CC BY
9ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 1995, том 37, № 10, с. 1Ш - 1648
СИНТЕЗ И ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
УДК 541(64+183.14):542.952
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЕТЧАТЫХ ПОЛИОСНОВАНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СОПОЛИМЕРИЗАЦИЕЙ ГЧ-ДИМЕТИЛАМИН0АЛКИЛ(МЕТ)АКРИЛАМИД01: С ГЕКСАГИДРО-1,3,5-ТРИАКРИЛОИЛТРИАЗЛНОМ
© 1995 г. К. П. Папукова, А. А. Демин, Г. В. Самсонов, Е. С. Никифорова,
А. А. Соловьев, Г. А. Сучкова
Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 Поступила в редакцию 01.11.94 г.
Предложен метод синтеза высокопроницаемых сетчатых полиоснований на основе сополимеризации 1,1 -диметил-3-диметиламинопропил)акриламида, 1Ч-диметиламинопропилметакриламида с гексаги-дро-1,3,5-триакрилоилтриазином в растворе. Определены основные характеристики полученных сетчатых полиоснований. Изучено взаимодействие сетчатых полиоснований с фузидиевой кислотой и инсулином. Показано, что, изменяя структуру мономерного звена в сетчатом полиосновании, можно регулировать сорбционную емкость по отношению к органическому противоиону и селективность сорбции.
Проблема создания и изучения высокопроницаемых для крупных противоионов сетчатых полиоснований (СПА) рассматривается в последнее время как важная и далеко не решенная задача. Так, на последней международной конференции по ионному обмену, состоявшейся в Англии [1], эта проблема рассматривалась как весьма перспективная для дальнейших исследований.
В результате теоретических и экспериментальных исследований в области синтеза сетчатых полиэлектролитов и изучения их взаимодействия с ионами биологически активных веществ в Институте высокомолекулярных соединений РАН созданы высокопроницаемые карбоксильные сетчатые сополимеры (биосорбенты "Биокарб"). Сущность синтеза сетчатых поликислот типа "Биокарб" состоит в проведении трехмерной сополимеризации кислот акрилового ряда с ди- и тривиниль-ными соединениями амидного или сложноэфирно-го типа в водно-органических растворителях, в которых осаждение сополимеров начинается на ранней стадии в виде гидратированных дисперсных частиц. Последние обладают способностью к формированию сетчатых структур в процессе дальнейшей сополимеризации за счет непрореагировавших двойных связей кроссагента. Структурная особенность таких полиэлектролитов состоит в пространственном сочетании плотно сшитых участков, включающих микроглобулы, с разряженными участками, содержащими малое количество кроссагента. Такая структура содержит значительную массу растворителя, что обеспечивает транспорт макромолекул к сорбционным центрам [2 - 4].
В настоящей работе ставится и решается задача получения аналогичных по структуре СПА.
При исследовании сополимеризации ряда моновиниловых оснований (4-винилпиридин, диме-тиламиноэтилметакрилат, третичные амины ак-рил(метакрил)амидов) с ди- и тривинильными соединениями амидного типа N^N'-алкилендиме-такриламидами и гексагидро-1,3,5-триакрилоил-триазином (ГТА) было установлено, что высоко-гидратированные и структурно-устойчивые СПА могут быть получены при использовании гидрофильных третичных аминов, содержащих в своей структуре амидные группировки [5]. В качестве основных сомономеров для синтеза СПА мы использовали N-( 1,1-диметил-З-диметиламинопро-пил)акриламид (ДМАМ) [6] и N-диметиламино-пропилметакриламид (ДМПМ), синтезированный нами по методике, аналогичной синтезу N-диметиламиноэтилметакриламида [7].
сн3
I
сн2 =сн -co-nh -c-ch2-ch2-n сн,
ДМАМ
/
СН,
V
СН-«
сн3
ch2=c-co-nh-ch2-ch2-ch2-n' 3
СНз
дмпм
в качестве кроссагента - ГТА
n-co-ch=ch2 / \ hic сно I I
h2c=hc-oc-n n-oc-ch=ch2 \ / сн2
1644
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЕТЧАТЫХ ПОЛИОСНОВАНИИ
1645
Сетчатые полиоснования, полученные сополимеризацией ДМАМ (образцы 1 - 3) и ДМПМ (образцы 4 - 7) с ГТА при удельной доле мономеров у® = 0.2
Образец, № СПА Количество ГТА, мол. % Удельный объем, мл/г отн Обменная емкость по С1 , мг-экв/г
ОН-форма НС1-форма вычислено определено
1 АДАТ-10 10 11.6 19.3 1.6 4.72 4.25
2 АД AT-15 15 11.4 12.8 1.1 4.39 3.80
3 АДАТ-20 20 10.5 12.0 1-1 4.06 3.30
4 АДПТ-5 5 9.8 16.0 1.6 5.46 5.05
5 АДПТ-10 10 7.0 9.2 1.3 5.05 4.75
6 АДПТ-15 15 7.3 9.0 1.2 4.67 4.20
7 АДПТ-20 20 8.2 8.8 1.1 4.30 3.90
* Отношение объемов гидратированного сополимера в HCl- и ОН- форме.
Сополимеризацию как ДМАМ, так и ДМПМ с ГТА прводили в растворе при концентрации мономерной смеси 20 - 50% под действием ДАК при 65°С до образования геля с последующим прогревом его при 80°С в течение 1 ч. При сополимери-зации ДМАМ с ГТА в качестве растворителя применяли 50%-ный водный ДМФА, а для системы ДМПМ с ГТА - воду, при этом были синтезированы две серии СП А - АДАТ и АДПТ соответственно, характеристики которых приведены в таблице.
Обменные емкости, рассчитанные по составу сомономеров и определенные по данным потен-циометрического титрования, элементного состава, а также с учетом выхода СПА, позволяют считать, что большая часть сомономеров-основа-
ний сохраняет ионогенные группы в сополимерах. При этом следует отметить, что при введении более 10% ГТА образуются сетчатые полимеры, которые отличаются от многих сетчатых полиэлектролитов тем, что их степень набухания в солевой и основной формах весьма близки. Экспериментально показано, что с возрастанием содержания ГТА в сополимере, включающем звенья ДМПМ, наблюдается увеличение степени набухания сетчатого сополимера, что, как известно, характерно для структурно-устойчивых гетеросетчатых полимеров [5].
При варьировании используемых сомономеров могут быть получены СПА, степень набухания которых почти не меняется при увеличении введенного кроссагента.
^"набл
0.2 0.4 0.2 0.3
УЪ
Рис. 1. Зависимость коэффициентов набухания СПА ОН- (/ - 3) и HCl-формы (У - 3') в воде от у0 .1,1'-АДАТ-5; 2, 2' - АДАТ-10; 3, 3' - АДПТ-5.
1646
ПАПУКОВА и др.
рн
8 12 0.1 ЫНС1,мл
(б) 12 -
10
1 1 6 1 1 1 1
-1.0 -0.6 -0.2 0.2
0.6
1«
1.0 (!-«) а
1.4
Рис. 2. Кривые потенциометрического титрования СПА с различным содержанием кроссаген-та и при различной ионной силе: 1 - АДПТ-10 (0.1 моль/л), 2-АДПТ-5 (0.1 моль/л), 3-АДПТ-10 (0.25 моль/л), 4 - АДПТ-10 (0.5 моль/л). Пояснения в тексте.
т X 103, моль/г 40
сравн * 105, моль/л
0.3
сЫаС1» моль/л
Рис. 3. Зависимость сорбционной емкости т СПА по инсулину при рН 8.0 от концентрации инсулина в равновесном растворе, ионная сила 0.05 -(а) и от ионной силы раствора (б). 1 - АДПТ-10, 2 -АДАТ-10.
Степень набухания изучаемых сополимеров можно варьировать, изменяя концентрацию мономерной смеси в растворе при сополимеризации. Как видно из рис. 1, при концентрации мономерной смеси 20% (у°и = 0.2) наблюдается большая величина коэффициента набухания, при увеличении концентрации смеси мономеров степень гидратации уменьшается, но остается достаточно значительной.
На кривых потенциометрического титрования (рис. 2а) сетчатых полиоснований АДПТ имеется характерный скачок, соответствующий кривым титрования аминов алифатического ряда. По данным потенциометрического титрования, представленным в координатах Гендерсона-Гас-
сельбаха [8], определено значение кажущихся констант ионизации рКюр (рис. 26) в зависимости от количества кроссагента и ионной силы раствора; рКкар лежит в интервале 8.5 - 9.2. Аналогичные значения получены и для СПА серии АДАТ.
Равновесные характеристики гетерогенного массообмена на синтезированных СПА были изучены в системах с органическими противоионами -инсулином и фузидиевой кислотой (ММ говяжьего кристаллического инсулина 5800, фузидиевой кислоты - 516). Концентрацию инсулина определяли по оптической плотности растворов при 280 нм, концентрацию фузидиевой кислоты - по оптической плотности при длине волны 227 нм.
СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЕТЧАТЫХ ПОЛИОСНОВАНИЙ
1647
т х 102, моль/г (а)
Ю Сравн х Ю4, МОЛЬ/Л
т х 102, моль/г (б)
0.1
0.2 сМаа, моль/л
Рис. 4. Зависимость сорбционной емкости СПА АДАТ-5 по фузидиевой кислоте при рН 9.5 .от концентрации фузидиевой кислоты в равновесном растворе (а) и от ионной силы раствора (б).
Рис. 5. Зависимость сорбционной емкости СПА по фузидиевой кислоте от рН. 1 - АДАТ-5, 2 -АДАТ-10,3 - АДАТ-15.
По разности начальной и конечной концентраций рассчитывали количество сорбированного вещества.
Полученные нами СПА отличаются особенностью структуры, позволяющей регулировать сорбционную емкость и селективность сорбции по отношению к органическим противоионам при варьировании мономерных звеньев в сополимере.
Взаимодействие инсулина со СПА изучали при рН 8.0, при этом значении рН инсулин, изоточка которого равна 5.4, является полианионом, и его сорбция полиоснованием максимальна. На рис. 3 представлены изотермы сорбции инсулина на АДПТ и АДАТ, а также зависимости сорбционной емкости инсулина на этих СПА от ионной силы раствора. При увеличении ионной силы происходит экранирование ионогенных групп и ослабляется электростатическое взаимодействие. Отсутствие связывания инсулина с АДПТ при ионных силах больше 0.2 М позволяет предположить, что на данном СПА сорбция идет исключительно за счет кулоновского взаимодействия отрицательно заряженных карбоксильных групп инсулина и положительно заряженных третичных аминогрупп СПА. Наличие дополнительной метильной группы в структуре АДАТ, а также изменение их расположения дают возможность образования дополнительных связей неэлектростатической природы.
Еще более разительны изменения при переходе от серии АДПТ к серии АДАТ в процессах взаимодействия СПА с растворами известного антибиотика - фузидиевой кислоты.
Интерес к сорбции фузидиевой кислоты на СПА подобной структуры был вызван тем обстоятельством, что гидрофобный характер цикло-пентапергидрофенантреновой системы колец этого антибиотика приводит к необратимости связывания фузидиевой кислоты стандартными анионами, имеющими в основе матрицу из ПС-цепей, сшитых дивинилбензолом. Изменение особенностей дополнительных (неионных) взаимодействий должно было, по нашим представлениям, привести к обратимости сорбции фузидиевой кислоты, что и было показано экспериментально.
В отличие от многозарядного полианиона инсулина (4 остатка глютаминовой кислоты и конечная карбоксильная группа) в структуре фузидиевой кислоты лишь одна карбоксильная группа с рК 5.7. Поэтому при отсутствии дополнительных взаимодействий фузидиевая кислота должна сорбироваться с меньшей избирательностью, чем инсулин. Действительно, сорбция фузидиевой кислоты на образцах серии АДПТ идет лишь при ионных силах ниже 0.02 моль/л. На АДАТ при увеличении ионной силы раствора сорбция уменьшается; тем не менее даже при с = 0.25 моль/л она
1648
ПАПУКОВА и др.
составляет значительную величину (рис. 4, кривая 2).
При отсутствии каких-либо возмущающих явлений максимум сорбции органической кислоты на слабом полиосновании обычно находится между рК кислоты и рКхяр СПА. Представленные на рис. 5 зависимости сорбционной емкости фузи-диевой кислоты на СПА серии АДАТ имеют максимумы, смещенные в щелочную область, что наблюдается в ряде других систем. Если уменьшение сорбционной емкости при значениях рН > > рНмакс объясняется уменьшением ионизации аминогрупп, то уменьшение сорбционной емкости при рН < рНмакс можно объяснить межмолекулярным взаимодействием противоионов.
Обратимость сорбции инсулина и фузидиевой кислоты контролировали по десорбции в динамических условиях. Опыты показали, что связывание инсулина и фузидиевой кислоты СПА серии АДАТ полностью обратимо.
Малая скорость гетерогенного массообмена крупных органических ионов на полиэлектролитных сорбентах зачастую является препятствием для проведения эффективного хроматографичес-кого процесса разделения и очистки веществ.
Кинетика сорбции инсулина СПА была оценена с помощью метода статистических моментов способом, изложенным ранее [9]. Величины коэффициентов диффузии инсулина для СПА с 10% кроссагента имеют порядок 10"9 см2/с, что сравнимо со значениями коэффициентов диффузии инсулина в гранулах высокопроницаемого макропористого сорбента [10].
Полученные и изученные СПА дают возможность в определенной степени решить проблему
создания сетчатых полиэлектролитов, способных взаимодействовать с органическими противо-ионами в условиях регулирования сорбционного эффекта при наличии обратимости связывания ионов с молекулярными массами в диапазоне 500 - 6000 Да.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ion Exchange Processes: Advances and Applications / Ed. by Dyer A., Hadson M.I., Willians P.A. Royal Society of Chemistry. 1993 (The Proc. of the Ion-Ex 93 Conf. Held at the North East Wales Institute in Wreham, UK, April, 1993).
2. Кузнецова H.H., Папукова К.П., Муравьева Т.Д., Билибина Г.В. // Высокомолек. соед. А. 1978. Т. 20. № 12. С. 1957.
3. Рожецкая К.М., Калинина Н.А., Папукова К.П., Самсонов Г.В. // Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 12. С. 2532.
4. Samsonov G.V., Kusnetsova N.N. I I Adv. Polym. Sci. 1992. V. 104. P. 1.
5. Гаврилова H.H., Пирогов B.C., Морозова АД., Самсонов Г.В. II Журн. прикл. химии. 1981. Т. 54. №5. С. 1190.
6. Ширишн К.В., Казанцев О.А., Зильберман Е.Н., Данов С.М., Салов В.Н. // Журн. прикл. химии. 1992. Т. 65. № 6. С. 1379.
7. Коломейцев О.П., Кузнецова Н.Н. // Высокомолек. соед. А. 1971. Т. 13. № 8. С. 1899.
8. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В., Полянская Н.А. Методы исследования ионитов. М.: Химия, С. 160.
9. Самсонов Г.В., Меленевский А.Т., Демин А.А. Ионный обмен и хроматография. JL: Наука, 1984. С. 100.
10. Островский Д.И., Морозова АД., Дмитренко JI.B. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1972. № 5. С. 1214.
Cross-Linked Polybases Prepared by Copolymerization of N-Dimethylaminoalkyl(meth)acrylamides with Hexahydro-l,3,5-trialkyloyltriazine: Synthesis and Properties
K. P. Papukova, A. A. Demin, G. V. Samsonov, E. S. Nikiforova, A. A. Solov'ev, and G. A. Suchkova
Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Scienc es Bol'shoipr. 31, St. Petersburg, 199004 Russia
Abstract - A method for the preparation of highly permeable cross-linked polybases by solution copolymerization of N-(l,l-dimethyl-3-dimethylaminopropyl)acrylamide (DMAM) or N-dimethylaminopropyl(-meth)acrylamide (DMPM) with hexahydro-l,3,5-triacryloyltriazine (HTA) was proposed. The main characteristics of the cross-linked polybases were determined. Reactions of the cross-linked polybases with fusidic acid and insulin were studied. Varying the structure of a monomer unit in the cross-linked polybase allows one to control the sorption capacity with respect to organic counterion and sorption selectivity.
