CC BY
15ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2004, том 46, № 4, с. 668-674
СИНТЕЗ, -ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
УДК 541.64:547.39
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НОВЫХ ГИДРОФИЛЬНЫХ СОПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ КАРБОКСИ-н-ПРОПИЛАКРИЛАМИДА1
© 2004 г. Р. М. Искаков* Е. О. Батырбеков* Б. А. Жубанов* A. Kikuchi**, Т. Okano**
*Институт химических наук им. А.Б. Бектурова 480100 Алматы, ул. Ч. Валиханова, 106 ** Institute of Biomedical Engineering, Tokyo Women's Medical University Kawadacho 8-1, Shinjuku, 162-8666, Tokyo, Japan Поступила в редакцию 09.04.2003 г.
Принята в печать 16.12.2003 г.
Реакцией н-аминомасляной кислоты с акрилоилхлоридом в водной суспензии гидроксида кальция получен новый мономер - карбокси-н-пропилакриламид. Радикальной сополимеризацией этого мономера в водных растворах синтезированы новые гидрофильные сополимеры с диметилакрилами-дом или акриламидом, которые при рН 4 и температуре ниже 27°С образуют комплексы, стабилизированные внутри- и межмолекулярными водородными связями между карбонилом и карбоксильной группой звеньев мономера. Установлено, что оптимальное комплексообразование происходит в сополимерах, имеющих в своем составе около 20 мол. % мономера. Выше 30°С комплексы разрушаются из-за ослабления водородных связей. Комплексы остаются водорастворимыми при низких температурах благодаря гидрофильному амидному фрагменту в боковой цепи карбокси-м-пропила-криламида, не участвующему в образовании водородной связи.
ВВЕДЕНИЕ
Гидрофильные полимеры представляют значительный интерес для использования в фармакологии, медицине и биотехнологии. Наряду с жесткими требованиями биосовместимости и биодеградации такие полимеры должны обладать высоким содержанием функциональных групп или активных центров, способных реагировать на воздействия окружающей среды, либо образовывать стабильные комплексы полимер-лекарство [1-3]. Широкое распространение получили исследования по комплексообразованию между ПАК и полимерами на основе акриламида и диметила-криламида (ДМА) [4,5]. Эти полимеры способны образовывать при низких температурах стабильные комплексы за счет водородных связей между карбоксильной и карбонильной группами. Однако такие комплексы нестабильны и легко разрушаются при повышении температуры. Быстрые фазовые переходы при температурных изменениях в комплексах ПАК и полиакриламида (ПАА)
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Japan Society for the Promotion of Science (грант JSPS P00169).
E-mail: [email protected], [email protected] (Искаков Ринат Маратович).
происходят также за счет резкого сдвига в гидрофильно-гидрофобном балансе. Данный эффект был использован для контролируемого высвобождения модельных лекарств при пошаговом изменении температуры среды [6, 7]. Скорость таких фазовых переходов при ассоциации гомо-полимеров усиливалась за счет так называемого механизма передачи цепи [8,9]. Комплексы сополимеров акриламида и акриловой кислоты уменьшали свою чувствительность к быстрым фазовым переходам как из-за понижения растворимости отдельных звеньев цепи, так и из-за нерегулярного расположения звеньев, препятствующих реакции передачи цепи [8]. Комплексообразование затруднялось также стерическими препятствиями, возникающими между соседними амидными и карбоксильными группами.
Основная цель настоящей работы - получение новых гидрофильных сополимеров, имеющих активные функциональные группы и способных к комплексообразованию и термоиндуцируемым фазовым переходам. В качестве сомономера для сополимеризации с акриламидом или ДМА мы использовали карбокси-н-пропилакриламид (КПА), который содержит как амидную, так и карбоксильную группы. Последняя присоединена через
пропильный остаток к амидной группе, тогда как в акриловой кислоте (АК) карбоксильная группа напрямую связана с основной цепью. Наличие такой вставки позволяет повысить мобильность и активность карбоксильной группы, в первую очередь благодаря снятию препятствий стерического характера. Как известно, ДМА является активным акцептором протонов, а его комплексы с карбоксилами сополимеров АК стабильны до 70°С, тогда как комплексы АК с акриламидом стабильны лишь до 25 °С во многом из-за нерегулярности таких ассоциатов [10]. Нами синтезированы и исследованы сополимеры КПА с ДМА (I) и КПА с акриламидом (П).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Очистку исходных веществ и растворителей проводили по известным методикам.
Спектры ЯМР 'Н регистрировали на спектрометре "Varían Unity INOVA" с рабочей частотой 400 МГц в ДМСО-с16 с использованием ТМС в качестве внутреннего стандарта.
ММ полимеров определяли с помощью ГПХ на колонке TSK gel-a-5000 ("Tosoh") при скорости элюента 1 мл/мин и температуре 40°С с использованием ПЭГ в качестве стандарта. Перед инжек-цией раствор сополимера (0.1 мг/мл) фильтровали через 0.45 мкм шприцовый фильтр (Ericrodisc 13).
Количество карбоксильных групп находили титрованием 5.0%-ного раствора сополимера в 0.1 N HCl 0.1 N раствором NaOH.
Вязкость водных растворов сополимеров (2.5%-ный раствор, 2 мл) измеряли с помощью вискозиметра "Viscomate VM-1G" в 0.05 М фталат-ном буферном растворе в интервале 18-55°С.
Оптическое пропускание растворов сополимеров записывали на спектрофотометре "UV-VIS Jasco V-530" при длине волны 500 нм в термоста-тируемой ячейке при скорости нагревания 0.1 град/мин.
Синтез КПА
Мономер получали согласно методике [11, 12], примененной для гидросукцинимидилакрилата и 6-акриламиногексиловой кислоты с модификацией для водных растворов. 40 г 4-аминомасляной кислоты растворяли в 500 мл водной суспензии,
содержащей 50 г гидроксида кальция. После охлаждения суспензии до 0°С по каплям добавляли 45 мл акрилоилхлорида и выдерживали 3 ч при данной температуре. В отфильтрованную суспензию при 0°С покапельно добавляли НС1 до рН 1.5, после чего растворяли в фильтрате 32 г ИаС1. Мономер экстрагировали из полученного водного раствора этилацетатом и выкристаллизовывали при 0°С в течение 1 суток, промывали избытком холодного этилацетата и высушивали под вакуумом. Выход мономера 31.5%, ЯМР 1Н: 5н = 1.65 (м, 2Н, СН2СН2СН2), 2.27 (м, 2Н, СН2СН2СООН), 3.15 (м, 2Н, ШСНгСНг), 5.58 (м, 1Н, СН2=СНС(0)), 6.05 (д, 2Н, СН2=СН), 8.08 (д, 1Н, СОЩ).
Синтез сополимеров
Сополимер I синтезировали радикальной со-полимеризацией мономеров в ДМФА в присутствии перекиси бензоила (24.2 мг или 0.1 ммоля) в качестве инициатора при 60°С в течение 24 ч. Сополимер выделяли переосаждением в диэтило-вый эфир, очищали трехдневным диализом в дистиллированной воде и сушили сублимацией под вакуумом.
Сополимер II получали сополимеризацией в водных растворах в присутствии персульфата аммония в качестве инициатора при 25°С в течение 50 мин. Сополимер очищали трехдневным диализом в дистиллированной воде и высушивали сублимацией под вакуумом.
Некоторые химико-физические характеристики синтезированных сополимеров приведены в таблице. Химическая структура сополимеров изображена ниже.
-~-СН2-СН~С»,-СН-~-
I "I
с=о С=0
I I
N1*2 Ш-(СН2)з-СООН где Я = Н (I) и СН3 (II).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные гомо- и сополимеры были охарактеризованы с помощью ЯМР 'Н. Полосы, соотнесенные к атомам углеродов с функциональными группами, имели удовлетворительное разрешение, что позволило определить содержание
Синтез и характеристики сополимеров на основе КПА
Сомономер Содержание КПА, мол. % Выход, % Mw х 10"5 Мп х 10"4 MJMn
исходная смесь полимер*
ДМА 0 - 38.9 1.41 7.50 1.88
10.0 9.4/9.1 31.1 1.13 6.42 1.76
12.5 10.9/10.4 27.4 1.28 6.94 1.84
14.3 12.1/11.9 29.8 1.17 6.51 1.79
16.7 14.5/12.9 25.4 1.29 6.78 1.91
20.0 17.3/16.1 23.7 1.26 6.90 1.82
25.0 21.7/19.9 23.1 1.35 6.88 1.97
50.0 40.7/- 20.4 1.12 6.12 1.83
75.0 56.7/- 19.7 1.16 6.21 1.87
Акриламид 0 - 37.3 2.12 9.55 2.22
10.0 9.1/9.3 33.5 1.78 8.44 2.11
12.5 10.2/10.0 29.6 1.84 8.76 2.10
14.3 11.9/12.1 23.2 1.91 9.36 2.04
16.7 13.9/13.6 26.7 1.65 7.53 2.19
20.0 16.4/15.9 20.8 1.62 7.50 2.16
25.0 18.6/18.2 22.9 1.88 8.51 2.21
50.0 37.4/- 15.6 1.40 6.91 2.03
75.0 51.9/- 14.7 1.24 6.23 1.99
Отсутствует 100.0 100.0 рКа = 5.85 5.6 0.72 4.31 1.67
* В числителе - определено титрованием, в знаменателе - методом ЯМР *Н.
мономерных звеньев в сополимерах. Как видно из таблицы, эти данные близки по значению к составу сополимеров, определенных методом титрования. Состав исходной композиции мономеров и сополимера практически не отличается, а реак-ционноспособность КПА незначительно ниже активности сомономеров. Вычисленные константы сополимеризации для ДМА-КПА и акрила-мид-КПА имели значения 1.25 ± 0.12 и 1.18 + 0.10, что свидетельствует о статистическом распределении звеньев в структуре сополимеров.
Как известно [4, 5], взаимодействие между карбоксильными группами ПАК и амидными группами ПДМА или ПАА играет ключевую роль в процессе комплексообразования этих го-мополимеров, обеспечивая появление в растворе ВКТР. Как уже отмечено, КПА существенно отличается от АК расположением карбоксильной группы по отношению к основной цепи. Наличие пропильного спейсера позволяет предположить, что функциональная группа КПА будет более активной в процессе комплексообразования из-за
возрастающей мобильности и понижения стери-ческих затруднений. С этой целью нами исследовано комплексообразование в синтезированных сополимерах при различных температурах методом вискозиметрии. Измерения проводили во фталатном буферном растворе (pH 4) при ионной силе 0.05 М с целью предотвращения диссоциации карбоксильных групп. На рис. 1 показано ви-скозиметрическое поведение синтезированных сополимеров при повышении температуры от 18 до 40°С. Как видно, для сополимера I происходит резкое понижение вязкости раствора при 27°С. Вязкость сополимеров при низких температурах определяется их составом и возрастает с увеличением содержания звеньев КПА в сополимере. Максимальная вязкость наблюдается для сополимера, содержащего 19.9 мае. % КПА. Однако при дальнейшем повышении содержания КПА вязкость системы уменьшается. При высоких температурах сополимеры любого состава имеют низкие вязкостные характеристики. Аналогичное поведение характерно для серии сополимеров на
Вязкость, МПа с 25
15
(а)
25
35
25
15
35
45
25
35
45 Т,°С
Рис. 1. Температурные зависимости вязкости растворов сополимеров I (а) и II (б). Содержание звеньев КПА в сополимерах 0 (/), 10.9 (2), 14.5 (3), 21.7 (4), 56.7 (5) и 100 мол. % (6). Фталатный буфер: рН 4, 0.05 моль/л. Масштаб экспериментальных точек соответствует величине погрешности.
основе КПА и акриламида. Но температура вязкостного перехода сдвигается в сторону более высоких значений при увеличении содержания звеньев КПА в сополимере. Так, при содержании КПА в сополимере в количестве 10.9 мол. % температура перехода равна 27°С, при повышении содержания КПА до 14.5 и 21.7 мол. % температура возрастает до 30 и 32°С соответственно.
Поскольку сополимер содержит как амидные, так и карбоксильные группы, то наблюдаемые явления можно объяснить их межмолекулярными взаимодействиями за счет водородных связей [13, 14]. Такие взаимодействия усиливаются при низких температурах, увеличивая вязкость системы благодаря комплексообразованию, и ослабевают с повышением температуры, что вызывает резкое понижение вязкости [15]. Очевидно, что интенсивность такого взаимодействия можно регулировать, изменяя протонную активность среды. Как известно, мочевина является сильным конкурентом за активные протоны, участвующие в образовании водородных связей [10]. Кроме того, изменение кислотности среды также сильно влияет на протонную активность при ассоциациях, связанных с такого рода взаимодействиями. На рис. 2 показано влияние концентрации мочевины и pH среды на вязкостные свойства 2.5 мае. % растворов сополимеров в температурном интервале 18-40°С. Как видно, при добавлении мочеви-
ны резко понижается вязкость растворов сополимеров при низких температурах. Так, при концентрации мочевины 0.1 М значение вязкости при 25°С резко уменьшается с 19.2 до 13.3 МПа с для сополимера I и с 29.5 до 17.4 МПа с для сополимера II. При концентрации мочевины 3 моль/л температурного перехода в растворах обоих сополимеров не наблюдается и вязкость монотонно уменьшается с повышением температуры. Очевидно также, что рост рН с 4.0 до значений выше рКа сополимеров должен понижать протонную активность соединений и их способность к водородным взаимодействиям. Вязкость сополимера I монотонно понижается с увеличением температуры при рН 7.4 в фосфатном буфере, при одинаковой ионной силе растворов (рис. 2, кривая 1). Высокое абсолютное значение вязкости растворов можно объяснить объемным расширением полимерных цепей из-за взаимного отталкивания одноименно заряженных карбоксилат-анионов. С другой стороны, сополимер II демонстрирует лишь незначительное падение вязкости в точке температурного перехода при рН 7.4 (рис. 2, кривая 2). Этот переход менее выражен, чем тот, что происходит при низких значениях рН. По-видимому, формирование водородных связей в сополимере II не ограничивается парами карбоксил—карбонил амида, характерными для сополимера I, но включает и взаимодействия типа карбонил КПА-водород
Рис. 2. Влияние содержания мочевины на температурную зависимость вязкости растворов сополимеров I (а) и II (б) при содержании звеньев КПА 14.5 мол. %. Фталатный буфер: рН 4,0.05 моль/л. I - без мочевины, 2,3 - содержание мочевины 0.1 (2) и 3 моль/л (3); 4 - растворы без мочевины при рН 7.4 (фосфатный буфер: 0.05 моль/л).
амида акриламида. Благодаря наличию дополнительных двух протонов у азота акриламида и одного активного протона у азота КПА возможны водородные взаимодействия между кислородом и азотом амидных групп в соседних звеньях сополимера. Возможный сдвиг вязкостного перехода в данном сополимере при изменении состава его со-мономеров мог являться следствием таких дополнительных взаимодействий по водородным связям (рис. 1, кривая 2). Как было отмечено ранее, ПАА способен образовывать меж- и внутриполи-
Вязкость, МПа с
[КПА], мол. %
Рис. 3. Влияние содержания звеньев КПА на вязкость растворов сополимеров I (/) и II (2) при 24°С, а также смеси гомополимеров ПКПА-ПДМА (Г) и ПКПА-ПАА (2'). Фталатный буфер: рН 4,0.05 моль/л.
мерные комплексы типа карбонил-водород амидных групп за счет образования водородных связей [5, 16]. Было показано значительное влияние меж- и внутримакромолекулярной ассоциации с водородными связями на вязкость растворов ПАА, в частности параметр Флори-Хаггинса при 20°С для ПАА был значительно выше, чем для ПДМА [5, 17]. Для синтезированных сополимеров I основной вклад в ассоциацию по водородным связям вносят только взаимодействия типа карбоксил КПА-карбонил ДМА.
Наибольшая вязкость при низких температурах достигается при содержании КПА в сополимере 21.7 и 18.6 мол. % для сополимеров I и II (рис. 3). Такое соотношение карбоксильных и амидных групп, видимо, является наиболее оптимальным для образования водородных связей. Так, максимальное взаимодействие наблюдается при эквимольном соотношении карбоксильных и амидных групп для системы ПКПА-ПДМА и при содержании ПКПА 40.0 мол. % в его комплексе с ПАА. Возможно, в этом случае происходит дополнительное макромолекулярное взаимодействие за счет водородных связей типа карбонил амида-водород амида. Тем не менее, комплексы в сополимерах существенно отличаются по составу от комплексов гомополимер-гомополимер: звенья в сополимере участвуют как в меж-, так и внутримакромолекулярных взаимодействиях. Если первый тип взаимодействий оказывает вли-
Рис. 4. Температурная зависимость оптического пропускания растворов сополимеров I (7, 2) и II (5,4), а также смеси ПАК: ПДМА =1:1 (5). Содержание звеньев КПА в сополимерах 14.5 (7,3) и 56.7 мол. % (2, 4). Фталатный буфер: рН 4, 0.05 моль/л.
яние на вязкостные характеристики растворов, то внутримакромолекулярные водородные взаимодействия такого вклада вносить не могут.
Как отмечено выше, в системах на основе ПАК-ПДМА и ПАК-ПА А ниже точки ВКТР происходит образование устойчивых гидрофобных комплексов, стабилизированных водородными связями между карбоксильными и амидными группами. При этом комплекс на основе ДМА проявляет устойчивость до 70°С, тогда как комплекс с акриламидом распадается при 23°С [10]. На рис. 4 представлены зависимости степени пропускания растворов синтезированных сополимеров от температуры; для сравнения приведена зависимость для системы ПАК-ПАА при экви-мольном соотношении компонентов. Видно, что комплексы на основе сополимеров КПА с ДМА или акриламидом, в отличие от ПАК-ПАА, оставались прозрачными в широком интервале рабочих температур, несмотря на установленное сильное комплексообразование. Слабые турбиди-метрические изменения, характерные для сополимеров с высоким содержанием звеньев КПА (выше 60 мол. %), по-видимому, были вызваны усилением гидрофобного взаимодействия в сополимере. Исходя из строения КПА и ее отличия от звена АК можно предположить, что наличие дополни-
тельной амидной группы в боковом звене КПА позволяет усилить гидрофильные свойства сополимера даже при полном участии карбоксильных групп в комплексообразовании. Такие амидные группы способны формировать вокруг себя кластеры из молекул воды, стабилизируя растворимость всего межмолекулярного комплекса в воде.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Карбокси-н-пропилакриламид проявлял высокую активность в сополимеризации с ДММА и акриламидом. Синтезированые гидрофильные сополимеры I и П образовывали меж- и внутримакромолекулярные комплексы, стабилизированные водородными связями между карбоксильной группой КПА и амидной группой ДМА или акриламида. При увеличении температуры выше 27-30°С комплексы распадались из-за ослабления взаимодействий по водородным связям. В отличие от комплексов ПАК-ПДМА и ПАК-ПАА, склонных к осаждению при низких температурах, комплексы синтезированных сополимеров не подвергали осаждению из-за наличия гидрофильной амидной группы в боковом звене КПА.
Синтезированные сополимеры имеют высокую концентрацию функциональных групп и являются перспективными материалами для водородного связывания биоактивных белковых веществ, в частности гормонов роста клеток печени [18].
Авторы признательны проф. Т. Aoyagi (Tokyo Women's Medical University) и E.A. Бектурову (Институт химических наук Министерства образования и науки Республики Казахстан) за полезные комментарии и обсуждение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Окапо Т., Yoshida R. // Biomedical Applications of
Polymeric Materials / Ed. by Tsuruta T. Boca Raton:
CRC Press, 1993.
2. Филлипова O.E. // Высокомолек. соед. С. 2000.
Т. 42. № 12. С. 2328.
3. Жубанов Б.А., Батырбеков Е.О., Искаков P.M.
Полимерные материалы с лечебным действием.
Алматы: Комплекс, 2000.
4. Кленина О.В., Фаин Э.Г. // Высокомолек. соед. А.
1981. Т. 23. №6. С. 1298.
674
HCKAKOB h «p.
5. Bae Y. H., Okano T„ Kim S. W. //J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1990. V. 28. P. 923.
6. Sasase H., Aoki T., Katono H., Sanui K., Ogata N., Oh-ta R., Okano T., Sakurai Y. // Macromol. Chem., Rapid Commun. 1992. V. 13. P. 577.
7. Yoshida /?., Kaneko Y„ Sakai K„ Okano T., Sakurai Y„ Bae Y.H., Kim S.W. // J. Control. Rel. 1994. V. 32. P. 97.
8. Katono H„ Sanui K., Ogata N., Okano T., Sakurai Y. // Polym. J. 1991. V. 23. № 10. P. 1179.
9. Katono H., Maruyama A., Sanui K., Ogata N.. Okano T. // J. Control. Rel. 1991. V. 16. P. 215.
10. Aoki T., Kawashima M., Katono H., Sanui K., Ogata N.. Okano T„ Sakurai Y. // Macromolecules. 1994. V. 27. № 4. P. 947.
11. Schnaar RL., Weigel P.H., Roseman S., Lee Y.C. // Meth. Enzymol. 1982. V. 83. P. 306.
12. Ruckling D., Adler H.-J.P., Arndt K.-F., Ling L„ Ha-bicher W.D. // Macromol. Chem. Phys. 2000. V. 201. P. 273.
13. Abe K., Koide M., Tsushida E. // Macromolecules. 1977. V. 10. P. 1259.
14. Osada Y. // J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 1979. V. 17. P. 3485.
15. Painter P.C., Graf G., Coleman M.M. // J. Chem. Phys. 1979. V. 92. P. 6166.
16. Day J.C., Robb I.D. // Polymer. 1981. V. 22. P. 1530.
17. Silberberg A., EliassafJ., Katchalsky AJ. // J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed. 1957. V. 23. P. 259.
18. IskakovR„ KikuchiA., Okano T. //J. Control. Rel. 2002. V. 80. P. 57.
Synthesis and Properties of New Hydrophilic Copolymers Based on Carboxy-w-Propylacrylamide
R. M. Iskakov*, E. O. Batyrbekov*, B. A. Zhubanov*, A. Kikuchi**, and T. Okano**
*Bekturov Institute of Chemical Sciences, Academy of Sciences of Kazakhstan,
ul. Ch. Valikhanova 106, Almaty, 480100 Kazakhstan **Institute of Biomedical Engineering, Tokyo Womens' s Medical University, Kawadacho 8-1, Shinjuki, 162-8666, Tokyo, Japan
Abstract—A new monomer, carboxy-n-propylacrylamide, was obtained by the reaction of n-aminobutyric acid with acryloyl chloride in an aqueous suspension of calcium hydroxide. The free-radical copolymerization of this monomer with dimethylacrylamide or acrylamide in aqueous solutions afforded new hydrophilic copolymers which at pH 4 and temperatures below 27°C give rise to complexes stabilized by intra- and intermolecular hydrogen bonds involving carbonyl and carboxyl groups of monomer units. It was shown that the optimum complexation takes place in copolymers containing ~20 mol % of the monomer units. Above 30°C, these complexes dissociate due to weakening of hydrogen bonds. Complexes remain water-soluble at lower temperatures since a hydrophilic amide fragment occurring in the side chain of carboxy-n-propylacrylamide is not involved in hydrogen bonding.
