CC BY
23ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2003, том 45, № 4, с. 683-686
УДК 541(64+49):547.458.82:532.73
КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ПОЛИАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ С ГИДРОКСИПРОПИЛЦЕЛЛЮЛОЗОЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
© 2003 г. В. В. Хуторянский, А. В. Дуболазов, 3. С. Нуркеева, Г. А. Мун
Казахский национальный университет им. алъ-Фараби 480012 Алматы, ул. Карасай Батыра, 95 Поступила в редакцию 23.07.2002 г. Принята в печать 09.12.2002 г.
Исследовано комплексообразование полиакриловой кислоты с гидроксипропилцеллюлозой в водных растворах. Показано формирование интерполимерных комплексов нестехиометрического состава, стабилизированных кооперативной системой водородных связей. Установлена рН-зависимая растворимость поликомплексов. Обсуждаются перспективы применения интерполимерных комплексов в качестве носителей физиологически активных препаратов.
Кооперативные реакции полимеров, сопровождающиеся образованием интерполимерных комплексов (ИПК), стабилизированных водородными связями, интенсивно изучаются в течение последних 30 лет [1-5]. Водорастворимые неионные производные целлюлозы представляют существенный интерес в качестве объектов исследования, так как содержат в своей структуре несколько протоноакцепторных атомов кислорода. Кроме того, ИПК полисахаридов перспективны в прикладном плане для получения новых лекарственных форм [6-8].
Ранее нами было исследовано комплексообразование полиакриловой кислоты с метилцеллюлозой [9-11], гидроксиэтилцеллюлозой (ГЭЦ) [12] и гид-роксипропилметилцеллюлозой [13]. Установлено образование ИПК нестехиометрического состава, найдены значения критических рН комплек-сообразования.
В настоящей работе представлены данные по комплексообразованию в смесях водных растворов гидроксипропилцеллюлозы (ГПЦ) и полиакриловой кислоты (ПАК).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Использовали ГПЦ со степенью замещения 66-70% и ПАК с М = 2.5 х 105 фирмы "Sigma" без дополнительной очистки. Вязкость растворов полимеров и поликомплексов определяли с помо-
E-mail: khutor@nursat.kz (Хуторянский Виталий Викторович).
щью вискозиметра Уббелоде при 25 ± 0.1 °С. Оптическую плотность измеряли на УФ-спектрофо-тометре "UV-2401 PC Shimadzu" (Япония) при X = 400 нм. рН растворов ИПК, приготовленных за 2 суток до начала измерения, определяли на ио-номере "Jenway-3345" (Великобритания) и регулировали путем добавления небольших количеств водных растворов НС1 или NaOH с концентрацией 0.5 моль/л.
Растворы ИПК готовили смешением водных растворов ПАК и ГПЦ одинаковой мольной концентрации. Образцы для ИК-спектроскопии получали путем смешения растворов ГПЦ и ПАК с концентрациями 0.05 моль/л при соотношении их объемов 1:5 и добавлении небольшого количества водного раствора HQ с концентрацией 0.5 моль/л. Осадок ИПК центрифугировали, промывали дистиллированной водой до нейтрального рН и сушили под вакуумом до постоянной массы. ИК-спектры снимали на ИК-спектрофотометре "М1К Satellite" ("Mattson", США) в таблетках из КВг.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты турбидиметрического и вискози-метрического титрования водного раствора ПАК раствором ГПЦ представлены на рис. 1а. На кривой турбидиметрического титрования имеется характерный максимум, который соответствует минимуму на кривой вискозиметрического титрования. Это указывает на образование ИПК компактной структуры. Добавление ГПЦ в раствор ПАК сна-
684
ХУТОРЯНСКИЙ и др.
Рис. 1. Кривые титрования раствора ПАК раствором ГПЦ. а - вискозиметрическое (7) и тур-бидиметрическое титрование (2), б - потенцио-метрическое титрование. Концентрация растворов 0.01 моль/л. п - мольное соотношение ГПЦ и ПАК. £> - оптическая плотность при X = 400 нм.
чала сопровождается значительным повышением рН, а затем рН практически не изменяется, что также указывает на протекание процесса ком-плексообразования в системе (рис. 16). Данные потенциометрии хорошо коррелируют с результатами вискозиметрического и турбидиметричес-кого титрования и свидетельствуют об образовании компактных частиц поликомплексов несте-хиометрического состава, в которых на одно составное звено ГПЦ приходится 10 звеньев ПАК. Поликомплексы аналогичного состава образуются и при обратном порядке смешения исходных компонентов.
Существенное отклонение состава ИПК от стехиометрического, вероятно, обусловлено наличием значительного числа протоноакцептор-ных центров (7 атомов кислорода) в составном звене ГПЦ, способных к связыванию карбоксильных групп ПАК. Кроме того, не исключена возможность формирования ИПК, в котором часть
1.5 1.0
V х Ю-2, см-1
Рис. 2. ИК-спектры ГПЦ СО, ПАК (2) и ИПК (3).
карбоксильных групп ПАК не участвует в ком-плексообразовании, а образует дефектные участки (хвосты и петли).
Осадок ИПК был получен при добавлении в смесь ПАК-ГПЦ небольшого количества 0.5 моль/л НС1 с последующим центрифугированием и сушкой под вакуумом. В ИК-спектре ИПК полосы поглощения групп С-О-С (1074 см"1) и С=0 (1736 см-1) смещаются по сравнению с частотой колебаний в исходных компонентах (1120 и 1710 см-1 соответственно). По-видимому, это смещение обусловлено образованием водородных связей между эфирными группами ГПЦ и карбоксильными группами ПАК (рис. 2).
Известно, что образование ИПК в водных растворах наблюдается ниже определенных критических значений рН [4,5]. При этом величина рНкр может рассматриваться как критерий способности системы неионный полимер-поликарбоновая кислота к образованию поликомплексов: большей комплексообразующей способности соответствует более высокое значение рНкр. Нами определены значения рНкр комплексообразования в системе ГПЦ-ПАК методом турбидиметрии. Как вид-
КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ПОЛИАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ
685
но из рис. За, с ростом концентрации исходных полимерных компонентов рНкр увеличивается. Это наблюдалось ранее и для других систем [5,9-11]. Следует отметить, что значения рНкр в системе ПАК-ГПЦ превышают соответствующие величины, характерные для комплексов ПАК-ГЭЦ [12]. Данное обстоятельство свидетельствует о большей комплексообразующей способности ГПЦ по сравнению с ГЭЦ. Вероятно, оно обусловлено большим числом протоноакцепторных центров в ГПЦ, а также наличием НКТР в системе ГПЦ-во-да. Ранее 81а1ко$ с соавторами [14] показали, что полимеры, водные растворы которых характеризуются НКТР, имеют большую комплексообразую-щую способность благодаря более эффективным гидрофобным взаимодействиям. Следует также отметить, что рНкр не зависит от соотношения исходных компонентов (рис. 36).
При изучении растворимости ИПК в зависимости от рН раствора (рис. 4) установлено, что в области рН < 2 поликомплекс практически нерастворим. В интервале 2 < рН < 7 наблюдается частичное растворение ИПК, связанное с его разрушением, а полный распад поликомплекса происходит при рН > 7. Наблюдаемая зависимость растворимости ИПК от рН хорошо коррелирует с рНкр и имеет большое практическое значение для создания рН-чувствительных систем контролируемого высвобождения лекарственных веществ. Лекарственное вещество (например, фермент или антибиотик), покрытое оболочкой из ИПК, будет защищено от деструктивного действия кислой среды желудка, а при попадании в кишечник, для которого характерна слабощелочная среда, оболочка может раствориться и лекарственное вещество выделится.
Таким образом, комплексообразование ПАК с ГПЦ сопровождается формированием компактных частиц ИПК нестехиометрического состава. ГПЦ обладает повышенной комплексообразующей способностью, что обусловлено наличием НКТР в водных растворах, а также большим количеством протоноакцепторных центров. ИПК на основе ГПЦ и ПАК обладают рН-зависимой растворимостью, что открывает широкие перспективы для их применения в качестве носителей физиологически активных препаратов.
Рис. 3. Зависимость оптической плотности растворов ГПЦ-ПАК от рН при различной концентрации исходных растворов (а) и разном мольном соотношении исходных компонентов (б), а - ГПЦ : ПАК =1:10, [ГПЦ]0 = [ПАК]0 = = 0.01 (/), 0.05 (2) и 0.1 моль/л (5); б - [ГПЦ] : : [ПАК] = 1 : 10 (1), 1 : 5 (2), 1 : 2 (5), 1 : 1 (4). [ГПЦ]0 = [ПАК]0 = 0.01 моль/л.
ш/Шо
рн
Рис. 4. Зависимость относительной растворимости ИПК от рН; т - масса растворенного ИПК, то - масса исходного ИПК.
686
ХУТОРЯНСКИЙ и др.
В.В. Хуторянский благодарит фонд INTAS за финансовую поддержку работы в рамках гранта для молодых ученых YSF 01/1-105.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бектуров Е.А., Бимендина JI.A. Интерполимерные комплексы. Алма-Ата: Наука, 1977.
2. Кабанов В.А., Паписов U.M. // Высокомолек. соед. А. 1979. Т. 21. №2. С. 243.
3. Bekturov ЕЛ., Bimendina LA. // Adv. Polym. Sei. 1981. V. 41. P. 99.
4. Tsuchida E., Abe K. // Adv. Polym. Sei. 1982. V. 45. P. 1.
5. Нуркеева 3.C., Мун Г.А., Хуторянский B.B. // Высокомолек. соед. Б. 2001. Т. 43. № 5. С. 925.
6. Ishida М., Machida Y., Nambu N., Nagai Т. Ц Chem. Pharm. Bull. 1981. V. 29. № 3. P. 810.
7. Satoh K., Takayama K, Machida Y., Suzuki Y., Nakaga-ki M„ Nagai T. // Chem. Pharm. Bull. 1989. V. 37. № 5. P. 1366.
8. Clausen A.E., Bernkop-Schnurch A. // J. Controlled Release. 2001. V. 75. P. 93.
9. Хуторянский B.B., Мун Г.А., Мангазбаева P.A., Нуркеева З.С. // Вестн. КазГУ. Сер. хим. 1998. Т. 12. №4. С. 133.
10. Nurkeeva Z.S., Mun GA., Khutoryanskiy V.V., Man-gazbaeva RA. // Polym. Int. 2000. V. 49. P. 867.
11. Мун Г.А., Нуркеева 3.C., Хуторянский B.B., Мангазбаева P.A. // Высокомолек. соед. Б. 2001. Т. 43. № 3. С. 552.
12. Инь Дин Бо, Хуторянский В.В., Нуркеева З.С. // Вестн. КазГУ. Сер. хим. 2001. Т. 23. № 3. С. 30.
13. Мангазбаева P.A., Омарова М.М., Хуторянский B.B. // Вестн. КазГУ. Сер. хим. 2001. Т. 22. № 2. С. 258.
14. Koussathana М„ Lianos P., Staikos G. // Macromole-cules. 1997. V. 30. № 25. P. 7798.
Complexation of PoIy(acrylic acid) with Hydroxypropylcellulose
in Aqueous Solutions
V. V. Khutoryanskiy, A. V. Dubolazov, Z. S. Nurkeeva, and G. A. Mun
Chemical Department, Al'-Farabi Kazakh State National University, ul. K. Batyra 95, Almaty, 480012 Kazakhstan
Abstract—The complexation of poly(acrylic acid) with hydroxypropylcellulose in aqueous solutions was studied. It was demonstrated that nonstoichiometric complexes stabilized through the cooperative system of hydrogen bonds form upon complexation. The solubility of polycomplexes was shown to be pH-dependent. The prospects for the application of interpolymer complexes as carriers of physiologically active compounds are considered.
