Синтез и структурные особенности разветвленных декстран-поли -n-изопропилакриламид сополимеров

УДК 541.64

Н. В. Куцевол, В. Ф. Шкодич, Г. Л. Ильязович В. A. Чумаченко

СИНТЕЗ И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ДЕКСТРАН-ПОЛИ -N-ИЗОПРОПИЛАКРИЛАМИД СОПОЛИМЕРОВ

Ключевые слова: декстран, полиизопропилакриламид, разветвленные полимеры, структура, конформационный переход.

Синтезированы разветвленные звездообразные сополимеры декстран-поли^-изопропилакриламид (Д-ПNИПАМ). Прививка ПNИПАМ цепей проводилась на декстран с молекулярной массой Mw=6xl03 и Mw=7xl04 г/моль. Исследован процесс инициирования радикальной сополимеризации с использованием ионов Се(IV). Показано, что декстран в процессе синтеза сохраняет конформацию компактного клубка. Полученные полимеры охарактеризованы гель-проникающей хроматографией, оснащенной детекторами светорассеяния, рефрактометрии и вискозиметрии. Методом динамического светорассеяния установлено влияние структуры сополимеров на температуру конформационного перехода.

Keywords: dextran, poly-N-isopropylacrylamide, branched polymers, structure, conformational transition.

Synthesized branched star-like copolymers dextran-poly-N-isopropylacrylamide (D-PNIPAM). PNIPAM was grafted to dextran with molecular weight Mw= 6x 103 and Mw=7x104 g/mol . The process of initiation of radical copolymeri-zation using ions CE(IV) has been studied. It is shown that the dextran in the synthesis process preserves the compact coil conformation. The obtained polymers are characterized by size exclusion chromatography equipped with light scattering, refractometry and viscometry detectors. The influence of the polymer internal structure on the temperature of the conformational transition temperature range has been studied by dynamic light scattering.

Введение

Поли-Ы-изопропилакриламид (ПЫИПАМ) и полимеры на его основе обадают уникальными свойствами и на данный момент широко изучаются как перспективные соединения для инновационных систем по доставке лекарств в живых организмах, как биосерсо-ры, и как системы доставки субстанций для диагностики [1-4].

Основная особенность таких полимеров - наличие конформационного перехода в области физиологической температуры (~ 32°С), который сопровождается и образование гидрофобных областей [1-3]. Причем этот переход является обратимым. Химическое модифицирование ПЫИПАМ дает возможность увеличить количество факторов, которые будут влиять на температуру перехода (рН, ионная сила раствора и т.д). Изменение молекулярной структуры ПЫИПАМ, а именно получение разветвленных структур тоже должно влиять на температуру конформационного перехода и получать полимеры для выполнения определенных задач.

Целью представленного исследования было получение разветвленных водорастворимых звездообразных сополимеров с узким молекулярно-массовым распределением, а также оптимизация процесса радикальной сополимеризации и исследование влияния макромолекулярной структуры разветвленной макромолекулы в разбавленном растворе на возможность управлять процессами изменения конформации макромолекул в области нижней критической температуры (НКТР).

Экспериментальная часть

Для синтеза разветвленных сополимеров был использован метод радикальной сополимеризации с использованием окислительно-восстановительной системы Се(1У)/НЫ03. Полиизопропилакриламид прививали на сертифициронанные декстраны разной

молекулярной массы производства Fluka c характеристиками Mw = 6х103 и Mw =7х104 г/моль (Д6 и Д70, соответственно). Церий аммоний нитрат использован как инициатор привитой сополимеризации. Декстраны и соль церия использовали без предварительной очистки. N-изопропилакриламид (КИПАМ) от Fluka дважды перекристаллизировали из гексана и сушили в вакууме при комнатной температуре 24 часа.

Для определения молекулярных параметров образцов использовали гель-проникающую хроматографию (SEC).

SEC анализ проводили с использованием муль-тидетекторного прибора, состоящего из насоса LC-10AD SHIMADZU (скорость потока 0,5 мл/мин), автоматического инжектора WISP 717+ от WATERS, 3 колонок 30 cm-Shodex OH-pak (803HQ, 804HQ, 806HQ), мультиуглового детектора рассеяния света (LS) Down HELEOS от WYATT TECHNOLOGY и дифференциального рефрактометра R410 от WATERS (Rf) и вискозиметра. Как элюент использовали NMP+0.1М LiBr.

Результаты светорассеивания анализировали по уравнению Релея с использованием диаграмм Зимма [5]. Инкремент показателя преломления dn/dC для полимеров определяли методом интерферометрии.

Характеристическую вязкость определяли вико-зиметрическим методом при 298,0±0,1 К. Данные анализировали по уравнению Хаггинса:

Я

sp

с=ЬУкн Ыс

где г]цР -удельная вязкость, - характеристическая вязкость, кН - константа Хаггинса. Для определения характеристической вязкости проводили экстраполяцию концентрационных зависимостей приведенной вязкости.

Динамическое рассеяние света (DLS) использовали для изучения влиния структуры полимеров на

область конформационного перехода. Динамическое светорассеяние было исследовано на Zetasizer Nano ZS90 (Malvern Instrments Ltd., UK), на котором установлен 4-мВ He-Ne лазер с длинной волны 632.8 нм, угол рассеяния 60°.

Синтез сополимеров. Декстран растворяли в дистиллированной воде (молярная концентрация была одинаковой для всех синтезов). Для удаления кислорода через раствор пропускали аргон в течение 20 мин., потом прибавляли рассчитанное количество инициатора. Изо-пропилакриламид прибавляли через 20 мин. (время было определено экспериментально при изучении оптимизации процесса инициирования) после введения инициатора. Известно, что Се (IV) выступает как окислитель полисахарида [6-7]. Результат реакции окисления-восстановления - образование свободных радикалов на полисахаридной цепи. Варьируя соотношение основа/инициатор, можна регулировать число привитых цепей [5]. Мольное соотношение ионов церия и количество декстрана определяет теоретическое количество прививок N на одну моле-

[molCe

кулу декстрана (N=-).

[molDextran]

В представленной работе N = 15. Полимеризацию проводили 24 часа. Количество N-изопропилакриламида, которое вводили в реакционную среду, было одинаковым для всех синтезов. Полученные сополимеры (в дальнейшем обозначены, как Д6-ПЫИПАМ и Д70-ПМИПАМ, высаждали в смесь вода-метанол 45:55 по объему и высушивали.

Результаты и обсуждение

Редокс система Се(IV)/HNO3 давно используется для синтеза ряда водорастворимых привитых сополимеров [8-11], однако не существует однозначного мнения касательно механизма процесса инициирования. В работах [12, 13] показано, что соли Се(1У) образуют комплексы со спиртовыми группами полисахаридов, диспропорционирование комплексов является стадией, которая определяет скорость реакции окисления-восстановления, то есть кинетику образования свободных радикалов на полисахаридной цери:

Н

K I

CeIV + R - OH <->R - O : CeIV

Реакция диспропорционирования: Н

Методом УФ-спектроскопии была изучена кинетика перехода ионов Ce(IV) (C0=5,28 ммоль/л) в Се(Ш) при окислении водного раствора декстрана (С0=0,13 ммоль/л) церий аммоний нитратом на при-боте Varian Cary 50. Для расчетов использовали значение поглощения на длине волны 299 нм. В литературе описано образование комплекса с Xmax = 410 нм между двумя соседними ОН-группами декстрана и ионом Ce(IV) [12-13]. В условиях нашего эксперимента образование такого комплекса не зарегистрировано рисунок 1.

- t =2 мин.

- t = 60 мин.

t =120 мин.

- t =240 мин.

R - O : Ce

IV

->R - O • +Ce + H

Дшнаволны, нм

Рис. 1 - Спектры поглощения системы Декстран-Се

Показано, что гибель ионов Се(1У) происходит в два этапа, как было показано в [12-13]. Первый этап -быстрый процесс с 11/2= 62 мин, с первым (или псевдопервым) порядком реакции по Се(1У), так как в реакцию был взят значительный избыток декстрана. Второй этап - довольно медленный, наиболее вероятно связанный с восстановлением церия при взаимодействии со свободными радикалами, которые образовались. Именно поэтому, по нашему мнению, вводить мономер (ПИПАМ) желательно не сразу после начала процесса окисления, а после завершения быстрой стадии гибели ионов Се(1У), что обеспечивает меньшую эффективность прохождения реакции обрыва цепи. Это предположение подтвержлается тем, что при введении ПИПАА через 20 мин. после начала реакции окисления Д70, мы получили высокомолекулярные сополимеры с небольшой полидисперсностью (табл.1).

Таблица 1 - Молекулярные параметры сополимеров Д-ПКИПАМ, определенные методом 8ЕС-Ь8-Ш" и вискозиметрии

-i—1—i—1—i—1—i—1—i—1—i—1—i—1—i

250 300 350 400 450 500 550 600

+

Образец Mwx10- 6 г/моль Mnx10- 6 г/моль Mw/Mn [л] мл/г n, % декстр. компон.

Д6-ШИПАМ 0,674 0,453 1,47 0,81 0,9

Д70-ШИПАМ 1,03 0,674 1,52 0,84 6,8

Однако в работе [14] показано, что наиболее вероятным процессом является прямое окисление спиртовых групп полисахаридов ионом Се(1У). Не существует также однозначной методики проведения синтеза привитых сополимеров с использованием солей Се(1У). А именно, время от момента введения инициатора в раствор полисахарида до введения мономера в литературе варьируется от 0 до 10 мин. Также не проводился детальный хроматографический анализ продуктов реакции [8-11].

В представленном исследовании впервые проведен сравнительный анализ молекулярных параметров полимеров, полученных по оптимизированной методике касательно времени между введеннием инициатора в систему и моментом введения мономера. SEC, оснащенная детекторами LS и Rf для

определения молекулярной массы продуктов реакции была выбрана не случайно. Известно, что методом определяют средневесовую молекулярную массу (М№), а методом КГ - среднечисловую молекулярную массу (Мп). метод - чувствителен к высокомолекулярной фракции полимера, а КГ позволяет проанализировать низкомолекулярные фракции. То есть используя эти два детектора, мы имеет возможность оценить качество полученного продукта реакции, что является очень важным при реакции сополимериза-ции. Известно [15], что используя мономеры, которые не окисляются в условиях сополимеризации (или окисляются с большим индукционным периодом) при использовании окислительно-восстановительных систем для инициировании реакции, можно провести сополимеризацию без образования гомополимера. Если в качестве восстановителя брать полисахариды и процесс проводить в присутствии винилового мономера, образуются только привитые сополимеры при полном отсутствии гомополимера, так как свободные радикалы образуются исключительно на полисахариде. В работе [15] приведено, что при концентрации акриламида меньшем 2,0 М и концентрации соли Се(1У) - меньшей 0,1 М (именно эти условия использовались нами), гомополимер в процессе синтеза не образуется. Однако, анализируя литературные данные авторы часто не приводят данные рефрактометрического детектора. А именно сопоставление данных и КГ дают информацию о полиисперсности полученных полимеров и о наличии одной или нескольких фракций сополимеров разной молекулярной массы. Оче-вично, что изучение кинетики перехода ионов Се(1У) (С0=5,28 ммоль/л) в Се(Ш) при окислении водного раствора декстрана даст возможность оптимизировать синтез привитых сополимеров Д-ПЫИПАМ, так как важно получить сополимеры высокого качества для дальнейшего изучения влияния молекулярной структуры разветвленных полимеров на температурный интервал фазового перехода.

На рисунке 2 представлены гель-хроматограммы образцов Дб-ПЫИПАМ и Д70-ПЫИПАМ. Согласно данным детектора и КГ, наблюдается мономодальность хроматограмм, что свидетельствует о получении привитого полимера без примеси гомополиме-ра. Причем, полученные образцы имеют довольно низкую полидисперсность (табл. 1), как для полимеров, полученных методом радикальной полимеризации.

Таким образом, оптимизированная методика по времени введения инициатора и мономера в реакционную смесь, позволила получить привитые сополимеры с узким молекулярно-массовым распределением и с высокой молекулярной массой.

Вискозиметрические исследования проводили для определения концентрации кроссовера и С, при которой макромолекулярные клубки начинают перекрываться. Величина С рассчитывается как:

ш]

Концентрации, которые использовались для характеристики образцов методом 8БС-Ь8- КГ, были на

порядок ниже концентации кроссовера С*, поэтому молекулярные параметры, представленные в Табл.1, отвечают молекулярным параметрам индивидуальных макромолекул, что является важным аспектом для интерпретации дальнейших результатов по характеристике особенностей поведения сополимеров Д-ПШПАМ в растворе.

Рис. 2 - Хроматограммы для Д70-П1ЧИПАМ: 1 -ЬБ детектор, 2 - Rf детектор

При сравнении молекулярных параметров сополимеров Дб-ПШИПАМ и Д70-ПШПАМ видно, что значение для образца Дб-ПЫИПАМ ниже, чем для Д70-ПЫИПАМ (Табл.1). Похожий результат был получен нами ранее для серии привитых сополимеров декстран-полиакриламид [16]. Прививка тоже проводилась на декстраны разной молекулярной массы. Это еще раз подтверждает вывод [16], сделанный нами для подобных систем о том, что декстран в процессе сополимеризации сохраняет конформацию компактного клубка, так так в процессе инициирования возникают внутримолекулярные сшивки декстранового клубка. Очевидно, что доступность ОН-групп макромолекулы декстрана для ионов Се(1У) различна внутри и на поверхности клубка, причем для Д6 поверхностных ОН- групп меньше в сравнении с Д70, что обусловлено размерами макроклубка [31]. То есть, при введении одинакового количества инициатора, часть инициатора находится в несвязанном состоянии в случае Д6, что в процессе полимеризации приводит к обрыву растущих прививок ПЫИПАМ.

Учитывая содержание полисахаридной компоненты в сополимерах (Табл. 1), а также тот факт, что декстран сохраняет конформацию компактного клубка в процессе синтеза, можна сделать вывод, что сополимеры Д-ПКИПАМ - соответствуют теоретической модели звездоподобных полимеров с декстрановым ядром и длинными ПИПАМ приви-

тыми цепями. Содержание полисахаридной составляющей рассчитывали по формуле:

n = х 100%, MK

где М„д -молекулярная масса декстрановой компоненты в сополимере; МК -молекулярная масса привитого сополимера.

Наши предыдушие исследования [5, 16] показали, что расстояние между прививками определяет кон-формацию привитых цепей. Базируясь на выводах, сделанных в работе [16] можно предположить, что конформация привитых ПЫИПАМ цепей в образце Д70-ПЫИПАМ имеет грибоподобную конформацию, а в Д6-ПЫИПАМ - червеобразную конформацию. Очевидно, такое отличие в молекулярной структуре должно влиять на температуру конформационного перехода (нижнюю критическую точку). Для исследования этого феномена использовали метод динамического рассеяния, измеряя гидродинамический размер макромолекул в системе при 25, 31 и 35°С.

На рисунках 3, 4 представлены результаты исследования растворов Д-ПЫИПАМ при разных температурах.

Рис. 3 - Распределение по гидродинамическому радиусу для Д6-ПКИПАМ при изменении температуры

Рис. 4 - Распределения по гидродинамическому радиусу для Д70-ПКИПАМ при изменении температуры

При температуре 25°С гидрродинамические радиусы составили 16 и 34 нм для Д6-ПЫИПАМ и Д70-ПЫИПАМ соответственно. При температуре, близкой к температуре перехода (31 °С), для Д70-ПЫИПАМ наблюдалось снижение гидродинамического радиуса до 23 нм (на 27%), в то время, как гидродинамический радиус макромолекул Д6-ПЫИПАМ уменьшился незначительно (до 14 нм). Данное явление может служить подтверждением предположения об изменении конформации цепей при уменьшении расстояния между прививками от грибообразной до червеобразной. Очевидно, для червеобразной конформации стерические препятствия, которые возникают при уменьшении расстояния между прививками становятся существенными. Это приводит к невозможности реализации полного конформационного перехода при температуре, близкой к НКТР для образца Д6-ПЫИПАМ. При нагревании растворов полимеров до 35°С наблюдается образование межмолекулярных агрегатов. Стоит обратить внимание на то, что Д6-ПЫИПАМ формируется в более крупные агрегаты, имеющие гидродинамический радиус около 80 нм, а Д70-ПЫИПАМ - агрегаты радиусом 50 нм. Этот результат еще раз подтверждает наше предположение о более жесткой молекулярной структуре Д6-ПЫИПАМ и более вытянутой конформации привитых ПЫИПАМ цепей в этом полимере.

Заключение

Методом радикальной сополимеризации с использованием окислительно-восстановительной системы Ce(IV)/HNO3 синтезировано два звездообразных сополимера Д-ПNИПАМ с декстрановым ядром разной величины и с одинаковым числом привитых цепей. Изучена кинетика перехода ионов Ce(IV) (C0=5,28 ммоль/л) в Ce(III) при окислении водного раствора декстрана (C0=0,13 ммоль/л) церий аммоний нитратом для оптимизации процеса синтеза. Доказана эффективность опмимизированной методики синтеза, так как полученные полимеры имели высокую молекулярную массу и невысокую полидисперсность. Методом динамического светорассеяния исследовано влияние структуры разветвленных сополимеров на конформационный переход в области НКТР. Показано, что при уменьшении расстояния между прививками, звездообразный полимер приобретает более жесткую молекулярную структуру, что влияет на реализацию конформационного перехода в области НКТР. Более жесткой молекулярной структурой и более вытянутой конформаци-ей привитых ПЫИПАМ цепей обладает Д6-ПИПАМ сополимер.

Авторы выражают благодарность доктору физ.-мат. наук Мишелю Равизо (Michel Rawiso) c Института Шарля Садрона (г. Страсбург, Франция) за проведение анализа полимеров методом гель-проникающей хроматографии.

Литература

1. S. Chen, H. Zhonh, B. Gu, Y. Wang, X.Li, Z. Cheng, L. Zhang, C. Yao mater Sci.Eng. C. -Mater.Biol. Appl. 2012. 32, 2199.

2. J. Meid, F. Dierkes, J.Cui, RMessing, A.J. Crosby. A. Schmidt, W. Richtering. Soft Metter.2012. 8.4254.

3. H.Kawaguchi, K. Fujimoto, Y. Mizuhara, Coll. Polym. Sci. 1997.270.53.

4. P.C. Naha, K. Bhattacharya, T. Tenuta, K.A. Dawson, I. Lynch, A. Gracia, F.M. Lyng, H.J. Byrne, Toxicol. Lett. 2010. 198.134.

5. N. Kutsevol, J.-M Guenet., N. Melnik , D. Sarazin., C. Rochas.Polymer. 2006. 47.-2061.

6. В.И.Курлянкина, Н.В.Сарана, О.П. Козьмина. Кинетика и катализ.1970. 11, 5. 1159.

7. I. Casinos J.Polymer.1992.V.33, 6.304.

8. С.Ф Бартошевич, Е.Н.Быкова, В.А.Молотков, С.И Кле-нин. Высокомол. соед.1989.Б31, 10. С.747.

9. M. Gurruchaga, I. Goni, M. Valero, G.M. GuzmanJ.Polymer.1992. 33, 13. Р.2860.

10. X. Wan, Y. Li, X. Wang, S. Chen, X. Gu. Europ.Pol.J. 2007. 43. 3655.

11. S.Krishnamoorthi, D.Mal, R.P.Singh. Carbohydrate Polymers. 2007. 69.371.

12. В.И.Курлянкина, Н.В. Сарана, О.П. Козьмина. ЖОХ . 1971. 41, 6. 1314.

13. C.R Pottenger., D.C. Johnson . J.Polym.Sci. 1970. AI. 3, № 2. 301.

14. В.И. Курлянкина, О.П. Козьмина, А.К. Хрипунов, В.А.Молотов, Т.Д. Новоселова. Докл. АН СССР.1967.172, 2. 341.

15. D.R. Owen T.C Shen, F.W. Harris, R.P. Seymoum Structure Solubility Relationship in polymers.-New York: Academic Press, 1977.-271p.

16. N.Kutsevol, T.Bezugla, M. Bezuglyi., M. Rawiso. Macromol. Symp. 2012. 317-318, 1. 82.

© Н. В. Куцевол - д.х.н., заместитель декана по научной работе, ведущий научный, химический факультет, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, kutsevol@ukr.net; В. Ф. Шкодич - к.х.н., декан факультета ТПКЭ, доцент каф. ТСК КНИТУ; Г. Л. Ильязович - бакалавр кафедры ТПМ., студент факультета ФТПСПК; В. A. Чумаченко - аспирант, химический факультет, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко,chumachenko_va@ukr.net.

© N. V. Kutsevol - Dr. Chem, Sci, Deputy Dean for Research, Leading Researcher, Faculty of Chemistry, Kyiv National Taras Shevchenko University, kutsevol@ukr.net; V. F. Shkodich - PhD (Chemistry), assistant professor, Dean of the Faculty of Technology and processing of rubber and elastomers, Kazan National Research Technological University; G. L. Iljazovic - bachelor Department of Plastic plasmas; V. A. Chumachenko - PhD student, Faculty of Chemistry, Kiev National Taras Shevchenko University, chumachenko_va@ukr.net.