CC BY
28ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2007, том 49, № 4, с. 701-712
РАСТВОРЫ
УДК 541(64+183):539.2
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОЛЮБИЛИЗАЦИЮ В МИЦЕЛЛАХ ПОЛИАЛКИЛЕНОКСИДНЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ1
© 2007 г. В. С. Бугрин, М. Ю. Козлов, И. И. Баскин, Н. С. Мелик-Нубаров
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
Химический факультет 119992 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 01.08.2006 г.
Принята в печать 09.10.2006 г.
Коэффициенты распределения 39 низкомолекулярных веществ между водой и мицеллами блок-сополимера этиленоксида и пропиленоксида (Р1иготс Р85) и монолаурилового эфира ПЭО (Игу 35) были измерены методами флуоресцентной спектроскопии, анизотропии флуоресценции и кинетики диализа. Набор исследованных веществ включал ароматические углеводороды, фенолы и наф-толы, ксантеновые красители, антрациклиновые антибиотики и порфирины. Проведен многофакторный анализ полученных коэффициентов распределения, основанный на принципе линейности свободных энергий. Он показал, что протонодонорность веществ способствует их солюбилизации в мицеллах Р1иготс и не влияет на солюбилизацию в мицеллах монолаурата ПЭО. Данное различие указывает на то, что при солюбилизации в мицеллах Р1иготс вещества попадают в гидрофобное ядро, состоящее из блоков ППО.
ВВЕДЕНИЕ
Практическое использование амфифильных полимеров в различных областях науки и техники во многом определяется их способностью к образованию мицелл, которые могут солюбилизовать низкомолекулярные соединения [1]. Мицеллы полимерных ПАВ часто используются для экстракции и разделения биологически активных соединений. Их также можно рассматривать как на-ноконтейнеры для доставки лекарств и пролонгирования их действия [2-4]. Преимущества амфифильных полимеров по сравнению с низкомолекулярными ПАВ заключаются в их меньшей токсичности и большей стабильности мицелл in vivo [5].
Выбор ПАВ для солюбилизации данного соединения представляет собой непростую задачу и требует исследования селективности мицелляр-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 0603-32403) и гранта "Государственной поддержки ведущих научных школ" (НШ5899.2006.3).
E-mail: [email protected] (Мелик-Нубаров Николай Сергеевич).
ных систем [6]. Чтобы решить эту проблему, необходимо исследовать вклад различных типов межмолекулярных взаимодействий в солюбилизацию соединений в данной мицеллярной системе. Для этого свободную энергию солюбилизации представляют в виде линейной комбинации вкладов различных типов межмолекулярных сил: дисперсионных, водородных и когезионных, причем для каждого из исследуемых соединений рассчитывается параметр, отвечающий данному типу взаимодействий [7, 8]. Такой анализ был проведен ранее для ряда низкомолекулярных ПАВ. Было показано, что природа ПАВ существенно влияет на его способность солюбилизовать соединения определенного типа. Оказалось, что наличие протонодонорных групп в молекуле солю-билизуемого вещества снижает его сродство к мицеллам додецилсульфата натрия [9]. Наоборот, мицеллы цетилпиридиний хлорида имеют явное предпочтение к солюбилизации протонодонорных соединений [10].
Несмотря на большой интерес к мицеллам Р1и-гошс, анализ избирательности их взаимодействия с низкомолекулярными соединениями до сих пор
Таблица 1. Структурные параметры исследованных ПАВ на основе полиэтиленоксида
ПАВ Mw ККМ, % Радиус ядра мицелл, нм Эффективный радиус взаимодействия мицелл, нм Удельный парциальный объем V0, см3/г Число агрегации мицелл q
Pluronic P85 HO(CH2CH2O)26 ^CH2CH2O)16H (ch-CH2O) V 1 2 '40 CH3 Brij 35 с^очсщсщоь-н 4500 [11] 1200 [11] 0.003 [12] 0.001 [16] 3.7 ± 0.3 [13] 1.8 ± 0.1 [17] 7.3 ± 0.3 [13] 3.5 ± 0.1 [17] 0.9054 [15] 0.8986 [16] 75 ± 16 [13] 54.2 ± 0.6 [16]
не проводился. Такой анализ представляет интерес не только с точки зрения предсказания способности низкомолекулярных лекарств солюби-лизоваться в мицеллах Pluronic, но и может дать количественную информацию о способности по-лиалкиленоксидных ПАВ взаимодействовать с различными соединениями в биологическом окружении.
В настоящей работе мы исследовали солюби-лизацию низкомолекулярных веществ в мицеллах двух неионогенных ПАВ на основе алки-леноксидов - блок-сополимера этиленоксида и пропиленоксида (Pluronic Р85) и лаурил-ПЭО (Щ 35).
Известно, что оба ПАВ образуют сферические мицеллы, гидрофильная опушка которых состоит из ПЭО, а гидрофобное ядро сформировано ППО-блоками в случае Pluronic P85 и доде-цильными радикалами - в случае Brij 35 [11-17]. При этом граница между гидрофильной опушкой и ядром мицеллы плюроника в значительной мере размыта ввиду хорошей термодинамической совместимости ППО и ПЭО [14]. Некоторые физические параметры использованных ПАВ приведены в табл.1.
Чтобы выявить особенности солюбилизую-щей способности двух ПАВ на основе ПЭО, мы исследовали взаимодействие с этими мицеллами 39 низкомолекулярных соединений различной структуры и попытались определить структур-
ные критерии, существенные для солюбилиза-ции.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали коммерческие препараты блок-сополимера этиленоксида и пропилен-оксида (Pluronic®P85) и монолаурилового эфира полиэтиленоксида (Brij®35) фирмы "Serva" (Германия). Нафталин, антрацен, бенз[а]антрацен, пирен, перилен, фенол, 1-нафтол, 2-нафтол, 1,3-дигидроксинафталин, 2,3-дигидроксинафталин, 1,5-дигидроксинафталин, 2,7-дигидроксинафта-лин, 4-хлор-1-нафтол, флуоресцеин, 4',5'-дийод-флуоресцеин, 5(6)-карбоксифлуоресцеин, эозин изотиоцианат, родамин B изотиоцианат, даунору-бицин, акридин, Z-тирозин, этиловый эфир ^ацетил-Х-тирозина были от "Sigma-Aldrich" (США). 1,4-Нафтохинон приобретен у фирмы "Merck" (Германия), рибофлавин - у фирмы ICN (США), а доксорубицин гидрохлорид - у Института антибиотиков (Россия). Использованные в работе растворители, компоненты буферных растворов и соли были марки ос. ч. Все порфирины, использованные в данной работе, любезно предоставлены А.Б. Соловьевой (Институт химической физики РАН).
Алкилпроизводные тиоуредилэозина синтезировали путем модификации изотиоцианата эозина В алифатическими аминами разной длины. Для этого 20 мг эозина В изотиоцианата (28 мкмоль) растворяли в 1 мл безводного ДМФА и добавляли пятикратный мольный избыток про-
I, отн. ед 1.2
550
600
520
к.
560
600
640
, нм
Рис. 1. Спектры флуоресценции К-эозин-К-пропилтиомочевины (а) и доксорубицина (б) в водном растворе (1) и после солюбилизации в 10% Р1иготс Р85 (а) и Вгу 35 (б) (2). Спектральные характеристики и концентрации флуорофоров указаны в табл. 2.
пиламина, октиламина, дециламина, додецилами-на или октадециламина. Реакционную смесь инкубировали в течение ночи при комнатной температуре, после чего выделяли полученный продукт с помощью препаративной ТСХ на пластинах силикагеля ("Merck", Германия), используя в качестве элюента смесь этанол : хлороформ (1 : 1). Далее продукт элюировали с пластин с помощью этанола, тщательно фильтровали и высушивали в вакууме.
Мицеллярные растворы ПАВ и солюбилизуе-мых веществ готовили в водном растворе, содержащем 10 мМ Na2HPO4, 10 мМ H3BO3, 10 мМ лимонной кислоты и 50 мМ Tris, 0.15 М NaCl, pH 7.0. Все образцы перед измерением инкубировали при 37°C.
Спектры флуоресценции солюбилизуемых веществ записывали с помощью флуоресцентного спектрофотометра "Hitachi" (модель 650-10S, Япония), термостатируя кюветное отделение при 37°С. Использованные концентрации солюбилизуемых соединений и длины волн возбуждения и флуоресценции представлены в табл. 2.
Степень солюбилизации низкомолекулярных соединений в мицеллах ПАВ а определяли как
а = -
(1)
где Бт и - концентрация вещества в мицелляр-ной и водной фазах соответственно. Для ее коли-
чественной оценки были использованы методы, основанные на изучении изменения интенсивности флуоресценции растворенного вещества при его солюбилизации в мицеллах; смещения спектров солюбилизуемого соединения; изменении анизотропии флуоресценции вещества и уменьшении скорости его диффузии через полупроницаемую мембрану.
Флуоресценция большинства исследованных веществ росла по мере увеличения концентрации ПАВ, как это показано на примере К-эозин-К'-пропилтиомочевины на рис. 1а. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации ПАВ имела вид кривой с насыщением, как показано на рис. 2а на примере тетраметилового эфира гематопорфирина IX и 5,10,15,20-тетракис-(4-метоксифенил)порфирина. Полагая, что концентрация соединения, связанного с мицеллами,
SL
пропорциональна изменению интенсивности
флуоресценции (I- 10), а максимальное изменение флуоресценции от начального значения 10 до значения, соответствующего плато 1тах (10 - 1тах) пропорционально суммарной концентрации солюбилизуемого вещества в растворе (Бт + степень солюбилизации оценивали по формуле
а =
I - Iо
/™ -
(2)
Для ряда соединений наблюдали изменение соотношения интенсивностей пиков в спектрах флуоресценции. В качестве характерного приме-
Таблица 2. Концентрации и спектральные характеристики веществ, солюбилизуемых в мицеллах ПАВ
X, нм
ц, е з Соединение Концентрация с х 108, моль/л
а р ю О возбуждение испускание
Ароматические углеводороды и их производные
1 1,6-Дифенилгексатриен-1,3,5 100 366 433
2 Нафталин 2000 280 330/340*
3 Антрацен 800 355 410
4 Бенз[а]антрацен 200 290 430
5 Пирен 30 333 374
6 Перилен Фенолы и нафтолы 100 350 443
7 Фенол
8 1,4-Гидрохинон 1000 280 335
9 1,4-Нафтохинон 1000 354 408
10 1-Нафтол 400 325 380
11 2-Нафтол 400 325 380
12 1,3-Дигидроксинафталин 200 325 380
13 2,3-Дигидроксинафталин 200 325 380
14 1,5-Дигидроксинафталин 200 325 380
15 2,7-Дигидроксинафталин 200 325 380
16 4-Хлор-1-нафтол 1000 310 360
Ксантеновые красители и их производные
17 Флуоресцеин 10 495 520
18 4',5'-Дийодфлуоресцеин 60 505 555
19 5(6)-Карбоксифлуоресцеин 6 495 515
20 Эозин карбамотиоевая О-кислота 100 520 545
21 N-Эозин-N'-пропилтиомочевина 100 500 560
22 N-Эозин-N'-октилтиомочевина 100 495 555
23 ^Эозин-№-децилтиомочевина 100 495 555
24 N-Эозин-N'-додецилтиомочевина 100 495 555
25 N-Эозин-N'-октадецилтиомочевина 100 495 555
26 Родамин В карбамотиоевая О-кислота 100 520 575
Антрациклиновые антибиотики
27 Доксорубицин 100 475 560/585*
28 Даунорубицин Порфирины 100 470 560/585*
29 Мезо -тетрафенилпорфирин 10 420 655
30 5,10,15,20- Тетракис-(4-аминофенил)порфирин 20 418 670
31 5,10,15,20- Тетракис-(3-сульфо-4-метоксифенил)порфирин 1 515 620
32 5,10,15,20- Тетракис-(4-метоксифенил)порфирин 2 425 660
33 5,10,15,20- Тетракис-(4-нитрофенил)порфирин 10 425 655
34 Гематопорфирин IX, тетраметиловый эфир 10 403 625
35 Протопорфирин IX, диэтиловый эфир 70 407 638
36 Копропорфирин III, тетраметиловый эфир 100 400 628
Соединения, не вошедшие ни в одну из групп
37 Акридин 1000 358 435
38 ^Ацетил-Ь-тирозин, этиловый эфир 2000 270 330
39 Рибофлавин 100 445 525
* Измерения проводили на двух значениях длины волн, соответствующих максимумам спектра испускания.
I, отн. ед.
а
г-1
90 60 30 0
1
(а)
V ^
• тт 2
К
4 6 с - ККМ, %
1580/1560 0.88
(б)
5 10 15 с - ККМ, %
г
0.25 0.20 0.15
(в)
Г': •
& 2
1
0
1
(г)
5 10 15 с - ККМ, %
а 2.5 2.0 1.5 1.0
-1
0
а 12
8
4
23
с - ККМ, %
^ПАВ х 103, мин-1 8 I-
а 2.5
2.0
1.5
(д)
10 20 30 40 (с - ККМ)-1, %-1
12 3 4 (с - ККМ)-1, %-1
(ж)
75 150 225 (с - ККМ)-1, %-1
(з)
0 0.3 0.6 0.9 1.2 (с - ККМ)-1, %-1
0
0
2
0
1
0
0
Рис. 2. Типичные зависимости интенсивности флуоресценции (а), соотношения пиков флуоресценции (б), анизотропии флуоресценции (в) и наблюдаемой константы скорости диализа (г) некоторых соединений от концентрации ПАВ. а, б, д, е - солюбилизация соединений в мицеллах Вгу 35; в, г, ж, з - в мицеллах Р1игошс Р85, д-з - линеаризация этих зависимостей в двойных обратных координатах, соответствующих уравнению (8). а и д - тетраметиловый эфир гематопорфирина IX (1) и 5,10,15,20-тетракис-(4-метоксифе-нил)порфирин (2); б и е - доксорубицин; в и ж - К-эозин-К'-октадецилтиомочевина (1) и Родамин В карба-мотиоевая О-кислота (2); г и з - фенол.
ра на рис. 16 показаны спектры флуоресценции доксорубицина в отсутствие ПАВ и в присутствии 10% Вгу 35. В этом случае для определения степени солюбилизации рассчитывали соотношение
интенсивности двух пиков флуоресценции (11/12), которое плавно изменялось с ростом концентрации ПАВ и в области высоких концентраций выходило на плато, как показано на рис. 26. Пола-
гая, что величина (Л/^тах соответствует солюби-лизации всего содержащегося в растворе флуорофора в мицеллах, степень солюбилизации определяли как
а =
( Ii /12 ) - ( Ii /12 ) о
(V12 )max - ( 11 /12 )о'
(3)
где (/1//2)0 - соотношение интенсивностей в отсутствие ПАВ.
Анизотропию флуоресценции солюбилизуе-мого вещества г, показывающую степень его вращательной и поступательной подвижности, рассчитывали следующим образом:
r =
hzL,
I|| + 21!
(4)
Здесь / и /± - интенсивность поляризованной флуоресценции, измеренной при параллельных и скрещенных поляризаторах. Как и в двух предыдущих случаях, анизотропия флуоресценции плавно увеличивалась при повышении концентрации ПАВ и выходила на плато, соответствующее полной солюбилизации флуорофора в мицеллах (рис. 2в). В этом случае величину а находили так:
а=
r - r о
(5)
а = 1 -
*-ПАВ
(6)
Константы скорости диффузии вещества через диализную мембрану мы оценивали, согласно ранее описанной методике [18], используя термо-
статируемую диализную ячейку, оснащенную проточным УФ-детектором (ВюЯаф.
Степень солюбилизации вещества в мицеллах зависит от концентрации ПАВ и поэтому не является термодинамической характеристикой взаимодействия вещества с мицеллами. Для оценки сродства веществ к мицеллам ПАВ использовали коэффициент распределения Р, который определяется как соотношение локальных концентраций вещества в мицеллярной и водной фазах:
S V
р _ ^m w
P = S V '
^ЛЛ! ' ГУ1
(7)
где Бт и Бм, - концентрация растворенного вещества в мицеллярной и водной фазах, У„ и Ут - объем соответствующих фаз. Согласно работе [18], коэффициент распределения может быть определен из зависимости степени солюбилизации а от концентрации мицелл по уравнению
1
а
100
1
Vо P (c -KKM)
1-P
(8)
где г0 - анизотропия флуоресценции в отсутствие ПАВ, а гтах - анизотропия флуоресценции низкомолекулярного соединения, полностью солюби-лизованного в мицеллах.
Ранее было показано [18], что солюбилизация вещества в мицеллах приводит к уменьшению скорости его диффузии через полупроницаемую мембрану (например, рис. 2г для фенола). Соотношение наблюдаемой константы скорости диффузии вещества в отсутствие ПАВ к0 к константе скорости диффузии в присутствии ПАВ £пав позволяет вычислить степень солюбилизации, согласно уравнению
Здесь c - концентрация ПАВ (в мае. %), V0 - парциальный мольный объем ПАВ (в г/см3), а коэффициент 100 переводит процентную концентрацию ПАВ в г/см3. Коэффициент распределения мы определяли из наклона прямой в координатах зависимости а-1 от (с - ККМ)1 см3/г (рис. 2д-2з) как P = 100/( V0 X наклон). Коэффициенты линейных зависимостей, а также погрешность отклонения от экспериментальных значений рассчитывали по методу наименьших квадратов при помощи программы Origin 7.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Коэффициенты распределения 39 соединений между водным раствором и мицеллами Pluronic Р85 и Brij 35 представлены в табл. 3. Исследованные соединения относятся к различным структурным классам: ароматическим углеводородам, фенолам и нафтолам, ксантеновым красителям, ан-трациклиновым антибиотикам и порфиринам. Такой набор соединений позволяет получить полную информацию о вкладах разных типов межмолекулярных взаимодействий в солюбилиза-цию.
r - r
max
0
Таблица 3. Коэффициенты распределения и молекулярные дескрипторы исследованных соединений
ъ ^ Р ± Alg Р (метод)
я е ш Соединение Pluronic-вода Вгу-вода А В ^гфб
а р ю О
Ароматические углеводороды и их производные
1 1,6-Дифенилгексатриен-1,3,5 - 3.45 ± 0.17 (а) 0.03 0.37 5.07
2 Нафталин 2.51 ± 0.22 (а) 3.06 ± 0.26 (б) 0 0.19 2.99
3 Антрацен 2.46 ± 0.28 (а) - 0 0.24 3.65
4 Бенз[а]антрацен 3.43 ± 0.31 (а) - 0 0.30 4.10
5 Пирен 3.40 ± 0.24 (д) - 0 0.28 3.61
6 Перилен 3.31 ± 0.29 (а) 3.58 ± 0.24 (г) - 0 0.34 4.21
Фенолы и нафтолы
7 Фенол 1.97 ± 0.17 (г) - 0.60 0.26 2.32
8 1,4-Гидрохинон 1.64 ± 0.18 (а) - 1.01 0.45 2.26
9 1,4-Нафтохинон 1.43 ± 0.11 (а) - 0 0.76 3.03
10 1-Нафтол 3.24 ± 0.28 (а) 3.05 ± 0.26 (а) 0.60 0.37 2.96
11 2-Нафтол 3.24 ± 0.26 (а) - 0.61 0.40 2.95
12 1,3-Дигидроксинафталин 2.19 ± 0.23 (а) - 1.13 0.58 2.96
13 2,3-Дигидроксинафталин 0.50 ± 0.05 (а) - 1.00 0.51 2.96
14 1,5-Дигидроксинафталин 2.34 ± 0.25 (а) 2.78 ± 0.22 (а) 0.93 0.58 2.99
15 2,7-Дигидроксинафталин 2.34 ± 0.22 (а) 2.64 ± 0.18 (а) 1.00 0.51 2.96
16 4-Хлор-1-нафтол 3.39 ± 0.22 (а) - 0.61 0.29 3.09
Ксантеновые красители и их производные
17 Флуоресцеин 1.68 ± 0.14 (а) 2.15 ± 0.22 (а) 0.81 1.24 4.47
18 4',5'-Дийодфлуоресцеин 2.23 ± 0.23 (а) 2.71 ± 0.21 (а) 0.63 1.45 4.90
- 2.47 ± 0.17 (в) - - -
19 5(6)-Карбоксифлуоресцеин - 2.01 ± 0.30 (а) 1.15 1.50 4.17
20 Эозин карбамотиоевая О-кислота 3.55 ± 0.24 (в) 3.34 ± 0.30 (а) 1.26 2.24 6.33
- 3.74 ± 0.26 (в) - - -
21 ^Эозин-№-пропилтиомочевина 4.31 ± 0.35 (в) 4.29 ± 0.34 (в) 1.12 2.29 7.64
22 N-Эозин-N'-октилтиомочевина 4.39 ± 0.46 (в) 4.34 ± 0.45 (в) 1.11 2.31 9.18
23 N-Эозин-N'-децилтиомочевина 4.61 ± 0.39 (в) 4.87 ± 0.43 (в) 1.10 2.32 9.76
24 N-Эозин-N'-додецилтиомочевина 4.70 ± 0.31 (в) 4.60 ± 0.40 (в) 1.09 2.33 10.37
25 N-Эозин-N'-октадецилтиомочевина 4.37 ± 0.36 (в) 4.87 ± 0.33 (в) 1.08 2.35 12.22
26 Родамин В карбамотиоевая О-кислота 2.80 ± 0.22 (в) 3.69 ± 0.34 (а) 0.81 2.49 6.95
Антрациклиновые антибиотики
27 Доксорубицин 1.49 ± 0.13 (б) 1.62 ± 0.16 (в) 2.33 ± 0.16 (б) 2.29 ± 0.13 (в) 1.23 3.74 6.74
1.17 ± 0.12 (г) - - - -
28 Даунорубицин 2.10 ± 0.12 (б) - 1.21 3.48 6.74
Порфирины
29 Мезо-тетрафенилпорфирин 5.78 ± 0.57 (а) 4.21 ± 0.43 (а) 0 1.41 8.21
30 5,10,15,20- Тетракис-(4-аминофенил)порфирин 4.05 ± 0.41 (а) 4.71 ± 0.41 (а) 0.83 2.50 8.21
31 5,10,15,20- Тетракис-(3-сульфо-4-метоксифе-нил) порфирин 2.07 ± 0.21 (а) 2.96 ± 0.24 (а) 1.34 4.65 8.35
32 5,10,15,20- Тетракис-(4-метоксифенил)порфирин 2.20 ± 0.13 (а) 2.16 ± 0.12 (а) 0 2.04 8.83
33 5,10,15,20- Тетракис-(4-нитрофенил)порфирин 1.78 ± 0.17 (а) 1.97 ± 0.19 (а) 0 1.73 8.21
1.76 ± 0.26 (в) - - - -
34 Гематопорфирин IX, тетраметиловый эфир 5.74 ± 0.56 (в) 3.36 ± 0.30 (а) 0 2.19 8.61
35 Протопорфирин IX, диэтиловый эфир 2.65 ± 0.20 (а) 2.50 ± 0.17 (а) 0 1.78 8.99
36 Копропорфирин III, тетраметиловый эфир 2.42 ± 0.16 (а) 2.22 ± 0.23 (а) 0 2.42 10.21
Соединения, не вошедшие ни в одну из групп
37 Акридин 1.70 ± 0.16 (а) 3.09 ± 0.26 (а) 0 0.55 3.52
38 ^Ацетил-Ь-тирозин, этиловый эфир 1.79 ± 0.17 (а) - 0.83 1.33 4.60
39 Рибофлавин 1.69 ± 0.15 (а) 3.07 ± 0.26 (в) 1.54 3.51 5.40
Примечание. В скобках указан метод измерения коэффициента распределения: а - по интенсивности флуоресценции, б - по отношению пиков, в - по анизотропии флуоресценции, г - по кинетике диализа [15].
lgP
5
23_ 21 22,**24
П6/
20
2 3
^гфб'
нм
12
.2
Рис. 3. Коэффициенты распределения ароматических углеводородов и алкилтиоуреидильных производных эозина между водой и мицеллами Р1иготс Р85 в зависимости от их гидрофобности, определяемой как площадь гидрофобной поверхности молекулы. Номера точек на рисунке соответствуют номерам образцов в табл. 3.
Коэффициенты распределения многих соединений были определены несколькими различными методами, которые давали близкие значения. Так, например, логарифм коэффициента распределения доксорубицина между водой и мицеллами Р1игошс Р85, найденный по соотношению пиков в спектре флуоресценции, равен 1.49 ± 0.22, определенный с помощью измерения анизотропии флуоресценции - 1.62 ± 0.24, а по кинетике диализа - 1.17 ± 0.18. Совпадающие в пределах экспериментальной погрешности результаты были также получены при измерении различными методами коэффициентов распределения пери-лена, тетраметилового эфира гематопорфирина IX, 5,10,15,20-тетракис-(4-нитрофенил)порфи-рина, 4',5'-дийодфлуоресцеина и эозина карбамо-тиоевой О-кислоты (табл. 3). Это указывает на корректность использованных методов, в основном базирующихся на чувствительности флуоресцентных характеристик солюбилизуемых соединений к свойствам их микроокружения.
Главной движущей силой солюбилизации соединений в мицеллах принято считать гидрофобные силы. Согласно классическим представлениям, развитым в работах №теШу и Scheraga [19, 20], эти взаимодействия определяются структурированием воды на поверхности неполярных фрагментов растворенных молекул. Поэтому наиболее адекватный способ оценки гидрофобности соединения состоит в расчете площади гидрофоб-
ной поверхности молекулы S^6. В настоящей работе ее расчет для исследованных соединений проводился для оптимальной конформации молекулы, определяемой путем минимизации энергии методами молекулярной механики с помощью программного пакета Hyperchem 6.01 и содержащегося в нем модуля "QSAR properties" ("Hyper-cube Inc.", США). Результаты этого расчета представлены в табл.3.
Оказалось, что закономерное увеличение коэффициентов распределения мицеллы-вода с ростом S^6 солюбилизуемого соединения наблюдалось только в рядах структурно сходных соединений, например ароматических углеводородов и алкильных производных эозина (рис. 3). В то же время ряды нафтолов и фенолов, ксантеновых красителей и порфиринов этой закономерности не подчиняются.
Так, коэффициенты распределения 1- и 2-наф-тола в системе мицеллы Pluronic Р85-вода в 5 раз выше коэффициента распределения нафталина, хотя указанные соединения имеют довольно близкие значения параметра S^6. 4-Хлор-1-наф-тол солюбилизуется в мицеллах гораздо эффективнее акридина, хотя у него меньшая площадь гидрофобной поверхности (S^ = 3.09 и 3.52 нм2 соответственно). Эозин карбамотиоевая О-кис-лота характеризуется в 5 раз более высоким коэффициентом распределения, чем родамин В карбамотиоевая О-кислота, хотя площади гидрофобной поверхности данных соединений близки (6.33 и 6.95 нм2). 1,3-, 1,5- и 2,7-Дигидроксинафта-лины солюбилизуются в мицеллах почти в 4 раза лучше, чем флуоресцеин, хотя площадь гидрофобной поверхности у них в ~1.5 раза меньше.
Интересно, что аналогичные закономерности для солюбилизации в мицеллах Brij 35 не наблюдались: пары нафталин и 2-нафтол, родамин B и эозин карбамотиоевые О-кислоты имели одинаковые коэффициенты распределения, а разница между коэффициентами распределения дигид-роксинафталинов и флуоресцеина была значительно меньше, чем в случае солюбилизации в мицеллах Pluronic (табл. 3).
Таким образом, гидрофобность соединения, учитываемая площадью его гидрофобной поверхности, не является единственным фактором, обусловливающим солюбилизацию в мицеллах Pluronic. Можно предположить, что существен-
4
4
3
8
4
ный вклад в солюбилизацию вносит образование водородных связей между солюбилизуемым соединением и ПАВ. Для учета данного фактора мы использовали параметры, характеризующие Н-кислотность и Н-основность исследованных веществ, которые определяются из констант равновесия образования водородных связей. Указанные константы ранее измерил M. Abraham с соавторами для различных доноров и акцепторов протонов [21, 22]. Из своих данных авторы рассчитали не зависящую от природы партнера способность данной функциональной группы к образованию водородной связи. Эти параметры в литературе принято обозначать A (Н-кислот-ность) и B (Н-основность).
Чтобы найти Н-кислотность и Н-основность исследованных соединений мы воспользовались демонстрационной версией программы ADME BOXES 2.0, любезно предоставленной нам фирмой "Sirius Analytical" (Англия), алгоритм которой основан на суммировании экспериментально определенных инкрементов отдельных функциональных групп. Результаты этого расчета представлены в табл.3.
Для определения вклада гидрофобности и способности к образованию водородных связей в солюбилизацию низкомолекулярных соединений в мицеллах полиалкиленоксидов мы применили многофакторный анализ, основанный на принципе линейности свободных энергий [7, 8], согласно которому свободная энергия сложного процесса (например, солюбилизации в мицеллах) может быть представлена как линейная комбинация вкладов элементарных взаимодействий
A Gs = XAG; = £ ztZt,
(9)
ной комбинацией трех параметров, отвечающих гидрофобности исследуемых соединений, их про-тоноакцепторным и протонодонорным свойствам. Тогда уравнение (9) принимает следующий вид:
^ Рмицеллы-вода = С0 + ^гфб + аА + ЬВ, (10)
где с0 - свободный член, параметр 5 показывает изменение свободной энергии системы за счет дегидратации гидрофобных фрагментов солюбили-зуемой молекулы при ее переносе из воды в мицеллу, а параметры а и Ь показывают, насколько среда мицеллы является более сильным Н-осно-ванием и Н-кислотой, чем вода.
Как правило, корреляция считается надежной, если количество соединений более чем в 5 раз превышает количество дескрипторов. В настоящей работе для построения трехпараметрических корреляций мы использовали коэффициенты распределения более 30 соединений, т.е. статистический критерий достоверности корреляции выполнялся.
Корреляции между значениями ^РР85-вода и ^ РВгу 35-вода и линейной комбинацией трех параметров ^гфб, А и В описывается уравнениями
^Рр85-вода = (0.15 ± 0.05) + (0.38 ± 0.11)А -- (1.24 ± 0.19)В + (0.82 ± 0.08)\фб (11) N = 32, Я = 0.903, ^ = 39)
lg P
Brij 35-вода
= (0.43 ± 0.15) - (0.0061 ± 0.3)A -
где Zi - способность соединения участвовать в 7-м типе взаимодействий, а характеризует относительную (по сравнению с водой) способность мицеллы принимать участие в этом виде взаимодействий. Параметры соединений Zj определяются или рассчитываются независимо, а параметры среды выступают в качестве коэффициентов многопараметрической регрессии. Такой подход позволяет выявить вклад различных типов взаимодействий в сложный процесс. В данной работе мы рассмотрели корреляцию между ^ Р и линей-
- (0.27 ± 0.2)В + (0.48 ± 0.07)\фб (12)
N = 45, Я = 0.896, ^ = 55)
Зависимость экспериментальных значений ^ Рмицеллы-вода от соответствующих значений, рассчитываемых по уравнениям (11) и (12) для Р1и-гошс Р85 и Вгу 35 соответственно, представлена на рис. 4. Видно, что из этой зависимости сильно выпадают точки, соответствующие некоторым порфиринам (5,10,15,20-тетракис-(4-метокси-фенил)порфирин, 5,10,15,20-тетракис-(4-нит-рофенил)порфирин, диэтиловый эфир прото-порфирина IX и тетраметиловый эфир копро-порфирина III), а также К-эозин-№-октадецилтиомочевина (образцы 32, 33, 35, 36 и
расчет
Рис. 4. Корреляция между экспериментально определенными коэффициентами распределения соединений в мицеллы Р1иготс Р85 (а) и Бгу 35 (б) и величинами, рассчитанными по уравнениям (11) и (12). Номера точек соответствуют номерам образцов в табл. 3.
25 соответственно). По всей видимости, такие отклонения вызваны способностью указанных соединений к агрегации в водных растворах [23, 24]. Отклонение точки, соответствующей 2,3-дигид-роксинафталину (образец 13), вероятно, вызвано тем, что в молекуле этого соединения возможно образование внутримолекулярной водородной связи между вицинальными гидроксильными группами. В данном случае расчет параметров А и В недостоверен, что и приводит к отклонению коэффициента распределения, рассчитанного по уравнению (11), от экспериментального значения.
Интересно, что корреляционные уравнения (11) и (12) описывают не только соединения, представленные в нашей работе, но и ранее исследованные соединения. Так, коэффициент рас-
пределения метиленовой группы, приведенный в работе [15], удовлетворительно предсказывается уравнением (11) (рис. 4а). Темные точки на рис. 46 соответствуют соединениям, исследованным ранее в работе Quina с соавторами [25]. В эту группу входят 14 производных бензола, несколько низших жирных кислот, а также кислород, аргон, метан, четыреххлористый углерод и низшие алканы. Несмотря на то, что указанные соединения имеют гораздо более простую структуру, чем вещества, исследованные в настоящей работе, их коэффициенты распределения вполне удовлетворительно предсказываются общим уравнением (12).
Анализ выражений (11) и (12) показывает, что наибольший вклад в солюбилизацию в мицеллах обоих полиалкиленоксидов вносят гидрофобные взаимодействия, определяемые дескриптором ^гфб. При этом наличие протоноакцепторных полярных групп препятствует солюбилизации в мицеллах обоих ПАВ, поскольку Н-кислотные свойства мицелл полиалкиленоксидов меньше Н-кислотности воды.
Существенный вклад в солюбилизацию в мицеллах Pluronic Р85 вносят протонодонорные свойства (Н-кислотность) солюбилизуемого соединения. Иными словами, мицеллы Pluronic проявляют Н-основные свойства. При этом Н-кислотность солюбилизуемого соединения не влияет на солюбилизацию в мицеллах Brij: коэффициент a в регрессионном уравнении (12) близок к нулю, т.е. Brij 35 практически не способен образовывать водородные связи с солюбилизуемыми соединениями. Видимо, это объясняется тем, что гидрофобное ядро таких мицелл не содержит Н-основных групп, а их гидрофильная опушка сильно гидратирована [17, 26].
Таким образом, сопоставление уравнений (11) и (12) для Pluronic Р85 и Brij 35 указывает на то, что солюбилизации в мицеллах Pluronic способствует образование водородных связей солюбилизуемого соединения с блоком ППО, составляющим ядро мицеллы Pluronic. Можно предполагать, что пониженная по сравнению с ПЭО гидратация блока ППО, составляющего ядро мицеллы Pluronic, а также более низкая по сравнению с водой диэлектрическая проницаемость способствуют образованию водородных связей с солюбилизуемыми в мицеллах соединениями.
Роль водородных связей для структурообразо-вания в системах, содержащих полиалкиленокси-ды, отмечалась ранее. Так, в работах [27, 28] было обнаружено, что ПЭО могут взаимодействовать с поликислотами за счет образования водородных связей с протонированными карбоксильными группами. Аналогичную природу имеют комплексы, формируемые ПЭО с гидрокси-пропилметилцеллюлозой [29]. Водородные связи полиалкиленоксидов с водой регистрируются с помощью ИК-спектроскопии [30], и их существенная роль выявляется при квантово-механи-ческом моделировании взаимодействий ПЭО с водой [31].
В настоящей работе была впервые продемонстрирована роль водородных связей во взаимодействии мицелл Pluronic с низкомолекулярными соединениями в водной среде. Полагаем, что образование водородных связей между Pluronic и протонодонорными группами может быть существенно для взаимодействия Pluronic с низкомолекулярными соединениями, мембранами, полисахаридами и белками в биологическом окружении.
Авторы выражают свою благодарность А.Б. Соловьевой за образцы порфиринов, доктору G. Cimpan (Syrius Analytical, Cambridge, UK) за предоставление демонстрационной версии программного пакета ADME Boxes, версия 2.0.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Myers D. Surfactants Science and Technology. New Jersey: Wiley, 2006.
2. Rangel-Yagui C.O., Pessoa A., jr., Tavares L.C. // J. Pharm. Pharm. Sci. 2005. V. 8. № 2. P. 147.
3. Adams ML, Lavasanifar A., Kwon G.S. // J. Pharm. Sci. 2003. V. 92. № 7. P. 1343.
4. Torchilin V.P., Lukyanov A.N., Gao Z, Papahadjopou-los-Sternberg B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. № 10. P. 6039.
5. Torchilin V.P. // J. Controlled Release. 2001. V. 73. № 2-3. P. 137.
6. Yang S, KhalediM.G. // Anal. Chem. 1995. V. 67. № 3. P. 499.
7. Politzer P., Murray J.S. // Quantitative Treatments of Solute/Solvent Interactions. Amsterdam: Elsevier, 1994.
8. Abraham MH. // Pure Appl. Chem. 1993. V. 65. № 12. P. 2503.
9. Abraham M.H., Chadha H.S., Dixon J.P., Rafols C., Treiner C. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. II. 1995. № 5. P. 887.
10. Abraham M.H., Chadha H.S., Dixon J.P., Rafols C., Treiner C. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. II. 1997. № 1. P. 19.
11. Ash M., Ash I. The Condensed Encyclopedia of Surfac -tants. New York: Chemical, 1989.
12. Batrakova E.V., Han HY, Miller D.W., Kabanov A.V. // Pharm. Res. 1998. V. 15. № 10. P. 1525.
13. Goldmints I., von Gottberg F.K., Smith KA, Hat-ton TA. // Langmuir. 1997. V. 13. № 14. P. 3659.
14. HurterP.N., Scheutjens J.M.HM,Hatton TA. // Macro-molecules, 1993. V. 26. № 19. P. 5592.
15. KozlovM.Yu, Melik-Nubarov N.S., Batrakova E.V., Kabanov A.V. // Macromolecules. 2000. V. 33. № 9. P. 3305.
16. Glenn K., van Bommel A ., Bhattacharya S.C., Palepu RM. // Colloid Polym. Sci. 2005. V. 283. № 8. P. 845.
17. Borbely S. // Langmuir. 2000. V. 16. № 13. P. 5540.
18. Melik-Nubarov N.S., Kozlov M.Yu. // Colloid Polym. Sci. 1998. V. 276. № 3. P. 381.
19. Nemethy G, Scheraga HA. // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. № 12. P. 3382.
20. Ooi T, Oobatake M, Nemethy G, Scheraga H.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1987. V. 84. № 10. P. 3086.
21. Abraham MH. // Chem. Soc. Rev. 1993. V. 22. № 2. P. 73.
22. Abraham M.H., Ibrahim A., Zissimos AM., Zhao Y.H., Comer J, Reynolds D.P. // Drug Discovery Today. 2002. V. 7. № 20. P. 1056.
23. Scheer H. // The Porphyrins / Ed. by Dolphin D. New York: Academic, 1978.
24. Соловьева А.Б., Мелик-Нубаров H.C., Аксенова H.A., Глаголев H.H., Встовский Г.В., Буг-рин B.C., Лузгина В Н., Ольшевская В.А., Белко-ва Г.В. // Журн. физ. химии. 2006. Т. 80. № 1. C. 124.
25. Quina F.H., Alonso EO, Farah J.P.S. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. № 30. P. 11708.
26. Tomsic M., Bester-Rogac M., JamnikA., Kunz W., TouroudD., Bergmann A., Glatter O. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. № 22. P. 7021.
27. Антипина А.Д., Барановский В.Ю, Паписов И.М., Кабанов В.А. // Высокомолек. соед. А. 1972. Т. 14. № 4. C. 941.
712
eyrphh h «p.
28. Baranovsky V.Yu., Litmanovich AA, Papisov I.M., Kabanov VA. // Eur. Polym. J. 1981. V. 17. № 9. P. 969.
29. Fullera C.S., MacRaeb R.J., Waltherb M, Cameron R.E. // Polymer. 2001. V. 42. № 23. P. 9583.
30. Su Y.-L., Wang J,, Liu H.-Z. // J. Colloid Interface Sci. 2002. V. 251. № 2. P. 417.
31. Aray Y, Marquez M, Rodriguez J., Vega D, Manso Y.S., Coll S., Gonzalez C., Weitz DA. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. № 7. P. 2418.
Intermodular Interactions Governing Solubilization in Micelles of Poly(alkylene oxide) Surfactants
V. S. Bugrin, M. Yu. Kozlov, I. I. Baskin, and N. S. Melik-Nubarov
Faculty of Chemistry, Moscow State University, Leninskie gory, Moscow, 119992 Russia e-mail: [email protected]
Abstract—Partition coefficients of 39 low-molecular-mass compounds between water and micelles of an ethylene oxide-propylene oxide block copolymer (Pluronic P85) and monolauryl ether of poly(ethylene oxide) (Brij 35) have been measured by the methods of fluorescence spectroscopy, fluorescence anisotropy, and dialysis kinetics. The tested compounds include aromatic hydrocarbons, phenols, naphthols, xanthene dyes, anthra-cycline antibiotics, and porphyrins. The multifactor analysis of the partition coefficients in terms of the linear free-energy relationships has been performed. It has been shown that the H-donating ability of compounds facilitates their solubilization in Pluronic micelles and has no effect on solubilization in micelles of monolauryl ether of poly(ethylene oxide). This difference indicates that, when solubilization occurs in Pluronic micelles, the compounds under study appear in a hydrophobic core composed of poly(propylene oxide) blocks.
