CC BY
12ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2005, том 47, № 7, с. 1124-1130
СТРУКТУРА
— ------____= — — ■ ---------- ---------- __ __ _И СВОЙСТВА
УДК 541.64:547(279+379)
МОДИФИКАЦИЯ СОПОЛИМЕРА N-ВИНИЛКАИРОЛАКТАМА И МЕТАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ 2-АМИНОЭТАНСУЛЬФОНОВОЙ
КИСЛОТОЙ И ВЛИЯНИЕ ИОНОГЕННЫХ ГРУПП НА рН-ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СОПОЛИМЕРА1
© 2005 г. И. М. Охапкин* **, А. С. Дубовик***, Е. Е. Махаева****, А. Р. Хохлов**- ****
* Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук
119991 Москва, ул. Вавилова, 28 ** Department of Polymer Science, University ofUlm Albert-Einstein-Allee 11, D-89069, Vim, Germany *** Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 4
**** Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Физический факультет
119992 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 19.08.2004 г.
Принята в печать 22.02.2005 г.
Проведена модификация сополимера N-винилкапролактама и метакриловой кислоты с содержанием метакриловой кислоты 37% путем прививки 2-аминоэтансульфоновой кислоты (таурина) на карбоксильные группы в присутствии М-этил-№-(3-диметиламинопропил)карбодиимида; максимальная степень замещения 35%. Исходный сополимер N-винилкапролактама и метакриловой кислоты обладает рН-чувствительными и термочувствительными свойствами; последние проявляются лишь в нейтральных и щелочных средах (рН > 6). Показано, что модифицированный сополимер в отличие от исходного не обладает рН-чувствительными свойствами, а его термочувствительные свойства проявляются как в нейтральных (рН 7), так и в кислых средах (рН 3).
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы растет интерес к полимерам, меняющим свое физическое состояние при малых изменениях внешних параметров (температура, рН среды, интенсивность светового излучения, напряженность электрического поля) [1-3]. Такие полимеры называют чувствительными. Из-за широких возможностей применения в медицинских целях [1] рН-термочувствительные полимеры и гели представляют собой наиболее часто исследуемые системы такого рода.
Большинство работ по данной тематике посвящено рН-термочувствительным системам, в которых температура фазового перехода зависит от рН. В этом направлении наиболее интенсивно исследовали свойства сополимеров N-изопропилакрилами-да и акриловой кислоты [4,5]. Для указанной системы характерно возрастание температуры фазового
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Гумбольдта, Программы "Инвестиции в будущее" (ZIP) и Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 03-03-32878).
E-mail: okhapkin@polIy.phys.msu.ru (Охапкин Иван Михайлович).
перехода при низких рН и соответственно высокой степени заряженности звеньев акриловой кислоты. Помимо линейных полимеров, сообщается о рН-термочувствительных микрогелях - сополимерах 1Ч-винилкапролактама и акрилата натрия [6]. Микрогели претерпевали коллапс, при изменении как рН, так и температуры.
Одним из методов варьирования чувствительных свойств водорастворимых полимеров за счет изменения баланса гидрофобных и электростатических взаимодействий является их комбинация с ПАВ [6, 7]. Тем не менее, применение ПАВ имеет ряд недостатков, в частности затруднен контроль за соотношением молекул ПАВ и полимерных звеньев в смешанных мицеллах полимер-ПАВ. Подобного недостатка лишены системы, в которых ионогенные группы ковалентно связаны с полимерной цепью. При этом прямая сополимеризация термочувствительных мономеров с ионогенными мономерами затруднена из-за сложностей при подборе растворителя.
Учитывая изложенное выше, представляется весьма перпективным развитие методик получения термочувствительных полимеров с сильными ионогенными группами посредством полимер-аналогичных превращений.
Ранее нами было показано, что сополимеры N-винилкапролактама (ВК) и метакриловой кислоты (МАК) обладают рН-термочувствительны-ми свойствами [8]. Сополимеры претерпевают термоинициируемый фазовый переход в широком интервале нейтральных и щелочных значений рН. При этом температура фазового перехода нечувствительна к рН. При понижении рН в слабокислых средах (рН < 5.8) сополимер претерпевает рН-инициируемый фазовый переход.
В настоящей работе осуществляли химическую модификацию сополимера ВК и МАК с содержанием МАК 37% в водных средах с целью изучения влияния природы ионогенных групп на комбинированные рН-термочувсгвительные свойства. Модификацию проводили по карбоксильным группам звеньев МАК; модификатором служила 2-аминосульфоно-вая кислота (таурин, H2N-CH2-CH2-SO3H).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
ВК ("Aldrich") дважды перегоняли при пониженном давлении (Т = 130°С/10 мм рт ст). МАК ("Merck") очищали путем колоночной хроматографии на силикагеле. ДАК ("Merck") перекрис-таллизовывали из метанола. Активатор - N-этил-К-(3-диметиламинопропил)карбодиимид (ЭДК,
1125
^-(СН2)з-Ы=С=ГЧ-СН2-СНз) ("Ника") и та-
Н3С
урин ("Ника") использовали без дополнительной очистки.
Синтез сополимера
Мономеры (ВК и МАК, соотношение мономеров 9 : 1 соответственно) и инициатор (ДАК, 0.03%) растворяли в смеси ДМСО-вода (10% воды по объему). Сополимеризацию проводили в атмосфере аргона в течение 48 ч при 50°С. Полученный сополимер выделяли осаждением в горячую дистиллированную воду. После осаждения сополимер растворяли в водном ЫаОН с концентрацией 0.1 моль/л (содержание полимера ~1 мас.%) и рН системы доводили до 8. Полученный раствор полимера диализировали против дистиллированной воды в течение 48 ч с трехкратной сменой внешнего раствора, после чего полимер сушили лиофильно в течение 24 ч. Выход сополимера 70%.
Модификация сополимера ВК-МАК
В водной среде и при умеренных температурах реакция карбоксилсодержащих соединений с тау-рином возможна только при участии ЭДК, как активатора карбоксильной группы [9]:
н3сч
СН, N-(CH2)3-N=C=N-CH2-CH3
| J н3с
—СН2-С— —-►
соон
9нз Н3СЧ
—сн2-с— + /N-(CH2)3-N=C-NH-CH2-CH3 — coo- Н3с'
СН3
I H2N-CH2-CH2-S03H
оАо
/>NH-CH2-CH3 н3сч n'
N-iQb)/
Н3с
СН3 н3Сч
- —СН2-С— + /N-(CH2)3-NH-C-NH-CH2-CH3
А НзС' °
О NH I
сн2
I
сн2
I
so3H
1126
ОХАПКИН и др.
Реакцию проводили в течение 4 ч при комнатной температуре, рН 6.1, концентрации таурина 0.5 моль/л и концентрации ЭДК 0.05 моль/л. Концентрация карбоксильных групп сополимера составляла 0.005 моль/л. По окончании реакции не-прореагировавший ЭДК нейтрализовывали ацетатным буфером [9]. После добавления ацетатного буфера полученный раствор диализи-ровали в течение 48 ч против децимольного раствора NaCl с трехкратной сменой внешнего раствора, а затем против дистиллированной воды в том же режиме. После диализа раствор сополимера подвергали лиофильной сушке в течение 24 ч.
Характеристика полимеров
ММ исходного сополимера определяли методом статического светорассеяния. Долю звеньев МАК в исходном сополимере находили путем по-тенциометрического титрования и по спектрам ЯМР 1Н. Характер распределения мономерных звеньев по цепи оценивали из величин констант сополимеризации, полученных по методу Майо-Льюиса.
Степень модификации полимера определяли методом ЯМР 1Н. Модифицированный полимер был охарактеризован также методом ИК-Фурье спектроскопии.
Растворы полимеров изучали методами статического и динамического светорассеяния на лазерном гониометре ALV/CGS-8F. Источником излучения служил гелий-неоновый лазер "JDS Uniphase" мощностью 22 мВт с рабочей длиной волны 633 нм. В качестве растворителя для полимера использовали водный раствор NaCl с концентрацией 0.05 моль/л.
Спектры ЯМР 'Н получали на спектрометре "Bruker Avance DRX" с рабочей частотой 400 МГц. Растворителем служил ДМСО-с16 (исходный сополимер) и D20 (модифицированный сополимер). Концентрация сополимеров составляла 1 мае. %.
ИК-спектры регистрировали на ИК-Фурье спектрометре "Bruker IFS 113v". При исследовании использовали полностью ионизированные полимеры. Образцы для исследования готовили следующим образом: лиофилизированный полимер растворяли в воде, рН раствора доводили до 9, полимер вновь лиофилизировали, затем смешивали
с порошком КВг и прессовали смесь в таблетки. Разрешение спектров составляло 2 см-1.
Калориметрические эксперименты выполняли на дифференциальном сканирующем калориметре СКАЛ-1 (Пущино) при скорости нагревания 1 град/мин и избыточном давлении 3 атм. Интервал изменения температуры 4—80°С. В качестве базовой линии использовали водный раствор №С1 с концентрацией 0.05 моль/л. Анализ полученных термограмм и расчет энтальпий фазового перехода проводили по методу [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Свойства исходного сополимера были определены в работе [8]. Среднемассовая ММ сополимера составляла 3.8 х 105, содержание звеньев МАК 37%. Сравнение величин констант сополимеризации (гвк = 0.03 ± 0.02; гМАК = 0.7 ± 0.2 [8]) свидетельствует о том, что в сополимере имеется тенденция к чередованию звеньев различных типов. Однако эта тенденция выражена слабо, поскольку значение гМАК гораздо ближе к единице по сравнению с гвк. Таким образом, анализ констант сополимеризации указывает на то, что сополимер обладает распределением мономерных звеньев, близким к случайному.
На рис. 1 представлены ИК-спектры модифицированного и исходного сополимеров в низкочастотной области (800-1900 см-1). Основной полосой, характерной для этих сополимеров, является полоса валентных колебаний связи С=0 амидной группы (1636 см-1). В спектре модифицированного полимера обнаружены полосы поглощения остатка таурина, соединенного амидной связью с основной цепью полимера. Для этого участка боковой цепи полимера свойственны деформационные колебания связи И-Н (1540 см-1) и валентные колебания связей С-Б (1230 см-1) и 8=0 (1040 см*1).
По результатам исследования ЯМР 'Н степень замещения карбоксильных групп составила 35%. Варьирование концентрации ЭДК, продолжительности реакции, температуры или рН не приводит к увеличению доли модифицированных звеньев МАК в сополимере (табл. 1).
Таким образом, предложенная методика позволяет проводить частичное замещение карбоксильных групп в сополимере на более сильные
сульфогруппы, и может служить одним из способов получения ионогенных терполимеров.
Сравнение рН- и термочувствительных свойств исходного и модифицированного сополимеров позволяет выделить основные типы взаимодействий, определяющие поведение термочувствительных полиэлектролитов, которые содержат мономерные звенья ВК и МАК и сульфогруппы. Внедрение таурина в сополимер ВК и МАК вызывает изменения рН- и термочувствительных свойств сополимера. Действительно, поскольку рН-чувствительные свойства сополимера обусловлены образованием нерастворимого полимерного комплекса при протонировании карбоксильных групп остатков МАК, замена части карбоксилов на сульфогруппы должна снижать рН-чувствительные свойства сополимера.
Влияние модификации на рН и термочувствительные свойства сополимера исследовано методами высокочувствительной ДСК и динамического светорассеяния. В качестве меры проявления термочувствительных свойств сополимера выбрана энтальпия его фазового перехода, а также интенсивность рассеяния света раствором полимера после точки фазового перехода. Энтальпия перехода является количественной характеристикой процесса. Микрокалориметрические исследования позволяют найти энтальпию перехода в растворах термочувствительных полимеров. Она вычисляется как интеграл функции избыточной удельной теплоемкости образца по температуре.
Таблица 1. Изменение степени замещения карбоксильных групп в сополимере в зависимости от условий модификации
рН Температура, °С Концентрация ЭДК, моль/л Время реакции, ч Замещение карбокси-групп, %
5 23 0.05 12 33
6 23 0.05 4 35
0.1 12 35
29 0.1 4 29
7 23 0.05 4 27
0.1 12 35
8 23 0.05 4 31
Пропускание, % 1.0
0.6
0.2-
15 18
V х 10~2, см-1
Рис. 1. ИК-спектры модифицированного (а) и исходного (б) сополимеров, содержащих 37% МАК.
Проявление рН-чувствительных свойств не-модифицированного сополимера характеризуется яркой особенностью - в слабокислой области рН происходит резкое снижение термочувствительных свойств сополимера, что отмечено уменьшением интенсивности рассеяния света при повышенных температурах (по сравнению с нейтральными рН) и уменьшением энтальпии фазового перехода. При этом тенденция к снижению
Таблица 2. Сравнение характеристик сополимера ВК-МАК до и после модификации
Полимер, содержащий 37% МАК рН Энтальпия фазового перехода, Дж/г Температура фазового перехода,°С
До модификации 7 3.6 33.3
После модификации 7 4.3 33.8
3 4.1 33.3
1128 ОХАПКИНидр.
Рис. 2. Микрокалориметрическое исследование сополимеров, содержащих 37% МАК при рН 7 (1), 5.8 (2) и 9% МАК при рН 7 (5), 5.5 (4). С - парциальная мольная теплоемкость.
термочувствительных свойств начинает проявляться до выпадения нерастворимых макромоле-кулярных комплексов [8].
При рН 7 немодифицированный сополимер дает узкий кооперативный пик, характерный для водорастворимых термочувствительных полимеров. При рН 5.8 термограмма представляет собой широкий размытый пик с неопределенными границами (рис. 2, кривые 1, 2). Ранее нами было показано [8], что энтальпия фазового перехода в данном случае очень мала и находится за пределами точности микрокалориметрического метода. Уменьшение энтальпии фазового
Г,° С
Рис. 3. Микрокалориметрическое исследование исходного (2) и модифицированного (2,3) сополимеров, содержащих 37% МАК, при рН 1 {1,2) и 3 0). Сизб - избыточная мольная теплоемкость.
перехода при слабокислых рН наблюдается и для сополимера с меньшим содержанием МАК (9%) (рис. 2, кривые 3, 4).
Модифицированный сополимер теряет рН-чувствительные свойства за счет замещения исходных карбоксигрупп на ионизированные в слабокислой среде сульфогруппы. Это отмечено на термограммах ДСК (рис. 3 и табл. 2). Модификации 35% сульфогрупп достаточно для того, чтобы полимер полностью утратил рН-чувствительные свойства. Как видно из рис. 3 и табл. 2, как при рН 7, так и при рН 3 энтальпии фазового перехода терполимера близки к энтальпии фазового перехода немодифицированного полимера. Температуры фазового перехода также близки и отличаются не более чем на 0.5°С.
Согласно данным динамического светорассеяния, для исходного и модифицированного сополимеров при повышенных температурах характерна межмолекулярная агрегация (рН 7). В области фазового перехода в растворах сосуществуют межмолекулярные агрегаты и макромолекулы в конформации клубка. Из данных рис. 4 следует, что модификация существенно не влияет на размеры клубков и межмолекулярных агрегатов: в начальной стадии агрегации размеры агрегатов составляют около 200 нм, при дальнейшем повышении температуры они достигают 600-700 нм. При этом размеры клубков модифицированного и исходного полимеров составляют 25-30 нм. При повышенных температурах для модифицирован-
/, отн. ед. 24°С 10"
0.6
0.2
°г 10
0.6
0.2
1000 Радиус, нм
(б)
31°С l.Oh
24°С
31.2°С
35°С
10
100
1000
Радиус, нм
Рис. 4. Распределение по размерам частиц исходного (а) и модифицированного (б) сополимеров, содержащих 37% МАК, при разной температуре и рН 7.
ного сополимера характерно более узкое распределение агрегатов по размерам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Частичная модификация сополимера ВК-МАК таурином по карбоксильной группе приводит к резкому изменению его рН- и термочувствительных свойств. Происходит полное исчезновение рН-чувствительных свойств модифицированного сополимера: при низких рН не наблюдается изменения энтальпии его фазового перехода. Соответственно потеря рН-чувстви-тельных свойств приводит к тому, что при рН < 6 терполимер сохраняет термочувствительные свойства в отличие от немодифицированного со-
полимера. Модификация практически не сказывается на характере межмолекулярной агрегации сополимера при повышенных температурах в нейтральной среде.
Разработанный метод частичной модификации сополимера ВК-МАК может являться перспективным с точки зрения получения ионоген-ных терполимеров и изменения чувствительных свойств водорастворимых полимеров, содержащих карбоксильные группы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Jeong В., Gutowska А. // Trends Biotechnol. 2002.
V. 20. № 7. P. 305.
1130
OXAIIKHH h ap.
2. Kirsh Y.E., Vorobiev A.V., Yanul NA., Fedotov YA., Timashev S.F. // Sep. Purif. Technol. 2001. V. 22-23. P. 559.
3. Kikuchi A., Okano T. // Prog. Polym. Sci. 2002. V. 27. №6. P. 1165.
4. Mi K.Y., Yong K.S., Chong S.C., Yong M.L. // Polymer.
1997. V. 38. №11. P. 2759.
5. Mi K.Y., Yong K.S., Young ML., Chong S.C. // Polymer.
1998. V. 39. № 16. P. 3703.
6. Peng S., Wu C. // Macromolecules. 2001. V. 34. № 3. P. 568.
7. Makhaeva E.E., Tenhu H., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 1998. V. 31. № 18. P. 6112.
8. Okhapkin I.M., Nasimova I.R., Makhaeva E.E., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 2003. V. 36. № 21. P. 8130.
9. Carraway K.L., Koshland Jr D.E. // Methods Enzymol. 1972. V. 25. P. 616.
10. Mikheeva L.M., Grinberg N.V., Mashkevich A.Y., Grin-berg V.Y., he T.M.T., Makhaeva E.E., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 1997. V. 30. № 9. P. 2693.
Modification of N-vinylcaprolactam-Methacrylic Acid Copolymer with 2-AminoethanesuIfonic Acid: Effect of Ionogenic Groups on pH-Thermosensitive Properties of the Copolymer I. M. Okhapkin*' **, A. S. Dubovik***, E. E. Makhaeva****, and A. R. Khokhlov** ****
*Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 28, Moscow, 119991 Russia **Department of Polymer Science, University of Ulm Albert-Einstein-Allee ll,D-89069, Ulm, Germany ***Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Science, ul. Kosygina 4, Moscow, 119991 Russia ****Faculty of Physics, Moscow State University, Leninskie gory, Moscow, 119992 Russia
Abstract—Poly(N-vinylcaprolactam-a>-methacrylic acid) containing 37% of methacrylic acid units was modified by grafting of 2-aminoethanesulfonic acid (taurine) onto carboxyl groups in the presence of N-ethyl-N-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide. The maximum degree of substitution was 35%. The original poly(N-vinylcaprolactam-co-methacry Iic acid) demonstrated pH- and thermosensitive properties; the latter made themselves evident only in neutral and alkaline media (pH > 6). It was shown that, in contrast to the original copolymer, the modified copolymer did not exhibit the pH-sensitive behavior, while its thermosensitive properties manifested themselves in both neutral (pH 7) and acidic (pH 3) media.
