - при определении размеров агрегатов после солюбилизации ализарина обнаружено, что дисперсность системы существенно зависит от концентрации ПАВ. Для ЦГАБ при концентрациях < 0,9 мМ зафиксированы частицы с гидродинамическим диаметром в диапазоне 20-30 нм. При повышении концентрации до 0,9 мМ появляются частицы двух видов - 40 и 90 нм. При концентрации 5,0 мМ формируются частицы диаметром около 100 нм (рис 4, вставка).

Если с антраценом ЦТАБ формирует полидисперсные системы, то с ализарином до концентрации 3,5 мМ образуются достаточно однородные частицы диаметром 140-160 нм. При дальнейшем повышении концентрации фиксируется два типа частиц - диаметром 90 и 160 нм.

Сд-104, М О3-104, М

Сцгаб'1 03, М

Рис. 4 - Зависимость концентрации насыщения водных растворов ализарина и КР-В от концентрации ЦГАБ в этом растворе. На вставке -Распределение агрегатов по размерам, усредненное по числу частиц для водных растворов ЦГАБ, насыщенных ализарином; 25 0С

Влияние планарности субстрата. Планарный ализарин солюбилизируется молекулами ЦТАБ и ЦГАБ примерно в 2 раза эффективнее, чем непланарный каликс[4]резорцинарен КР-В (табл. 1), причем во всех случаях для этих субстратов на графике зависимости концентрации насыщения водных растворов от концентрации ПАВ наблюдается излом (рис. 4). При максимальной использованной концентрации (5,0 мМ) ЦГАБ с КР-В формирует частицы диаметром около 80 нм, а с ализарином -около 100 нм. В растворе ЦТАБ с

каликс[4]резорцином образуются два вида агрегатов - 50 и 140 нм, с ализарином - диаметром около 160 нм (табл 1).

Влияние структуры ПАВ. Несмотря на то, что химическая природа исследованных ПАВ достаточно близка, водные мицеллярные растворы ЦТАБ и ЦГАБ заметно различаются как по отношению к процессу солюбилизации ПАС, так и по размерам образующихся агрегатов ПАВ-солюбилизат (табл. 1). По солюбилизационной емкости ЦГАБ превосходит ЦТАБ практически во всех случаях (кроме нафталина, где его солюби-лизационная емкость оказалась меньше), что, по всей видимости, является результатом способности его головной группы участвовать в дополнительных взаимодействиях за счет наличия функционального фрагмента. По сравнению с ЦГАБ, ЦТАБ при солюбилизации формирует либо более полидисперсные частицы, либо агрегаты с большим гидродинамическим диаметром.

Таблица 1 - Солюбилизационная емкость (8) ПАВ и гидродинамический диаметр (Бь) солюбилизатов при 25 0С

Примечание. Размер агрегатов приведен для концентрации ПАВ 5,0 мМ; п/д - полидисперсный

Таким образом, при подборе солюбили-зирующего агента для соединений антраценового ряда и объемных непланарных субстратов типа каликс[4]резорцинарена КР-В использование ПАВ с функциональными фрагментами в головной группе может дать определенные преимущества.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 15-33-50179.

Литература

1. Lakra J., Tikariha D., Yadav T., Das S., Ghosh S., Satnamia M.L., Ghosh K.K., Coll. Surf. A, 451, 56-65 (2014).

2. Мицеллобразование, солюбилизация и микроэмульсии / Под ред. К. Миттела. М.: Мир, 1980. 598 с.

3. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2007. 445 с.

4. Chung J.-Y., Fujii I., Harada S., J. Bacteriol, 184. № 22, 6115-6122 (2002).

Субстрат ПАВ SDTÄB/ Sdtäb

ЦГАБ ЦТАБ

SЦГАБ Dh, нм ^ТАБ Dh, нм

Нафталин 0,102 140 0,248 п/д 0,4

Антрацен 0,006 100 0,004 п/д 1,5

Ализарин 0,115 100 0,064 90 и 160 1,8

КР-В 0,049 80 0,035 50 и 140 1,4

5. Habtemariam S., Dagne E., Food & Chemical Toxicology, 47. № 7, 1490-1494 (2009).

6. Джайн В.К., Канайя П.Х., Успехи химии, 80. № 1, 77-106 (2011).

7. Шаталова Н.И., Гаврилова Е.Л., Сидоров Н.А., Бурилов А.Р., Пудовик М.А., Красильникова Е.А., Коновалов А.И., Ж. общ. хим., 79, № 7, 1137-1141 (2009).

8. Chatterjee A., Maiti S., Sanyal S.K., Moulik S.P., Langmuir, 18, 2998-3004 (2002).

© А. А. Сердюк, к.х.н., младший научный сотрудник, отдел исследований нуклеофильных реакций, Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М.Литвиненко НАН Украины; e-mail: ganna.serdyuk@gmail.com; Г. А. Гайнанова, к.х.н., научный сотрудник, Лаборатория высокоорганизованных сред, Институт органической и физической химии им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН; e-mail: ggulnara@bk.ru; А. Б. Миргородская, к.х.н., старший научный сотрудник, Лаборатория высокоорганизованных сред, Институт органической и физической химии им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН; e-mail: mirgorod@iopc.ru; Е. А. Карпичев, к.х.н., старший научный сотрудник, отдел механизмов органических реакций, Институт органической химии НАН Украины; e-mail: ekarpichev@gmail.com; Л. Я. Захарова, д.х.н., профессор, кафедра органической химии, Казанский национальный исследовательский технологический университет; e-mail: lucia@iopc.ru; Е. Л. Гаврилова, д.х.н., профессор, кафедра органической химии, Казанский национальный исследовательский технологический университет; e-mail: gavrilova_elena_@mail.ru.

© A. A. Serdyuk, cand. chem. sci., Junior Researcher, Department of Nucleophilic Reactions, L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic Chemistry and Coal Chemistry NAS of Ukraine, e-mail: ganna.serdyuk @gmail.com; G. A. Gainanova, cand. chem. sci., Researcher, Laboratory of highly organized structures, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry KazSC RAS; e-mail: ggulnara@bk.ru; A. B. Mirgorodskaya, cand. chem. sci., Senior Researcher, Laboratory of highly organized structures, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry KazSC RAS; e-mail: mirgorod@iopc.ru; Ye. A. Karpichev, cand. chem. sci., Senior Researcher, Department of Organic Reaction Mechanisms, Institute of Organic Chemistry NAS of Ukraine, e-mail: ekarpichev@gmail.com; L. Ya. Zakharova, doct. chem. sci., professor, Department of Organic Chemistry; Kazan National Research Technological University; e-mail: lucia@iopc.ru; E. L. Gavrilova, doct. chem. sci., professor, Department of Organic Chemistry; Kazan National Research Technological University; e-mail: gavrilova_elena_@mail.ru.