CC BY
16ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2000, том 42, № 5, с. 775-780
СТРУКТУРА
УДК 541.64:539.2
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ ß-ЦИКЛОДЕКСТРИНА С ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
© 2000 г. Т. И. Давиденко
Физико-химический институт им. A.B. Богатского Национальной академии наук Украины 270080 Одесса, ул. Люстдорфская дорога, 86
Поступила в редакцию 31.05.99 г. Принята в печать 02.11.99 г.
При взаимодействии ß-циклодекстрина и ПАВ, таких как моноалкиловые эфиры ПЭГ, ТРИТОН Х-100, ТВИН-80, оксиэтилированые жирные кислоты (олеоксы и стеароксы), получены новые комплексы. На основании данных термогравиметрии, спектроскопии ИК, ЯМР 'Н и ЯМР13С сделан вывод об образовании между компонентами соединений включения. Комплексы формируются за счет гидрофобных взаимодействий внутренней полости ß-циклодекстрина и поверхностно-активных соединений.
Несмотря на то, что способность Р-циклодекс-трина ф-ЦД) образовывать комплексы с различными химическими соединениями путем гидрофобных взаимодействий известна [1, 2], практически отсутствуют данные о взаимодействии Р-ЦД с высокомолекулярными соединениями [3, 4]. Обнаружено, что Р-ЦД и у-ЦД образуют комплексы с полипропиленгликолем различной ММ с высоким выходом, в которых фиксация одной полимерной молекулы "гостя" проходит с участием нескольких молекул р-ЦД [3]. При этом комплексы образуются только в том случае, когда ММ полипропиленгликолей превышает 400. Ни с пропиленгликолем, равно как ни с ди- и трипро-пиленгликолем, комплексы не образуются. При взаимодействии Р-ЦД и блок-сополимеров оксида этилена и оксида пропилена (проксанолов), различающихся составом, ММ, числом и взаимным расположением блоков в молекуле, получены кристаллические комплексы, причем в ком-плексообразовании участвует только полипропи-леноксидный блок проксалона, а на каждые два звена оксида пропилена приходится одна молекула р-ЦД [4, 5].
Поскольку такие взаимодействия высокомолекулярных соединений с Р-ЦД позволяют в широком диапазоне изменять их свойства, в настоящей работе изучено образование соединений включения с ПАВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали ПАВ, предоставленные фирмой "Барва" (Ивано-Франковск) и опытным заводом НИОПИК, содержание основного вещества, определенное согласно методике [6], составляло 99%.
ПАВ служили следующие соединения:
- моноалкиловые эфиры ПЭГ:
1) ОС-20- С„НЪ + ,0(С2Н40)тН, где и = 14^18, т = 2;
2) моноалкил додециловый эфир ПЭГ -С12Н250(С2Н40)12Н;
3) ОС-20 - С18Н37О(С2Н4О)20Н;
4) ОЦС-21 - С„Н2п + 10(С2Н40)тН, где п = 16-18, т = 21;
- моноалкилфениловые эфиры ПЭГ:
5) СвН^С^ОСС^ОнН;
6) СвН^СДОССДОЬоН;
7) ТРИХОН Х-100 -
СН3
(СН3)3ССН2-С^С6Н4(С2Н40)тН,
I
СН3
где т = 9-10;
- полиэтиленгликолевые эфиры сложных эфи-ров жирных кислот и многоатомных спиртов:
.О^СН2СООС,7Нзз
8) ТВИН-80 - Н(ОС2Н4)лО">^он
0(С2Н40)тН
где п + т = 20;
- оксиэтилированные жирные кислоты:
9) ОЛЕОКС-5 - С17Н33СОО(С2Н40)тН, где т = 5;
10) ОЛЕОКС-7 - С17Н33С00(С2Н40)тН, где т = 7;
11) СТЕАРОКС-6 - С17Н33С00(С2Н40)тН, где т = 6;
12) СТЕАРОКС-20 - С17Н33С00(С2Н40)тН, где т = 20.
Комплексы Р-ЦД и ПАВ получали сливанием их водных растворов. Температуру плавления комплексов определяли, используя столик Коф-лера. ИК-спектры записывали на спектрометре "8ресогс1 111-75".
Термогравиметрический анализ проводили на, дериватографе (}-1500 Ю (Венгрия), нагревая образец со скоростью 10 град/мин в платиновом тигле. В качестве эталона использовали оксид алюминия. Для устранения процессов окислительной деструкции образцы 2 ч продували гелием. Оценивали потерю массы, тепловые эффекты.
Спектры ПМР регистрировали на спектрометре СХР-200 (рабочая частота 200 МГц) относительно внутреннего стандарта 4,4'-диметил-4-силапентан-сульфоната натрия (ДСС) в растворе 020.
Спектры ЯМР 13С{ 'С} получали в режиме преобразования Фурье с селективным подавлением спин-спинового взаимодействия с протонами на спектрометре "Вгикег АМ-250" при рабочей частоте 62.896 МГц в растворе ДМСО-<16. Ширина импульса составляла 16 мкс, время прослушивания отклика 1.3 с, задержка между импульсами 4 с (для полной релаксации ядер 13С), число накоплений 900. Стабилизацию осуществляли на ядрах дейтерия ДМСО-ё6. Хим. сдвиги отсчитывали с погрешностью +0.01 м. д. от сигнала растворителя и пересчитывали к тетраметилсилану. Температуру в датчике спектрометра устанавливали и поддерживали с точностью ±0.5 К.
Время спин-решеточной релаксации Тх ядер ЯМР 13С изменяли методом инверсии восстановления, используя импульсную последовательность Т- 180 - х - 90°. Величины т варьировали от 0.2 с до Г, а Г выбирали равным 4 х 7\ для полной релаксации ядер. Значения Г, рассчитывали по
уравнению AJAt = 2А„ехр(-т/Т,), где - предельное значение Ах при самом длительном интервале между 180- и 90-градусными импульсами; Ах - амплитуда индуцированного сигнала после 90-градусного импульса. Расчет проводили на процессоре "Aspekt-3000" спектрометра. Относительная погрешность изменения Т, не превышала 5%.
Пихтовое масло и борнилацетат анализировали на хроматографе JIXM-72 (колонка 2 м). В качестве неподвижной фазы использовали SE-30 на "Chromaton-N-AW-DMCS". Программирование температуры колонки от 100 до 200°С, объем пробы 2 мкл, газ-носитель гелий. Количественное определение компонентов пихтового масла проводили методом внутренней нормализации [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Во всех изученых соединениях включения полимерная цепь выполняет роль "гостя", фиксация которого происходит с помощью "хозяина" - Р-ЦД. Упаковка этих фрагментов может осуществляться с помощью дополнительных межмолекулярных контактов, осуществляемых за счет образования водородных связей между полиэтиленоксидным блоком и гидроксильными группами р-ЦД.
Действительно, при смешении водных растворов всех изученных ПАВ (кроме ОС-2) и р-ЦД наблюдалось выпадение белого осадка. Полученные комплексы представляют собой ограниченно растворимые в воде и в органических растворителях однородные вещества. При нагревании их не наблюдается полного растворения. Температуры плавления комплексов лежат между температурами плавления компонентов (табл. 1).
Образование комплексов на основе р-ЦД с ПАВ подтверждено данными термогравиметрии: при анализе полученных термограмм были обнаружены отличия характеристик ДТА продуктов взаимодействия Р-ЦД с оксиэтилированными спиртами от характеристик ДТА исходных соединений (табл. 2).
На дериватограммах продуктов взаимодействия отсутствуют эндотермические (74-110; 270-273; 355-385°С) и экзотермические эффекты (287-310; 300-320; 385-400°С); появляются также экзотермические пики (135-184; 271-310; 362-490°С) при постоянном снижении массы образца, начиная с 135°С, что свидетельствует об образовании комплекса р-ЦД с ПАВ.
С целью качественного анализа характера полученных комплексов были проведены измере-
Таблица 1. Температура плавления комплексов ПАВ ср-ЦД
Таблица 2. Дериватографический Р-ЦД и ПАВ
анализ комплексов
Образец Т °С 1 шт> ^
Р-ЦД 280
ОС-20 60
Р-ЦД + ОС-20 220
ОЦС-21 37
Р-ЦД + ОЦС-21 265
р-ЦД + ОЛЕОКС-5 223
Р-ЦД + ОЛЕОКС-7 230
Р-ЦД + СТЕАРОКС-6 240
р-ЦД + СТЕАРОКС-20 250
р-ЦД + ТВИН-80 270
р-ЦД + ТРИТОН Х-100 270
ния ИК-спектров Р-ЦД соответствующих ПАВ и их комплексов.
Относительную оптическую плотность D/D0 рассчитывали с использованием внутреннего стандарта - оптической плотности D0 полос 1460 и 3330 см"1.
Значения D для полос 1030, 1140 (поглощение связи С-О, О-С) составляют 2.4,0; 1.2,1.18; 0,1.2; для полосы 2900 см"1 - 0.56, 1.4, 1.1 для р-ЦД, ОС-20, комплекса Р-ЦД с ОС-20 соответственно позволяют предположить снижение количества свободных гидроксильных групп вследствие реализации внутри и межмолекулярных водородных связей.
На основании имеющихся данных нельзя корректно сделать заключение о составе комплексов. Однако на их выход, как следует из данных табл. 3, влияет мольное соотношение исходных компонентов; наиболее оптимальным является соотношение Р"ЦД:ПАВ = 1 : (0.8-1.0), причем для разных ПАВ выход комплексов существенно различается.
Из данных спектров ПМР (табл. 4) следует, что добавление Р-ЦД к ПАВ (ОС-20 и ОСЦ-21) вызывает сдвиг протонов метиленовых групп ОС-20 и ОЦС-21 в сторону сильного поля. Это свидетельствует об образовании комплексов включения, сопровождающихся переходом ОС-20
Образец Интервал температур Эффект Потери массы, мг
74-110-48 Эндо 19.3
Р-ЦД 270-273-287 287-310-326 » Экзо 50.5 87.0
448-453-461 » 111.0
34—45-88 Эндо 2.0
110-122-145 » 8.0
ОС-20 289-320-340 355-385-400 Экзо Эндо 100.0 183.0
400-407-422 » 190.0
422-479 Экзо 195.0
28-37-48 Эндо -
200-257-287 Экзо 51.0
ОСЦ-21 305-353-370 380-386-397 » Эндо 145.0 176.0
397-406-418 Экзо 188.0
418-465-494 » 196.0
35-45-60 Эндо 2.0
р-ЦД + ОС-20 135-184-225 271-310-340 Экзо » 33.0 84.6
362-490 » 110.0
24-32-55 Эндо 0.4
250-265-278 Экзо 41.0
Р-ЦД + ОЦС-21 265-278-292 304-340-361 361-385-395 453-480 Эндо Экзо » » 59.0 98.0 113.0 128.0
179-200-232 » 19.5
р-ЦД + ТВИН-80 310-331-362 362-483 » » 90.0 113.0
147-176-202 » 13.0
Р-ЦД + ОЛЕОКС-7 287-338-375 440-461-479 » » 86.0 114.0
р-цц + ТРИТОН 272-291-309 Эндо 42.0
Х-100 435-475 Экзо 73.0
Таблица 3. Выход комплексов р-ЦД с ПАВ при их различном соотношении
Таблица 4. Изменение хим. сдвигов в системе ПАВ-р-ЦД
ПАВ Мольное соотношение Р-ЦД: ПАВ Выход, %
1 :0.1 42
1 :0.2 46
1 :0.4 57
1 :0.6 61
ОС-20 1 :0.8 73
1 : 1.0 82
1 : 1.2 60
1 : 1.4 56
1 : 1.6 43
1 :0.1 22
1 :0.2 43
1 :0.4 62
1 :0.6 73
ОСЦ-21 1 :0.8 90
1: 1.0 95
1 : 1.2 84
1 : 1.4 63
1 : 1.6 41
1:0.1 8
1 :0.2 11
1 :0.4 21
1 :0.6 34
ТРИТОН Х-100 1:0.8 43
1 : 1.0 46
1 : 1.2 32
1 : 1.4 23
1 : 1.6 20
1 :0.1 7
1 :0.2 11
1:0.4 20
1 :0.6 33
Твин-80 1 :0.8 48
1: 1.0 54
1 : 1.2 46
1 : 1.4 20
1 : 1.6 9
Образец Мольное соотношение Р-ЦД: ПАВ 5(м. д.) для -сн2ч-с2н4о) (относительно ДСС)
ОС-20 - 3.74
ОЦС-21 - 3.74
р-ЦД-ОС-20 1 0.1 3.63
1 0.8 3.63
1 1.0 3.63
1 1.2 3.63
1 1.6 3.68
р-ЦД-ОЦС-21 1 0.1 3.64
1 1.0 3.64
1 1.6 3.68
и ОЦС-21 в среду с более низкой полярностью, как и в работе [5] для проксанолов.
Увеличение содержания Р-ЦД в системе приводит к уменьшению величин хим. сдвигов сигналов протонов метиленовых групп, достигающих постоянных значений в интервале соотношений Р-ЦД : ПАВ = (1 : 0.1Н1 : 1), что также свидетельствует об образовании комплексов между Р-ЦД и ПАВ.
Одним из факторов, определяющих характер взаимодействия р-ЦД с молекулами гостя, является возможность реализации гидрофобных взаимодействий между внутренней полостью Р-ЦД и лигандом. В нашей системе этот процесс должен сопровождаться удалением молекул воды из внутренней полости р-ЦД и дегидратацией молекулы полимерного "гостя". Изменения в состоянии ОС-20, происходящие при добавлении р-ЦД и регистрируемые ПМР-спектрами, указывают на дегидратацию ОС-20.
В табл. 5 приведены значения хим. сдвигов ядер 13С растворов р-ЦД и его комплекса с ОС-20 в ДМСО-с^ при комнатной температуре. Отнесение сигналов проведено на основании спектров а-глюкопиранозы [8]
СН2ОН 0
(л = 7)
а-Глюкопиранозное звено Р-ЦД
Для тех ядер углерода, для которых в литературе отсутствуют данные о хим. сдвигах, последние найдены расчетом по схеме Линдемана-Адамса [9].
Значительный слабопольный сдвиг сигналов С1 и С4 - а-глюкопиранозных звеньев, связанных 1,4-гликозидными связями в комплексах, можно объяснить эффектами растяжения и деформации валентных углов О-С-О в циклах [10].
Из значений разности хим. сдвигов Д8 ядер 13С в комплексе р-ЦД с ОС-20 и |3-ЦД следует, что метод спектроскопии ЯМР 13С позволяет получить определенную информацию о соединениях включения.
Все сигналы 13С глюкопиранозных звеньев р-ЦД, как видно из табл. 5, сдвигаются при образовании комплекса в слабое поле. В случае комплекса Р-ЦД и ОС-20, как и ранее для комплекса р-ЦД с борнилацетатом [11], наблюдали селективное смещение сигналов р-ЦД; наиболее смещены сигналы ядер С'Н и С*Н, соседних с 1,4-гликозидными связями. Это смещение на 0.17 и 0.19 м. д. соответственно можно объяснить и некоторым растяжением циклической молекулы "хозяина" - Р-ЦД при встраивании в ее внутреннюю полость ОС-20. Отсюда можно сделать вывод о том, что мы действительно имеем дело с соединением включения, а не внешнесферным комплексом молекул р-ЦД и ОС-20.
Изменение времени спин-решеточной релаксации Т1 ядер 13С позволило уточнить предполагаемую модель комплекса. Известно [10], что значения Г,, пропорциональные временам вращательной корреляции, являются мерой фрагментарной подвижности молекул. Чем меньше значение 7\ данного ядра, тем более заторможено пространственное движение фрагмента, в которое входит рассматриваемое ядро.
Анализ соотношений времени спин-решеточной релаксации ядер 13С молекул Р-ЦД в структуре комплекса с ОС-20 и в растворе свидетельствуют о том, что подвижность всех фрагментов а-глюкопиранозных звеньев Р-ЦД несколько увеличивается (табл. 6). Это может быть связано с вытеснением молекулы полярного растворителя из полости Р-ЦД через встраивание в нее молекулы ПАВ. Полученные результаты позволили предположить, что в полость Р-ЦД встраивается ОС-20.
Учитывая такой характер образования комплексов Р-ЦД с ПАВ, можно предположить, что полость р-ЦД в комплексе с ПАВ занята, и дополнительного включения биологически актив-
Таблица 5. Значения хим. сдвигов ядер 13С 5%-ных (по массе) растворов Р-ЦД в ДМСО-сЦ и комплекса с ОС-20 (297 К)
Сигнал Р-ЦД Хим. сдвиг 8, м. д. Разница хим. сдвигов Аб, м. д.
Р-ЦД комплекс р-ЦД с ОС-20
С'Н-О 102.06 102.23 0.17
С2Н(ОН) 72.53 72.64 0.11
С3Н(ОН) 73.18 73.28 0.10
С4Н-0 81.65 81.84 0.19
С5Н 72.17 72.28 0.11
СбН2(ОН) 60.06 60.18 0.12
Таблица 6. Значения времени спин-решеточной релаксации Тх ядер 13С 5%-ных (по массе) растворов Р-ЦД в ДМСОч^ и комплекса с ОС-20 (297 К)
Сигнал р-ЦД Г] растворов, с Тх комплекса р-ЦД с ОС-20/Г1 Р-ЦД
Р-ЦД комплекс р-ЦД с ОС-20
С'Н-0 0.116 0.143 1.23
С2Н(ОН) 0.123 0.143 1.18
С3Н(ОН) 0.121 0.150 1.24
С4Н-0 0.122 0.147 1.20
С5Н 0.130 0.148 1.14
С6Н2(ОН) 0.035 0.043 1.23
ных соединений в нее не будет. Действительно, добавление к полученному комплексу пихтового масла, аскорбиновой кислоты и витамина В6 не приводило к их включению. Мы не наблюдали в этом случае и образования внешнесферных комплексов.
Однако смешение водных растворов ПАВ, Р-ЦД и некоторых биологически активных соединений приводило к выпадению осадка, содержащего биологически активные соединения. Было изучено включение борнилацетата и пихтового масла, обогащенного борнилацетатом. При смешивании водных растворов р-ЦД, ПАВ и борнилацетата выпадал осадок, содержащий (по дан-
ным ГЖХ) до 25% борнилацетата, либо до 30% пихтового масла.
Данные ЯМР 13С указывают на то, что в этом случае, как и в комплексе борнилацетата с самим р-ЦД [11] наблюдается образование соединения включения, а не внешнесферного комплекса. Подтверждают это практически те же значения хим. сдвигов ядер 13С растворов в ДМСО-с16 комплексов, полученных на основе р-ЦД и борнилацетата, а также р-ЦД, борнилацетата и ОС-20. По-видимому, в данном случае "гости" (ОС-20 и борнилацетат) конкурируют между собой за молекулу "хозяина" и образуют комплексы Р-ЦД как с ОС-20, так и с борнилацетатом, выпадая совместно в осадок. Однако при этом, вероятно, следует учитывать и взаимодействия типа водородных связей, которые могут играть определенную роль в образовании таких структур.
Автор выражает благодарность О.В. Заколот дяжной, В.Я. Горбатюку, Ю.Е. Шапиро, Т.Г. Сер-бул, И.А. Кравченко за помощь в проведении исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bender ML., Romiyama М. Cyclodextrin Chemistry.
Berlin: Springer, 1978. P. 294.
2. Штейнман A.A. // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1985. Т. 30. С. 514.
3. Harada A., Kamachi M. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990. P. 1322.
4. Топчиева H.H., Коломникова ЕЛ., Банацкая M.И., Кабанов В.А. // Высокомолек. соед. А. 1993. Т. 35. № 4. С. 395.
5. Поляков В.В., Коломникова ЕЛ., Топчиева И.Н., Кабанов В.А. // Высокомолек. соед. Б. 1993. Т. 35. № 5. С. 285.
6. Закупра В.А. Методы анализа и контроля в производстве ПАВ. М.: Химия, 1977. С. 368.
7. Столяров Б.В., Савинов ИМ., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. JL: Химия, 1978.
8. Леей Г., Нельсон Г. Руководство по ЯМР 13С. М.: Наука, 1975. С. 287.
9. Lindeman L. P., Adams J. Q. // Analyt. Chem. 1971. V. 43. № 10. P. 1245.
10. Shapiro Ju. E. //Bull. Mag. Resonance. 1985. V. 7. № 1. P. 27.
11. Севастьянова E. В., Давиденко Т. И., Шапиро Ю. Е., Пыхтеева Е. Г. // Хим.-фармацевт. журн. 1994. Т. 28. № 3. С. 59.
Supramolecular Complexes of P-Cyclodextrin with Surfactants
T. I. Davidenko
Bogatskii Physicochemical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, ul. Lustdorfskaya doroga 86, Odessa, 270080 Ukraine
Abstract—New complexes were obtained by the interaction of P-cyclodextrin with surfactants, such as monoalkyl ethers of poly(ethylene glycol), Triton X-100, Tvin-80, and oxyethylated fatty acids (oleoxes and stearoxes). The combination of thermogravimetry with IR, 'H, and 13C NMR spectroscopy reveals that the components react to form the compounds of inclusion. The complexes are formed via hydrophobic interactions involving the inner cavity of p-cyclodextrin and the surfactants.
