Идентификация продуктов полимеризации n-акрилоил-11-аминоундекановой кислоты методом масс-спектрометрии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2008, том 18, № 4, c. 73-78

_ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИИ. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ

УДК 541.64: 543.51

© И. М. Зорин, И. А. Макаров, Н. Б. Поляков, Е. П. Подольская, А. Ю. Билибин

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ^ АКРИЛОИЛ-11-АМИНОУНДЕКАНОВОЙ КИСЛОТЫ МЕТОДОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

Поли(Ы-акрилоил-11-аминоундекановая кислота) получена путем радикальной полимеризации как в мицел-лярном, так и в молекулярно-дисперсном растворах. По данным матричной лазерной десорбционной масс-спектрометрии сделаны выводы о структуре продуктов полимеризации в диметилформамиде, обсуждаются механизмы их формирования.

ВВЕДЕНИЕ

Полимеризующиеся поверхностно-активные вещества (ПАВ) в настоящее время вызывают большой интерес с точки зрения большого потенциала их практического применения [1, 2] — от компонентов псевдостационарной фазы в мицел-лярной хроматографии [3, 4] и носителей лекарственных препаратов [5, 6] до "строительных блоков" в молекулярном дизайне наночастиц и нано-структурированных полимерных материалов [710]. Поли(акрилоиламиноундекановая кислота) и ее натриевая соль являются одним из возможных кандидатов на роль молекулярных сердечников при конструировании наночастиц с функциональными группами на поверхности.

Полимеризации акрилоиламиноундеканоата (ААУ) натрия в мицеллярной фазе посвящено довольно большое число работ [11-15], однако большинство из них ограничивалось синтезом высокомолекулярных продуктов (до 1.5 млн) и их дальнейшим использованием, например, в мицел-лярной хроматографии [14] или в качестве флоку-лянтов [15].

Нами было проведено исследование полимери-

зации ААУ как в мицеллярной фазе [16], так и в молекулярно дисперсных растворах и синтезирован ряд полимеров в широком диапазоне молекулярных масс. Результаты этой работы, как и данные гидродинамических исследований, будут опубликованы отдельно.

Настоящая работа посвящена исследованию продуктов полимеризации ААУ методом МАЬБ1 ТОБ масс-спектрометрии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Мономер ААУ (рис. 1) был синтезирован по ранее опубликованной методике [16]. Его критическая концентрация мицеллообразования в воде составляет 0.12 г/л.

Полимеризация в молекулярно-дисперсном растворе (образец 1) проводилась в ДМФА в течение двух часов при 75 °С при концентрации мономера 27 масс% в присутствии 0.4 масс% динитри-ла азо-бис-изомасляной кислоты (ДАК). Полимер выделяли осаждением в 0.5 N соляную кислоту, промывали водой и высушивали в эксикаторе при атмосферном давлении над серной кислотой.

O^NH

4COOH

Рис. 1. Мономерное звено Ми

Полимеризация в мицеллярном растворе [16] (образец 2) проводилась в воде при 60 °С в течение получаса при концентрации мономера (в форме Na-соли) 0.3 масс% в присутствии 0.1% персульфата аммония. Полимер выделяли аналогичным образом.

Конверсия мономера во всех случаях составляла не менее 98 % (по данным ПМР-спектро-скопии). Приведенные вязкости полимеров, измеренные в ДМФА при концентрации 0.5 г/дл, для образцов 1 и 2 составляют 0.2 дл/г.

Масс-спектрометрический анализ проводили на времяпролетном масс-спектрометре Ultraflex-TOF-TOF (Bruker Daltonics, Bremen, Germany) с источником МАЛДИ, оснащенном УФ-лазером (337 нм) в режиме детектирования положительных ионов с использованием рефлектрона при следующих настройках ионного источника: напряжение на IS1 — 25 кВ, IS2 — 21.75 кВ, напряжение на линзах (lens) — 9.5 кВ, напряжения на рефлетроне (Ref) — 26.43 кВ и 13.80 кВ (Ref 2). В качестве матрицы использовали 2,5-дигидроксибензойную кислоту и а-циано-4-гидроксикоричную кислоту (DHB и CHCA, ионы МН+). Образцы на мишень наносили из раствора в ДМФА: сначала наносили

0.5 мкл раствора БЫВ или СНСА (9 мг/мл), затем — 0.5 мкл раствора исследуемого полимера (3 мг/мл).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Масс-спектры образца 1 представлены на рис. 2 и 3. Спектры характеризуются наличием большого числа сигналов, соответствующих олигомерам со степенями полимеризации от 4 до 40. Точные значения молекулярных масс единичных молекул олигомеров позволяют сделать выводы о концевых группах этих молекул [17-19], таким образом выявить механизм их формирования (механизмы обрыва и передачи цепи в рассматриваемой поли-меризационной системе). На рис. 4-7 в схемах 1-4 приведены возможные варианты формирования концевых групп олигомеров и расчетные значения моноизотопных молекулярных масс олигомеров с п = 4.

При радикальной полимеризации в растворе основными механизмами формирования (завершения роста) макромолекул являются обрыв цепи (диспропорционирование или рекомбинация), а также передача цепи (на растворитель, на полимер, на мономер, на инициатор).

2.0

1.0

о.о

1104.73

I

1-из 11?: 1м: - к.:п "¡чо -:гю rj:'am/z

Рис. 2. Рефлектронный масс-спектр образца 1. Рис. 3. Сигналы олигомера со степенью полимери-

Цифрами обозначены степени полимеризации олиго- зации 4 в рефлектронном масс-спектре образца 1 меров

СЫ

СЫ

СН

-3"

-М^» + СНз-п

СНз

Рис. 4. Схема 1: Рекомбинация

СН3

-М-

т

СЫ

-*■ СН

-3"

СЫ

СН3

М

п + т

-СНз

п + т = 4 1157.83

СН3

СЫ

СН3-

О

СН3

-М-

С

СЫ

Н

+ «к;

п

1118.78

СН3

СН3

1147.81

/СН3 п С_Н

О

СН3

СН3

А

СЫ

СН3

В

СН3

СЫ

СН3

СН3

СН

3

О

—/ I о"

-м-К + .С'

J п СН3 Н

1133.83

О

М

+ НС'

+ №

СН3

3

СН3

п ==44

СЫ

СН3

СН3

1161.82

О

2 I 4 1 Н п СН3 Н

+ *Н

Рис. 5. Схема 2: Передача цепи на растворитель

п

Н3С Н3С

N.

СН3Ч

N СН3

М—•

#О

не*

СН3 \ 3

СН3

О

С

Н

СН3 Н3С / \

-М-Ы +

п СН3 Н3С'

п = 4 1094.78

Рис. 6. Схема 3: Вторичное инициирование и передача цепи на растворитель (Д)

При использовании ДАК в качестве инициатора (как в нашем случае) формируются концевые изобутиронитрильные группы с молекулярной массой 68.1. Соответственно массы макромолекул, сформированных в результате реакций рекомбинации (рис. 4, схема 1) должны соответствовать формуле 2пМ + 2 х 68.1, а в результате диспро-порционирования (а также при передаче цепи на мономер) — пМ + 68.1 - 1 и пМ + 68.1 + 1, где п — целое число.

Передача цепи на инициатор является маловероятным процессом при малых концентрациях инициатора, особенно в случае ДАК, и рассматриваться не будет. Передача цепи на полимер (рис. 7, схема 4) соответствует случаю формирования разветвленных макромолекул с тремя концевыми группами. Наибольшее значение имеют процессы передачи цепи на растворитель (рис. 5, 6, схемы 2 и 3), в данном случае ДМФА, с формированием концевых групп, соответствующих фрагментам молекулы растворителя.

СЫ

о

СН3

X'

СЫ

.СН3

-М

Н

СН3

СН3

1186.83

М

СЫ

СН СН3

-М

СН3

3

СЫ

СН СН3

СЫ

СН3

-М

СН 1215.86

М.

СН3

о о

СН

СН3

СН

т

3

СЫ

СН СН3 СН3

-М--• + X

т

И

3

1201.88

3

К

СН3Ч

сН3

о

с

М-

сы

ЫС СН

М

3

М

СН3

СН

1162.83

Н

т

М

1229.87

Рис. 7. Схема 4: Передача цепи на полимер

3

СЫ

СН СН3

сы

СН3 СН3

3

Наиболее вероятным механизмом участия ДМФА в радикальных реакциях [20] является атака радикального центра по карбонильному атому углерода с дальнейшим разрывом амидной связи С-К и формированием альдегидной концевой группы (29) и диметиламин-радикала (44), который в дальнейшем может участвовать в реакции полимеризации. В соответствии с таким механизмом можно предположить формирование макромолекул с массами пМ + 68.1 + 29 и пМ + 68.1 + 44 и ряда других менее вероятных продуктов перекрестного взаимодействия. Наличие альдегидных концевых групп в составе полимера было подтверждено реакцией с 2,5-динитрофенил-гидразином.

Рассмотрим подробнее часть спектра (рис. 8), соответствующую олигомеру со степенью полимеризации 4 (МН+, расчет — 1021.73). Сигнал пМ + 68.05 + 29.00 (1118.73), соответствующий прямому инициированию и передаче цепи на растворитель (рис. 5, схема 2) с формированием альдегидной концевой группы (вариант А), является основным в масс-спектре для всех олигомеров от 4

до 35. Следующие по интенсивности сигналы соответствуют вариантам Б (1133.80) и В (1147.79); далее — сигналы продукта рекомбинации (1157.94). В этой же области спектра могут находиться сигналы продуктов передачи на растворитель по варианту Г (расчет — 1161.82) и передачи на полимер К (расчет — 1162.83). Также достаточно четко видны сигналы продуктов передачи цепи на полимер (3 концевые группы, варианты Е (1186.77), Ж(1201.83), З(1215.88), И(1229.86) на рис. 7, схема 4).

Наибольшие трудности вызывает интерпретация сигналов в диапазоне масс до 1115 Да. В этой области могут находиться сигналы продуктов диспропорционирования (расчет — 1088.78 и 1090.78), вторичного инициирования с передачей на растворитель (1094.85, рис. 6, схема 3, вариант Д) и дефрагментации — отщепления от основных олигомеров (1118.78 и 1133.83) фрагментов СН2 (сигнал 1104.73), СО2, (СЩпСО2 (п = 1-4), СНО.

Такое распределение сигналов воспроизводится как в линейных, так и в рефлектронных спектрах образца 1 для олигомеров со степенью полимеризации

Расчетные и наблюдаемые значения моноизотопных масс для олигомеров со степенями полимеризации 6 и 8

Варианты Олигомер 6 Олигомер 8

Расчет Измерено Расчет Измерено

пМН+ 1532.09 — 2042.45 —

А 1629.14 1629.38 2139.50 2139.95

Б 1644.19 1644.37 2154.55 2154.89

В 1658.17 1658.41 2168.53 2169.03

Г 1672.18 1672.44 2182.54 2182.97

Е 1697.19 1697.51 2207.55 2208.00

Ж 1712.24 1712.40 2222.60 2222.20

З 1726.22 1726.51 2236.58 2236.97

И 1740.23 1740.54 2250.59 2251.01

А — СН2 1615.11 1615.33 2125.47 2126.03

Таким образом, радикальная полимеризация ААУ в ДМФА приводит к образованию весьма полидисперсного продукта — смеси олигомеров со степенью полимеризации до 35-40, причем основным механизмом завершения роста макромолекул является передача цепи на растворитель с разрывом амидной С-К связи ДМФА.

Иная картина наблюдается в случае полимеризации натриевой соли акрилоиламиноундекановой кислоты в мицеллярном водном растворе. Линейный масс-спектр образца 2 приведен на рис. 8. Хорошо видно, что образец является узкодисперсным. Присутствует незначительное количество сигналов низкомолекулярной фракции (менее 2000), сливающихся с "химическим шумом", а также три сигнала высокомолекулярных фракций — 41, 43 и 61-63 (основной сигнал 15788.60). Такое распределение по молекулярным массам свидетельствует о принципиально ином механизме протекания реакции полимеризации.

Отметим, что определение молекулярной массы этого образца другими методами, в частности изотермической диффузии и вискозиметрии, дает сопоставимые результаты — порядка 12 000 Да.

К настоящему моменту выполнить отнесение сигналов к олигомерам с определенными концевыми группами в этом спектре не представляется возможным и требуется проведение ряда дополнительных экспериментов. Результаты этих исследований будут опубликованы отдельно.

Работа выполнена при финансовой поддержке НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2008, том 18, № 4

Рис. 8. Линейный масс-спектр образца 2

от 4 до 20; во всех случаях наблюдается хорошее совпадение экспериментальных данных с расчетными значениями (см. таблицу). Сигналы, соответствующие большим молекулярным массам, имеют менее разрешенный характер, однако отчетливо регистрируются.

РФФИ, грант 06-03-32926 и Президента РФ, грант МК-1934.2007.3

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nagai K. // Trends in Polymer Science. 1996. V. 4. P.122-127.

2. Summers M., Elastoe J. // Adv. Colloid Interf. Sci.

2003. V. 100-102. P. 137-152.

3. Wang J., Warner I.M. // Anal. Chem. 1994. V. 66. P. 3773-3776.

4. Palmer Ch., McCarney J. // J. Chromatogr. A.

2004. V. 1044. P. 159-176.

5. Mohanty A., Dey J. // Langmuir. 2004. V. 20. P.8452-8459.

6. Tian L., Yam L., Wang J., Tat H., Uhrich K.E. // J. Mater. Chem. 2004. V. 14. P. 2317-2324.

7. Yan F., Texter J. // Soft. Matter. 2006. V. 2. P.109-118.

8. Gerber M.J., Walker L.M. // Langmuir. 2006. V. 22. P.941-948.

9. Miller S.A., Ding J.H., Gin D.L. // Curr. Opin. Colloid Interf. Sci. 1999. V. 4. P. 338-347.

10. Hentze H.-P., Kaler E.W. // Curr. Opin. Colloid Interf. Sci. 2003. V. 8. P. 164-178.

11. Kramer M.C., Steger J.R., Hu Y., McCor-mick C.L. // Macromolecules. 1996. V. 29. P. 1992-1997.

12. Yeoh. K.W., Chew. C.H., Gan. L.M., Koh. L.L., Teo. H.H. // J. Macromol. Sci. Chem. 1989. V. A26. P. 663-680.

13. Nayak R.R., Roy S., Dey J. // Colloid. Polym. Sci. 2006. V. 285. P. 219-224.

14. Fujimoto C., Fujise Y., Kawaguchi S. // J. Chromatography A. 2000. V. 871. P. 415-425.

15. Gan L.M., Yeoh K.W., Chew C.H, Koh L.L., Tan T.L. // J. Appl. Polymer Sci. 1991. V. 42. P. 225-232.

16. Zorin I.M., Reznichenko T.S., Bilibin A.Yu. // Polymer. Bull. 2006. V. 57. P. 57-60.

17. Arnould M.A., Wesdemiotis C., Geiger M.J., ParkM.E, Buehner R. W., Vanderorst D. // Progr. Organic Coatings 2002. V. 45. P. 305-312.

18. Nanda A.K., Ganesh K., Kishore K., Surinaraya-nan M. // Polymer 2000. V. 41. P. 9063-9072.

19. Singha N.K., Rimmer S., Klumperman B. // Eur. Polym. J. 2004. V. 40. P. 159-163.

20. Мельников М.Я., Смирнов В.А. Фотохимия органических радикалов. М.: Изд-во МГУ, 1994. 336 с.

Санкт-Петербургский государственный университет, Химический факультет (Зорин И.М., Макаров И.А., Билибин А.Ю.)

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва

(Поляков Н.Б.)

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург (Подольская Е.П.)

Материал поступил в редакцию 14.10.2008.

IDENTIFICATION OF N-AKRILOYL-11-AMINOUNDEKANOIC ACID POLIMERISATION PRODUCTS WITH MASS-SPECTROMETRY METHODS

I. M. Zorin1, I. A. Makarov1, N. B. Polyakov2, E. P. Podolskaya3, A. Y. Bilibin1

1 Saint-Petersburg State University, Chemical department

2 Shemyakin and Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry RAS, Mosrnw 3Institute for Analytical Instrumentation RAS, Saint-Petersburg

Poly(N-acryloyl-11-aminoundecanoic acid) was synthesized via free-radical polymerization in micellar and molecular solution. The structures of polymerization products in dimethylformamide were elucidated from MALDI data; mechanisms of the above products formation are discussed.