CC BY
93
УДК 541(64+183.12): 547.54 Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2007, вып. 2
М. А. Сибилева, О. В. Носова, А. И. Сибилев’], П. Н. Москалев
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ СВОЙСТВ КОМПЛЕКСОВ ПОЛИ-1Ч-ВИНИЛКАПРОЛАКТАМА
С СУЛЬФИРОВАННЫМ ДИФТАЛОЦИАНИНОМ СКАНДИЯ В ВОДНО-СОЛЕВЫХ РАСТВОРАХ
Введение. К важным задачам молекулярной биологии относится изучение взаимодействия макромолекул с различными лигандами. Используемый в данной работе полимер поли-Ы-винилкапролактам (ПВКЛ) является водорастворимым карбоцепным полимером с амидной группой в боковом заместителе, благодаря чему может служить моделью белков. Он замечателен еще и тем, что имеет нижнюю критическую температуру растворения (или фазового разделения Гфр), которая лежит в области физиологических температур и очень чувствительна к изменениям состава растворов [1].
Большой интерес в настоящее время вызывает исследование противоопухолевых и противовирусных препаратов. К ним относятся, в частности, растворимые в воде сульфированные дифталоцианины (СДФЦ) разных элементов - соли, анионы которых («сэндвичи» с ионом Бс или других металлов между двумя макроциклами) имеют заряд 4~ за счет (503)1- групп на периферии макроциклов, а катионами являются четыре -груп-пы:
Эти соединения (в том числе и изучаемый в данной работе СДФЦБс) обладают противовирусной активностью (вирус саркомы Рауса) [2], что вызывает интерес к их изучению на молекулярном уровне.
Ранее было показано [3, 4], что СДФЦ-анионы способны взаимодействовать с некоторыми биологическими и синтетическими объектами (модельными бислойными липидными мембранами, монослоями искусственного липида глицеролмоноолеата, не-стабилизированными полистирольными латексами). Представляло интерес исследовать в этом плане макромолекулу ПВКЛ.
Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН, г. Гатчина, Ленинградская обл. © М. А. Сибилева, О. В. Носова, А. И, Сибилев, П. Н. Москалев, 2006
Материалы и методика эксперимента. Образец ПВКЛ с молекулярной массой М= 9,6-Ю5 Да любезно предоставлен Ю. Э. Киршем (Государственный научный центр РФ, Институт физической химии им. Карпова). Краситель СДФЦБс был синтезирован по методике [5] с некоторым изменением процесса очистки. Состав исследуемого соединения соответствует формуле [С32Н16Ы8(503)2]2-4ЫН4-М, где М - Бс. в степени окисления +3.
Смеси полимер + краситель изучали в водных растворах соли ЫН4С1 квалификации «ос. ч>, концентрации С$ которой лежали в области от 0 до 0,05 М.
Большая часть работы выполнена для систем, которые готовили сливанием (в соотношении 1:1 по объему) водных или водно-солевых растворов красителя и полимера, предварительно приготовленных в одних и тех же ионных условиях. При этом меняли долю добавленного в смесь красителя г0, равную отношению молярных концентраций красителя и мономерного звена полимера (г0 = [краситель]/[ВКЛ]). Величину г0 варьировали в области от 0 до 0,01.
Основными использованными методами были спектрофотометрия в УФ- и видимой области X = 230-1100 нм и капиллярная вискозиметрия (метод характеристической вязкости [г|]). Значения [г|] находили по относительным вязкостям Г]г растворов 5-6 концентраций С полиме-
77 —1
ра путем двойной экстраполяции к нулевой концентрации величин т] = г (по Хаггинсу) и
УД £
1п7]г _ _ 7?г-1
(по Кремеру). По определению (по Хаггинсу) характеристическая вязкость ^ ^ с '
Для бессолевых растворов и при С5 < 5-10-4 М применяли и другие экстраполяции (см. ниже). Погрешность определения [г|] не превышает 5%. Время протекания воды в вискозиметре Оствальда было 148 с при 20 °С, средний градиент скорости потока g - 700 с-1.
Результаты и их обсуждение. Ранее был установлен факт взаимодействия СДФЦБс и ПВКЛ [6]. На это прежде всего указывает изменение температуры фазового разделения Гфр растворов ПВКЛ при добавлении в них красителя СДФЦЗс. Величину Гфр находили визуально как среднее между температурой помутнения растворов при их нагревании и температурой просветления - при охлаждении. Удобство этого параметра применительно к растворам ПВКЛ состоит в том, что их Гфр лежат в области физиологических температур. Поэтому легко проследить за возможным влиянием различных добавок на молекулу ПВКЛ. Данные, полученные в настоящей работе и взятые из [6], показывают, что при добавлении в растворы ПВКЛ красителей СДФЦБс и СДФЦЬи значение Гфр увеличивается с ростом г0 - доли введенного красителя (рис. 1). Это объясняется большей гидрофильностью полимерной цепи в присутствии красителя, что может быть связано с посадкой анионов красителей на цепь ПВКЛ. Таким образом, в смесях ПВКЛ с красителем, вследствие их взаимодействия, присутствует комплекс ПВКЛ + краситель, и, следовательно, незаряженная молекула ПВКЛ становится заряженной (полиэлектролитной). Как видно из рис. 1, быстрота роста Гфр при возрастании г0 зависит прежде всего от типа красителя (т. е. от присутствующего в дифталоци-анине металла - Ьи или Бс), а для фиксированного красителя - от содержания соли С (ионной силы раствора ц). При более низкой ионной силе функция Гфр =/ (г0) растет быстрее, чем при более высокой. Это обусловлено различиями в дебай-хюккелевой экранировке зарядов на полимерной цепи облаком противоионов.
Об образовании комплексов свидетельствуют также изменения (хотя и не очень большие) в спектрах поглощения растворов красителя при добавлении в них возрастающего количества раствора полимера (спектрофотометрическое (СФ) титрование в области 230-1100 нм) [6]. Оценка кинетики образования комплексов по их спектрам поглощения вблизи А. ~ 315 нм показала, что спектральные характеристики комплексов
о
0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 r
'о
Рис. 1. Зависимость температуры фазового разделения Т г.мргрй ПВКЛ с красителями от доли введенного красителя г0 в ,
0,001 М Ш4С1 С?, 4), 0,005 М ЫН4С1 (5, 6).
Красители: 1,3,5- СДФЦЬи, 2,4,6- СДФЦБс.
устанавливаются уже через час после их приготовления и остаются неизменными в течение длительного времени.
Весьма важен вопрос о типе связывания компонентов комплекса, который может быть равновесным или неравновесным. В первом случае в растворе имеет место равновесие между связанными с полимером молекулами красителя и свободными (не связанными). При неравновесном (сильном) связывании свободного красителя в растворе нет (если С не превышает числа мест связывания). Для суждения о типе связывания обычно проводят следующую вискозиметрическую проверку. При концентрационных измерениях (необходимых для определения характеристической вязкости [т]]) разбавление исходного комплекса проводят такими способами: 1) сохраняя постоянным значение доли введенного красителя г0 (разбавление солевым раствором, без красителя); 2) поддерживая общую концентрацию красителя в растворах постоянной и равной его концентрации в исходном комплексе (разбавление раствором красителя). Как видно из рис. 2 (прямые 1 и 2), разбавление исходного комплекса (г “ 0,01) в 0,0015 М NH,C1 сСкр = 4,210-4 М солевым раствором (без красителя) дает линейный ход т]уа =/(С) и ожидаемые величины [rf\. Разбавление же красителем приводит к полиэлектролитному эффекту вязкости (ПЭ-эффекту), т. е. к росту rjya с уменьшением С полимера (кривые 3, 4). Это является следствием того, что по мере последовательного разбавления комплекса раствором красителя (соблюдение условия = const) происходят дополнительная его посадка на цепь ПВКЛ и возрастание доли связанного красителя г (и, следовательно, величины заряда на цепи полимера и их отталкивания). То есть в этом случае имеются признаки сильного (неравновесного) связывания красителя с полимером при комплексообразованки.
С, г/дл
Рис. 2. Различные способы разбавления раствора комплекса ПВКЛ + СДФЦБс (г0- 0,01) в 0,0015 М NH4C1.
Разбавление растворителем с содержанием красителя:
1,2 - 67^= 0 = const (солевым раствором), 3,4 - С = 4,2-10-4 М = const.
Температура (°С): 20 (светлые точки), 30 (черные).
Обработка по Скэтчарду данных СФ-титрования и построение кривых связывания г=/(Ссвоб) показали, что концентрации свободного красителя Ссво6 в смесях ПВКЛ + краситель не превышали величин порядка (2-30) • 10~6 М, что примерно в 100 раз меньше концентраций связанного красителя Ссвяз. Этим подтверждается факт преобладания сильного (неравновесного) типа связывания компонент комплекса, который вытекает из вискозиметрической проверки типа связывания. Однако при приготовлении комплексов для дальнейших исследований учитывали присутствие свободного красителя в растворителе.
Целью данной работы было изучение полиэлектролитных (ПЭ) свойств двух комплексов, различающихся долей ^-связанного красителя СДФЦБс, т. е., в конечном счете, величиной заряда полиэлектролитной цепи: г = 0,01 (комплекс I) и г = 0,001 (комплекс II). Для этого измеряли [г)] комплексов I и II в широкой области концентраций соли С: от 0 (бессолевой раствор) до 0,05 М NH^Cl при температурах 20 и 30 °С. Основная часть работы выполнена для комплексов, полученных сливанием растворов компонент, каждый из которых был приготовлен в соответствующих ионных условиях. В нескольких случаях комплексы готовили иначе, а именно - комплекс I, изначально приготовленный в воде, досаливали до требуемых концентраций соли С. Совпадение величин [г)] комплекса I, измеренных в условиях С = 0,005,0,001 и 0,0005 М NH4C1, при двух способах приготовления говорит о сохранении его индивидуальной структуры в разных ионных условиях среды.
Данный важный факт подтвержден и спектральными измерениями. Опыт состоял в следующем. Из исходного раствора комплекса I в воде были приготовлены четыре
пары растворов, причем один раствор в каждой паре получен разбавлением водой, а другой - досаливанием до определенной С (0,0005, 0,0008, 0,001 и 0,005 М). При этом в обоих растворах каждой пары сохраняли одинаковые концентрации полимера и красителя, различалась лишь ионная сила (или С ). Далее снимали спектры поглощения каждой пары. Оказалось, что полученные значения приведенной оптической плотности Бх/1 (I - толщина кюветы) для них совпадали. Таким образом, и по спектральным характеристикам комплекс I сохраняет индивидуальность в широкой области ионных сил.
На рис. 3 для примера приведены рабочие прямые для определения [т]\ комплекса I при разных С и Г- 20 °С. Видно, что для бессолевого раствора (кривая 1) наблюдается ПЭ-эффект вязкости, состоящий в том, что с уменьшением Спвкл значения т] =(г]г-1 )/Срастут, а это не позволяет традиционно установить [т}] как предел т) при Спвкл = 0- При увеличении ионной силы до 0,0003 М ПЭ-эффект вязкости снимается. Однако воспроизводимость результатов измерений [т]\ при низких С оказалась неудовлетворительной. Оценочные значения [ г)\ комплекса I в условиях С = 0 и 0,0003 М ЫН4С1, полученные путем обработки данных с помощью разных методик [7-9], выпадают из общего хода графиков рис. 4 и в дальнейшем не учитывались.
На рис. 4 представлены результирующие зависимости [ г)\ =/(С~1/2) для двух комплексов в области С > 0,0005 М и температур 20 и 30 °С. В этих же координатах нанесены точки для свободного полимера ПВКЛ (в отсутствие красителя), которые располагаются на горизонтальных прямых и отражают факт отсутствия зарядов на полимере. В противоположность этому вязкостные данные для комплекса I обнаруживают типичное для полиэлектролитов поведение: величины [г)\ при 20 и 30 °С линейно возрастают
(т]г - 1 у С, дл/г
С, г/дл
Рис. 3. Рабочие прямые {т]г- 1 )/С = /(Спвкл) для определения характеристической вязкости [77] комплекса ПВКЛ с СДФЦБс (г = 0,01, комплекс I) при разных концентрациях соли ЫН4С1 (Г - 20 °С). Концентрация соли С; (в молях): 1-0 (Н20), 2 - 0,0008,3 - 0,001, 4 - 0,002, 5-0,005, 6-0,01,7-0,05.
• 1
к 2
★ 3
-----1-----1-----1_____I____I_____I_____.____I_____,_____1_
0,0 10 20 30 4£-1/2,м-'/250
I____I_____I_____I_____I_____I_____I_____I__________I_____I
0,05 0,01 0,002 0,0008 0,0005
С,М
Рис. 4. Зависимость [77] =/(С“1/2) для комплексов I (1, г = 0,01),
II (2, г = 0,001) и свободного ПВКЛ (3).
Крайние точки справа отвечают значениям [ 77] ПВКЛ в воде.
Температура (°С): 20 (светлые значки), 30 (черные).
с увеличением параметра С'1/2. Общий характер зависимостей [г]\ = /(С“1/2) для комплекса I аналогичен наблюдавшемуся для гибких полиэлектролитов [10] - денатурированной ДНК и полиметакриловой кислоты. Видно, что для комплекса I повышение температуры от 20 до 30 °С не влияет на наклон зависимостей, который определяется лишь величиной заряда на полиэлектролитной цепи, т. е. значением г. Тангенс угла наклона линейного участка этих зависимостей для комплекса I равен 0,06 (дл-М1/2)/г. Причем удельный объем частиц комплекса I (величина [77]) при С >0,01 М не отличается от наблюдаемого для чистого полимера, т. е. заряд данного комплекса в этих условиях полностью экранирован противоионами поддерживающего электролита. Для комплекса II, в отличие от комплекса I, параметр [ 77] практически не зависит от ионной силы среды во всем изученном интервале С5 и близок к [г]\ ПВКЛ. Таким образом, комплекс II не проявляет полиэлектролитных свойств вследствие малой величины заряда (при г- 0,001), полностью экранированного противоионами окружающей среды.
Вискозиметрические данные для комплекса I, построенные в координатах = /(^С£), в области С5 = 0,01-0,0005 М представляют собой прямые с наклоном, равным
0,40. Для других гибких полиэлектролитов (денатурированная ДНК, полиметакрило-вая кислота) наклон подобных зависимостей равен 0,5 [10]. Пытаясь уменьшить это расхождение, мы учли вклад в ионную силу, вносимый присутствующим в растворе свободным красителем с концентрацией Ссво6 = (2-30) • 10~6 М (в предположении его полной диссоциации). Оказалось, что в области низких ц (или Сз) он составляет около 6-10%
3,5
О
от ионной силы, создаваемой солью NH4C1. Потому учет этого вклада лишь незначительно повышает наклон указанных зависимостей (до 0,43). Однако упомянутый вклад, возможно, надо считать более высоким за счет того, что в величине Ссвяз СДФЦБс комплекса I при г = 0,01 в действительности связанным может быть лишь какая-то часть ее (и, возможно, небольшая), а все остальное количество красителя является фактически свободным и вносящим вклад в ионную силу. На это указывают различия в результатах связывания с ПВКЛ двух красителей - СДФЦЬи и СДФЦБс, - из которых первый связывается с ПВКЛ значительно лучше второго. О последнем свидетельствует тот факт, что при одном и том же г “ 0,01 размеры комплекса ПВКЛ + СДФЦЬи в 0,005 М NH4C1 при 20 °С увеличиваются (по сравнению с ПВКЛ) в 1,3 раза [6], в то время как для комплекса ПВКЛ + СДФЦБс в этих же условиях роста размеров практически нет - изменение [77] на грани экспериментальной ошибки (см. рис. 4). Здесь дело сводится к оценке плотности заряда на полимерных цепях комплексов ПВКЛ с красителями двух типов. (Более подробные сведения мы надеемся получить в дальнейшем.)
При сравнении представленных в работе данных с результатами взаимодействия СДФЦБс с жесткой полианионной макромолекулой ДНК [6, И] обращает на себя внимание иной характер изменения размеров двух изучаемых молекул. В случае ДНК ком-плексообразование с СДФЦБс приводит к изотропной компактизации молекулы ДНК в 0,001 М NH4Cl (примерно двукратному уменьшению [77]), т. е. к эффекту, прямо противоположному тому, который наблюдается в аналогичных условиях для ПВКЛ в данной работе.
Заключение. Суждения о молекулярном механизме комплексообразования в настоящее время можно высказать лишь в самом общем виде. Определяющую роль, скорее всего, играют ион-дипольные взаимодействия между 4-зарядными анионами красителя и диполями мономерных звеньев молекулы ПВКЛ, которая обладает синдиотактической стереорегулярной структурой. Представленные данные говорят также о влиянии электростатических и гидрофобных взаимодействий и гидратации компонентов комплексов на процесс образования комплексов и изменение их конформации при варьировании внешних ионных и температурных условий. Дальнейшие исследования позволят сделать более определенные суждения по этим вопросам.
Summary
Sibileva М. A., Nosova О. V., Sibilev A. L, Moskalev Р. N. Study of polyelectrolitic properties of complexes poly-N-vinylcaprolactam with sulfonated scandium diphthalocyanines in water-salt solutions.
The influence of medium ц ionic force on the dimensions (characteristic viscosity [л]) of molecules of two complexes of poly-N-vinylcaprolactam with stuff sulfonated scandium diphthalocyanines, whose part of stuff is r = 0,01 and 0,001 is studied. Functional dependence [iq] = /(|url/2) in the interval fi = 0,0005—0,01 M has features characteristic for the flexible macromolecule.
Литература
1. Сибилева М. А., Сибилев А. И., Клюбин В. В. // Высокомолек. соед. 2001. Т. 43. С. 1202— 1210. 2. А. с. № 1153536 (СССР) / Москалев П. Н., Комаров Е. В., Шнейдер М. А. и др. Сульфированный дифталоцианин скандия, обладающий противовирусной активностью // Бюл. ГК СССР по делам изобретений и открытий. 1985. Т. 37. С. 257. Ъ.Драбкин Г. М., Забиякин В. С., Иоффе А. И. и др. Установка для исследования физико-химических и структурных свойств мономолекулярных пленок на границе раздела жидкость—газ: Препринт Ленингр. ин-та ядерной физики им. Б. П. Кон-
стантинова АН СССР, № 1052. Гатчина, 1985. 4. Кпюбин В. В., Круглова JI. А., Сибилев А. И. // Коллоидн. журн. 1991. Т. 53, № 1. С. 39-45. 5. Москалев П. Н., Кирин И. С. // Журн. неорг. химии. 1971. Т. 16, № 1. С. 110-115. 6. Sibileva М. A., Kul’velis Yu. V., Sibilev A. I., Moskalev P. N. // J. Phis. Chemistry. 2005. Vol. 79. Suppl. 1. P. S60—S65. 7. Schulz G. V., Blaschke F. 11 J. Prakt. Chem. 1941. Vol. 158. P. 130-135. 8. Fedors R. F. // Polymer. 1979. Vol. 20. P. 225-228. 9. Fuoss R. M. // J. Polym. Sci. 1948. Vol. 3. P. 603—609. 10. Веселков A. H., Морошкин В. А., Полякова И. Д. и др. // Молекулярная биология. 1976. Т. 10, вып. 5. С. 1050—1059. 11. Сибилева М. А., Могучева Ю. Г., Сибилев А. И., Москалев П. Н. jI Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2007. Вып. 1. С. 16-22.
Статья принята к печати 23 ноября 2006 г.
