На правах рукописи
КРАХОТКИНА Элина Александровна
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КАРБО - И ГЕТЕРОЦЕПНЫХ АЗОЛСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ
02.00.06 – Высокомолекулярные соединения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иркутск - 2011
Работа выполнена на кафедре органической химии химического факультета
Иркутского государственного университета
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Скушникова Альвира Ивановна
кандидат химических наук, доцент
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт химии
Нижегородского государственного
университета им.
Защита состоится 16 февраля 2011 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.074.06 по защите диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук при Иркутском государственном университете 26, химический факультет ИГУ.
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке ИГУ, с авторефератом диссертации - на сайте ИГУ http://www. *****
Автореферат разослан и размещен на сайте ИГУ http://www. *****
« 11 » января 2011 г.
Отзывы на автореферат высылать Иркутск, ул. К. Маркса, 1, ИГУ, химический факультет, учёному секретарю диссертационного совета .
Учёный секретарь диссертационного совета,
к. х. н., доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Водорастворимые высокомолекулярные соединения были и остаются весьма интересным для науки и практики типом полимеров, поскольку, структура подобных полимерных веществ предполагает наличие определенных функциональных фрагментов, обеспечивающих еще и проявление широкого многообразия свойств: комплексообразующую, сорбционную, каталитическую активности, многие из водорастворимых полимеров обладают собственным физиологическим действием. Поэтому водорастворимые полимеры находят практическое применение во многих областях жизнедеятельности человека: они используются при решении задач экологии, сельского хозяйства, пищевой промышленности, в медицинской практике и др. На их основе производят сорбенты, коагулянты, флокулянты, носители лекарственных веществ, разделительные мембраны и многое другое. Некоторые водорастворимые полимеры, имея структуру, близкую к природным биологически активным соединениям, проявляют активность в реакциях, моделирующих биологические процессы в живых организмах, т. е. могут служить не только моделями для изучения подобных процессов, но и основой для создания синтетических физиологически активных веществ.
К числу водорастворимых высокомолекулярных веществ относятся и некоторые представители азолсодержащих полимеров, в частности, имеющие в структуре имидазольные, 1,2,4-триазольные и N-H незамещенные тетразольные циклы. Причем, многообразие структурных вариаций мономерных фрагментов обусловливает существование среди данного класса высокомолекулярных соединений гидрофильных, ионизующихся и неионогенных полимеров, проявляющих кислотные и основные свойства. Поэтому исследование процессов взаимодействия азолсодержащих полимеров с водными системами представляет интерес в плане решения фундаментальной проблемы установления взаимосвязи «строение – свойство», для расширения общетеоретических представлений о процессах формирования многокомпонентных систем, в том числе и биологических систем, моделями которых могут служить водные растворы азолсодержащих полимеров. Кроме того, именно в водных системах для этих полимеров характерно проявление большинства практически интересных свойств. Нередко выраженность проявления того или иного свойства определяется структурными факторами, в частности, гидрофильно-гидрофобным балансом в макромолекулах полимеров. Поэтому поиск новых структурных вариаций полимеров на основе полиазотистых гетероциклов является весьма актуальной проблемой в плане расширения возможностей практического применения азолсодержащих полимеров.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института нефте - и углехимического синтеза при Иркутском государственном университете (№ гос. регистрации НИР ) «Создание новых нетрадиционных подходов к молекулярному дизайну азол - и азинсодержащих полимеров и нанокомпозитов на их основе с каталитической и биологической активностью» и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракты № П1474 от 03.09.09 и № П2122 от 05.11.09).
Цель работы. Синтез и исследование свойств тетразолсодержащих полимерных кислот с различным гидрофильно-гидрофобным балансом и ранее неизвестных гетероцепных полиазолов катионной природы.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Синтез сополимеров 5-винилтетразола с различными виниловыми сомономерами, обеспечивающими проявление сополимерами амфифильных свойств и существование в макромолекулах различных типов межмолекулярных взаимодействий: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцепторных (водородных связей).
2. Исследование реакции сополимеризации 5-винилтетразола с N-винил-лактами и получение полимерных соединений, обладающих в водных средах рН-термочувствительными свойствами.
3. Исследование процессов формирования водных композиций с участием тетразолсодержащих сополимеров и установление влияния различных структурных факторов на совместимость полимеров с водой и поведение в водных средах.
4. Исследование возможности использования реакции поликватернизации для синтеза ранее неизвестных полиазолов ионенной природы.
5. Изучение реакций интерполимерного взаимодействия азолсодержащих ионенов с полимерными кислотами синтетического (полиакриловой кислотой) и природного (гепарином) происхождения.
В качестве основных объектов исследования данной работы служили 5-винилтетразол и сополимеры на его основе с 2-метил-5-винилтетразолом, 2-амил-5-винилтетразолом, 2-нонил-5-винилтетразолом, 1,1,7-тригидрододе-кафторгептилметакрилатом, 1-винилимидазолом, N-винилкапролактамом, N-винилпиридоном, N-винилпиперидоном, а также бис-ди- и триазолы и ионены на их основе.
Научная новизна и практическая значимость работы. Результаты исследования совместной полимеризации 5-винилтетразола с мономерами винилазольного, метакрилатного и виниллактамного типа расширяют представление об активности винильных производных тетразола в полимеризационных процессах.
Синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты кислотного характера, строение макромолекул которых обусловливает существование различных типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами. Исследованием взаимодействия с водой тетразолсодержащих сополимеров установлено, что наличие в макромолекулах боковых фрагментов, склонных к сильным диполь-дипольным взаимодействиям, приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему снижению сродства полимеров к воде по сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными фрагментами.
Установлено, что совмещением в одной макромолекулярной цепи мономерных звеньев 5-винилтетразола и N-винилкапролактама возможно получение полимерных продуктов, обладающих рН-термочувствительными свойствами. Для водных растворов указанных сополимеров характерно наличие нижней критической температуры (НКТР), которая изменяется в зависимости от рН среды.
Продемонстрирована возможность использования реакции поликватернизации с участием бис-имидазола, бис-триазолов и дигалогеналканов различного строения для синтеза гетероцепных азолсодержащих олигомеров катионной природы, способных к реакциям интерполимерного взаимодействия с полимерными кислотами синтетического и природного происхождения, что обусловливает проявления азолсодержащими ионенами физиологической активности.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на XVIII и XIX Российской молодежной научной конференции (Екатеринбург, 2008 и 2009); X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры-2009» (Волгоград, 2009); V Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры 2010» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 5 материалов конференций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц, 33 рисунка и списка цитируемой литературы из 137 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В качестве объектов исследования служили 5-винилтетразол (ВТ) и сополимеры на его основе с 2-метил-5-винилтетразолом (МВТ), 2-амил-5-винилтетразолом (АВТ), 2-нонил-5-винилтетразолом (НВТ), 1,1,7-тригидрододекафторгептилметакрилатом (12-ФГМА), 1-винилимидазолом (ВИ), N-винилкапролактамом (ВК), N-винилпиридоном (ВП), N-винилпиперидоном (ВПП), а также бис-ди- и триазолы и ионены на их основе.
1. Синтез и свойства сополимеров 5-винилтетразола с различным
гидрофильно-гидрофобным балансом
1.1. Синтез сополимеров 5-винилтетразола
Радикальной сополимеризацией винилтетразолов синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты кислотного характера, строение макромолекул которых обусловливает существование различных типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцепторных (водородных связей).
Сополимеры ВТ – МВТ (АВТ, НВТ) (I - III)
Сополимер ВТ – 12-ФГМА (IV)
Сополимер ВТ – ВИ (V)
Сополимер ВТ – ВК (VI)
Сополимер ВТ – ВП (VII)
Сополимер ВТ – ВПП (VIII)
Сополимер 5-изопропенил-
тетразола (ИПТ) с ВК (IX)
Сополимер МВТ – ВК (X)
Для некоторых систем были изучены закономерности процесса сополимеризации, который проводили в условиях радикального инициирования в ДМФА или этаноле. Установлено, что при совместной полимеризации ВТ с ВИ и N-виниллактамами (ВК, ВП и ВПП), а также в системе МВТ – ВК, сополимеры обогащены звеньям тетразолсодержащего мономера во всем диапазоне исходных соотношений сомономеров. Для систем ВТ – МВТ и ВТ – 12-ФГМА отмечено существование точки «азеотропа» (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость содержания звеньев ВТ (МВТ) в сополимере ( m1 )
от его содержания в исходной мономерной смеси (М1) для систем:
ВТ–МВТ (1); ВТ–12-ФГМА (2); ВТ – ВИ (3); ВТ–ВК (4); ВТ–ВП (5);
МВТ–ВК (6).
Расчет констант сополимеризации указывает, что во всех системах наиболее активным является тетразолсодержащий мономер (табл. 1). Для смесей ВТ с N-виниллактамами было обнаружено явление комплексообразования между сомономерами, обусловленное образованием водородных связей между N-Н незамещенным тетразольным циклом и карбонильным фрагментом лактамного кольца. Эффект комплексообразования в некоторой степени сказывается на процессе сополимеризации в системе ВТ–ВП, где, по данным ИК-спектроскопии, образуется более прочный комплекс между сомономерами: произведение констант сополимеризации r1 ´ r2 = 0.01 для этой системы указывает на возможное чередование звеньев в сополимере.
Таблица 1. Константы сополимеризации 5-винилтетразола (М1) с некоторыми виниловыми мономерами
М2 | Растворитель | r1 | r2 |
МВТ 12-ФГМА ВИ ВК ВП МВТ (М1) – ВК | ДМФА ДМФА ДМФА Этанол Этанол Этанол | 0.61 ± 0.18 0.74 ± 0.12 1.04 ± 0.20 1.33 ± 0.30 1.18 ± 0.20 2.73 ± 0.20 | 0.52 ± 0.16 0.60 ± 0.09 0.22 ± 0.05 0.24 ± 0.06 0.01 ± 0.001 0.57 ± 0.05 |
Образование сополимеров во всех системах подтверждено данными элементного и спектральных (ЯМР - и ИК-спектроскопией) анализов, результатами потенциометрического и турбидиметрического титрования.
1.2. Совместимость с водой сополимеров 5-винилтетразола
Совместимость высокомолекулярных соединений с водой зависит от степени термодинамического сродства полимеров к воде, которая, в свою очередь, определяется структурными особенностями полимера: гидрофильно-гидрофобным балансом и степенью самоассоциации его макромолекул. Синтезированный набор тетразолсодержащих сополимеров характеризуется разнообразием структурных вариаций с различными типами межмолекулярных взаимодействий: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцептор-ных (в случае водородных связей). Поэтому можно отследить влияние структурных факторов тетразолсодержащих полимеров на их совместимость с водой.
Сополимеры на основе ВТ, включающие N-H незамещенные тетразольные фрагменты, проявляют свойства полимерных кислот. Однако, в неионизованной Н-форме, независимо от состава, сополимеры не растворимы в воде, а лишь ограниченно набухают в ней. Причиной тому является образование внутри - и межмолекулярных водородных связей как между самими звеньями винилтетразола, так и между тетразольными и структурными фрагментами (имидазольными, лактамными циклами) других сомономеров. Поэтому введение в тетразольный цикл метильного радикала, исключающее образование водородных связей между гетероциклическими фрагментами мономерных звеньев в сополимере МВТ с ВК, способствует проявлению водорастворимости у образцов с преобладающим содержанием звеньев ВК, при наличии НКТР. Для образцов сополимеров МВТ с ВК с содержанием звеньев последнего 0.52 и 0.65 мол. долей значение НКТР равно 10 и 18 оС соответственно.
Ионизация звеньев ВТ способствует возрастанию термодинамического сродства сополимеров к воде; в солевой форме сополимеры неограниченно смешиваются с водой. В случае сополимера ВТ с ВИ, который по своей природе является полиамфолитом, растворимость в водной среде также может быть достигнута посредством ионизации основных имидазольных циклов, вследствие разрушения системы водородных связей с появлением заряженных фрагментов.
Количественную оценку термодинамических параметров взаимодействия с водой тетразолсодержащих сополимеров, находящихся в ионизованном состоянии, осуществляли с использованием сорбционного метода. На основании результатов сорбции были рассчитаны значения средней удельной энергии смешения Гиббса Dgm полимеров с водой, которые показали, что наибольшим сродством к воде (наиболее отрицательные значения Dgm) из рассмотренных сополимеров обладает натриевая соль сополимера ВТ и ВИ (рис. 2). Присутствие в макромолекулах сополимеров алкильных радикалов или лактамных циклов понижает их гидрофильность по сравнению с натриевой солью гомополимера ВТ. Наименьшим термодинамическим сродством к воде обладает сополимер ВТ с 12-ФГМА. Обращает на себя внимание и особенность сорбции им паров воды: вид изотермы сорбции для данного сополимера (рис. 3), в большей степени типичен для сорбции паров кристаллическим, а не стеклообразным полимером, как для остальных сополимеров. Сополимер ВТ с 12-ФГМА до p/ps=0.4 практически не поглощает воду, и только при p/ps > 0.9 количество сорбированной воды резко возрастает. Вероятно, сильная самоассоциация макромолекул, вызванная диполь-дипольными взаимодействиями боковых перфторалкильных радикалов мономерных зве-
Рис. 2. Средние удельные энергии Гиббса
смешения с водой при 25 оС Na-солей го-
мополимера ВТ (1), сополимеров I (2), II
(3), IV (4), V (5) и VI (6).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах:
I - 0.70, II - 0.66, IV - 0.63, V - 0.52 и
VI - 0.68.
ньев ФГМА, обусловливает снижение сорбционных свойств. Только при разрушении до определенной степени ассоциированной полимерной структуры молекулами воды происходит рост водопоглощения.
Рис. 3. Изотермы сорбции паров воды
(x/m – отношение массы воды и поли-
мера) при 25 оС Na-солями гомополи-
мера ВТ (1), сополимеров I (2), II (3),
IV (4).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах:
I - 0.70, II - 0.66, IV - 0.63.
Таким образом, наличие в макромолекулах сополимеров ВТ боковых фрагментов, склонных к сильным диполь-дипольным взаимодействиям, приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему снижению сродства полимеров к воде по сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными алкильными заместителями или полиметиленовыми цепочками лактамных циклов.
1.3. Состояние воды в полимерных матрицах
Данные по равновесной сорбции паров воды сополимерами использованы для оценки состояния молекул воды в полимерной матрице. С этой целью рассчитывали функции кластерообразования G11/V1 (если G11/V1 £ -1, то вода кластеров не образует, если G11/V1 > -1 – кластеры существуют) и размер образующихся кластеров воды Nc. Снижение термодинамического сродства полимера к воде обусловливает большую склонность молекул воды к кластерообразованию. Как следствие, для наименее гидрофильного сополимера ВТ с 12-ФГМА формирование кластеров воды происходит уже при ее объемной доле в полимерной матрице 0.01 – 0.015 (рис. 4) и образуются наибольших размеров кластеры воды (до 12 молекул воды).
У наиболее гидрофильного из изученных полимерных образцов сополимера V параметр G11/V1 ненамного отклоняется от -1 только в области объемных долей воды 0.45 – 0.48 и кластеры вообще не образуются, т. е. вода в матрице полимера находится в виде отдельных молекул. Аналогичная картина проявляется и для сополимеров ВТ с ВК.
Рис. 4. Зависимость функции кластерообразования воды G11/V1 (1-5)
и размера кластеров воды Nc (6-10) от ее объемной доли для систем
вода – гомополимер ВК (1, 6); Na-соль гомополимера ВТ (2, 7); со-
полимеров IV(3, 8), V (4, 9) и VI (5, 10). Мольная доля звеньев ВТ в
сополимерах: IV - 0.63, V - 0.52 и VI - 0.68.
Таким образом, результаты исследования состояния воды в полимерных матрицах коррелируют с величинами энергии смешения Гиббса полимеров с водой. Улучшение взаимодействия высокомолекулярного соединения с водой влечет за собой возрастание склонности к формированию совместных структур полимер–вода и снижению склонности воды к кластерообразованию.
1.4. Свойства водных растворов тетразолсодержащих сополимеров
Карбоцепные полимеры, содержащие N-H незамещенный тетразольный цикл в качестве бокового заместителя, являются типичными полимерными кислотами, макромолекулы которых, в зависимости от строения, способны к конформационным превращениям при ионизации в водных средах. Стабилизация компактных конформаций макромолекул при низких степенях ионизации обусловлена существованием, как водородных связей, так и гидрофобных взаимодействий. В анализируемых в данной работе сополимерах варьирование гидрофильно-гидрофобного баланса осуществлено введением в полимерную структуру различных по размеру гидрофобных алкильных радикалов, перфторалкильных и полиалкилентетразольных фрагментов с очень сильными диполь-дипольными взаимодействиями, разной степени гидрофобности лактамных циклов.
Вид кривых потенциометрического титрования в координатах рК~f(α) для сополимеров ВТ с МВТ, НВТ, ВПП, ВК (рис. 5) указывает на отсутствие какого-либо конформационного перехода макромолекул при ионизации. Присутствие в структуре тетразолсодержащего полимера алкильных радикалов разного размера или лактамных циклов, несмотря на существование гидрофобных взаимодействий с их участием, не приводит к структурированию макромолекул в неионизованном состоянии при комнатной температуре.
Рис. 5. Зависимость константы кислотности рК от степени ионизации
при 20 оС для водных растворов гомополимера ВТ (1), сополимеров I
(2), III (3), IV (4), VI (5, 6 (60 оС)), VIII (7).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах: I - 0.70, III - 0.81, IV - 0.63,
VI - 0.68, VIII - 0.67.
Для сополимера ВТ с 12-ФГМА на кривой зависимости рК~f(α) отмечен пологий участок в области значений a 0.3 – 0.6, свидетельствующий о наличии кооперативного конформационного перехода макромолекулярных цепей при ионизации. Аналогичные превращения претерпевают макромолекулы сополимера ВТ с ВК в области 0.2 < a < 0.5 при повышенной температуре. Значение энергии Гиббса конформационного перехода при 60 оС, рассчитанное из кривой зависимости рК от a, составило 401.1 Дж/моль. Это явление не наблюдается для сополимера ВТ с ВПП. Таким образом, различие всего на одну группу СН2 в полиметиленовой цепочки лактамного цикла способствует тому, что для сополимера ВТ с ВК при повышенной температуре в большей степени проявляются гидрофобные взаимодействия, которые являются фактором стабилизации компактной конформации полимерного клубка сополимера в неионизованном состоянии.
Полиэлектролитные свойства сополимеров на основе ВТ выражаются в проявлении эффекта полиэлектролитного набухания в растворе при ионизации. Как и в случае потенциометрического титрования, характер изменения вязкости раствора сополимера ВТ с ВК при ионизации отличается от всех остальных сополимеров; на кривой вискозиметрического титрования наблюдается перегиб в области малых степеней ионизации, характерный для макромолекул, претерпевающих конформационный переход.
Сочетание в макромолекулярной цепи тетразольных и капролактамных циклов обусловливает существование для водных растворов сополимеров ВТ с ВК, содержащих выше 0.5 мольных долей звеньев ВК, нижней критической температуры растворения. При этом значение НКТР находится в зависимости как от соотношения мономерных звеньев, так и от степени ионизации тетразольных фрагментов (т. е. от рН среды) (рис. 6), но всегда превышает аналогичную температуру для ПВК (32-33 оС). Таким образом, сополимеры ВТ с ВК относятся к, так называемым, рН-термочувствительным полимерам.
Рис. 6. Зависимость температуры
фазового разделения водных раст-
воров от степени ионизации для
сополимера VI с мольной долей
звеньев ВТ 0, 0
Сравнение рН-термочувствительных свойств сополимеров ВК с тетразолсодержащим мономером и известными из литературы сополимерами с метакриловой кислотой выявило ряд отличий в поведении в растворах полимерных N-H и O-H кислот. При одинаковом содержании звеньев ионогенного сомономера ионизация тетразолсодержащего сополимера сопровождается более существенным возрастанием температуры фазового разделения, чему причиной является большая гидрофильность звеньев ВТ по сравнению с фрагментами метакриловой кислоты в солевой форме.
Таким образом, совмещение в одной макромолекуле тетразольных и капролактамных фрагментов придает продуктам совместной полимеризации винилтетразолов и ВК свойства, как типичные для гомополимеров обоих сомономеров, так и присущие исключительно сополимерам. Одним из таких свойств является рН-термочувствительность водных систем на основе полученных сополимеров. С учетом широких возможностей химической модификации тетразолсодержащих фрагментов, полученные сополимеры могут представлять интерес при создании так называемых «умных» полимерных систем.
Растворить тетразолсодержащие полимеры в водной среде можно не только посредством ионизации тетразольных фрагментов, но и добавлением к воде некоторых низкомолекулярных солей, например, перхлоратов, роданидов и иодидов. Подобный эффект проявляется и для сополимеров на основе винилтетразолов. Сополимеры ВТ с ВК при содержании звеньев первого сомономера более 50% также обладают способностью растворяться в водно-солевых средах. Минимальная концентрация соли, необходимая для растворения полимерного продукта (С*), уменьшается с обогащением сополимера звеньями ВТ (рис. 7), но всегда превосходит С* для гомополимера ВТ, равную 0.8 и 0.7 моль/л для роданида аммония (РДА) и перхлората лития соответственно.
Рис. 7. Зависимость минимальной
концентрации водного раствора роданида
аммония (1) и перхлората лития (2),
растворяющего при 20 оС сополимер VI
от мольного содержания в нем звеньев
ВТ.
Присутствие даже небольших количеств гидрофобных звеньев ВК уменьшает по сравнению с гомополимером ВТ совместимость сополимеров с водно-солевыми растворами.
Способностью растворяться в водно-солевых средах (например, в водных растворах РДА) обладают и сополимеры МВТ с ВК. Однако если для гомополимера МВТ существует только минимальная растворяющая концентрация (Сmin) водного раствора РДА, равная 0.65 моль/л, то для сополимеров МВТ с ВК отмечено существование двух граничных концентраций водно-солевого раствора, растворяющего сополимеры: Сmin, а также и максимальная растворяющая концентрация (Сmax). Причем значения граничных концентраций водных растворов РДА находятся в зависимости от состава сополимеров (рис. 8). С увеличением содержания в сополимере МВТ с ВК фрагментов МВТ расширяется концентрационная область водно-солевого раствора, растворяющего сополимеры. Таким образом, присутствие в макромолекулах сополимера звеньев ВК сказывается на его свойствах, что выражается в ухудшении качества растворителя.
Рис. 8. Влияние содержания звеньев
МВТ в сополимере на минимальную
(Сmin) ( 1 ) и максимальную (Сmax) ( 2 )
концентрации водного раствора РДА,
растворяющего сополимер Х при 20 оС.
Водно-солевые растворы сополимеров МВТ с ВК обладают НКТР, значения которой находятся в зависимости от концентрации низкомолекулярного электролита в растворе и состава образца сополимера (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость НКТР водных
растворов сополимера Х от содержа-
ния в нем звеньев МВТ при макси-
мальных растворяющих концентрациях
водных растворов РДА.
Таким образом, увеличение в сополимере МВТ с ВК доли звеньев МВТ сопровождается возрастанием значений НКТР водно-солевых растворов сополимеров, причем, чем больше в сополимере содержание звеньев МВТ, тем резче выражен рост НКТР. С другой стороны, гидрофобный характер полиметиленовой цепочки лактамного цикла способствует ухудшению совместимости сополимеров МВТ с ВК, по сравнению с гомополимером МВТ, с водными системами, содержащими низкомолекулярный электролит. Для тетразолсодержащих полимеров это является признаком гидрофобизации, поскольку, например, поли-2-алкил-5-винилтетразолы с трет-бутильными или амильными радикалами не растворимы в водно-солевых системах.
2. Синтез и свойства азолсодержащих ионенов
Если рассматривать предыдущий раздел с точки зрения макромолекулярного дизайна полимеров с гетероциклическими фрагментами, то представленный в ней подход можно отобразить цепочкой превращения:
гетероцикл ® виниловый мономер ® сополимеризация с другими виниловыми сомономерами различного строения.
Однако в структуре азольных циклов заложены и другие варианты «конструирования» на их основе высокомолекулярных соединений различного строения. Наличие атомов азота «пиррольного» типа обуславливает участие данных гетероциклов в реакциях электрофильного замещения, а наличие атомов азота «пиридинового» типа - электрофильного присоединения. К последним относится реакция избыточного алкилирования или кватернизации, приводящая к образованию четвертичных солей.
 |
Способность вступать в реакцию кватернизации уменьшается с увеличением числа атомов азота в гетероцикле, поэтому наиболее активными являются соединения с имидазольными и триазольными фрагментами. Если в качестве взаимодействующих реагентов использовать соответствующие бис-азолы и дигалогеналканы, то реакцию кватернизации можно применить для построения высокомолекулярных соединений. В результате получаются соединения, так называемого, ионенного типа.
2.1. Синтез азолсодержащих ионенов
Ионены – это гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи положительно заряженные четвертичные атомы азота. Один, из наиболее распространенных подходов к синтезу ионенов, заключается в одновременном формировании полимерной цепи и катионных центров посредством реакции кватернизации дигалогеналканами бифункциональных соединений, содержащих терминальные третичные атомы азота. В данной работе в качестве бифункциональных азотсодержащих мономеров использованы бис-азолы с двумя и тремя атомами азота в цикле, синтез которых осуществляли тремя подходами:
1) формирование азольного цикла из соответствующих синтонов;
2) алкилирование натриевых солей азолов соответствующими дигалогеналканами;
3) использование заместителей, находящихся в кольце, для конденсации двух азольных циклов.
Структура и некоторые характеристики синтезированных бис-азолов представлены в таблице 2.
Таблица 2. Строение и характеристики бис-азолов
Бис-азол | Выход, % | Тпл, 0С | d 13С, м. д. |
| 70 | 58 | 136.7; 127.6; 118.9 (Сцикл) 45.8; 27.5 (СН2) |
| 65 | 157 | 152.0; 144.8 (Сцикл) 48.45 (СН2) |
| 82 | 91 | 151.3; 143.9 (Сцикл) 48.3; 29.1 (СН2) |
| 67 | 73 | 151.9; 144.1 (Сцикл) 47.9; 28.8 (СН2) |
| 55 | 110 | 162.6 (Сцикл) 39.3; 29.4; 25.6 (СН2) |
N, N-Бис-(1,2,4-триазол-4-ил)имин
| 90 | 151 | 153.95; (Сцикл) 139.6 (-СН=) |
1,4-Бис-(имидазол-1-ил)бутан
1,2-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)этан
1,3-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)пропан
1,4-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)бутан
1,6-Бис-(1,2,4-триазол-4-ил)гексан
глиоксаляНа базе полученных мономеров реакцией кватернизации между соответствующими бис-азолами и дигалогеналканами были синтезированы вы
сокомолекулярные соединения ионенного типа:
где Y или Z = CH или N; X = Br, I; m = 2 – 4.
Синтезированные ионены представляют собой неокрашенные или слабоокрашенные порошкообразные соединения со структурой и характеристиками, представленными таблице 3.
Таблица 3. Строение и свойства азолсодержащих ионенов
Структура | Выход, % | [h]*, дл/г | ММ |
m = 4; X = I (I) m = 4; X = Br (II) m = 3; X = I (III) m = 3; X = Br (IV) n = 2; m = 4; X = I (V) n = 2; m = 4; X = Br (VI) n = 2; m = 2; X = Br (VII)
n = 3; m = 3; X = Br (IX) n = 4; m = 4; X = I (X) n = 4; m = 4; X = Br (XI)
m = 4 (XII) m = 2 (XIII)
(XIV) | 57 78 82 85 61 73 76 80 84 57 69 49 42 55 | 0.06 0.07 0.19 0.12 0.03 0.01 0.02 0.01 0.04 0.02 0.04 0.02 0.01 0.01 | 4500 5000 13500 9000 2000 1000 1500 1000 3000 1500 3000 1500 1000 1000 |
n = 3; m = 3; X = I (VIII)
* Вязкости измерены в 0.4 М водном растворе КВr при 25 оС.
Об образовании ионогенных высокомолекулярных соединений свидетельствует хорошая растворимость в воде всех продуктов поликватернизации, а также данные вискозиметрии и кондуктометрии. Водные растворы ионенов обладают удельной электропроводностью в интервале (1 ÷ 3.5) ´ 10-3 См/см. Найденные значения молекулярных масс (ММ) указывают, что во всех случаях образуются олигомерные продукты. При этом ММ имидазолсодержащих ионенов выше, чем у соединений на основе бис-триазолов.
2.2. Комплексообразование азолсодержащих ионенов с полимерными кислотами
Известно, что физиологическая активность поликатинов, в частности ионенов, во многом определяется их способностью образовывать интерполимерные комплексы с полианионами. В настоящей работе рассмотрены некоторые закономерности интерполимерного взаимодействия синтезированных азолсодержащих ионенов с полианионами синтетического (полиакриловой кислотой (ПАК)) и природного (гепарином) происхождения. Для этих целей были выбраны образцы поликатионов (ионены I, II и XI) с одинаковой длиной полиметиленовых фрагментов между заряженными центрами, близкой ММ, различающиеся природой гетероцикла и противоиона (табл. 3).
Подобно алифатическим ионенам, азолсодержащие ионены образуют полиэлектролитные комплексы с ПАК и гепарином при смешивании их водных растворов. Формирование солевых связей между макромолекулами поликатиона и полианиона происходит в результате реакций:
где Y или Z = CH или N; X = Br, I.
Если в случае ПАК в реакции принимают участие только карбоксильные группы поликислоты, то у гепарина в комплексообразовании принимают участие помимо карбоксильных и сульфогруппы, находящиеся в солевой форме.
В результате реакции (2) взаимодействие между полиэлектролитами сопровождается понижением рН среды: кривые потенциометрического титрования смесей ионенов с полианионами расположены ниже кривых потенциометрического титрования свободных ПАК и гепарина (рис. 10).
Рис. 10. Кривые потенциометрического титрования водных растворов
ПАК ( 1 ), гепарина ( 2 ) и смесей ионен II – ПАК (3) ( гепарин (4) );
ионен XI – ПАК (5) (гепарин (6)). Концентрация ПАК и ионенов 0.005
осн.-моль/л, концентрация гепарина и ионенов 0.015 осн.-моль/л.
Рис. 11. Зависимость степени превращения q от рН среды в реакциях
ионена II с ПАК (1) и гепарином (2) и ионена XI с ПАК (3) и гепарином
(4).
Исходя из данных потенциометрического титрования, были рассчитаны значения степеней превращения q в реакциях между изученными полиэлектролитами (рис. 11), которые указывают на высокую кооперативность реакции комплексообразования, а также, на несколько большую комплексообразующую способность триазолсодержащего ионена XI. Кроме того, для системы ионен – гепарин отмечены существенно более высокие значения степеней превращения q реакции солеобразования между катионными и кислотными (карбоксильными) фрагментами (рис. 11). Возможно, это является следствием жесткоцепной структуры гепарина и азолсодержащего ионена, размеров структурных фрагментов между заряженными центрами в обоих типах макромолекул, что способствуют стерической комплементарности компонентов и, как следствие, более полному взаимодействию между катионными и кислотными центрами полиэлектролитов. В совокупности с формированием солевых связей между катионными центрами и сульфонатными группами это должно способствовать образованию более прочных комплексов ионенов с гепарином, чем с ПАК.
При смешивании водных растворов полианионов и азолсодержащих ионенов, в зависимости от соотношения компонентов, возможно образование как нерастворимых, так и растворимых полиэлектролитных комплексов, что подтверждается данными турбидиметрического титрования (рис. 12).
Рис. 12. Кривые турбидиметрического титрования раствора ПАК-Na
растворами ионенов II (1) и XI (3) при рН 9.5 (концентрация растворов
ПАК и ионенов 0.008 осн.-моль/л) и раствора гепарина растворами ионе-
нов II (2) и XI (4) при рН 5.0 (концентрация растворов гепарина и ионенов
0.015 осн.-моль/л). (D – оптическая плотность, отнесенная к единице)
Во всех системах с ПАК максимальный выход нерастворимого стехиометрического полиэлектролитного комплекса (СПЭК) приходится на состав смеси полиэлектролитов z = 1, в случае с гепарином эта величина равна 1.2 ÷ 1.3. В области соотношений z < 0.5 и z > 2 в обоих случаях возможно образование водорастворимых нестехиометрических полиэлектролитных комплексов (НПЭК), общим свойством которых является их низкая устойчивость при повышении ионной силы раствора. Так, добавление в водные растворы НПЭК небольших количеств NaCl приводит к диспропорционированию водорастворимого комплекса с образованием нерастворимого СПЭК и свободного избыточного полиэлектролита.
Так как синтезированные ионены способны к комплексообразованию с гепарином, можно предположить у них наличие антигепариновой активности. Скрининговые испытания антигепариновой активности “in vitro” фотоколориметрическим методом с применением основного красителя азур А показали, что весовое нейтрализующее соотношение для всех изученных ионенов лежит в пределах 0.5 ÷ 2.0 (в мг ионена на 1 мг гепарина). Кроме того, для некоторых из полученных олигомерных катионов отмечено наличие высокой антибактериальной активности по отношению к музейным штаммам микроорганизмов.
ВЫВОДЫ
1. Исследованы некоторые закономерности совместной полимеризации 5-винилтетразола с мономерами винилазольного, метакрилатного и виниллактамного типа, указывающие на более высокую реакционность винилтетразола во всех изученных системах. Синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты кислотного характера, строение макромолекул которых обусловливает существование различных типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцепторных (водородных связей).
2. Исследовано взаимодействие с водой тетразолсодержащих сополимеров с различным гидрофильно-гидрофобным балансом. Установлено, что наличие в макромолекулах сополимеров боковых фрагментов, склонных к сильным диполь-дипольным взаимодействиям (например, перфторалкильных или полиалкилентетразольных), приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему снижению сродства полимеров к воде по сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными алкильными заместителями или полиметиленовыми цепочками лактамных циклов.
3. Изучение состояния воды в полимерных матрицах синтезированных тетразолсодержащих сополимеров выявило четкую корреляцию между уменьшением склонности молекул воды к кластерообразованию и улучшением термодинамического сродства полимера к воде.
4. Установлено существенное влияние гидрофильно-гидрофобного баланса и структуры звена гидрофобизирующего сомономера в макромолекулах тетразолсодержащих сополимеров на их полиэлектролитные свойства, поведение в водно-солевых средах и на термочувствительные свойства водных растворов. Показано, что при определенном соотношении мономерных звеньев сополимеры 5-винилтетразола с N-винилкапролактамом обладают рН-термочувствительными свойствами, т. е. водные растворы сополимеров обладают НКТР, которая способна изменяться в зависимости от рН среды.
5. Продемонстрирована возможность использования реакции поликватернизации с участием бис-имидазола, бис-триазолов и дигалогеналканов различного строения для синтеза гетероцепных азолсодержащих олигомеров ионенного типа.
6. Изучены реакции интерполимерного взаимодействия азолсодержащих ионенов с полимерными кислотами синтетического (полиакриловой кислотой) и природного (гепарином) происхождения. Установлено, что в этих реакциях с участием азолсодержащих ионенов проявляются те же закономерности, что и для аналогичных реакций с участием известных алифатических ионенов. Благодаря склонности к полиэлектролитным реакциям, азолсодержащие ионены проявляют выраженную антигепариновую и антибактериальную активность, что предполагает возможность создания на их основе перспективных препаратов медицинского назначения.
Список основных публикаций по теме диссертации
1. , , Петро - ва Т. Л., Смирнов взаимодействия с водой сополимеров 5-винилтетразола с различным гидрофильно-гидрофобным балансом // Высокомолек. соед. А. – 2008. – Т. 51, № 2. – С. 218-224.
2. , , Тюкало - ва О. В., , Смирнов 5-винилтетра-зола с N-виниллактамами и свойства получаемых соединений // Высокомолек. соед. Б. – 2010. – Т. 52, № 8. – С. .
3. Крахоткина ионенов с триазольными циклами // Материалы XVIII Российской молодежной научной конференции, посвященной 90-ле-тию со дня рождения профессора . – Екатеринбург, 2008. – С. 155.
4. , Покатилов термочувствительных тетразолсодержащих N-Н кислот // Материалы XIX Российской молодежной научной конференции посвященной 175-летию со дня рождения . – Екатеринбург, 2009. – С. 122.
5. , , Смирнов с имидазольными и триазольными циклами // Материалы X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров. «Олигомеры-2009». – Волгоград, 2009. – С. 73.
6. , , Смирнов дизайн тетразолсодержащих олигомеров и полимеров // Материалы V Всероссийской Каргинской конференции – Москва, 2010. – С. 110.
7. , , Пивоварчук гидрогелевые композиции на основе "сшитого" поли-5-винилтетразола // Материалы V Всероссийской Каргинской конференции – Москва, 2010. – С. 352.
