CC BY
7ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1996, том 38, № 6, с. 1076-1079
УДК 541.64:542.938
ГИДРОЛИЗ ПОЛИВИНИЛОВЫХ ЭФИРОВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ1
© 1996 г. М. И. Штильман*, А. М. Tsatsakis**, А. А. Хачаиян*, П. С. Восканян*, М. Selala***, И. М. Шашкова*
* Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская пл., 9 ** University ofCrete, 71110 Iraklion, Greece *** Antwerpen University, B-2610 Antwerpen, Belgium Поступила в редакцию 10.07.95 г.
В ряду поливиниловых эфиров 2,4-дихлорфеноксиуксусной и 1 -нафтилуксусной кислот показано, что значения констант скорости их щелочного гидролиза уменьшаются с увеличением молекулярной массы полимеров и содержания в них ароматических остатков кислот.
Фитоактивные полимеры (полимерные производные регуляторов роста и развития растений) проявляют биологическую активность после выделения низкомолекулярного регулятора в результате гидролиза химической связи между остатком регулятора и полимерным носителем [1,2].
Несмотря на достаточно широкий круг работ в этой области, влияние химического строения фитоактивных полимеров на их способность к гидролизу исследовано недостаточно (например, работы [3-6]). В то же время выяснение характера такого влияния имеет существенное значение при разработке новых высокоэффективных препаратов.
В настоящей работе исследован щелочной гидролиз поливиниловых эфиров типичных представителей регуляторов роста и развития растений ауксиновой группы - 1-нафтилуксусной (НУК) и 2,4-дихлорфеноксиуксусной (2,4-Д) кислот, полученных ацилированием ПВО различной ММ хлорангидридами кислот
-СН2-СН- + R-COC1 -ОН
HCl
-СН2 - СН -... -сн2 - СН -O-CO-R ОН
сн,-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российско-
го фонда фундаментальных исследований (код проекта
94-03-08372) и Международного научного фонда (грант
ЮУ100).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Исходные вещества
Использовали поливиниловый спирт марок 7/1, 16/1 и 40/2 (производства Ереванского НПО "Пластполимер": получен щелочным гидролизом и очищен экстракцией метанолом) с содержанием ацетатных групп 0.78, 0.93, 1.21 и молекулярной массой соответственно 12.0 х 103, 29.0 х 103 и 65.0 х 103, определенной вискозиметрически по
формуле [л] = (140 х 10"3) х М°б [7].
Синтез поливиниловых эфиров проводили по известной методике ацилированием соответствующего образца ПВС хлорангидридами кислот в среде ДМАА [8]. Количество остатков кислоты в полимере регулировали количеством введенного в реакцию хлорангидрида.
Содержание кислоты определяли по поглощению полимеров в УФ-области при Я = 282 нм (для НУК) и 284 нм (для 2,4-Д) в среде ДМСО (спектрофотометр "Specord UV-VIS"). На ИК-спект-рах поливиниловых эфиров с увеличением количества остатков кислот отмечено возрастание интенсивности поглощения в области карбонила сложной эфирной группы при -1740 см-1 для 2.4-Д и -1720 см-1 для НУК (спектрофотометр "Specord М-40", таблетка NaCl).
Исследование гидролиза
К навеске полимера в виде мелкодисперсного порошка, отсеянного на сите с диаметром отверстий 0.1 мм (-0.01 г), добавляли 0.5 мл бидистиллированной воды и выдерживали при 50°С, перемешивая в течение 3 ч в небольшой плоскодонной емкости, снабженной рубашкой, в
ГИДРОЛИЗ ПОЛИВИНИЛОВЫХ ЭФИРОВ
1077
которую пропускали теплоноситель из ультратермостата, и магнитной мешалкой. При этом полимеры с низким содержанием активного вещества (до 2-2.5 мол. %) переходили в раствор, при большем количестве остатков кислот - оставались в гетерогенной фазе.
После этого температуру в реакционной смеси доводили до требуемой и в емкость вводили 4.5 мл термостатированного буфера с рН 10.0 (фиксанал фирмы "Merck"), отмечая время начала реакции.
Количество выделившейся кислоты определяли в аликвотной доле высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) после введения отобранной пробы в инжектор. В работе использовали набор для ВЭЖХ фирмы LKB, снабженный колонкой Bondapak С,8 фирмы "Waters". Выделившиеся кислоты детектировали при X = 280 нм. Элюент - смесь этанола, воды и уксусной кислоты (145 : 130 : 15 об. долей), рекомендованный для 2,4-Д [9].
Способность исследованных полимеров к гид-
10
ролизу оценивали по значениям к3ф, рассчитанных по уравнению второго порядка с учетом начальных концентраций сложных эфирных групп и групп ОН~ буфера и начальных скоростей реакции, найденных методом касательных к кинетическим кривым. Точность эксперимента, определенная в нескольких сериях по пяти параллельным введениям аликвотной доли, составляла 2.5-4% (степень вероятности 0.05).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование гидролиза синтезированных поливиниловых эфиров показало, что при различном содержании в полимере ароматических остатков кислот кинетические зависимости имели или обычный вид кривых с насыщением в случае водорастворимых полимеров с низким содержанием остатков кислот, или вид в различной степени растянутых S-образных кривых для нерастворимых полимеров (рис. 1).
Такой S-образный вид кинетических кривых, очевидно, определялся постепенным увеличением гидрофильносги и растворимости не растворимых в начале процесса поливиниловых эфиров с понижением содержания в них ароматических заместителей.
Для водорастворимых полимеров с низким содержанием ароматических заместителей значения текущих констант скорости реакции оставались постоянными до достаточно глубоких степеней превращения (рис. 1, кривая /).
Чтобы исключить влияние изменения строения полимеров в ходе реакции, для сравнения склонности к гидролизу полимерных эфиров с различным содержанием гидролизуемых групп
10 20 30 40 100 200 300 Время, мин
Рис. 1. Гидролиз эфиров поливинилового спирта (М„ - 12 х 103) и 2,4-Д с содержанием заместителей 1.3 (/), 3.0 (2), 14.8 (3) и 32.7 мол. % (4). Начальная концентрация сложноэфирных групп [Э]0 х 103 = 0.98 (1), 3.30 (2), 3.60 (3), 3.54 моль/л (4). Т = 3X3(1), 363 К (2-4).
к3ф°, л/моль с 50
30
¿Эф°. л/моль с
10
0.6 0.4 0.2
20 40 60
20 40 60
Мш х 10
-з
Рис. 2. Влияние молекулярной массы на кэф гидролиза поливиниловых эфиров 2.4-Д (а) и НУ К (б) при различном содержании заместителей. Г = = 363 К, [Э]0 = (2.6-3.8) х 103 моль/л. Содержание заместителей 0.68-0.93 (/), 2.4-3.0 мол. % (2) (а) и 2.1-2.9 мол. % (б).
использовали , соответствующие начальным моментам гидролиза.
В литературе имеются некоторые данные о влиянии на гидролиз фитоактивных полимеров их молекулярной массы. Так, в работе [3] приведены кинетические кривые щелочного гидролиза не растворимых в воде сополимеров 2-(1-нафтил-ацетил)этилакрилата и акриламида с молекулярной массой от 55 х 103 до 180 х 103 и содержанием звеньев с ароматическим заместителем около 30 мол. %. В этом случае было показано, что с увеличением молекулярной массы скорость гидролиза понижается. Причем, в диапазоне (55-90) х х 103 это понижение было относительно невысоким. При переходе к образцу с М = 180 х 103 процесс замедлялся более заметно.
При исследовании влияния ММ полимеров на их гидролиз в настоящей работе были исследова-
1078
ПГГИЛЬМАН и др.
л/моль с
10 20 АЗ, моль. %
Рис. 3. Влияние количества ароматических заместителей (АЗ) на гидролиза поливиниловых эфиров 2.4-Д (а) и НУК (б). Т = 363 К. [Э]0 = = 3.3-3.6 (а) и3.3-3.8 моль/л (б). М„х 10"3 = 12 (1), 29 (2) и 65 (5).
АЗ, моль.'
Рис. 4. Зависимость [ц] от содержания боковых ароматических заместителей в поливиниловых эфирах 2.4-Д. М№ х 1(Г3 = 65 (/), 29 (2) и 12 (3).
ны поливиниловые эфиры НУК и 2,4-Д с различным содержанием ароматических заместителей, в том числе с содержанием до 1 мол. %. В этом случае влияние заместителя на конформацию полимера в растворе было незначительно, что позволило в более явном виде выявить влияние молекулярной массы на процесс гидролиза.
Как видно из рис. 2, во всех случаях в исследованном диапазоне ММ наблюдалось уменьшение
значений к^, причем оно наиболее ярко выражено при переходе от образцов с М = 12.0 х 103 к образцам с М = 29.0 х 103.
Возможно, полученные данные для нерастворимых полимеров могут быть, как это объяснено в работе [3], связаны со стерическим влиянием цепи макромолекулярного клубка на контакт гидролизуемой группы с ионом ОН" и отход от
переходного комплекса выделяющегося остатка кислоты.
Можно предположить, что наблюдаемое в данных случаях замедление уменьшения величин
, о _
к3ф при достижении определенных значении МК(г\уя) определяется конформационным эффектом - переходом от вытянутого хаотично изогнутого стержня к статистическому клубку, протекание гидролиза в котором в большей степени сте-рически затруднено [10].
Как видно из рис. 3, увеличение количества введенных в полимер остатков кислот до 10 мол. %
„ ,0
приводит к резкому уменьшению значении к3ф.
По-видимому, это определяется повышением гидрофобносги полимера и падением его растворимости в гидролизующей среде. В частности, при достижении определенного содержания этих за-
ГИДРОЛИЗ ПОЛИВИНИЛОВЫХ ЭФИРОВ
1079
местителей за счет их гидрофобного взаимодействия происходит коллапсирование макромолекул в растворе. Такое коллапсирование было описано в ряде исследований, рассматривающих поведение полярнцх полимеров с неполярными ароматическими заместителями в полярных растворителях [11-14].
Указанное явление подтверждено определением характеристической вязкости поливиниловых эфиров 2,4-Д различной ММ с разным содержанием неполярных ароматических заместителей в среде ДМСО, растворявшего все образцы поливиниловых эфиров (рис. 4).
Как видно, увеличение количества ароматических заместителей приводит к уменьшению [т|] уже при низких степенях замещения, причем этот эффект выражен в большей степени для более высокомолекулярных образцов.
Рисунки 3 и 4 позволяют считать, что для исследованных поливиниловых эфиров изменение конформации макромолекул в растворе начинает протекать после введения в полимер более 1 мол. % ароматических групп, и наибольшая степень уплотнения достигается при введении около 10 мол. %.
Следует отметить, что во всех случаях значения к^ф гидролиза поливиниловых эфиров 2,4-Д
были выше, чем значения к*^ гидролиза поливиниловых эфиров НУК при прочих равных особенностях их строения. Очевидно, это связано с большей силой 2,4-Д (рКа 2.64-3.31) по сравнению с НУК (рАГа 5.12).
Таким образом, на скорость выделения низкомолекулярного регулятора из исследованных по-
ливиниловых эфиров существенное влияние оказывает строение последних, причем в наибольшей степени сказывается содержание в полимере боковых ароматических заместителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shtilman M.I. Immobilization on Polymers. Utrecht: VSP, 1993.
2. Tsatsakis A.M., Shtilman M.I. // Plant Growth Regulation. 1994. V. 14. P. 69.
3. McCormick C.L., Kim Ki Soo, Ezzell S.A. // J. Contr. Release. 1988. V. 7. №2. P. 101.
4. Штильман М.И., Корнаков М.Я., Тсатсакис A.M., Курушина H.B., Залукаева Т.П. И Высокомолек. соед. А. 1992. Т. 34. № 10. С. 17.
5. Тсатсакис A.M., Шашкова Ü.M., Штильман М.И. // Высокомолек. соед. Б. 1992. Т. 34. № 11. С. 32.
6. Волкобер 3., Варга И.С. // Высокомолек. соед. 1963. Т. 5. № 1. С. 139.
7. Polymer Handbook / Ed. by Brandrup J., Immergut E.H. New York: Willey, 1989.
8. Коршак B.B., Штильман MM., Ярошенко И.В., Бестужева Т.А. // Высокомолек. соед. Б. 1977. Т. 19. № 10. С. 734.
9. Hamann R., Meier М., Kettrup А. // Fresenius Z. Anal Chem. 1989. V. 334. № 3. P. 231.
10. Гилет Дж. Фотофизика и фотохимия полимеров. М.: Мир, 1988.
11. McCormick C.L., Hoyle С.Е., Clark M.D. // Macromo-tecules. 1990. V. 23. № 12. P. 3124.
12. McCormick C.L., Hoyle C.E., Clark M.D. // Macromo-lecules. 1991. V. 24. № 11. P. 2397.
13. Duhamel J., Yekta A., Yong Zhong Hu, Winnik MA. // Macromolecules. 1992. V. 25. № 25. P. 7024.
14. Ringsdorf H„ Simon J. // Macromolecules. 1992. V. 25. № 20. P. 5353.
Hydrolysis of Polyvinyl. Esters of Biologically Active Carboxylic Acids
M. I. Shtilman*, A. M. Tsatsakis**, A. A. Khachanyan*, P. S. Voskanyan*, M. Selala***, and I. M. Shashkova*
* Mendeleev Russian University for Chemical Engineering Miusskaya pi. 9, Moscow, 125047 Russia ** University of Crete, Greece, 71110 Iraklion *** University of Antwerpen, Belgium, B-2610 Antwerpen
Abstract—In a series of polyvinyl esters of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and naphthylacetic acid, the rate constants of alkaline hydrolysis were shown to decrease with an increase in molecular mass of the polymers and the content of aromatic fragments of the acids.
