Сополимеры N-метил-N-винилацетамида с n,n-диметили n,n-диэтиламиноэтилметакрилатами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

эмульсионными системами. Показано, что в смачивании поверхности основная роль принадлежит дисперсионной среде эмульсии. Предположено, что при взаимодействии этих систем с полимерной подложкой происходит частичная адсорбция молекул ПАВ на границе эмульсия/полимер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sagalowich L., Guillot S., Acquistapace S. // Langmuir. 2013. V. 29. P. 8222-8232.

2. Gosenca M., Beter-Rogac M., Gaperlin M. // European Journal of Pharmaceutical Sciences. 2013. V. 50. P. 114-122.

3. Santosa O., Moraisb J., Andradebc F., Aguiara T., Rocha Filhobc P. // Journal of Dispersion Science and Technology. 2011. V. 32. N 3. P. 433-438.

4. Radomska-Soukharev A., Wojciechowska J. // Acta Polo-niae Pharmaceutica Drug Research. 2005. V. 62. N 6. P. 465-471.

5. Jha S., Dey S., Karki R. // Asian Journal of Biomedical and Pharmaceutical Sciences. 2011. V. 1. P. 5-9.

6. Solmaz M. // Journal of Nanostructure in chemistry. 2013. N3. P. 59-65.

7. Матвеенко B.H. // Коллоидный журнал. 1993. Т. 6. С. 60-69;

Matveenko V.N. // Kolloidny zhurnal. 1993. V. 6. P. 60-69 (in Russian).

8. Тихонова T.B. // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 11. С. 24-31;

Tikhonova T.V. // Butlerovskiye soobshcheniya. 2012. V. 11. P. 24-31 (in Russian).

9. Глухова T.B. // Коллоидный журнал. 2005. Т. 3. С. 328332;

Glukhova T.V. // Kolloidny zhurnal. 2005. V. 3. C. 328-332 (in Russian).

10. Saha R., Rakshit S., Mitra R., Pal S. // Langmuir. 2012. N 28.

P. 8309-8317.

11. Szymczyk k., Zdziennicka A., Krawczyk J., Janczuk B. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2012. V. 402. P. 132-138.

12. Saffarinia B., Mansoorb B., Thomasa R., Hassan A. // Arafata Journal of Membrane Science. 2013. V. 429. P. 282-294.

Кафедра физической и коллоидной химии

УДК 541.64 : 547.33

Ю.И. Золотова, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, A.B. Добродумов, Е.В. Диденко, Е.Ф. Панарин*

СОПОЛИМЕРЫ N-METHJI-N-ВИНИЛАЦЕТАМИДА С 1Ч,1Ч-ДИМЕТИЛ-И1Ч,]Ч-ДИЭТИЛАМИНОЭТИЛМЕТАКРИЛАТАМИ

(Институт высокомолекулярных соединений РАН, *Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) e-mail: [email protected]

Методом радикальной сополимеризации синтезированы новые сополимеры N-виниламида с открытой цепью 1Ч-метил-1Ч-винилацетамида с аминоэтилметакрила-тами — 14,14-диметиламиноэтилметакрилатом и 14,14-диэтиламиноэтилметакрилатом разного состава и молекулярных масс. Методом потенциометрического титрования показано, что конформационные состояния макромолекул различаются. Сополимеры более гидрофобного 14,14-диэтиламиноэтилметакрилата при низких степенях протони-рования аминогрупп в водных растворах образуют гидрофобные домены.

Ключевые слова: аминоэтилметакрилаты, гидрофобность, Ы-мстил-Ы-винилацстамид. радикальная полимеризация, структурообразование

ВВЕДЕНИЕ

Поли-Ы-виниламиды на основе циклических Ы-виниламидов (поли-Ы-винилпирролидон и поли-Ы-винилкапролактам) являются хорошо изученными полимерами и широко используются в фармацевтике, медицине и биотехнологии [1]. Полимеры Ы-виниламидов жирных кислот, в ча-

стности Ы-винилацстамида (МВАА), мало изучены, несмотря на то, что они хорошо растворимы в воде, нетоксичны и проявляют собственную биологическую активность [1,2]. Так, гомополимер МВАА (поли-МВАА), привитый на поверхности искусственных кровеносных сосудов, обеспечивает существенное улучшение их гемосовместимо-

сти [3]. Такие полимеры интересны как новые потенциальные носители различных биологически активных веществ. Вместе с тем, в связи с отсутствием реакционноспособных функциональных групп, требуется их введение в структуру поли-МВАА. В литературе имеются работы по синтезу

методом радикальной сополимеризации сополи-

-

латом и другими сомономерами [4,5]. Реакциями в цепях синтезированы поликатионы с содержанием звеньев Ы-мстил-Ы-виниламина до 40-50 мол.%, которые удается получить лишь удалением защитной ацетильной группы кислотным гидролизом в жестких условиях [6]. Поэтому несомненный интерес представляет синтез аминосодержа-щих полимеров-носителей на основе МВАА в более мягких условиях - методом радикальной сополимеризации.

Данная работа посвящена синтезу сополимеров МВАА с N.N-димстиламиноэтилмстакри-латом (ДМАЭМ) и N.N-диэтиламиноэтилмстакри-латом (ДЭАЭМ), содержащих третичную аминогруппу, и исследованию их физико-химических свойств.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Использовали МВАА, ДМАЭМ, ДЭАЭМ, динитрил азобисизомасляной кислоты (ДАК), ди-метилформамид (ДМФА) фирмы "Aldrich" (Германия). Мономеры перегоняли в вакууме, ДМФА очищали по методике [7]. ДАК дважды перекристаллизован из спирта. Характеристики всех веществ соответствовали литературным значениям.

Радикальную сополимеризацию МВАА с ДМАЭМ или ДЭАЭМ осуществляли в продутых аргоном запаянных ампулах в растворе ДМФА или в массе в присутствии ДАК при температуре 60°С. Полученный полимер очищали от низкомолекулярных примесей диализом против воды. Использовали диализные мембраны Spectra/Por 7 фирмы "Spectrum Lab. Inc." (США), позволяющие удалять соединения с молекулярной массой (ММ)<1000. Полимеры выделяли лиофильной сушкой.

Характеристическую вязкость сополимеров определяли при 25°С в 0.2 M растворе NaCl.

Состав сополимеров (содержание звеньев ДМАЭМ или ДЭАЭМ) анализировали по данным потенциометрического титрования (ПТ). В качестве растворителя использовали водный раствор 0.1 N NaCl+0.1 N HCl, а в качестве титранта - раствор 0.1 N NaOH. Степень протонирования аминогрупп сополимера а рассчитывали из соотношения количества добавленного 0.1 N NaOH в данной точке к общему количеству щелочи, по-

шедшему на титрование всех групп сополимера.

1Н ЯМР спектры снимали в D20 на спектрометре AVANCE-400 фирмы Bruker при комнатной температуре.

Кинетику радикальной (со)полимеризации изучали дилатометрическим методом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

МВАА с

Радикальная сополимеризация

аминоакрплатами протекает по схеме:

CH3 I 3

m H2C—CH

+

H3C

I

N I

o=c

I

CH3

R'

I

c=o I

0

1

CH2 I 2 CH2 I 2

R

xH^U^Ä

iC ClmrC CTn

H3C

rm

N I

o=c

I

CH3

R

C I

c=o I

0

1

CH2 I 2 CH2 I 2

Где R=CH3, C2H5

В табл.1 приведены значения начальных скоростей (со)полимеризации (V0) при исходной концентрации мономеров в смеси 0.9 моль/л и концентрации инициатора 0.03 моль/л. Найдено, что Vo гомополимеризации МВАА значительно ниже V0 гомополимеризации ДМАЭМ и ДЭАЭМ - примерно в 5 и 4 раза соответственно. Значения начальных скоростей сополимеризации имеют величину, промежуточную между значениями, найденными для гомополимеризации сомономеров, уменьшаясь с увеличением содержания в исходной мономерной смеси доли МВАА (таблица). При изменении исходного соотношения [МВАА]:[амино-акрилат] от 90:10 до 10:90 мол.% выход сополимеров за 3 ч сополимеризации возрастает с 20 до 60 %.

Таблица

Значения начальных скоростей (со)полимеризации. V0[M1+M2]=0.9 мол./л, [ДИНИЗ]=0.03 мол./л, ДМФА, 60 °С. Mi — МВАА, М2 - диалкиламинометакрилат

Table. Values of initial rates of copolymerization. Vo[Ml+M2]=0.9 mol/1, [DINIZ]=0.03 mol/1, DMSO, 60 °C. Ml - MVAA, M2 - dialkylaminoethylmethacrylate

мол.% Vo'104, моль/л-сек

ДМАЭМ ДЭАЭМ

100 : 0 0.16 0.16

90 10 0.42 0.42

70 30 0.60 0.62

50 50 0.66 0.63

30 70 0.66 0.67

10 90 0.75 0.70

0 : 100 0.82 0.72

Через 24 ч выход всех сополимеров составлял 80-90 %, а их состав был близок к составу исходной смеси мономеров. Изменение концентрации мономеров и инициатора в исходной смеси позволяет в широких пределах варьировать значение характеристической вязкости [1]] полученных полимеров. Так для сополимеров МВАА-ДМАЭМ при исходном соотношении мономеров [МВАА]: :[ДМАЭМ]=90:10 мол.% полученные полимеры содержали 7-10 мол.% звеньев ДМАЭМ. При этом, в случае проведения процесса сополимеризации в массе и использовании 0.2 мол.% инициатора от суммы мономеров, значение [11] составляло 2.2 дл/г, а в случае проведения процесса в растворе ДМФА при концентрации мономеров 0.7 моль/л и концентрации инициатора 4 мол.% от суммы мономеров (0.03 моль/л) — [т|]=0.09 дл/г. Оценка ММ этих сополимеров, проведенная с использованием уравнения Марка—Куна—Хаувинка, найденного для гомополимера МВАА [8], показала, что таким значениям [т)] соответствуют ММ= =520000 и 7000 соответственно.

Все синтезированные сополимеры МВАА-ДМАЭМ растворимы в воде. Растворимость сополимеров МВАА-ДЭАЭМ ухудшается с увеличением содержания в сополимере звеньев ДЭАЭМ, а сополимеры, содержащие >20 мол.% ДЭАЭМ в воде не растворимы.

На рис. 1а представлены 'Н ЯМР спектры гомополимеров МВАА, ДМАЭМ и их сополимера состава [МВАА]:[ДМАЭМ]=60:40 мол.%. В спектре гомополимера МВАА присутствуют сигналы протонов групп СН2, СН3-СО, СН3-Ы и СН при 1.3-1.7, 1.8-2.2, 2.6-3.0 и 4-4.5 м.д., соответственно, а в спектре гомополимера ДМАЭМ - полосы протонов групп СНз-С, СН2, (СНз)2М СН2-Ы: СН2-СОО при 0.8-1.2, 1.7-2.2, 2.3, 2.7, 4.2 м.д. Как можно видеть, в спектре сополимера наблюдаются все сигналы, присутствующие в спектрах обоих гомополимеров. При этом в области 0.8-1.3 м.д. сигналы СНз-группы при четвертичном атоме углерода звена ДМАЭМ расщеплены на большее число компонент, поскольку на химические сдвиги протонов СНз-группы влияет не только стерео-изомерия, обусловленная различным пространственным расположением СОО-группы, но и наличие соседних звеньев МВАА. Особенно хорошо это видно при сравнении двумерных корреляционных спектров 'Н-'С (Н8<ЗС) гомополимера ДМАЭМ и сополимера (рис. 16). Из интегральных интенсивностей сигналов СНз-групп звеньев ДМАЭМ в составе гомо- и гетеротриад в двумерном спектре Н8(^С сополимера была рассчитана средняя длина участков, построенных только из звеньев ДМАЭМ (средняя длина блока ДМАЭМ).

Она оказалась равной примерно 2 звеньям, что подтверждает образование статистического сополимера.

Рис. 1. а- 'Н-ЯМР спектры гомополимеров МВАА (1), ДМАЭМ (2) и сополимера МВАА-ДМАЭМ состава 60:40 мол. 0 о (3), б - двумерный корреляционный спектр 'Н-13С (HSQC) сигналов группы СН3 при четвертичном атоме углерода звена ДМАЭМ в гомополимере ДМАЭМ (2) и сополимере МВАА-ДМАЭМ состава 60:40 мол. 0 о (3) Fig. 1. а - 'H-NMR spectra of homopolymers MVAA (1), DMAEM (2) and copolymer MVAA-DMAEM of 60:40 mol. °b composition; б - two dimension correlation spectrum of 'Н-13С (HSQC) signals of CH3 group of quaternary carbon atom of DMAEM unit in DMAEM homopolymer (2) and in MVAA-DMAEM copolymer (60:40 mol. % composition)

Известно, что полимеры ДМАЭМ и ДЭАЭМ являются рН-чувствительными, и это представляет интерес для создания полимеров-носителей биологически активных веществ, целевые свойства которых могут проявляться при определенных значениях рН [9,10]. Для оценки кислотно-основных свойств синтезированных сополимеров был проведен анализ их кривых потен-циометрического титрования (ПТ) в координатах рКакаж сопряженной кислоты от степени протежирования аминогрупп а. Для слабых полиэлектролитов кривые ПТ описываются уравнением Хен-дерсона-Хассельбаха: pH=pKaKax±lg(a/l-a), где рК,аяг рК,, Ар К. где рК0 — константа ионизации группы в изолированном состоянии, АрК= =2.3IgRTAGm характеризует изменение энергии электростатического взаимодействия между заряженными группами цепи и протоном при увеличении заряда на цепи [11].

На рис. 2 приведены полученные кривые ПТ. Для сополимеров МВАА-ДМАЭМ (рис. 2а) кривые имеют вид, типичный для кривых ПТ слабых полиоснований, протонирование которых сопровождается набуханием макромолекулярного клубка за счет электростатического отталкивания [12].

каж

а

каж

Рис. 2. Кривые ПТ в координатахрКакаж (а), а) Сополимеры МВАА-ДМАЭМ с содержанием звеньев ДМАЭМ 50.4 (1) и 93.0 мол% (2), б) Сополимеры МВАА-ДМАЭМ ДЭАЭМ 9.8

(1), 69.8 мол.% (2) и гомополимера ДЭАЭМ (3) Fig. 2. Titration curves of a) MVAA-DMAEM copolymers with

composition of 49.6:50.4 (1) and 7.0:93.0 (2); 6) MVAA-DEAEM copolymers: 90.2:9.8 (1), 30.2:69.8 (2) and DEAEM homopolymer (3)

Замена метильных групп на этильные приводит к существенному изменению вида зависимости рКакаж(а) (рис. 26). В отличие от сополимеров МВАА-ДМАЭМ, для сополимеров МВАА-ДЭАЭМ вид кривых ПТ существенно зависит от состава сополимера, и для сополимеров с содержанием звеньев ДЭАЭМ > 60 мол.% при степенях протонирования от 0 до 0.5 значения рКакаж монотонно возрастают. Подобный аномальный ход кривых ПТ ранее наблюдали в работах [13,14] для

блоксополимеров полиэтиленгликоль-ДЭАЭМ, что, по мнению авторов, связано с формированием мицеллоподобных структур. Возможно, аномальный ход кривых ПТ сополимеров МВАА-ДЭАЭМ с высоким содержанием ДЭАЭМ звеньев также обусловлен особенностями внутримолекулярных взаимодействий в макромолекулах этих полимеров. При низких степенях протонирования аминогрупп гидрофобные взаимодействия этиль-ных групп звеньев ДЭАЭМ, вероятно, приводят к формированию гидрофобных доменов, и в результате аминогруппы оказываются внутри неполярной полости с низкой диэлектрической постоянной. Известно, что основность низкомолекулярных оснований снижается с уменьшением величины диэлектрической постоянной растворителя. Так, например, для диметиланилина при переходе от воды к смеси, содержащей 60 % этанола, рКа снижается на 1.5 единицы [15].

При титровании происходит увеличение заряда макромолекулы, и электростатическое отталкивание аминогрупп начинает превалировать над гидрофобным взаимодействием неполярных групп. Происходит разворачивание макромолекул, в результате аминогруппы экспонируются в водный раствор и оказываются в более полярном ок-

тг каж

ружении, в результате значения рка возрастают.

ВЫВОДЫ

Методом радикальной сополимеризации синтезированы новые гидрофильные сополимеры Ы-мстил-Ы-винилацстамида с N.N-димстиламино-этилметакрилатом и К,]Ч-диэтиламиноэтил-метакрилатом, содержащие от 5 до 95 мол.% третичных аминогрупп, с характеристической вязкостью в интервале 0.07-2.2 дл/г.

Выявлены различия в характере кривых потенциометрического титрования и показано, что кислотно-основные свойства сополимеров зависят от природы алкильных заместителей у атома азота, содержания третичных аминогрупп и степени их протонирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кирш Ю. Э. Поли-Ы-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды. М.: Наука. 1998. 252 е.;

Kirsh Yu. E. Poly(N-vinylpyrrolidone) and others N-vi-nylamides. M.: Nauka. 1998. 252 p. (in Russian).

2. Панарин Е.Ф., Нестерова H.A., Гаврилова H.H., Иванова Н.П., Белохвостова А.Т., Потапенкова Л.С. // Хим.-фарм. ж. 2011. Т. 44. № 10. С. 7-8;

Panarin T.F., Nesterova N.A., Gavrilova I.I., Ivanova N.P., Belokhvostova A.T., Potapenkova L.S. // Pharma-ceut. Chem J. 2011. V. 44. N 10. P. 528-529.

3. Jansen B., Steinhauser H., Prohaska W. // Angew. Makromol. Chem 1988. B. 164. N 1. P. 115-124.

4. Buys H.C.W.M., VercauterenF.F., van Elven A., Tinnemans H.A. // Rec. Trav. Chim. Pays-Bas. 1989. V. 108. N 4. P. 123-127.

5. Кириченко Д.В., Изволенский B.R, Семчиков Ю.Д // Высокомолек. соед. Б. 1995. Т. 37. № 11. С. 1953-1957; Kirichenko D.V., Izvolenskiy V.V., Semchikov Yu. D. // Polym Sci. Ser. B. 1995. V. 37. N 11-12. P. 526-529.

6. Гаврилова И.И., Панарин Е.Ф., Нестерова H.A. // Журн. приклады, хим. 2012. Т. 85. № 3. С. 440-444; Gavrilova I.I., Panarin E.F., Nesterona N.A. // Russ. J. Appl. Chem. 2012. V. 85. N 3. P. 413-416.

7. Кейл Б. (ред.). Лабораторная техника органической химии. М.: Мир. 1966. 751 е.;

Keil B. Laboratory Technics of Organic Chemistry. M.: Mir. 1966. 751 p. (in Russian).

8. Balamuralidhara V., Pramodkumai T.V., Srujana N., Venkatech M.P., Gupta N.V., Krishna K.L., Ganagaha-rappa H.V. // Amer. J. Drug Discovery Development. 2011. V. 1. N 1. P. 24-81.

9. Huh K.M., Kang H. Ch., Lee Y.J., Bae Y.H. // Macromol. Res. 2012. V. 20. N 3. P. 224-233.

10. Павлов Г.М, Окатова O.B., Михайлова H.B., Ульянова Н.Н., Гаврилова И.И., Панарин Е.Ф. // Высокомолек. соед. А. 2010. Т. 52. С. № 7. С. 1296-1303; Pavlov G.M., Okatova O.V., Mikhaiylova N.V., Ulyanova N.N., Gavrilova I.I., Panarin E.F. // Vysokomolekulyarnye Soedineniya. Ser. A. 2010. V. 52. N 7. P. 1296-1303 (in Russian).

11. Leyte J.C., Mandel M. // J. Polym. Sci. A. 1964. V. 2. N 4. P. 1879-1891.

12. Альберт А., Сержент E. Константы ионизации кислот и оснований. М.-Л.: Химия. 1964. 179 е.;

Albert A., Sergeant E.P. Ionization Constatnts of Acids and Bases. New York: Wiley. 1962. 151 p.

13. He E., Ravi P., Tam K.C. // Langmuir. 2007. V. 23. N 5. P. 2382-2388.

14. Dufresne M.H., Leroux J.C. // Pharmaceutical Res. V. 21. N l.P. 160-169.

15. Моравец Г. Макромолекулы в растворе. М.: Мир. 1967. 398 е.;

Morawetz H. Macromolecules in Solution. New York: J. Wiley and Sons. 1965. 360 p.