Исследование реакций межмолекулярного взаимодействия в широком интервале концентраций

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИЙ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ

t 1 12 A.M. Скородинская , В.А. Кеменова , А.П. Чепурная , А.И. Ершов ,

Н.И. Аксенова 2, H.A. Малышева 2, В.А. Быков 3

1 ЗАО ФАРМАПЭК, Научный проезд д. 8, 117246, Москва, Россия 2НИЦ БМТ В ИЛ АР', ул. Красина, д. 2, 101000, Москва, Россия 3Кафедра общей фармацевтической и биомедицинской технологии, медицинский факультет, РУДН, ул. Миклухо-Маклая, 8,

117198, Москва, Россия

В настоящей работе изучена реакция комплексообразования химически комплементарных полимеров полиоснования и поликислоты в широком интервале концентраций. В качестве метки использовали метиленовый голубой, образующий комплекс с полианионом. Показано, что в зависимости от концентрации образуются различные продукты.

Интерес к исследованию реакций межмакромолекулярного взаимодействия между химически комплементарными макромолекулами возник три десятилетия назад в связи с попыткой использовать эти системы как простые модели биологических объектов. Наличие длинноцепочечной структуры при довольно простом химическом строении позволило выделить основные физико-химические закономерности реакций комплексообразования. Основная масса работ посвящена изучению кинетики и механизма интермолекулярных реакций в равновесных (или близких к равновесным) условиях, т.е. при низких концентрациях растворов полимеров.

Однако возникший в последнее время интерес к интерполимерным комплексам (ИПК), как к технологическим материалам, перспективным для применения в различных областях медицины, фармации и биотехнологии, заставляет искать более эффективные способы получения ИПК, варьируя в широких интервалах условия их получения.

Настоящая работа посвящена исследованию реакции комплексообразования противоположно заряженных полиэлектролитов в широком интервале концентраций.

В качестве модельной реакции межмолекулярного взаимодействия изучали реакцию образования интерполимерных комплексов полиметакрилата натрия (ПМА-Na М.м. 250 ООО) с предварительно связанным с ним красителем фенотиазинового ряда метиленовым голубым (МГ) и полиди-метиламиноэтилметакрилатом (ПДМАЭМ, М.м. 70 ООО). За глубиной реакции комплексообразования следили по изменению в растворе концентрации свободного красителя (МГ).

Известно, что МГ образует комплексы с полианионами, при этом наблюдается метахроматический эффект. Адсорбционный спектр МГ в разбавленных растворах характеризуется интенсивным пиком при 664 нм (а-

полоса) и слабым плечом при 610 нм (b-полоса). При добавлении ПМА-Na к разбавленному водному раствору МГ интенсивность а- и Ь-полос уменьшается и появляется новая полоса при 580 нм. Аналогичные изменения в спектре наблюдаются при повышении концентрации красителя. В присутствии большого избытка полианиона интенсивность метахромати-ческой полосы падает, а интенсивности а- и b-полос вновь возрастают. Эти факты позволяют предположить, что метахроматическая полоса возрастает вследствие агрегации красителя на цепи полианиона. Эффект отношения ф ^[Полимер] / [Краситель] на метахроматическое поведение МГ был изучен на основе мольного коэффициента адсорбции а-полосы. Значения коэффициента адсорбции понижаются с увеличением ф, проходят через минимум при ф = 30 и затем возрастают с ростом ф (рис. 1, 2).

Рис.1. Зависимость коэффициента седиментации метиленового голубого от концентрации при X. = 664 нм

Равновесие многоцентрового связывания МГ на молекуле полианиона было изучено с использованием равенства Клотца:

1/г = 1/(пК-С/) + 1/п,

где: г - молярное отношение молекул красителя к карбоксилатным группам макромолекул;

и - максимально возможное число связанных молекул красителя на карбоксилатную группу;

С/- концентрация свободного красителя;

К - коэффициент удельного связывания.

С/= в'Со, в=(е-Е1)/(ео-еО,

где: С0 - общая концентрация МГ;

е0 - молярный коэффициент адсорбции в отсутствии полианиона, т.е. 0% связывания; £/ - молярный коэффициент адсорбции при 100% связывания.

Численное значение £\ может быть получено из зависимости е от отношения МГ/ПМАЫа графической экстраполяцией при МГ/ПМАЫа —> 0.

Риг .2 Зависимость молярного коэффициента адсорбции s полосы а от log ф

£ Л моль’ СМ1

Значения пК = 3,7-104 и п = 0,4, полученные из прямолинейной зависимости 1/г от 1/Cf, хорошо согласуются с литературными данными, полученными при изучении связывания атактической ПМАК с МГ при pH 5,6 - 9,5: пК = 7,6-104, п = 0,4.

Комплексы nMANa с МГ разного состава были исследованы методом сканирующей седиментации. Все седиментограммы представляют собой один пик, т.е. комплексы аниона с красителем однородны по составу. Свободный краситель не седиментирует в условиях эксперимента.

При большом избытке полимера ср > 30 nMANa сорбирует изолированные молекулы МГ. При увеличении концентрации красителя в растворе (ф < 30), при сорбции на полимерной цепи молекулы красителя образуют ассоциаты. Ассоциация красителя на полимерной цепи обусловлена гидрофобным взаимодействием молекул красителя, связанных с цепью электростатическими связями.

По выделению свободного красителя судили о глубине прохождения реакции или косвенно о числе дефектов в образовавшемся продукте реакции.

Выбирая между двумя видами комплексов ПМАЫа с МГ для исследования реакции интермолекулярного взаимодействия, мы отвергли комплекс, сильно обедненный красителем, ибо, как известно, даже в разбавленных растворах (т.е. в равновесных условиях образования продукта) получаемые ИПК имеют незначительное, по экспериментальным данным отличное от 0 число дефектов. Вероятность того, что эти редкие дефекты могут служить центрами сорбции для МГ, являющегося в нашей реакции маркером, отражающим глубину протекания реакции, возрастает при увеличении концентрации полимерных компонентов. Т.е. использование комплекса ПМАЫа, сильно обедненного МГ, может дать неадекватную картину, ибо образование ИПК с максимальной глубиной превращения не

обязано сопровождаться полным выделением красителя по реакции в раствор.

Более адекватную картину дает использование комплекса ПМАЫа с МГ, содержащего максимальное количество красителя. Однако использование таких комплексов в растворах ограничено растворимостью последних. Поэтому для исследования реакции был выбран комплекс состава <р = 30 (В) по своей структуре, аналогичный комплексам, обогащенным МГ, но растворимый при pH 7,0 во всем исследованном интервале концентраций.

На рис. 3 представлены результаты эксперимента по получению ИПК при сливании полимерных компонентов в эквимольных концентрациях при pH 7,0.

Зависимость доли красителя в осадке ИПК (С С11рв '(' п%) от концентрации взаимоОеиствующ их по л и электролитов

Схематическое изображ ение продуктов реакции образования интерполимерного комплекса

Рис. 3. Образование интерполимерного комплекса ПМА-№ - ПДМАЭМ в присутствии метиленового голубого pH 7,2, П/К = 30, (С]Пма^ = [С]пдмаэм

Из рис. 3 видно, что исследованный интервал концентраций делится на три области. При низких концентрациях компонентов (область 1) весь краситель обнаруживается в надосадочной жидкости. Это означает, что в разбавленных растворах при взаимодействии полимеров связь полианион-краситель полностью заменяется на полианион-поликатион. В результате реакции образуется равновесный ИПК с максимальной глубиной превращения.

При увеличении концентрации реагирующих полимеров концентрация МГ в надосадочной жидкости начинает падать, а осадок ИПК окрашиваться в интенсивный синий цвет, свидетельствующий о значительном количестве сорбированного красителя, достигая при концентрациях 0,03 м/л значений, близких к 100%. Это означает, что в области концентраций

0,01 - 0,03 м/л получается продукт реакции (ИПК) со степенью превращения отличной от максимальной (0о < 0 < 9тах)-

Наблюдая за красителем в надосадочной жидкости, можно обнаружить повышение его концентрации в растворе. Через некоторое время (от часов до дней) концентрация МГ в надосадочной жидкости становится равной исходной. Такое поведение системы свидетельствует о ее неравновесном характере, т.е. при сливании компонентов в области концентраций 0,01 - 0,03 м/л образуется неравновесный, обладающий большим количеством дефектов ИПК. Дефекты этого комплекса удерживают сорбированный краситель.

Продукт реакции представляет собой сетчатый полимер, состоящий из участков макромолекул, способных сорбировать низкомолекулярные соединения, узлы сетки - участки ИПК, образованные провзаимодейство-вавшими полиэлектролитами. Частичное образование ИПК определяет появление в растворе свободного красителя.

Глубина реакции комплексообразования в этом интервале зависит от концентрации полимеров, уменьшаясь с повышением концентрации, т.е. при увеличении вязкости среды. При стоянии система релаксирует, стремясь к состоянию термодинамического равновесия.

Образование неравновесных комплексов (сетчатых структур) малой глубины превращения тесно связано со свойствами растворов индивидуальных компонентов. Исследование растворов ПМАЫа и ПДМАЭМ показало, что перекрывание клубков полимеров в растворах происходит при концентрациях ПДМАЭМ 0,01 о-м/л, ПМАЫа 0,02 о-м/л, т.е. образование дефектного ИПК, представляющего собой полимерную сетку, происходит при концентрации обоих полимерных компонентов больше точки «кроссовера». Именно в таких условиях возникают, по-видимому, достаточные затруднения для диффузии полимерных звеньев, препятствующие образованию регулярных лестничных структур ИПК. Строение образующихся комплексов более хаотично. Глубина превращения резко падает с ростом концентрации полимеров в довольно узком интервале концентраций. Для образования регулярных равновесных структур требуется время, необходимое для перестройки сегментов индивидуальных макромолекул, вступающих в реакцию интерполимерного взаимодействия.

Образование неравновесных сетчатых структур при сливании компонентов ИПК может быть продемонстрировано на примере других пар полиоснование-поликислота и других маркеров, например, антибиотика на-фциллина: в табл.1 приведены данные о сорбции осадком ИПК полиме-такриловая кислота - полиэтиленимин (ПМАК - ПЭИ) нафциллина в интервале концентраций 0,06- 0,3 м/л.

Видно, что максимальное количество нафциллина, сорбированное в этом интервале концентраций, достигает 50 мольных %. При стоянии из осадка примерно за 6 - 9 суток в надосадочную жидкость выделяется весь нафциллин, что свидетельствует о релаксационных процессах, аналогичных описанным выше, протекающих в этой системе.

Таблица 1

Сорбция нафциллина интерполимерным комплексом ПМАК - ПЭИ в зависимости ___________________от концентрации растворов компонентов____________________

Концентрация, о-м/л 10 % сорбций

мольный весовой

0,66 0 0

1,30 17 50

2,60 42 124

3,30 50 150

И наконец, в третьей области, располагающейся выше концентрации 0,03 м/л, при добавлении раствора одного из компонентов к раствору другого образуются капли первого, отделенные от второго тонкой оболочкой ИПК, образовавшегося на поверхности раздела полимерных растворов. При добавлении комплекса ПМАЫа - МГ (I) к раствору ПДМАЭМ (II) капли окрашены в синий цвет и хорошо видны в бесцветном растворе поликатиона. При изменении порядка сливания на обратный в синем растворе (I) различимы бесцветные капли (II). Вообще говоря, при высоких концентрациях реагирующих полимеров степень превращения в реакции ничтожно мала, и эти условия не могут рассматриваться как эффективный способ получения ИПК.

Однако такая капля раствора полимера представляет собой капсулу, отделенную от раствора второго полимера полупроницаемой мембраной ИПК. Такой простой способ получения полимерных капсул путем смешивания концентрированных растворов полимеров может быть использован в различных областях. Так, в патентной литературе описаны способы получения микрокапсул, содержащих гибридомы, продуцирующие моноклональные антитела. Описаны также способы капсулирования живых тканей для имплантации.

Таким образом, в настоящей работе изучена реакция комплексообразо-вания химически комплементарных полимеров - полиоснования и поликислоты в широком интервале концентраций. В качестве метки использовали МГ, образующий комплекс с полианионом. Показано, что в зависимости от концентрации образуются различные продукты: ИПК с максимальным количеством межмолекулярных связей, неравновесной ИПК (00 < 0 < Ощах), имеющий сетчатую структуру и, наконец, несмешивающиеся капли одного полимера в другом, отделенные тонкой пленкой ИПК, образующегося на границе двух смешивающихся растворов. Изученные процессы интермолекулярного взаимодействия и полученные продукты реакций могут представлять определенный интерес для использования в фармацевтической практике.

REACTION STUDY INTERMOLECULAR INTERACTION IN THE BROAD INTERVAL OF CONCENTRATIONS

A.M. Skorodinskaya 1, V.A. Kemenova *, A.P. Chepurnaya A.I. Ershov 2, N.I. Aksyenova2, N.A. Malisheva2, V.A. Bykov 3

1 Closed corporation Pharmapek, Nauchniy proezd, 8, 117246, Moscow, Russia

2 SDC BMT R1DAP, Krasina str., 2, 101000, Moscow, Russia 3Departament of general pharmaceutical and biomedical technology, RPFU, Miklukho-Maklaya str., 8, 117198, Moscow, Russia

In this work studied reaction of complex formation chemical complementary polymers polybases and polyacids in the broad interval of concentrations. As marks used methylthionii chloridum, forming complex with polyanion. While-healled that depending on concentrations are formed different products.