Спиновые зонды в исследовании микрогетерогенных систем на основе амфифильных соединений

УДК 543.429.22+544.6:544.022.532

А. И. Литвинов, Л. Я. Захарова, М. К. Кадиров

СПИНОВЫЕ ЗОНДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Ключевые слова: спиновый зонд, ЭПР, ЦВА, электрохимическое окисление, мицелла.

Аннотация: Было проведено исследование ряда амфифильных соединений, в том числе принципиально нового класса соединений на основе оксиэтиллированного каликс[4]арена, методом спинового зонда ТЕМПО. Кроме того, зонд ТЕМПО применен в качестве электрохимически активного зонда для исследования амфифилов на основе каликсарена. Разработана методика применения 10-Ме-фенотиазина в качестве фотоионизируемого спинового зонда, удобного для исследования агрегатов анионных амфифилов.

Keywords: spin probe, ESR, cyclic voltammetry, electrochemical oxidation, micelle.

Abstract: Several amphiphilic compounds, including a new class of amphiphiles based on oxyethylathed calyx[4]arenes, was investigated using TEMPO spin probe method. This spin probe was also used as electrochemical probe for investigation of 9CO8. New method of implemnttion of 10-Me-phenothiazine as a photoactivated spin probe was developed for aggregates of anionic amphiphiles.

Одно из свойств мицеллярных растворов амфифильных соединений заключается в способности солюбилизировать (повышать растворимость) веществ, мало растворимых в тех же растворителях в отсутствие амфифилов. Это свойство лежит в основе многих практических разработок, связанных с использованием поверхностно активных веществ (ПАВ).

Так как молекулы ПАВ не имеют своего спектра ЭПР, мы добавляем в систему спиновые зонды. Наиболее распространенные зонды - нитроксиль-ные радикалы. Классическим является зонд ТЕМПО (2,2,6,6-тетраметил-1-пиперидиноксил) и его производные ТЕМПОН и ТЕМПОЛ.

Спектр ЭПР нитроксильного радикала содержит информацию о природе его микроокружения. Введение нитроксильных радикалов в исследуемые системы позволяет изучать параметры их агрегации и динамику этих процессов методом ЭПР. Особенность использования спиновых зондов и меток заключается в том, что исследуемая система не вносит дополнительных расщеплений в наблюдаемый спектр, тем самым не усложняя анализ результатов [1].

Вращение молекулы спинового зонда в растворе позволяет ей принимать множество положений относительно постоянного магнитного поля за время одного периода колебания поля СВЧ. Таким образом, анизотропное дипольное взаимодействие усредняется до нуля, а наблюдаемый сигнал имеет изотропный характер. Спектр ЭПР свободного нитроксильного радикала содержит информацию о природе микроокружения радикала. Если молекула, к которой присоединен радикал, вращается свободно и изотропно, спектр будет состоять из трех линий равной интенсивности и ширины. Если же вращение метки затруднено, в частности взаимодействием с молекулами окружения, ширины линий, и, как следствие, высоты линий будут изменяться. Уширение линии будет зависеть от ориентации атома азота в магнитном поле, так что ширина высокопольной линии mN(-l) будет больше, чем низкопольной mN(+l).

Для процессов, соответствующих времени корреляции от 0.01 до 10 нс, скорость вращения нит-роксильного радикала характеризуется временем корреляции тс, описываемым выражением (1):

Тс=6.5*10"1С^о

где - ширина центральной линии, И0, И+1 , Ь_1 - высоты от пика до пика центральной, низкопольной и высокопольной линий, соответственно.

Время корреляции тс определяется как время, необходимое молекуле метки для поворота на угол в одну радиану.

При сильном воздействии молекул микроокружения на молекулы метки, усреднение анизотропной части спектра происходит не полностью. Время корреляции при этом превышает 10нс и Теория ширин линий Кивелсона не применима, как и формула (1). Анализ анизотропных спектров меток и зондов представляет более сложную задачу.

Нитроксильные спиновые зонды представлют интерес и в качестве электрохимических зондов. Обратимость процессов электрохимического окисления ТЕМПО открывает новые возможности в исследованиях систем из ПАВ. При электрохимическом окислении спинового зонда ТЕМПО в присутствии амфи-фильных соединений величина тока, протекающего через ячейку, зависит от агрегации амфифилов [2]. Удобство использования нитроксильного радикала ТЕМПО в качестве электрохимически активного зонда в мицеллярных системах обусловлено также его гидрофобностью. Волна окисления ТЕМПО обратима и соответствует на полувысоте потенциалу 0.57В относительно электрода сравнения Ад/АдЫО3 (рис.З.А.). Так как скорость полураспада мицелл в водных растворах лежит в пределах 10-з-10-1 с-1 , а скорость электрохимического переноса электрона в растворе по порядку величины совпадает со скоростью диффузии в этом растворе (10-5 с-1 и меньше), можно считать мицеллярную систему статической на всем протяжении вольтамперометрического измерения. Поверхность мицеллы экранирует солюбилизированную молекулу зонда от взаимодействия с заряженными час-

тицами, диссоциированными в растворе, таким образом, не позволяя ей участвовать в реакции электрохимического окисления. Этот процесс приводит к резкому падению количества заряда, проходящего через систему в единицу времени.

Другой класс зондов, использованных в этой работе, основан на эффекте фотоионизации фенотиазина и его производных. Эти зонды удобны для применения в системах анионных ПАВ и смесей анионных ПАВ с катионными ПАВ, или электролитами. В водном мицеллярном растворе фенотиазин (ФТН), благодаря его гидрофобной природе, почти полностью растворяется в неполярной внутренней части мицелл [3].

Одним из процессов, позволяющих наблюдать за изменениями структуры агрегатов анионных амфифилов, может быть фотоионизация 10-Ме-фенотиазина [4-6]. Способность 10-Ме-фенотиазина к фотоионизации ограничена легкостью рекомбинации фотоиндуцированного электрона с катион-радикалом 10-Ме-фенотиазина. Это ограничение можно обойти, ведя в систему механизм, препятствующий рекомбинации катион-радикала, к примеру, поместить 10-Ме-фенотиазин внутрь анионной мицеллы. Отрицательная поверхность анионных мицелл в этом случае служит эффективным методом разделения зарядов в системе, создавая достаточный потенциальный барьер для проникновения электрона внутрь мицеллы, и, в результате, время жизни катион-радикала 10-Ме-фенотиазина существенно повышается. При этом фотоионизация 10-Ме-фенотиазина может быть детектирована методом ЭПР и будет характеризовать поверхностный потенциал агрегатов [7, 8]. В литературе описаны реакции фотоионизации фенотиазина [9, 10].

Экспериментальная часть

В ходе работы были исследованы амфифиль-ные соединения различных классов -цетрилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ), цетрилтри-метиламмоний тозилат (ЦТАТ) и неионное амфи-фильное соединение - оксиэтилированный ка-ликс[4]арен (КО).

Кроме того, было проведено исследование анионного ПАВ додецилсульфата натрия (ДСН) методом ЭПР спинового зонда с использованием фото-ионизируемого зонда 10Ме-фенотиазина.

Оксиэтиллированные каликсарены синтезированы по известной методике [11]. Спиновые зонды ТЕМПО и 10-Ме-Фенотиазин приобретены в компании Sigma-Aldrich Растворы приготавливались с использованием деионизованной воды. Концентрация зонда во всех растворах была достаточно низкой, чтобы пренебречь взаимодействием молекул зонда с исследуемым веществом. Для облучения фотоионизи-руемого зонда 10Ме-фенотиазин использовалась ртутная лампа мощностью 100Вт.

Освобождение от кислорода рабочего раствора проводили путем продувки аргона через капилляр, опущенный до дна ячейки. Материал рабочего электрода - золото, вспомогательного - платина, электрода сравнения - Ag/AgNO3, в концентрации 0.01M.

Измерения ЭПР проведены на спектрометре Х-диапазона Вгискег ЕкхБуБ Е-500. Исследуемые растворы помещались в цилиндрическую ампулу с внутренним диаметром 1мм. Все эксперименты, проведенные по методу ЭПР спинового зонда, были повторены трижды с целью уменьшения ошибки эксперимента. Доверительный интервал для полученных значений времени корреляции зонда (ткор) составил 5пс. Относительная ошибка эксперимента составила приблизительно 20%, при этом рассчитанные доверительные интервалы значений ткор неизменны во всем диапазоне значений, а значит - ошибка в области больших времен корреляции уменьшается до 6%. В ходе эксперимента поддерживалась температура образца 295К±1К.

Измерения методом циклической вольтампе-рометрии проводились с использованием модифицированной электрохимической ячейки для электрохи-мии-ЭПР [12, 13]. В качестве фоновой соли использован Еt4NBF4.

Поверхностное натяжение определяли методом отрыва кольца Дю Нуи с помощью тензиометра КгиББ К 6 при 25 °С

Обсуждение результатов

Агрегационные свойства неионных ПАВ 9КО8 и 9КО16

Проведено исследование агрегации амфи-фильных соединений 9КО8 и 9КО16 в водных растворах методом спинового зонда ТЕМПО. Полученные данные сопоставлены с результатами исследования систем традиционными методами коллоидной химии. Положение и форма пиков на графике зависимости времени корреляции от концентрации исследованных веществ, расположенных до критических концентраций мицеллообразования, указывает на схожие процессы домицеллярной агрегации в ПАВ 9КО8 и 9КО16. Это говорит о слабом влиянии углевородородного радикала на процессы агрегации в приповерхностной фазе. При этом критические концентрации мицеллообразования веществ не совпадают, что указывает на влияние длины углеводородного радикала на объемную агрегацию амфифилов (рис.1).

Результаты циклической вольтамперометрии

вещества 9КО8 подтверждают наличие домицелляр-

-з

ных агрегатов при концентрациях ниже 5-10 М и переход к мицеллам в области более высоких концентраций (рис.2).

Амфифильные каликсарены 9КО8, 9КО16 относятся к новому классу соединений, совмещающих свойства неионных ПАВ и циклофановую платформу. Это позволяет ожидать реализацию различных моделей самоорганизации в растворе. Соединения 9КО8 и 9КО16 обладают большим практическим потенциалом. Показано их использование в качестве наноконтейнеров для лекарственных средств, биопрепаратов и в качестве экстрагентов редкоземельных металлов [13].

Сравнение данных ЭПР спектроскопии спинового зонда, поверхностной тензиометрии и циклической вольтамперометрии показывает, что начало агрегации в растворах каликсаренов соответствует области концентраций 10-4 М. Вместе с тем, скачок на

графике времени корреляции зонда относится к более высокой области концентраций, около 10 М. Это может объясняться чувствительностью зонда к солю-билизационной способности агрегатов. Таким образом метод ЭПР спиновых зондов позволяет исследовать структурные перестройки мицеллярных агрегатов, приводящие к изменению солюбилизирующих свойств раствора.

100-,

90 “ 80

170 § 60 Ю СП

50 о 40 к 30

120

Ш -10.

10'° 10'5 10'“ 10'° 10'2

Концентрация

10'

6 10'5 10'4 10'3 10'2

Концентрация

Рис. 1 - Сравнение результатов метода ЭПР спинового зонда и тензиометрии методом отрыва кольца для систем 9КО8 и 9КО16

Концентрация

Рис. 2 - Зависимость тока, проходящего через электрохимическую ячейку, от концентрации 9КО8

Агрегационные свойства катионных ПАВ ЦТАБ и ЦТАТ

Проведено исследование агрегации схожих по строению поверхностно активных веществ ЦТАБ и ЦТАТ в водных растворах методом спинового зонда ТЕМПО. Полученные данные сопоставлены с результатами исследования систем традиционными методами коллоидной химии (рис.3).

^400-

К

£200-^ О

си

ш

ЭПР

V \ ^ ЦТАБ ЦТАТ Тензиометрия ЦТАБ ЦТАТ /

V V

\ \ Ъ \

XI ~

-60,

40

10'5

10” 10'° 10"

Концентрация

Рис. 3 - Сравнение результатов метода ЭПР спинового зонда и тензиометрии методом отрыва кольца для систем ЦТАБ и ЦТАТ

Анализ времен корреляции спинового зонда и результатов поверхностной тензиометрии показывает, что в области низких концентраций оба вещества ведут себя одинаково и не проявляют домицеллярной агрегации, но в области ККМ процессы мицеллообра-зования протекают различно. Различие в строении исследованных веществ заключается в типе противоиона: в случае ЦТАБ это ион брома, в случае ЦТАТ -тозилата.

Применение спинового зонда 10Ме-фенотиазин для исследования агрегации анионных ПАВ

Методом ЭПР было исследовано поведение молекулы фотоионизируемого вещества 10Ме-

фенотиазин в растворе анионного ПАВ додецилсуль-фат натрия. Были приготовлены растворы ПАВ с концентрациями, лежащими по обе стороны ККМ. Образцы с концентрацией амфифила ниже ККМ, как и ожидалось, не дали спектра ЭПР, что свидетельствует о быстрой гибели фотоиндуцированных ионов. Из этого можно сделать вывод, что молекулы 10Ме-фенотиазина не могут в достаточной мере солюбилизироваться в домицеллярных агрегатах, пленках и кластерах.

Мангитное поле

Рис. 4 - Спектр ЭПР 10-Ме-фенотиазина в присутствии 0,1моль/л ДСН

После УФ-облучения в течение 1 минуты раствора ДСК с концентрацией 0,01М при температуре 295К появляется интенсивный спектр из шести линий с шириной 5Н = 3,2 Гс и примерным соотношением интенсивностей линий 1:4:7:7:4:1 (рис.4). Ширина линий спектра обусловлена, главным

0

образом, неразрешенной структурой от протонов фенотиазинового кольца. Авторам [10] удалось путем симулирования теоретических спектров ЭПР определить константы СТС: ам = 7.3 Гс, а (СН3) = 6.8 Гс. Они соответствуют ранее известным константам, полученным методом ДЭЯР в смеси растворителей толуол: нитрометан =1:4.

Специфика метода ЭПР спиновых зондов позволяет наблюдать большее количество процессов, нежели классические методы тензиометрии и кондук-тометрии, и позволяет помимо исследования критических концентраций мицеллообразования исследовать процессы домицеллярной агрегации, наблюдать структурные перестройки агрегатов и контролировать полярность микроокружения в области солюбилизации зонда. Метод эффективно дополняет классические методы исследования агрегационных процессов (тензиометрия, кондуктометрии, потенциометрии и вискозиметрии) в области низких концентраций исследуемого вещества.

Изучены закономерности агрегации принципиально нового класса амфифильных соединений, окстиэтилированных каликс(4)аренов. Метод ЭПР спиновых зондов показал высокую эффективность в изучении класса соединений. Разработана методика применения 10-Ме-фенотиазина в качестве фотоиони-зируемого спинового зонда. Особенности фотоионизации 10-Ме-фенотиазина делают его удобным зондом для исследования систем анионных амфифилов, а так же смесей разнозаряженных ионных амфифилов.

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по ГК № 02.740.11.0802

Литература

1. Kivelson, D. Theory of ESR linewidths of free radicals / D. Kivelson // J.Chem. Phys. - 1960 - 33 - 1094-1106

2. Mahajan, R.K., Cyclic voltammetry investigation of the mixed micelles of conventional surfactants with L64 and F127 / R.K. Mahajan, N. Kaur, M.S. Bakshi // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects - 2006 - 276 - 221-227

3. Захаров, А.Г. Преимущественная сольватация фенола и бензойной кислоты в бинарных водно-органических смесях. / А.Г. Захаров, М.И. Воронова, Д.В. Батов, К.В. Смирнова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010 - №2 - С.33-3б

4. McIntire, G.L. Electrochemistry in ordered systems. Oxidative electrochemistry of 10-methylphenothiazine in anionic, cationic, and nonionic micellar systems / G.L. McIntire, H.N. Bloun // J. Am. Chem. Soc. - 1979 - 101 (2б) - 7720-7721

5. Sapre A.V. Photoionisation studies in aqueous micellsr solutions / A.V. Sapre // PINSA - 2000 - 66a - 2S9-301

6. Kang Y.S. An Electron Magnetic Resonance Study on the

Photoionization of N-Alkylphenothiazines in Dioctadecyidime-thylammonium Chloride Frozen Vesicles: The Effect of Urea, 1,3-Dimethylurea, 1,3-Diethyiurea, and 1,1’,3,3‘-

Tetramethyiurea / Y.S. Kang, H.J.D. McManus, L. Kevan, // J. Phys. Chem. - 1992 - 96 - 10055-10060

7. Morol, Y. Solublllratlon of Phenothiazine in Aqueous Surfactant Micelles / Y. Morol, K. Sato, R. Matuura // J. Phys. Chem.

- 19S2 - S6, - 2463-246S

S. Turro N.J. Photoionization of Phenothiazine: EPR Detection of Reactions of the Polarized Solvated Electron / N.J. Turro,

I.V. Khudyakov, H. Willigen // J. Am. Chem. Soc. - 1995 - 117

- 12273-122S0

9. Narayana P.A. Electron Spin Resonance and Electron Spin-Echo Studies of the Photoionization of Tetramethylbenzidine in Frozen Aqueous Anionic, Cationic, and Nonionic Micellar Solutions. Effect of Micelle Type and Anionic Micelle Size / P. A. Narayana, A. S. W. Li, L. Kevan // J. Am. Chem. Soc. - 19S2

- 104 - 6502-6505

10. Кадиров, М.К. Исследование методом ЭПР фотоокисления фенотиазинов в водных мицеллярных растворах / М.К. Кадиров Е.С. Нефедьев // Известия АН. Сер. хим. - 2003. -№5. - С.1055-1059

II. Mustafina A. Solution behavior of mixed systems based on novel amphiphilic cyclophanes and Triton X100: Aggregation, cloud point phenomenon and cloud point extraction of lanthanide ions / A. Mustafina, L. Zakharova, J. Elistratova, J. Kudryashova, S. Soloveva, A. Garusov, I. Antipin, A. Konovalov // Journal of Colloid and Interface Science - 2010 - 346 - 2 - 15 -405-413

12. Патент РФ 96976, 2010, Бюл. №23

13. Кадиров М.К. Циклическая вольтамперометрия нитро-нил- и иминонитроксилов, детектируемая методом электронного парамагнитного / М. К. Кадиров, Е. В. Третьяков, Ю. Г. Будникова, К. В. Холин, М. И. Валитов, В. Н. Вавилова, В. И. Овчаренко, Р. З. Сагдеев, О. Г. Синяшин // Ж. Физ. Хим. - 2009 - S3 - 12 - 2367-2374

14. Yadava P. Nonviral Gene Therapy with Surfactants Polymeric Drug Delivery I / P. Yadava, D. Buethe, J.A. Hughes // ACS Symposium Series - 200б - 14 - 923 - 19S.

© А. И. Литвинов - м.н.с. лаб. ЭХС ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, асс. каф. физики КНИТУ, zenituwka88@gmail.com; Л. Я. Захарова - д-р хим. наук, зав. лаб. высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, М. К. Кадиров - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики КНИТУ, с.н.с. лаб. ЭХС ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.