Синтез и полимеризация в монослоях липидоподобных мономеров с метакриловыми группами на конце углеводородной цепи Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

СИНТЕЗ

УДК 541.64:542.952

СИНТЕЗ И ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ ЛИПИДОПОДОБНЫХ МОНОМЕРОВ С МЕТАКРИЛОВЫМИ ГРУППАМИ НА КОНЦЕ

УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЦЕПИ

© 1997 г. Е. А. Барышникова, С. Ю. Зайцев, В. П. Зубов

Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук

117871 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 Поступила в редакцию 27.11.96 г.

Принята в печать 25.12.96 г.

Синтезированы поверхностно-активные мономеры, содержащие метакриловую группу на конце углеводородной цепи: 12-метакрилоилоксидодекановая кислота, 12-(метакрилоилоксидодеканоил>-глицерофосфатидилхолин, 16-метакрилоилоксигексадекановая кислота, 16-бис-(метакрилои-локсигексадеканоил)глицерофосфатидилхолин. Исследованы поверхностно-активные свойства полученных мономеров на границе раздела жидкость-газ и их полимеризация в монослоях под действием УФ-облучения (254 нм). Обнаружена экстремальная зависимость скорости полимеризации от поверхностного давления с максимумом 3.3-5.5 х 10-4 с-1 при давлениях 7.5-12 мН/м.

Полимеризация поверхностно-активных мономеров (ПАМ) в монослоях на поверхности раздела жидкость-газ является уникальным методом получения ультратонких ориентированных мембран. Такие монослои могут служить для моделирования биологических мембран, иммобилизации различных биологически активных соединений, а также использоваться для создания биосенсоров.

Получение мономерных и полимерных монослоев ПАМ и липосом на основе ПАМ, содержащих акриловые и метакриловые группы, описано в работах и обзорах Ringsdorf и др. [1-6], Зубова, Зайцева, Егорова и др. [7-10], Арсланова [11], Fendler [12]. Структура и свойства получаемых полимерных монослоев существенно зависят как от природы полимеризующейся группы, так и от ее положения в молекуле ПАМ (в гидрофильной или гидрофобной части молекулы) [1,2,7].

Большое внимание привлекает исследование поверхностно-активных свойств и полимеризация в монослоях на поверхности раздела жидкость-газ ПАМ, содержащих акриловые и метакриловые группы в гидрофильной части [2-6, 8, 9]. Так, например, в работе [3] проводится сравнение характеристик монослоев полиоктадецилметакрилата (ПОДМ А), полученного при полимеризации в растворе и на поверхности раздела фаз. Установлено, что плотность и прочность монослоя ПОД-МА, синтезированного в растворе, ниже, чем у ПОДМА, полимеризованного непосредственно в монослое. В данной работе проводится также исследование зависимости скорости полимеризации октадецилакрилата (ОДА) в монослое от давления при различных температурах. Показано, что

эта зависимость имеет экстремальный характер с максимумом в области 15 мН/м. Снижение скорости полимеризации при больших давлениях обусловлено смещением молекул ОДА относительно друг друга в вертикальной плоскости.

Подобная зависимость обнаружена для цвит-тер-ионных или отрицательно заряженных липи-доподобных акриловых ПАМ, например для 1Ч-акрилоилфосфатидилэтаноламина (АКФЭ), содержащего полимеризующуюся группу в гидрофильной части молекулы [9]. Максимум скорости полимеризации для АКФЭ находится в области 10-12 мН/м. Аналогичная зависимость скорости полимеризации от давления в монослоях обнаружена для ряда положительно заряженных аммониевых ПАМ [8-10]; в этих работах установлена также зависимость скорости полимеризации от поверхностного давления, концентрации мономера, температуры и других параметров.

Исследованию полимеризации смешанных монослоев ОДА и октадецилакриламида посвящена работа [13]. Оказалось, что при увеличении содержания ОДА от 0 до 10% скорость полимеризации уменьшается более чем в 6 раз, а при наличии в смеси 50% ОДА монослой вообще не полимери-зуется, хотя чистый ОДА полимеризуется с довольно высокими скоростями [3].

Сравнению свойств монослоев некоторых акриловых и метакриловых соединений, полученных полимеризацией как в растворе, так и непосредственно в монослое на границе раздела жид-кость-газ, уделено большое внимание в обзоре Арсланова [11].

Синтез производных фосфолипидов, содержащих метакриловую группу на конце углеводородной цепи, описан в работе Regen и др. [14], однако в данной работе исследована полимеризация этих соединений только в липосомах. Свойства и полимеризация таких ПАМ в монослоях до настоящего времени не исследовались.

Цель этой работы - синтез ПАМ с полимери-зующейся группой на конце углеводородной цепи (16-метакрилоилоксигексадекановой кислоты, 12-метакрилоилоксидодекановой кислоты и соответствующих производных фосфатидилхоли-на), изучение поверхностно-активных свойств

ПАМ, а также исследование кинетики их полимеризации в монослое на границе раздела фаз.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез поверхностно-активных мономеров

Синтезированы следующие ПАМ: 16-мет-акрилоилоксигексадекановая кислота (I)

СН2=С(СН3)-СОО-(СН2)15-СООН,

16-бис-(метакрилоилоксигексадеканоил)глицеро-фосфатидилхолин (II)

СН2 =С(СН3)-СОО-(СН2),5 -соо-сн2 СН2 =С(СН3)-СОО-(СН2)15 -соо-сн

12-метакрилоил оксид од екановая кислота (Ш) СН2=С(СН3)-СОО-(СН2)! j-COOH,

О

i и +

CH2-0-P-0-(CH2)2-N(CH3)3,

сг

12-(метакрилоилоксидодеканоил)глицерофосфа-тидилхолин (IV)

СН2 =С(СН3)-СОО-(СН2)„ -соо-сн2

I

но-сн о

CH2-0-P-0-(CH2)2-N(CH3)3

er

Синтез ПАМ проводился по следующей схеме работе [14]: (на примере соединений I и П), предложенной в

НСКСН2)15-СООН + СН2=С(СН3)-СОС1 1

СН2=С(СН3)-СОО-(СН2)! 5 -СООН I

I

(СН2=С(СН3)-С00-(СН2)15-С0)20

Яичный лецитин

сн2-он

СН-ОН О

CH2-0-P-0-(CH2)2N(CH3)3 CT

СН2 =С(СН3)-СОО-(СН2)15 -соо-сн2

СН2 =С(СН3)-СОО-(СН2),5 -соо-сн

п

1б-Метакрилоилоксигексадекановая кислота (I). 1.0 г (3.67 ммоля) 16-гидроксигексадекано-вой кислоты (16-ГДК) ("Aldrich", USA) при постоянном перемепгавании растворяли в 15 мл ТГФ и

О

i и +

СН2 -0-P-0-(CH2)2 -N(CH3)3

¿г

помещали в круглодонную колбу объемом 100 мл. После добавления пиридина (0.4 г, 5.56 ммоля) раствор охлаждали до 0°С и при постоянном перемешивании по каплям добавляли метакрило-

СИНТЕЗ И ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ

929

илхлорид (0.29 г, 3.67 ммоля) в 6.0 мл ТГФ. Реакционную смесь нагревали до комнатной температуры и перемешивали в течение 15 ч. Затем растворитель удаляли испарением при пониженном давлении, а твердый осадок растворяли в 10.0 мл диэтилового эфира. Смесь промывали дистиллированной водой и эфирный слой осушали безводным сульфатом магния. Эфир удаляли при пониженном давлении. Полученное вещество очищали на колонке с Si02 (40 мкм) в системе этилацетат : гексан =1:2. Чистоту полученного продукта контролировали методом ТСХ на сили-кагелевых пластинках в системе этилацетат-гек-сан (1: 2). Выход 0.36 г. Rf= 0.72.

ИК-спектр, V (см"1): 2915, 2850, 1700, 1450, 1386,1180,1010,910, 790,700,650.

ПМР-спектр, S (м. д.): 1.30,1.65,2.30-2.40,3.80, 5.90,6.20,6.40.

12-Метакрнлоилоксидодекаиовая кислота (Ш). Получали по приведенной выше методике. Для реакции брали 2.0 г 12-гидроксидодекановой кислоты (12-ГДК). Выход 0.8 г. Rf= 0.70.

ИК-спектр, V (см"1): 2915, 2850, 1700, 1445, 1385,1180,1010,905,790,700,650.

ПМР-спектр, 5 (м. д.): 1.30,1.70,2.30-2.40,3.80, 5.85,6.15,6.40.

16-Метакрилоилоксигексадекановый ангидрид (16-АН). Соединение I (0.18 г, 0.503 ммоля) растворили в 3.6 мл ТГФ и добавляли 0.15 мл (0.72 ммоля) триэтил амина. Полученный раствор охлаждали до -18°С и к нему по каплям добавляли раствор этилхлорформиата (0.08 мл, 0.825 ммоля) в 2.5 мл ТГФ. Реакционную смесь перемешивали в течение 2 ч, нагревали до комнатной температуры и перемешивали дополнительно 20 мин. Затем раствор снова охлаждали до -18°С и к нему добавили раствор 0.18 г соединения I и 0.15 мл триэтил-амина в 3.6 мл ТГФ. Смесь перемешивали 15 ч, затем растворитель удаляли при пониженном давлении при комнатной температуре. Полученный ангидрид несколько раз промыли эфиром и сушили на роторном испарителе. Отсутствие воды контролировали по ИК-спектру. Выход ангидрида составил 0.27 г.

ИК-спектр, V (см"1): 2915, 2850, 1880, 1715, 1440,1400,1360,1190,1080, 1020.

ПМР-спектр, 5 (м. д.): 1.30,1.60,2.45,5.80,6.15, 6.45.

Характеристики 12-метакрилоилоксидодека-нового ангидрида (12-АН). Выход 0.63 г.

ИК-спектр, v (см"1): 2915, 2850, 1880, 1710, 1440,1400,1360,1190,1080,1020.

ПМР-спектр, 5 (м. д.): 1.30,1.60,2.40,5.80,6.10, 6.40.

L-a-глицерофосфорилхолин. Яичный лецитин (3.0 г) растворяли в 27.0 мл эфира, к полученному раствору добавляли 0.1 моль гидроксида третбу-

тиламмония (метанольный раствор). Колбу со смесью энергично встряхивали несколько раз. L-a-глицерофосфорилхолин выпадал в осадок, и жидкая фаза была декантирована. Осадок промывали эфиром и высушивали. Полученный продукт хранили в метаноле при -18°С.

16-£ис-(метакрилоилоксидодеканоил)глицеро-фосфатидилхолии (II). Раствор L-a-глицерофос-форилхолина (0.1 г, 0.39 ммоля) в метаноле помещали в круглодонную колбу, удаляли метанол при пониженном давлении. 0.27 г (0.407 ммоля) 16-АН растворяли в 2.0 мл хлороформа и соединяли с высушенным L-a-глицерофосфорилхоли-ном. К полученной смеси при перемешивании добавляли 4-(диметиламино)пиридин (0.06 г, 0.48 ммоля). Содержимое колбы защищали от действия света и перемешивали в течение 72 ч. Хлороформ удаляли при пониженном давлении при комнатной температуре. Продукт растворяли в хлороформе и очищали на колонке с силикаге-лем. Для хроматографии применяли следующие растворители: СНС13, СНС13 : СН3ОН = 9:1, СНС13: СН3ОН =1:1, СНС13: СН3ОН =1:9. Для анализа фракций использовали метод ТСХ (сили-кагель, СНС13: СН3ОН: Н20 = 65 :25 :4). Фракции с Rf= 0.33 объединяли, и растворитель удаляли при пониженном давлении. Выход продукта 0.097 г.

ИК-спектр, v (см"1): 2915, 2850, 1700, 1640, 1590,1530,1400, 1200,1090,1060, 980.

ПМР-спектр, 6 (м. д.): 1.30,1.90,2.20,2.45,3.52, 5.80,6.10.

12-(Метакрилоилоксидодеканоил)глицерофо-сфатидилхолин (IV). Соединение получали по приведенной выше схеме. R, = 0.20 (как у лизо-формы лецитина). Выход 0.0153 г.

ИК-спектр, v (см-1): 3500-3200, 2915, 2850, 1700,1640,1590, 1530,1400,1200,1090,1060,980.

ПМР-спектр, 6 (м. д.): 1.30,2.00,2.20,2.35,3.50, 3.70, 5.80,6.10.

Получение монослоев и полимеризация

Монослои ПАМ получали и исследовали на пленочных весах фирмы "Lauda" (ФРГ). Санти-молярный раствор мономера в хлороформе (Юмкл) наносили на поверхность воды (рН 7.0, 20°С) между подвижным и измерительным барьерами. Изотермы поверхностное давление я-площадь А (на 1 молекулу) получали путем под-жатия монослоя подвижным барьером с постоянной скоростью 1 см/мин.

Полимеризацию монослоев ПАМ проводили при инициировании УФ-облучением (X = 254 нм, 10 мВ/см2) в отсутствие инициатора при постоянном поверхностном давлении. Скорость полимеризации рассчитывали по формуле

vp = (Ah,/Ahmax)/At,

где АЛ, - начальная контракция монослоя за время А/, Мвд - общая контракция за все время полимеризации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Все синтезированные ПАМ способны образовывать монослои на границе раздела вода-воздух. На рис. 1 приведены тс-А-изотермы для 16-ГДК и 12-ГДК (кривые 1), а также для синтезированных ПАМ (кривые 2,3). На я-А-изотер-мах для соединений I и Ш (кривые 2), как и для гидроксикислот, наблюдается хорошо выраженное плато на изотермах при давлениях 14-16 и 12—14 мН/м, что соответствует переходу между жидкорастянутым (малые давления, большие площади) и жидкоконденсированным (большие давления, малые площади) состояниями монослоя. Однако на изотермах для кислот с метакри-ловыми группами переход между двумя состояниями выражен менее четко, что связано, по-види-мому, с уменьшением гидрофильности метакриловых групп по сравнению с гидроксиль-ными. Данный переход соответствует переориентации метакриловых групп с поверхности воды в воздух.

Площадь на молекулу при давлении коллапса для соединений I и Ш возрастает по (равнению с гидроксикислотами до 0.28 нм2, что объясняется наличием более объемной метакриловой группы на конце углеводородной цепи в молекулах этих соединений.

Довольно низкое давление коллапса (24 и 27 мН/м для соединений I и Ш соответственно) также обусловлено присутствием метакриловых групп, способствующих смещению молекул ПАМ относительно друг друга в вертикальной плоскости.

На изотерме для соединения П (рис. 1 а, кривая 3) переход между двумя состояниями монослоя выражен менее четко, что объясняется присутстви-

ем объемной полярной фосфатидилхолиновой группы. Еще более сильно это влияние видно для соединения IV (рис. 16, кривая 3). В этом случае переход между состояниями монослоя вообще не выражен. Площадь на молекулу при давлении коллапса для соединений П и IV определяется площадью фосфатидилхолиновой группы и составляет -0.55 нм2 на молекулу. Также благодаря наличию фосфатидилхолиновой группы, препятствующей смещению молекул этих ПАМ относительно друг друга в вертикальной плоскости, увеличивается давление коллапса по сравнению с соединениями I и Ш, т.е. повышается устойчивость монослоя к воздействию давления.

Кривые зависимости скорости полимеризации от поверхностного давления для соединений I—IV имеют экстремальный характер с максимумом около 12 мН/м для соединений I и П и в области 7-8 мН/м для соединений Ш и IV (рис. 2). Увеличение скорости полимеризации при возрастании давления до 8 (12) мН/м соответствует повышению плотности монослоя и увеличению степени ориентации молекул при сохранении достаточной подвижности молекул в жидкорасгянутом состоянии монослоя.

Дальнейший рост давления приводит к снижению скорости полимеризации, вызванному уменьшением подвижности молекул (монослой переходит в жидкоконденсированное состояние), а также, возможно, к появлению стерических затруднений при взаимодействии полимеризую-щихся групп молекул, смещенных относительно друг друга вблизи точки коллапса.

Таким образом, зависимость скорости полимеризации от давления хорошо коррелируется с изменением структуры монослоя. В частности, положения максимумов на кривых зависимости скорости полимеризации от давления как для соединений I и П, так и для соединений Ш и IV соответствуют одинаковому (жидкорастянутому) состоянию монослоя.

А, нм2/молекула А, нм2/молекула

Рис. 1. я-А-изотермы для различных монослоев, а: 7 - 16-ГДК, 2,3- соединения 1(2) и П(3); 6:1 - 12-ГДК, 2,3- соединения Ш(2) и ГУ(3).

СИНТЕЗ И ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ

931

20 я, мН/м

Рмс. 2. Зависимость скорости полимеризации от давления для монослоев соединений 1(7) и П(2) (а) и соединений Ш(/) и Г/(2) (б).

1.2 2.0 А, нм2/молекула

я, мН/м

60-

1.2 2.0

А, нм2/молекула

1.2 2.0

А, нм2/молекула

1.2 2.0

А, нм2/молекула

Рис. 3. я-Д-изотермы соединений 1(а), 11(6), Ш(в), IV(r) для мономерного монослоя (7) и полимерных монослоев, полученных при различных давлениях (2-4). а: я = 5.0 (2), 7.5 (3) и 18 мН/м (4); б: я = 5.0 (2), 7.5 (3) и 10.0 мН/м (4); в: я = 5.0 (2), 10.0 (5) и 14.0 мН/м (4); г: я = 10.0 (2), 12.0 (5) и 20.0 мН/м (4).

Абсолютная скорость полимеризации ПАМ в монослое существенно выше таковой при полимеризации в растворе в сопоставимых условиях [10], что объясняется высокой степенью ориентации молекул в монослое.

Максимальная скорость полимеризации для соединения П (5.5 х 10-4 сг1) в монослое выше, чем для соединения I (3.37 х 10^ с-1) (рис. 2а, кривые 1 и 2 соответственно), что обусловлено наличием в

молекуле соединения П двух углеводородных цепочек с метакриловыми группами, общее сечение которых примерно совпадает с размерами фос-фатидилхолиновой группы, за счет чего полиме-ризующиеся группы имеют более высокую степень ориентации.

Максимальная скорость полимеризации соединения IV (3.33 х 10"4 с-1), наоборот, ниже, чем для соединения Ш (4.89 х 10^ с-1) (рис. 26, кривые 1 и 2

соответственно). Это можно объяснить влиянием объемной фофатидилхолиновой группировки ("головы"), имеющей площадь в -2 раза больше, чем у метакрилового фрагмента ("хвоста"), и препятствующей более плотной упаковке молекул соединения IV в монослое. Аналогичные эффекты были обнаружены для некоторых катионных ПАМ с акриловыми группами [10].

По гс-А-изотермам после полимеризации (рис. 3, кривые 2-4) видно, что давление коллапса монослоя несколько увеличивается. Это свидетельствует о повышении прочности последнего. Площадь, приходящаяся на мономерное звено в полимерном монослое, значительно уменьшается по сравнению с площадью молекулы мономера, что указывает на более плотную упаковку звеньев в полимерном монослое.

Таким образом, показано влияние структуры ПАМ на скорость полимеризации, а именно уменьшение последней при наличии в молекуле ПАМ объемной гидрофильной группы (соединения II и IV), а также при увеличении длины цепи с 12 до 16 атомов углерода (соединения I и II), что, кроме того, приводит и к смещению максимума скорости в область более высоких давлений.

Следовательно, изменяя давление в монослое при полимеризации ПАМ, можно регулировать его структуру. Полученные полимерные мономолекулярные пленки могут быть использованы как матрицы для иммобилизации различных поверхностно-активных соединений при создании моделей биологических мембран.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ringsdorf Н., Schiarb В., Venzmer J. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988. V. 27. № 1. P. 113.

2. Bader H., Dorn К., Hupfer В., Ringsdorf H. Il Adv. Polym. Sei. 1985. V. 64. № 1. P. 11.

3. Naegele D., Ringsdorf H. // J. Polym. Sei., Polym. Chem. Ed. 1977. V. 15. № 3. P. 2821.

4. Ackermann R„ ¡nacker О., Ringsdorf H. I I Kolloid-Z. und. Z. fur Polymere. 1971. В 249. № 1/2. S. 1118.

5. Lashewsky A., Ringsdorf H., Schmidt G., Schneider J. // J. Am. Chem. Soc. 1987. V. 109. № 3. P. 788.

6. Naegele D., Lando J.-В., Ringsdorf H. I I Macromole-cules. 1977. V. 10. № 6. P. 1339.

7. Егоров В.В., Зайцев С.Ю., Зубов В.П. // Высокомо-лек. соед. А. 1991. Т. 33. № 7. С. 1587.

8. Зайцев С.Ю., Зубов В.П. И Makromol. Chem., Macro-mol. Symp. 1991. V. 46. P. 9.

9. Зайцев С.Ю., Клямкин A.A., Плясова Е.П., Вере-щетин В.П., Зубов В.П. // Высокомолек. соед. Б. 1995. Т. 37. № 10. С. 1762.

10. Егоров В.В., Зайцев С.Ю., Клямкин A.A., Зубов В.П. I/ Высокомолек. соед. А. 1990. Т. 32. № 5. С. 949.

11. Арсланов В В. И Успехи химии. 1994. Т. 63. № 1. С. 3.

12. Fendler J.H. Membrane-Mimetic Approach to Advan-sed Materials. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1994.

13. Miyashita T., Sakaguchi K. // Langmuir. 1992. V. 8. № 1. P. 336.

14. Regen S.L., Singh A., Oehme G., Singh M. // J. Am. Chem. Soc. 1982. V. 104. № 3. P. 791.

Synthesis and Monolayer Polymerization of Lipid-like Monomers with Terminal Methacrylic Groups

E. A. Baryshnikova, S. Yu. Zaitsev, and V. P. Zubov

Shemyakin-Ovchinnikov Institute ofBioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, ul. Miklukho-Maklaya 16110, Moscow, 117871 Russia

Abstract—A series of monomer surfactants, containing methaciylic groups at the end of the hydrocarbon chain, was synthesized including 12-methacryloylhydroxydodecanoic acid, 12- (methacryloylhydroxydode-canoyl)glycerophosphatidylcholine, 16- methacryloylhydroxyhexadecanoic acid, and 16-bis- (methacryloylhy-droxyhexadecanoyOglycerophosphatidylcholine. The monomers were characterized with respect to the surfactant properties at the liquid-gas interface. The polymerization in monolayers of these monomers, induced by the UV irradiation (254 nm), was studied. The polymerization rate exhibited a nonmonotonic dependence on the surface tension, with a maximum rate of (3.3—5.5) x 10-4 c-1 observed at a surface tension of 7.5-12 mN/m.