CC BY
17ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 1996, том 38, № 1, с. 183 - 192
ОБЗОРЫ
УДК 541:64:547.314
ПОЛИМЕРЫ ПРОИЗВОДНЫХ ЭТИНИЛПИПЕРИДОЛА: СИНТЕЗ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
© 1996 г. Д. X. Халиков
Институт химии им. В.И. Никитина Академии наук Республики Таджикистан
734063 Душанбе, ул. Айни, 299/2 Поступила в редакцию 27.06.94 г.
Рассмотрена реакционная способность некоторых производных этинилпиперидола в реакциях радикальной гомо- и сополимеризации и особенности формирования сетчатой структуры сшитых сополимеров. Основное внимание уделено сорбционным свойствам набухших сополимеров по отношению к воде, трийодид-ионам, билирубину и сывороточному альбумину. Взаимодействия полимер-субстрат анализируются на основе гетерогенной реакции ионного обмена, имеющей специфические особенности для полимеров этинилпиперидола, биологическая активность которых представляет интерес для некоторых областей прикладной биохимии и медицины.
ВВЕДЕНИЕ
Среди винилароматических производных особый интерес представляют винил- и изопропенил-ацетиленовые спирты пиперидинового ряда (синтетические аналоги некоторых алкалоидов), продукты химической модификации которых проявляют биологическую активность. Эти соединения привлекают также внимание как мономеры для синтеза биологически активных полимеров. Комбинация функциональных групп с сопряженной системой двойной и тройной связей
С=С-СЯ=СН2
позволяет широко варьировать химическое строение и пространственную структуру .полимеров, изменяя тем самым их свойства, а полифункциональность звеньев макромолекул может вызвать появление энергетически неравноценных центров адсорбции и привести к проявлению у сшитых сополимеров селективности по отношению к отдельным компонентам биологических жидкостей.
При создании биологически активных систем на основе мономеров этинилпиперидола (ЭТП) обычно используются химические реакции функциональных групп одного мономерного звена или ансамбли таких групп в определенных участках макромолекул. Создание фармакологически активных растворимых полимеров или сшитых сорбентов, способных к связыванию токсинов и метаболитов, стимулировало в последние годы систематические исследования реакционной способности мономеров на основе ЭТП, а также
структуры и физико-химического поведения их полимерных производных.
СИНТЕЗ ПОЛИМЕРОВ
ЭТИНИЛПИПЕРИДОЛА
Впервые полимеризация винил- и изопропенил-ацетиленов и их алкильных производных была изучена Прайсом и Маккином [1], а также Давосом и Хэнтером [2], которые показали наличие тройной связи в продуктах полимеризации и сделали вывод о том, что процесс полимеризации этих соединений протекает по двойной связи. Позже полимеризацию производных ЭТП исследовали на примерах Н-метилвинилэтинилпипери-дола (ВЭМП, Я, = Н, Я, = СН3), 2,5-диме-
тилвинилэтинилпиперидола (ВЭДП, к, к,, = Н, Я2, И.3 = СН3), 1,2,5-триметилвинилэтинилпипери-дола (ВЭТП, Я!, И2, = СН3, К = Н) и 1,2,5-три-метилизопропенилпиперидола (ИПЭТП, К, И.,, Иг, И3 = СН3). Назаровым [3] было показано, что полимеризация карбинолов в массе протекает с участием виниловой группы одной молекулы и тройной связи другой с образованием циклобуте-новых колец. Впоследствии это было подтверждено Мацояном и сотр. [4] при изучении полимеризации карбинолов и эфиром винил- и изопрепе-нилацетилена, а также Никитиным и сотр. [5] при изучении полимеризации ВЭТП и ИПЭТП. Последние на основании химического анализа продуктов окисления и разложения полимеров ВЭТП и ИПЭТП показали, что ИПЭТП полиме-ризуется только по двойной связи. Результаты ИК-, КР-, УФ- и ЯМР-исследований, а также данные по каталитическому гидрированию позволили однозначно утверждать, что полимеризация ЭТП протекает по двойной связи с сохранением ацетиленовой группы, хотя при более жестких ус-
ловиях не исключено участие в полимеризации и тройной связи.
Особенности радикальной полимеризации мономеров ЭТП изучены в ряде работ [6 - 10]. Энергия активации процесса составляет 90-115 кДж/моль, на начальных стадиях реакция полимеризации протекает гомогенно и полностью ингибируется стабильными иминоксильными радикалами. Некоторое снижение скорости полимеризации и ММ полимеров происходит при увеличении числа метальных групп в пиперидольном кольце и при замене виниловой группы на изопропенильную. Скорость полимеризации и ММ полимеров выше в водно-органических растворителях; эти параметры увеличиваются при переходе от апротонных растворителей к протонным и снижаются при использовании гидрохлоридов ЭТП.
Одной из особенностей полимеризации мономеров ЭТП является рост величины кр = к[ап с повышением концентрации мономера [11]. Для выявления причин этого изучена гомо- и сополи-меризация ИПЭТП и исследованы свойства модельных растворов полимеров [12]. Было показано, что растущие радикалы ИПЭТП обладают низкой реакционной способностью в реакциях со-полимеризации с Ы-винилпирролидоном (ВП), акрил онитрил ом (АН) и ММ А [13] и проявляют стабилизирующий эффект при фотоокислительной деструкции сополимера целлюлозы с небольшим количеством ИПЭТП [14]. Комплексные исследования показали, что молекулы ИПЭТП и его растущих радикалов обладают повышенной способностью к .комплексообразованию как между собой, так и с молекулами растворителя с образованием Н-связей с энергией 9.5 -10 кДж/моль, что и вызывает снижение скорости полимеризации и уменьшение ММ полимеров.
При кватернизации атома азота в молекуле мономера ЭТП Н-связи с участием аминогруппы разрушаются; при этом влияние рН на скорость полимеризации имеет сложный характер. С увеличением рН скорость полимеризации и ММ полимера возрастают, достигая максимума при рН 11, падают при снижении рН до 7 и несколько повышаются при последующем снижении рН [15, 16]. Такая закономерность характерна для полимеризации ионизующихся мономеров и объясняется гипотезой об ионных парах. Однако для мономеров ЭТП в кислой среде обнаружены я-ком-плексы с участием тройной связи и ионов водорода [17], что может способствовать новому перераспределению электронной плотности в сопряженной системе и явиться причиной возрастания скорости полимеризации и ММ полимера. Изучение ЯМР 13С спектров ИПЭТП в растворах показало, что при переходе от СОС13 к СОэОЪ и 10% НС1 уменьшается разность сдвигов ацетиленовых углеродных атомов (85 - 95 м. д.), что при-
водит к изменению в области спектра, отвечающей этиленовым углеродным атомам (121 - 127 м. д.).
Влияние увеличения концентрации мономера на ускорение полимеризации ИПЭТП связано скорее всего со снижением величины к0 в результате повышения вязкости среды, которая может возрастать за счет образования межмолекулярных Н-связей молекул мономера между собой и с молекулами растворителя. В таком случае начальная скорость полимеризации vи должна описываться соотношением V,, = у°5Т)°-5[М] [30]. Действительно, экспериментальные данные для ИПЭТП спрямляются в координатах ^ун-^{[М]г|05} [11], что указывает на первый порядок по концентрации мономера.
Закономерности радикальной полимеризации мономеров ЭТП проявляются и в ходе трехмерной сополимеризации их со сшивающими агентами, в качестве которых использованы Ы^'-мети-ленбисакриламид (БИС) и диметакрилат этилен-гликоля (ДМЭГ) [18]. С повышением содержания сшивающего агента в исходной реакционной смеси набухаемость сшитых сополимеров в воде падает, что свидетельствует об увеличении числа узлов трехмерной сетки. При этом при одинаковой степени сшивки набухаемость сополимеров возрастает в ряду ВП-ВЭТП-ИПЭТП. Набухаемость сшитых бинарных сополимеров ВП-ИПЭТП зависит от количества введенного второго сомономера и при постоянных количествах сшивающего агента достигает максимума при определенном содержании ИПЭТП.
Поскольку величина кр = к1ап уменьшается при переходе от ВП к ИПЭТП, возрастает число дефектов сетки, которые при прочих равных условиях определяют повышение степени набухания по сравнению с более регулярными сетками на основе ВП или ВЭТП.
Приведенные данные указывают на влияние функциональных групп мономеров ЭТП на кинетику их полимеризации и молекулярно-массовые характеристики образующихся полимеров. При этом ионизация мономеров и образование ряда слабых связей с участием функциональных групп позволяют регулировать структуру линейных и сшитых полимеров.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛИМЕРОВ ЭТИНИЛПИПЕРИДОЛА
Систематическое изучение структуры и свойств линейных полимеров ЭТП, их гидродинамических свойств и конформационного поведе-. ния в растворах [19, 20], а также взаимодействия полимеров ЭТП с ионами металлов [21], анионами трийодидов, 1-анилинонафталин-8-сульфо-кислотой, спин-меченым ксантогенатом [22],
Таблица 1. Характеристика двойных сополимеров Таблица 2. Характеристика тройных сополимеров ВЭТП-БИС (образцы 1 - 6) и ИПЭТП-БИС (образ- ВЭТП-ВП-БИС (образцы 1 - 7) и ИПЭТП-ВП-БИС цы 7, 8) (образцы 8, 9)
Образец, № ВЭТП, ИПЭТП* мол. % п ** "с ' ммоль/г Е, мэкв/г в СГ-форме
1 98.30 0.263 4.073 8.22
2 95.80 0.779 3.942 7.92
3 93.00 1.558 3.807 7.88
4 88.40 2.532 3.554 7.95
5 85.10 3.177 3.453 7.85
6 80.50 3.896 3.231 8.12
7 88.15 1.698 3.472 -
8 83.22 1.180 3.321 —
* Остальное (до 100 мол. %) - содержание БИС. ** Для некватернизованных образцов.
олигосахаридами [23] и белками плазмы крови [24, 25] позволило выяснить природу сорбцион-ных центров и дало возможность регулировать селективность сорбции различных веществ сшитыми сополимерами.
Как известно [26], процесс сорбции различных компонентов нерастворимыми ионитами описывается уравнением
ДО = А 00 + А Сс + АС„ + А + ДС„, (1)
где АСа - изменение свободной энергии гипотетического обменного процесса, не сопровождающегося переносом растворителя и изменением его активности; АОс - член, учитывающий изменение суммарной концентрации активного сорбента в фазе сетчатого полимера; АСК - свободная энергия переноса растворителя при ионном обмене; АС,, - параметр, определяющий выбор стандартного состояния, отражающий различие свободных энергий мономерных форм ионита и характеризующий кооперативность процесса [27].
Количественно кооперативный эффект может быть оценен по уравнению Хилла [28]
в/(1-8 )=КвСр (2)
Здесь в - степень заполнения сорбента, Ср - равновесная концентрация.
* Параметр п тесно связан с изменением свободной энергии, отражающим взаимодействие центров связывания в кооперативной единице. При идентичности центров п = 1 и эффект коопера-тивности отсутствует, а при п > 1 кооперативная составляющая свободной энергии АОп входит в уравнение (1) в качестве последнего слагаемого.
Количественная или полуколичественная оценка соответствующих составляющих свободной энергии сорбционных процессов для полимеров ЭТП проведена в ряде работ [29, 30]. Так,
Образец, № ВЭТП, ИПЭТП мол. % ВП, мол. % БИС, мол. % и * "с ' ммоль/г Е, мэкв/г в СГ-форме
1 85.35 13.12 3.52 0.261 3.600
2 79.43 18.27 2.29 0.259 3.520
3 61.23 35.46 3.31 0.407 2.980
4 40.64 49.72 9.64 1.443 2.143
5 32.60 64.70 2.70 0.389 1.822
6 21.13 72.92 5.95 1.274 1.236
7 16.59 81.89 1.52 0.243 1.009
8 53.15 40.23 6.62** 0.935 2.562
9 55.96 36.39 7.6 0.910 2.634
* Величина лс для некватернизованных образцов. ** Сшиватель ДМАЭГ.
было показано [31], что сорбционные свойства полимеров ЭТП по отношению к различным субстратам зависят от степени ионизации ионоген-ных групп. В табл. 1 и 2 приведены некоторые характеристики сшитых сополимеров ЭТП, полученные по данным потенциометрического титрования, из которых видно влияние числа сшивок и степени ионизации на электрохимические свойства сшитых сополимеров.
Указанные свойства ПЭТП обусловлены наличием объемных боковых групп, изолирующих функциональные группы в макромолекулах сшитых сополимеров, и определяют их сорбционную активность по отношению к различным веществам, в частности к воде, йоду, билирубину и сывороточному альбумину.
На рис. 1 приведены результаты изучения на-бухаемости полимеров ЭТП в воде.
т, моль/кг Н20 10 20 30 40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 />„/Р°;30 (3); 9 (4)
Рис. 1. Зависимость сорбции воды IV сополимером ВЭТП (табл. 3, образец 2) от относительной
влажности Р№1 (1); осмотического коэффициента у-от моляльносги сополимера т (2) и параметра Хилла и от 9 (5,4).
АД п
1.4 2 Ф
1.0 1 'С.0 Ф
0.6 ■ с "2
0.2-
Xj-x 102, моль% 10 15 20 25
1п£й
4.6 -4.4 -4.2
Рис. 2. Зависимость параметра АД = [12]: [ВЭТГТ]
от состава внешнего раствора X (/); 1пА"в от
гз
в = АД/АД
макс при АДмакс — 1.5 (2); количества воды в сополимере и> от 0 (5); параметра 1п(0/1 -- 0) (4) и параметра Хилла п (5) от логарифма равновесной концентрации 1пСр в растворе К1 с
концентрацией 7.87 х 10~2 моль.
Видно (кривая /), что в широкой области относительной влажности (Р„/Р°к < 0.9) величина сорбции W составляет 1-2 моль Н20/экв, т.е. столько же, сколько воды содержится во всех воз-душно-сухих сшитых или линейных полимерах ЭТИ, причем данная величина не зависит также от степени кватернизации. При этом коэффициент активности у больше единицы (кривая 2), что дает основание считать центры адсорбции в указанных условиях независимыми. При росте величины Р„ / > 0.9 значение повышается до 7.5, величина у становится меньше единицы, а п > 1, процесс приобретает кооперативный характер, его вклад в АС составляет больше половины от Д<70 (АС0 = -17.24 кДж/моль, №}п = -11.71 кДж/моль) и центры адсорбции становятся взаимосвязанными.
Таблица 3. Параметры сорбции билирубина полимерами ЭТП в кватернизованной под действием HI-, НС1-и CuClCOOH-форме
Обра- Qm, Квх 10"4, -ДС0 -Д Gn п
зец, № мг/г моль-1 кДж/моль
1. 872 2.11 24.3 5.6 1.5
2 1186 1.53 23.5 0 1.0
3 945 0.63 21.3 0 1.0
4 806 0.36 19.9 0 1.0
Примечание. Образец 1 - сополимер (96% ВЭТП - 4% БИС) х х HI, образец 2 - сополимер (98% ВЭТП - 2% БИС) х HCl, образец 3 - сополимер (97% ВЭТП - 3% БИС) х СН2С1СООН, образец 4 - сополимер (79% ВЭТП - 18% ВП - 3% БИС) х HCl.
Можно полагать, что на этой стадии гидратации происходит связывание функциональных групп макромолекул между собой посредством молекул воды за счет образования водородных связей, что проявляется в ИК-спектрах полимеров в виде диффузионного характера полос валентных (3700 - 3050 см-1) и деформационных (1700 -1550 см"1) колебаний ОН-группы [32]. Дальнейшее набухание сшитых полимеров имеет место при контакте с молекулами воды, находящимися в жидкой фазе. В этом случае набухаемость сополимеров зависит от степени сшивания пс (табл. 1), а также от степени ионизации а, природы мономерного звена и противоиона и концентрации раствора. Так, для сополимера ВЭТП-БИС (табл. 1, образец 2) величина Ус уменьшается, принимая значения 5.92; 4.63; 2.71 и 0.19 мл/экв в
2- 2—
ряду лротивоионов Р, Г, 5 04 иС03 соответственно, тогда как при возрастании ионной силы раствора (увеличение концентрации ИаС1 до 0.5 М) параметр Ус падает более чем в 5 раз.
Введение третьего сомономера (ВП) в состав полимера частично разрушает сетку водородных связей, расположенную вдоль полимерных цепей, в результате чего гибкость цепей увеличивается, количество кинетических единиц,в сополимере возрастает и степень набухания системы растет. Таким образом, взаимодействие сополимеров этинилпиперидола с водой представляет собой многоступенчатый процесс, приводящий к набуханию полимера. Степень набухания при этом зависит от природы полимера и концентрации раствора, что дает возможность широко варьировать сорбционные свойства сополимеров в зависимости от количества и активности растворителя.
Полифункциональность мономерных звеньев ЭТП и значительная гидрофобность его полимерных цепей позволяет использовать этот полимер в качестве йодофара с повышенной емкостью и стабильностью продуктов комплексообра-зования [33].
Анализ диаграммы изомольной серии в области соотношения концентраций полимера и молекулярного йода 1:1 свидетельствует об образовании комплексов, имеющих в своем составе от 1 до 2 молекул йода на мономерное звено. На рис. 2 представлена изотерма сорбции (кривая 1) йода сополимером ВЭТП-БИС (табл. 3, образец 1). Видно, что отношение [12]: [ВЭТП] (АД) как и для раствора, также больше единицы, что подтверждает наличие двух центров взаимодействия в мономерном звене. Величина 1п£е линейно возрастает при увеличении параметра 0 (0 = АД/АДмакс) (кривая 2), набухаемость сополимера при этом падает (кривая 3), экспериментальные данные удовлетворительно аппроксимируются уравнени-
ем Хилла (кривая 4), а процесс имеет кооперативный характер (п > 1, кривая 5). Исходя из величин
распределения ионов Г и Ц в системе, количества воды и» и ее активности ак в фазе сополимера были рассчитаны кажущиеся константы адсорбционного взаимодействия АГе, моляльные константы ионообменного равновесия и отдельные слагаемые величины ДО в уравнении (1). Значения интегрального изменения свободной энергии АС0, №}с, ДО„ и ДОф оказались равными 12.4; 6.8; —1.8; 6.1 и 0 кДж/моль соответственно.
Более подробно механизм взаимодействия йода с сЬполимерами может быть представлен на основании дифференциальных величин Кт и отдельных изменений свободной энергии. Для параметра Кт, определяющего селективность сополимера по отношению к йоду, справедливо уравнение
1пКт = 1п^-1п(ф|и/ф2т)- Ыуа9)Ыа„, (3)
где <р1т - коэффициент активности сорбента, равный единице для набухшей моноионной формы сополимера. При постоянстве первого слагаемого (термодинамической константы равновесия Кк) селективность сорбции должна определяться двумя последними членами. В зависимости от 0 значения указанных членов изменяются экстремально, при этом последнее слагаемое во всей, а предпоследнее только в средней области 0 оказывает отрицательное воздействие на селективность связывания йода, которая полностью определяется слагаемым 1п(ф!т/ф2т) в начальной (О - 0.5) и конечной (0.8 - 1.0) областях 0.
Совокупность приведенных данных, а также результаты структурных исследований комплексов йода и анилинонафталинсульфокислоты с полимерами ЭТП, полученные методами ИК-спект-роскопии и флуоресцентного анализа, позволили сделать вывод о том, что помимо кватернизован-ного атома азота в качестве сорбционных центров могут выступать гидроксильные группа и С=С-тройные связи. Гидрофобные взаимодействия между неполярными участками полимера и молекулами йода будут стабилизировать образующиеся комплексы.
Для изучения комплексообразования полимеров ЭТП с билирубином был использован подход, описанный в работе [34]. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что все изученные сополимеры обладают высокой емкостью по билирубину: величина К6 больше 104 моль а Кт по крайней мере на порядок выше, чем для йода (70 100), что свидетельствует об избирательности сополимеров по отношению к билирубину. Этому соответствует большая абсолютная величина параметра АС0 при отсутствии эффекта кооперативности за счет компенсации изменения энтальпийной и энтропийной составляющих М}п. Изменение слагае-> мых свободной энергии ДОс, и ДО« сопоста-
Таблица 4. Емкость сополимеров ЭТП по отношению к САЧ и величины изменения интегральных составляющих свободной энергии процесса сорбции
Образец, № öm, Г/Г -AGo -А Gn АГв х Ю-1, моль"'
кДж/моль
1 1.09 26.9 18,0 6.3
2 4.83 25.6 - 3.6
3 6.68 23.2 11.6 • 1.4
4 10.06 22.6 15.7 1.0
5 0.66 16.7 12.1 0.1
Примечание. Образец 1 - сополимер (95% ВЭТП - 5% БИС) х х HCl, образец 2 - сополимер (96% ВЭТП - 5% БИС) х HCl, образец 3 - сополимер (79% ВЭТП - 18% ВП - 3% БИС) х HCl, образец 4 - сополимер (61% ВЭТП - 36% ВП - 3% БИС) х HI, образец 5 - сополимер (95% ВЭТП - 3% БИС) х 2НС1.
вимо по величине со значением, полученным при сорбции йода.
Сорбция сывороточного альбумина человека (САЧ) полимерами ЭТП была изучена в ряде работ [17,24 - 25,30], а параметры процесса сорбции САЧ сополимерами ЭТП представлены в табл. 4. В отличие от пленок и ионитов сополимеры ЭТП являются проницаемыми по отношению к САЧ только в определенном интервале степеней сшивки [30], где предельная емкость определяется природой кватернизующего агента и концентрацией внешнего раствора. Процесс сорбции носит кооперативный характер, на что указывает численное значение ДО„, возрастание дифференциальных величин и Кт с ростом 0, возможность описания данных уравнением Хилла и величиной п, которая больше единицы во всей области 0. Величины ДОс для бинарного сополимера ВЭТП (табл. 3, образец 1) и тройного сополимера ВЭТП (табл. 3, образец 4) имеют отрицательные значения (-6.326 и -7.960 кДж/моль соответственно), что наряду с двумя первыми слагаемыми уравнения (1) определяет направление сорбции. Величины же для указанных сополимеров положительны (3.145 и 2.047 кДж/моль), что может быть связано с гидратирующей способностью комплексно-связанных молекул САЧ, а величины М}^ в силу указанных причин для всех полимеров близки к нулю.
На рис. 3 приведена зависимость сорбции САЧ сополимерами ЭТП от рН. Видно, что в области рН от 2 до 10 величина сорбции САЧ проходит через ряд максимумов и минимумов. Наличие максимума (нейтральная область рН, заряд САЧ - 18) и минимума (область изоэлектрической точки САЧ) на кривой 0 =/(рН) свидетельствует об электростатическом характере взаимодействия белка с сополимерами.
Ска, моль/л
2 4 6 8 рН -
Рис. 3. Зависимость емкости йодо'метилированных сополимеров образцов 7 (/), 2 (2), 5 (5) и 8 (4) (табл. 2) от рН и ионной силы раствора Ска- Пояснения в тексте.
Второй максимум на кривой 0 = ДрН) скорее всего обусловлен гидрофобным взаимодействием белка с сополимером, поскольку в этой области рН "раскрываются" гидрофобные зоны глобулы САЧ (И —► Р-переход) [35]. На электростатический характер связывания САЧ в области нейтральных рН указывают данные по сорбции белка при различной ионной силе раствора (рис. 4) и его десорбции 6 градиенте концентраций КС1 [25]. Кривые десорбции имеют 8-образную форму (что свидетельствует о кооперативном характере процесса), при этом часть белка связывается с полимером необратимо.
На основании температурной зависимости изотермы сорбции и расчета дифференциальных величин Д(?0, а также их энтальпийных и энтропийных составляющих ДЯ0 и ГД50 было показано, что процесс сорбции включает две последова-
тельные стадии: сначала необратимую, а затем обратимую сорбцию белка. Так, для тройных сополимеров значение во всей области 0 отрицательно, а А#0 и ГД^о изменяются экстремально, причем при средних значениях 0 оба параметра положительны. Большие отрицательные величины АН0 и ГД50 и резкое снижение набухаемости сополимеров при малых 0 указывают на образование контактов, сопровождающееся значительным положительным тепловым эффектом, и на уменьшение числа возможных конформацион-ных состояний цепей. Это может быть связано с формированием вторичной, более сшитой структуры сополимеров, в которой дополнительными "узлами" выступают необратимо связанные молекулы САЧ. Следует заметить, что если при сорбции йода и билирубина удается использовать всю потенциальную емкость полимеров, то при
я я
ю
S
ц
s 6 о и
X
о р:
w 1 \о
140 180 с0, мкмоль/л
Рис. 4. Зависимость сорбции а билирубина (7) и САЧ (2) от радиуса зерен гидрогеля г0 сополимера ВЭТП (табл. 3, образец 3) и относительное снижение содержания билирубина Ср (3) и величины I = [белок]: [билирубин] (4) в сыворотке крови в зависимости от начальной концентрации билирубина сп.
взаимодействии с САЧ процесс комплексообра-зования остается незавершенным из-за большого объема молекулы белка и его медленной диффузии в объем сорбента.
Изучение кинетики сорбции САЧ бинарными и тройными сополимерами ВЭТП показало, что лимитирующей стадией сорбции является диффузия белка в гель. Зависимость 0т от радиуса зерна г0 хорошо описывается моделью оболочка-ядро [36], что позволило рассчитать значение толщины адсорбционного слоя I, величину относительного радиуса непоглощаемого ядра р = 1 - 1/г0 и кажущегося коэффициента диффузии О белка в сополимер (табл. 5).
Возрастание параметров / и £> при увеличении концентрации внешнего раствора, а также наблюдаемая зависимость предельной емкости сорбента от размера зерна свидетельствуют о неравномерности сорбции белка вдоль радиуса зерна сорбента. При этом величина сорбированного слоя всегда меньше, чем радиус зерна. В зависимости от концентрации САЧ и радиуса зерна величина относительного радиуса непоглощаемого ядра изменяется от 0.1 до 0.8, что отвечает 95%-ному заполнению объема гидрогеля белком. Экстраполяцией величины 0т к нулевому радиусу зерна была рассчитана предельная емкость 0, которая для одного из сорбентов (табл. 3, образец 4) составила 8.49 г/г - сумма необратимой (1.35 г/г) и обратимой (7.14 г/г) емкостей и оказалась больше значения 0„,, полученного для сорбции с конечным радиусом зерна (табл. 5). Экспериментами по обмену меченого белка между САЧ, связанным с сополимером, и САЧ плазмы крови было показано, что их необратимая сорбция имеет место на первой стадии процесса [25], о чем свидетельствовали также эксперименты по многократной сорбции и десорбции белка.
Все эти данные подтверждают представление о двуступенчатом механизме комплексообразо-вания и формирования различной структуры сетки на стадии необратимой сорбции САЧ. Такой механизм существенно отличается от известных "гелевых" механизмов [37], а также от недавно описанного "эстафетного" механизма [38, 39].
Таким образом, сорбция САЧ представляет собой ступенчатый процесс, начинающийся с изменения сетчатой структуры полимеров ЭТП и формирования высокопористых и высокопроницаемых систем.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И НЕКОТОРЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ПОЛИМЕРОВ ЭТИНИЛПИПЕРИДОЛА
Поскольку линейные ПЭТП относятся к ионо-генным полимерам, можно ожидать наличия у них собственной биологической активности. Действительно, подобно некоторым поликатионам [40], кватернизованные полимеры ЭТП обладают специфической антигепариновой [41], гемо-статической [42] и бактериостатической [43] активностью. По сравнению с ионенами ПЭТП отличаются высокой скоростью наступления
Таблица 5. Изменение толщины слоя / зерна гидрогеля на основе тройного сополимера ВЭТП-ВП-БИС' (табл. 3, образец 4) и кажущегося коэффициента диффузии Б от начальной концентрации САЧ в растворе
САЧ, мг/мл /, мм D х 108, см2/с
1.46 0.208 ±0.023 0.7810.12
3.70 0.218 ± 0.034 1.2310.10
6.96 0.217 + 0.034 2.16 + 0.24
21.19 0.276 + 0.045 2.59 + 0.36
• 46.30 0.31610.028 5.3510.34
гемостатического эффекта и большей его глубиной, а также низкой токсичностью.
Комплексы полимеров ЭТП с трийодид-иона-ми обладают высокой активностью по отношению к различным серотипам Е. СоИ, сальмонелле, стафилококкам, микрококкам и протею [44, 45]. Антибактериальная активность этих полимеров значительно возрастает в комбинации с полимек-сином [46]. При постоянном содержании ионов
[1з ] в растворе антимикробная активность композиции изменяется в зависимости от концентрации полимера и в точке максимума в 50 раз превышает активность раствора йода в отсутствие полимера. Причиной данного эффекта является, по-видимому, повышенная проницаемость ионов через мембраны в присутствии полимеров [47], а связывание йода в комплекс приводит к уменьшению его токсичности [48].
На основе полученных комплексов и ряда низкомолекулярных веществ изготовлены различные составы в форме аэрозолей для лечения хронической бронхопневмонии животных (телят, ягнят, поросят). Проведенные сравнительные эксперименты по оценке эффективности действия разработанных и существующих в настоящее время фармакопейных антибактериальных средств показали более высокую эффективность лечения разработанными составами по сравнению с препаратами йода без полимерных добавок (70 и 33% соответственно) [49].
Сорбционная активность сшитых сополимеров ЭТП позволила использовать их в качестве сорбентов для отдельных компонентов биологических жидкостей [50 - 52]. Показано, что в зависимости от состава сополимера и частоты сетки эти полимеры могут сорбировать билирубин [53, 54], токсичные олигопептиды [55 - 57], высокомолекулярные глико- и липополисахариды [58,59] и сывороточный альбумин (СА) [34]. При этом селективность сорбции зависит не только от структуры сорбента, но и от концентрации сорбата и его состояния. Наиболее четко это проявляется при сорбции билирубина полимерами ЭТП. Образующийся при распаде гемоглобина токсин циркулирует в крови в виде комплексов с СА, образующихся при взаимодействии белка с токсином по первым и вторым местам связывания с константами комплексообразования, равными (3 - 5) х 107 и 7 х 103 моль-1 соответственно. Эти комплексы и составляют основную массу наиболее токсичного "непрямого" билирубина.
Из экспериментов по сорбции смесей билирубина с С А из модельных растворов следует, что сшитые сополимеры при прочих равных условиях эффективно удаляют свободный бшгарубин, а при избытке белка - билирубин в комплексе с СА (рис. 3). Это свидетельствует о селективности взаимодействия полимера с билирубином и его ком-
плексами. При сорбции из плазмы крови эффективность удаления билирубина возрастает с ростом его концентрации (кривая 3), снижение содержания белка при этом замедляется (кривая 4), а при концентрации билирубина выше 200 мкмоль/л отношение [белок] : [билирубин] становится меньше единицы, что позволяет говорить о проявлении сорбентом избирательности к билирубину.
Среди кватернизованных ЭТП бетаиновые соли проявляют высокую активность по отношению к билирубину [34] и токсическим молекулам средних масс [52], менее всего снижают концентрацию плазменных белков и обладают повышенной гемосовместимостью [60].
Один из таких сорбентов (сорбент Института химии Академии наук Таджикистана (ИХАНТ)) не обладает раздражающим и токсическим действием, не влияет на культуру тканей и гемолиз эритроцитов и используется для удаления эндотоксинов методами гемо- и энтеросорбции [61]. В эксперименте на здоровых собаках было показано постоянство клеточного и белкового состава крови при ее трехкратном пропускании через сорбент.
Как известно [62], при комбинированных радиационно-термических поражениях (КРТП) ведущим фактором патогенеза является эндоток-сикоз, причем вызывается он рядом молекул средних масс: олигопептидов, глико- и липопро-теидов, липидов и пр. Снижение уровня молекулярных средних масс в биологических жидкостях и бактериального эндотоксикоза являются показателями детоксикации при использовании сорбентов. Для оценки действия сорбента ИХАНТ на собаках и крысах-самцах линии Вистар моделировали КРТП (облучение животных дозами 2.5 и 7.5 Гр с нанесением на 15% поверхности тела животного ожога ЗБ степени). Лечебный эффект после гемосорбции выражался в снижении уровня токсемии (в уменьшении количества молекул средних масс, токсической фракции Лоури - положительных олигопептидов, снижении уровня бактериальной эндотоксемии, а также в увеличении времени жизни парамеций, сорбционной активности эритроцитов, реакции миграции лейкоцитов в собственной сыворотке), что приводило к выживанию 90% животных [63]. Сорбент ИХАНТ оказался более эффективным, чем известные углеродные гемосорбенты, например, СКН-4М, что проявилось в более высокой емкости по молекулам средних масс [64].
Использование сополимера ИХАНТ а качестве энтеросорбента через 1 сутки после моделирования КРТП также уменьшает уровень бактериальной эндотоксемии и степень тяжести аутоинтоксикации и приводит к выживанию 30% животных [65]. При использовании сорбента ИХАНТ в комбинации с антибактериальной те-
рапиеи степень выживания животных возрастает до 60% [64].
Таким образом, приведенные результаты по изучению физико-химических и биологических свойств полимеров этинилпиперидола свидетельствуют о наличии потенциальной физиологической активности .у полимеров, имеющих различные типы функциональных звеньев в их макромолекулах. Сорбционная и физиологическая активность полимеров ЭТП и их высокая емкость определяется доступностью функциональных групп мономерных звеньев при взаимодействии с молекулами разного размера и строения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Price С.С., McKeon T.F. // J. Polym. Sei. 1959. V. 41. P. 445.
2. Davos A.C., Hanter R.F. // J. Appl. Chem. 1959. № 3. P. 137.
3. Назаров H.H. Избранные труды. M.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 147.
4. Мацоян С.Т., Морлян Н.М. // Изв. АН АрмССР. 1963. Т. 16. №6. С. 571.
5. Глазунова Е.М., Нарницкая М.А., Григина И.Н., Ясенкова Л.С., Никитин В.И. // Высокомолек. со-ед. А. 1968. Т. 10. № 6. С. 1235.
6. Курманалиев О.Ш., Шайхутдинов Е.М., Ермагам-бетов М.Е. // Высокомолек. соед. Б. 1979. Т. 21. №КС.61.
7. Шайхутдинов Е.М., Курманалиев О.Ш., Туль-баев Ш.С., Ермагамбетов М.Е. // Высокомолек. соед. Б. 1986. Т. 28. № 10. С. 735.
8. Курманалиев О.Ш., Сугралина Л.М., Шайхутдинов Е.М. // Изв. КазССР. Сер. хим. 1987. № 1. С. 39.
9. Курманалиев О.Ш., Шайхутдинов Е.М., Ермагамбетов М.Е. // Изв. вузов СССР. Химия и хим. технология. 1987. Т. 30. № 7. С. 99.
10. Курманалиев О.Ш., Сугралина JI.M., Шайхутдинов Е.М. // Изв. вузов СССР. Химия и хим.техноло-гия. 1987. Т. 30. № 11. С. 104.
о
11. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Григина И.Н. // Высокомолек. соед. А. 1990. Т. 32. № 4. С. 732.
12. Халиков Д.Х., Шанявский И.Г., Калонтаров И.Я., Санюкович Г.С. // Высокомолек. соед. А. 1977. Т. 19. №5. С. 1132.
13. Шайхутдинов Е.М., Курманалиев О.Ш., Туль-баев Ш.С., Ермагамбетов М.Е. II Высокомолек. соед. Б. 1979. Т. 21. № 1. С. 61.
14. Маджлисова Г.А., Халиков Д.Х., Калонтаров И.Я., Козлова M.B. II Междунар. симп. по макромолеку-лярной химии. М.: Наука, 1978. Т. 7. С. 86.
15. Курмакалиев О.Ш., Шайхутдинов Е.М., Ермагамбетов М.Е. II Изв. вузов СССР. Химия и хим. технология. 1980. Т. 22. № 5. С. 616.
^
16. Шарифканов А.Ш., Газалиев A.M., Курманалиев О.Ш., Шайхутдинов Е.М. Винилацетиленовые производные пиперидина и полимеры на их основе. Алма-Ата: Гылым, 1991.
17. Шарифова З.Б. Дис. ... канд. хим. наук. Душанбе: Ин-т химии, 1991.
18. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Сафиуллина Ф.Х. // Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 7. С. 1426.
19. Халиков Д.Х., Маджлисова ГЛ., Санюкович Г.С. // Высокомолек. соед. Б. 1989. Т. 31. № 11. С. 824.
20. Халиков Д.Х., Маджлисова Г.А. Аналитическое ультрацентрифугирование в химии и биологии. Душанбе, 1987. С. 78.
21. Бектуров Е.А., Жаймина Г.М., Халиков Д.Х., Ку-дайбергенов С.Е. // Изв. АН КазССР. Сер. хим. 1986. № 5. С. 28.
22. Халиков Д.Х., Семенов В.В., Плиева Л.Х., Калонтаров И.Я. II Высокомолек. соед. А. 1988. Т. 30. №7. С. 1524.
23. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Сафиуллина Ф.Х. II Матер. II Всесоюз. конф. "Сорбционные методы детоксикации и иммунокоррекции в хирургии". Ташкент: Медицина, 1984. С. 284.
24. Халиков Д.Х., Кариева З.М., Санюкович Г.С. // Докл. АН ТаджССР. 1986. Т. 29. № 12. С. 739.
25. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Ссфиуллина Ф.Х., Санюкович Г.С. И Высокомолек.соед. А. 1989. Т. 31. № 10. С. 2044.
26. Солдатов B.C. Простые ионообменные равновесия. Минск, 1972. С. 5.
27. Кузнецова Н.П., Самсонов Г.В., Миишева Р.Н. // Высокомолек. соед. Б. 1989. Т. 31. № 10, С. 723.
28. Кузнецова Н.П., Миишева Р.Н., Самсонов Г.В. // Высокомолек. соед. Б. 1987. Т. 29. № 1. С. 10.
29. Халиков Д.Х., Маджлисова Г.А. // Высокомолек. сеед. А. 1991. Т. 33. № 9. С. 1841.
30. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Сафиуллина Ф.Х. // Высокомолек. соед. А. 1991. Т. 33. № 11. С. 2322.
31. Халиков Д.Х., Шарифова З.Б., Шведова Л.П., Сафиуллина Ф.Х. // Высокомолек. соед. А. 1991. Т. 33. № 6. С. 1224.
32. Цундаль Г. Гидратация и межмолекулярное взаимодействие. Исследование полиэлектролитов методом инфракрасной спектроскопии. М.: Мир, 1972.
33. Кирш Ю.Э., Сусь Т.А., Карапутадзе Т.М. // Высокомолек. соед. А. 1977. Т. 19. № 12. С. 2774.
34. Кариева З.М. Дис. ... канд. хим. наук. Душанбе: Ин-т химии, 1992.
35. Луйк А.И., Лукьянчук В.Д. Сывороточный альбумин и биотранспорт ядов. М.: Медицина, 1984.
36. Самсонов Г.В., Меленовский А.Т. Сорбционные и хроматографические методы физико-химической биотехнологии. Л.: Наука, 1986.
37. Шатаева Л.К., Кузнецова Н.П., Елькин Г.З. Карбоксильные катиониты в биологии / Под ред. Сам-сонова Г.В. Л.: Наука, 1979.
38. Кабанов В.А., Зезин А.Б., Рогачева В.Б., Пре-выш В.А. Ц Докл. АН СССР. 1988. Т. 303. № 2. С. 399.
39. Рогачева В.Б., Бронич Т.К., Зезин А.Б., Кабанов В.А. II Высокомолек. соед. А. 1988. Т. 30. № 10. С. 2120.
40. Ефимов B.C., Меньшова Г.И., Гуляева Ж.Г. I/ Фармакология и токсикология. 1978. Т. 41. №4. С. 409.
41. ХаликовД.Х., Семенов В.В., Нуралиев Ю.Н., Сабирова' М.Н., Бустонов О.О. //Тез. докл. V Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Рига, 1981. С. 181.
42. Нуралиев Ю.Н., Маджлисова Г.А., Халиков Д.Х., Сабирова М.Н., Санюкович Г.С. // Тез. докл. VI Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Алма-Ата, 1983. С. 23.
43. Халиков Д.Х., Плиева JI.X., Семенов В В. // Тез. докл. VI Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Алма-Ата, 1983. С. 30.
44. Сатторов И Т., Холов С.Х., Халиков Д.Х. // Матер. науч.-произв. конф., посвященной 50-летию Тадж. Науч.-исслед. ветеринарному ин-ту. Душанбе, 1993. С. 39.
45. Сатторов И.Т., Степнова С.И., Турдиев III.А., Минубаева Н.Ф. // Матер, науч.-произв. конф., посвященной 50-летию ТаджНИВИ. Душанбе, 1993. С. 42.
46. Холов С.Х. // Матер, науч.-произв. конф., посвященной 50-летию ТаджН ИВ И. Душанбе, 1993. С. 45.
47. Богатский A.B., Лукьяненко Н.Г., Назаров Е.И. // Биол. мембраны. 1984. Т. 1. № 7. С. 677.
48. ХаликовД.Х., Амирбеков М.//Тез. докл. IX Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Звенигород, 1991. С. 97.
49. Нурханов Б.М., Халиков Д.Х., Будагов P.C. //Тез. докл. VIII Всесоюзн. симпозиум "Синтетические полимеры медицинского назначения". Киев, 1989. С. 50.
50. Халиков Д.Х., Сафиуллина Ф.Х., Шарифовй З.Б. // Тез. докл. VII Всесоюз. симпоз. "Синтетические-полимеры медицинского назначения". Минск, 1985. С. 31.
51. Кариева З.М., Дадхаев Ю.И., Шалонов П.М. // Тез. докл. VII Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Минск, 1985. С. 21.
52. Халиков Д.Х., Сафиуллина Ф.Х., Кариева З.М. // Тез. докл. IV Респ. конф. "Сорбенты медицинского назначения и механизмы их лечебного действия". Донецк, 1988. С. 37.
53. Горчаков В.Д., Сергиенко В.И., Владимиров В.Г. Селективные гемосорбенты. М.: Медицина, 1989.
54. Постников В.А., Зефирова О.Н., Сытое Г.А., Платэ H.A. // Тез. докл. VIII Всесоюз. симпоз. "Синтетические полимеры медицинского назначения". Киев, 1989. С. 51.
55. Платэ H.A., Вакула A.B., ВалуевЛ.И., Волков A.B. И Высокомолек. соед. Б. 1981. Т. 23. № 3. С. 190.
56. ТуншсовяЗ.Л.//Вопросы мед. химии. 1983. № 1.С.2.
57. Шумаков В.И.. Габриэлян Н.И., Щербанева О.И. И Терапевтический архив. 1980. № 4. С. 62.
58. Садыков A.C., Арипов У.А., Пак Н.П. // Терапевтический архив. 1982. № 7. С. 62.
59. Кузин A.M. Структурно-метаболическая гипотеза в радиобиологии. М.: Наука, 1970.
60. Гемосорбция как лечение острой лучевой болезни / Под ред. Терновского К.С. Киев: Наукова думка, 1983.
61. Нурханов Б.М. II Здравоохранение Таджикистана. 1990. №3. С. 43.
62. Патогенез и лечение комбинированных радиаци-онно-термических поражений / Под ред. Цыбы А.Ф., Бриткина А.И. М.: Медицина, 1982.
63. Нурханов Б.М. // Здравоохранение Таджикистана.
1990. №5. С. 63.
64. Нурханов Б.М. // Здравоохранение Таджикистана.
1991. № 1.С. 21.
65. Сейлаков A.C., Нурханов Б.М. // Вопросы мед. химии. 1990. Т. 36. №5. С. 81.
Polymers of Ethynylpiperidol Derivatives: Synthesis, Physicochemical Properties, and Applications
D. Kh. Khalikov
Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic ofTadzhikistan ul. Aini 299/2, Dushanbe, 734063 Tadzhikistan
Abstract - Reactivity of some ethynylpiperidol derivatives in radical homo- and copolymerization and specific features characteristic of the formation of network structure of related cross-linked polymers are reviewed. Special emphasis is made on the examination of sorption properties of the swollen copolymers with respect to water, triiodide ions, bilirubin, and serum albumin. The interactions between a polymer and a substrate are interpreted in terms of heterogeneous ion exchange process. For ethynylpiperidol polymers, the specific features of this reaction are discussed. Biological activity of these polymers makes them an interesting object for applied biochemistry "and medicine.
Сдано в набор 25.09.95 г. Подписано к печати 25.11.95 г. Формат бумаги 60 х 88'/»
Офсетная печать Усл. печ. л. 24.0 Усл. кр.-отт. 13.8 тыс. Уч.-изд. л. 23.6 Бум. л. 12.0
Тираж 564 экз. Зак. 3513
