CC BY
10ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1999, том 41, М 5, с. 906-909
УДК 541.64:532.72
АМФИФИЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ПОЛИ-М-ВИНИЛПИРРОЛИДОНА1
© 1999 г. М. И. Штильман*, И. И. Твердохлебова**, М. Ю. Ярмыш*, Е. В. Михайлова*, А. М. Tsatsakis***, В. П. Торчилин****, А. P. Rizos***
*Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская пл., 9
**Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук 117813 Москва, ул. Вавилова, 28
***Crete University, Crete - 71510, Greece
* * * Northeastern University, Boston, MA 02115, USA
Поступила в редакцию 29.10.98 г. Принята в печать 19.11.98 г.
Синтезированы низкомолекулярные (Мп = 600-11 ООО) амфифильные полимеры N-винилпирроли-дона, содержащие концевые стеарильные группы, путем радикальной полимеризации в присутствии карбоксил- и аминосодержащих меркаптанов с последующей обработкой полученных полимеров соответственно стеариламином и хлорангидридом стеариновой кислоты. Найдены значения Кт и а зависимости т|уд/с - с для разбавленных водных растворов амфифильных полимеров.
Поли(1Ч-винил)1шрролидон (ПВП) привлекает к себе внимание как карбоцепной полимер с уникальным лиофильно-лиофобным балансом, благодаря которому он хорошо растворим в воде и широком круге растворителей с меньшей, чем вода, полярностью и образует комплексы с различными низко- и высокомолекулярными соединениями.
Значительно расширяют возможности использования этого полимера разработка его новых модификаций, содержащих концевые группы, отличающиеся различными типами функциональности.
В настоящей работе описан синтез амфифильных производных низкомолекулярного ПВП, содержащих концевые длинноцепные алифатические группы. Такие полимеры привлекают внимание как компоненты и модификаторы ориентированных структур, в частности липосомальных оболочек [1].
Эти полимеры получали взаимодействием ПВП, содержащего концевые аминную или карбоксильную группы с соответственно хлорангидридом стеариновой кислоты и стеариламином.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российско-
го фонда фундаментальных исследований (код проекта
98-03-33371а).
При этом исходные амино- и карбоксилсодержа-щие полимеры были получены радикальной полимеризацией 1Ч-винилпирролидона (ВП) в присутствии меркаптанов - меркаптоуксусной кислоты и 2-меркаптоэтиламина.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Синтез полимеров
Полимеры ВП, содержащие одну концевую аминную или карбоксильную группу (общая методика). 1.11 г (0.01 моля) ВП, 0.01 г ДАК нагревали в среде 4 мл диоксана в присутствии (приводятся использовавшиеся в различных реакциях количества меркаптана и коды образующихся полимеров) 1.126 г (1.22 х 10~2 моля) (1К), 0.036 г (3.91 х 10"4 моля) (2К), 0.018 г (1.95 х 1(Н моля) (ЗК), 0.0036 г (0.39 х 1СН моля) (4К) меркаптоуксусной кислоты или 0.154 г (2.00 х 10~1 моля) (1А), 0.077 г (1.00 х 10"3 моля) (2А) 0.038 г (0.50 х 10-3 моля) (ЗА), 0.023 г (0.29 х 10-3 моля) (4А) 2-меркаптоэтиламина нагревали в запаянной ампуле в атмосфере сухого аргона в течение 1 ч при 70°С. Образовавшиеся полимеры выделяли осаждением в серный эфир, очищали экстракцией этим осадителем и сушили до постоянной массы в вакууме. Выход 0.83 г (75%) (1К), 0.91 г (82%) (2К), 0.98 г (88%) (ЗК), 1.00 г (90%) (4К), 0.74 г (67%) (1А),
0.78 г (70%) (2А), 0.84 г (76%) (ЗА), 0.98 г (88%) (4А).
Полимеры ВП, содержащие концевые стеа-рильные группы (общая методика).
I. 1.11 г ПВП, содержащего концевую карбоксильную группу (1К-4К) растворяли в 10 мл сухого изопропанола и к полученному раствору добавляли раствор Ы^'-дициклогексилкарбодиимида (1.48 г (1К), 0.46 г (2К), 0.29 г (ЗК) или 0.19 г (4К)) в 10 мл этого же растворителя. Смесь перемешивали при 0°С в течение 1 ч и добавляли раствор соответствующего количества стеариламина (1.20 г (1К), 0.40 г (2К), 0.25 г (ЗК), 0.17 г (4К)) в 10 мл сухого изопропанола и выдерживали 2 ч при 60°С. Выпавшую дициклогексилмочевину отфильтровывали, а фильтрат упаривали до объема ~10 мл. Полученный полимер осаждали в серный эфир, экстрагировали осадителем и сушили в вакууме до постоянной массы. Выход полимеров во всех случаях близок к теоретическому.
II. 1.11 г ПВП, содержащего концевую амин-ную группу (1 А—4А) растворяли в 10 мл сухого ди-оксана. В полученный раствор при 0°С при перемешивании вводили триэтиламин (0.25 г (1А), 0.12 г (2А), 0.058 г (ЗА), 0.026 г (4А)) в 5 мл, а затем хлорангидрид стеариновой кислоты (0.73 г (1А), 0:36 г (2А), 0.17 г (ЗА), 0.080 г (4А)) в 5 мл этого же растворителя и смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 2 ч. Выпавший осадок солянокислого триэтиламина отфильтровывали, а полученный полимер осаждали в серный эфир, экстрагировали осадителем и сушили в вакууме до постоянной массы.
Исследование полимеров
Вискозиметрические исследования полимеров проводили с использованием вискозиметра Уббе-лоде с висячим уровнем по 10 параллельным измерениям времени истечения растворителя (вода) и растворов. ИК-спектры полимеров в таблетках КВг снимали на приборе "8ресогс1 Ш-75". Определение концевых групп проводили потенциомет-рическим титрованием с использованием спиртовых растворов. ММ полимеров находили методом эбуллиоскопии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При синтезе полимеров ВП с функциональной концевой группой была использована способность меркаптанов к передаче цепи при радикальной атаке. При этом радикал меркаптана, образующийся в результате отрыва атома водорода от группы 8Н инициирует рост цепи полимера,
Образцы ПВП с концевой функциональной группой
Строение концевой группы Код полимера * мп Число звеньев в цепи
~8-СН2-ССЮН 1К** 647/625 5-6
2К 2000/1800 16-17
ЗК 3200/3160 28-29
4К 4700/4750 41-43
~8-СН2СН2-Ш2 1100/1100 9-10
2А 1400/1600 12-14
ЗА 2100/2100 18-19
4А 11000/12000 99-108
* Числитель - расчет по концевым группам, знаменатель -результат эбуллиоскопического измерения.
** Найдено, %: N 9.25; 9.30. Вычислено, %: 10.88; 10.80 для полимера без концевой стеарильной группы и 9.40; 9.32 для полимера с концевой стеарильной группой.
*** Найдено, %: N 10.31; 10.49. Вычислено, %: 13.01 для полимера без концевой стеарильной группы и 10.46 для полимера с концевой стеарильной группой.
что, как было показано в работе [2], определяется относительными скоростями различных стадий радикального процесса.
В результате полимеризации, реализованной таким методом, могут быть получены низкомолекулярные полимеры, содержащие одну функциональную концевую группу, соответствующую радикалу меркаптана, что было показано на примере ряда мономеров [3-5].
Полученные в данной работе полимеры приведены в таблице. То, что они содержали одну концевую функциональную группу, подтверждало соответствие ММ полимеров, определенных по содержанию в них концевых групп и методом эбуллиоскопии.
Как видно, присутствие меркаптана в системе в использованных пределах во всех случаях приводит к образованию низкомолекулярных полимеров ВП, содержащих одну концевую функциональную группу, причем ММ полимера снижается с увеличением количества введенного меркаптана. При этом ММ полимеров находятся в пределах, соответствующих требуемым для включения полимера в липидные слои [6].
Введение в полученные полимеры концевой стеарильной группы проводили обработкой кар-боксилсодержащих полимеров, карбоксильная группа которых была активирована М,№-ди-циклогексилкарбодиимидом, стеариламином, а
908
ШТИЛЬМАН и др.
0.2 0.6 с, г/дл
(б)
Луд/С 0.4 -
0.2
II
0.2
0.6 . с, г/дл
1.0
Рис. 1. Зависимость Т|уд/с - с для полимеров ВП, содержащих концевую аминную (а) и карбоксильную (б) группы (I), и их стеарильных производных (II). Номера прямых соответствуют обозначениям образцов в таблице.
аминосодержащих полимеров - хлорангидридом стеариновой кислоты.
Степень замещения реагирующих концевых групп определяли методом потенциометрическо-го титрования в тех же условиях, что и при определении концевых групп для расчетов ММ полимеров. При этом во всех образцах полимеров концевые группы обнаружены не были, что позволяет предположить, что степень их замещения близка к полной.
Элементный анализ в данном случае не давал достоверного результата, так как различие в содержании определяемых элементов в образцах с более высокими ММ было незначительно, а для образцов с низкими ММ (1К, 1А) не превышало 1.5-2.5%.
В ИК-спектрах полимеров, содержащих стеа-рильные группы, наблюдалось увеличение интенсивности поглощения метиленовых групп при 633 и 2850 см-1:
На рис. 1 показана зависимость Цуя/с - с для полимеров, содержащих и не содержащих стеарильных концевых групп. Как видно, в случае полимеров ВП с концевыми аминными и карбоксильными группами эти зависимости имеют стандартную форму с прямолинейным участком при концентрациях, превышающих 0.2 г/дл. Снижение значений т)Уд/с ПРИ более низких концентрациях, возможно, связано с компактизацией макромоле-кулярного клубка в очень разбавленных растворах [7].
При этом зависимость [г]] от ММ, полученной эбуллиоскопическим методом, соответствовала прямолинейной зависимости, что позволило определить значения Кт и а, оказавшиеся равными для полимеров с концевыми карбоксильными группами (2.90 ± 0.19) х 1(И и 0.66 ± 0.01, а для полимеров с концевыми аминными группами 2.72 ±0.17 и 0.66 ± 0.01 соответственно. Эти значения близки к величинам, характерным для низкомолекулярного ПВП, найденным ранее - Кт - 3.01 ± 0.35 и
а = 0.65 ± 0.01 [8], что указывает на незначительное влияние данных концевых функциональных групп на конформацию ПВП.
С другой стороны, в случае полимеров с концевыми стеарильными группами в области низких концентраций наблюдалось существенное увеличение "Пуд/с. По-видимому, такое отличие от полимеров, не содержащих гидрофобные группы, связано с особенностями гидрофильно-гидрофобного взаимодействия внутри макромолеку-лярного клубка с участием полярного растворителя (воды) в сильно разбавленных растворах.
Значения Кт и а зависимости [т|] от ММ для амфифильных производных с учетом ММ, определенных эбуллиоскопическим методом, для прямолинейных участков равны Кт = [(2.86 ± 0.22)/ 7(3.83 ± 0.34)] х 10"5 и а = [(0.96 ± 0.02)/(0.92 ± 0.02)]. В этом случае первая цифра относится к амфи-фильным полимерам, полученным из поли-И-ви-нилпирролидонов с концевой карбоксильной группой, вторая - к амфифильным полимерам, полученным на основе поли-Ы-винилпирролидонов с концевой аминной группой. Как видно, значения Кт в указанных случаях имеют один порядок, а
значения а вообще близки. Таким образом, данные уравнения могут быть использованы для амфифильных полимеров этого типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Torchilin V.P., Shtilman M.I., Trubetskoy VS. / Bio-chim. et Biophys. Acta. 1994. № 1195. P. 181.
2. Рябов A.B., Смирнова Л.А., Панова Г Д., Солда-тов В.М., Рудин A.A. // Высокомолек. соед. А. 1974. Т. 16. № 1. С. 29.
3. Yamashita Y., Ito К., Mizuno H., Ukada К. // Polym. J. 1982. V. 14. № 4. P. 255.
4. Chujo Y., Shishino T., Tsukahara Y., Yamashita Y. // Polym. J. 1985. V. 17. № 1. P. 139.
5. Akashi M., Kirikihira /., Miyauchi N. // Angew. Makro-mol. Chem. V. 132. № 2112. P. 81.
6. Torchilin V.P., Milshtein A.M., Shtilman M.I. //Proc. Int. Symp. Contr. Rel. Bioact. Mater. (Nice, 1994). 1994. V. 21. P. 604.
7. Бектуров E.A., Бакауова 3.X. Синтетические водорастворимые полимеры в растворах. Алма-Ата: Наука, 1981.
8. Карапутадзе Т.М., Сверчук В.И., Тарабакин C.B., Панов В.П., Кирш Ю.Э. // Хим.-фармацевт. журн. 1979. Т. 13. № 10. С. 119.
Amphiphilic Derivatives of Poly(N-vinylpyrrolidone)
M. I. Shtil'man*, 1.1. Tverdokhlebova**, M. Yu. Yarmysh*, E. V. Mikhailova*, A. M. Tsatsakis***, V. P. Torchilin**1"*, and A. P. Rizos***
*Mendeleev University of Chemical Technology, Miusskaya pi. 9, Moscow, 125047 Russia **Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 28, Moscow, GSP-1,117813 Russia ***Crete University, Crete 71510, Greece ****Northeastern University, Boston, MA 02115, USA
Abstract—Low-molecular-mass (M„ = 600-11000) amphiphilic N-vinylpyrrolidone polymers bearing stearyl end groups were synthesized by free-radical polymerization in the presence of carboxyl- and amino-containing mercaptans, followed by treatment of the resulting polymers with stearylamine and stearyl chloride, respectively. For the dilute aqueous solutions of the amphiphilic polymers, the values of Km and a in the T]spec/c plot were determined.
