CC BY
13ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2006, том 48, № 4, с. 673-683
РАСТВОРЫ
УДК 541.64:532.73
СВОЙСТВА "БЕЛКОВОПОДОБНЫХ" СОПОЛИМЕРОВ ^ВИНИЛКАПРОЛАКТАМА И ^ВИНИЛИМИДАЗОЛА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ1
© 2006 г. В. И. Лозинский*, И. А. Сименел*, М. Г. Семенова**, Л. Е. Белякова**, М. М. Ильин**, В. Я. Гринберг**, А. С. Дубовик**, А. Р. Хохлов***
*Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук
119991 Москва, ул. Вавилова, 28 **Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 4
***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Физический факультет
119992 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 18.05.2005 г.
Принята в печать 18.10.2005 г.
Радикальной сополимеризацией Ы-винилкапролактама с Ы-винилимидазолом (исходное мольное соотношение сомономеров 85:15), инициируемой окислительно-восстановительной системой персульфат-третичный амин, в среде 10%-ного водного ДМСО при 25 и 65°С (при температуре ниже и выше области фазового расслоения реагирующей системы соответственно) получены макромоле-кулярные продукты, далее разделенные на термоосаждаемую и термонеосаждаемую фракции. Исследования этих фракций методами капиллярной вискозиметрии, статического и динамического лазерного светорассеяния, а также высокочувствительной ДСК показали, что в водных растворах макромолекулы обоих типов сополимеров сильно ассоциированы; при нагревании растворов термонеосаждаемых фракций происходит дополнительная агрегация, сопровождающаяся уменьшением размеров частиц без потери ими растворимости по крайней мере вплоть до 70°С. При этом термонеосаждаемая фракция сополимера, синтезированного при 65°С, по совокупности физико-хи-мических свойств, проявляемых в водных растворах, может быть отнесена к белковоподобным макромолекулам.
ВВЕДЕНИЕ
Концепция белковоподобных сополимеров была сформулирована в теоретических работах, основанных на так называемом биомиметическом подходе к расчету последовательности расположения мономерных звеньев в цепи и оценки конформации водорастворимых макромолекул, построенных из сомономеров с неодинаковой ги-дрофильностью/гидрофобностью [1-5]. Характерной особенностью таких сополимеров является их гетерогенная блочность (в отношении длины блоков и их расположения вдоль по цепи),
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Отделения химии и наук о материалах РАН "Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений", гранта Федерального агентства по науке и инновациям РФ по программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг." и фонда INTAS (грант 01-0607).
E-mail: loz@ineos.ac.ru (Лозинский Владимир Иосифович).
способствующая специфическому "белковопо-добному" сворачиванию цепей с образованием пространственной структуры с плотным ядром, состоящим преимущественно из более гидрофобных звеньев Н (hydrophobic), окруженным гидрофильной оболочкой, обогащенной хорошо гидра-тируемыми полярными звеньями Р (polar). Такая первичная структура цепей и конформация, которую они принимают в водных растворах, придают данным гетероблочным НР-сополимерам специфические свойства, отличные от свойств как регулярных чередующихся, так и статистических блок-сополимеров. В частности, если блоки, содержащие более гидрофобные Н-звенья, способны к термоиндуцируемому переходу клубок-глобула, то при значениях температуры выше НКТС соответствующего Н-гомополимера белковопо-добный сополимер не выпадает в осадок, т.е. макроскопического разделения фаз не наблюдается.
Химический синтез белковоподобных НР-со-полимеров может быть осуществлен разными путями, например модификацией боковых цепей полимерных предшественников или сополимери-зацией (сополиконденсацией) подходящих низкомолекулярных сомономеров.
Первый вариант был реализован в работах [6-8], где гидрофильные олигоэтиленоксидные фрагменты прививали по оксирановым группам к сополимеру 1Ч-изопропил акрил амида (ИПАА) и глицидилметакрилата. В случае проведения реакции при повышенной температуре, когда макромолекулы модифицируемого полимера принимали конформацию глобул, прививка происходила в основном по их поверхности, гидрофилизуя периферийные области. Полученные в таких условиях белковоподобные графт-сополимеры в водных растворах претерпевали термоиндуцируемый конформационный переход при более высоких температурах, чем равномерно модифицированные аналоги. Белковоподобные сополимеры образовывали более плотные агрегаты меньшего размера.
Синтез белковоподобных макромолекул из мономерных предшественников также описан. Этим путем были получены сополимеры ИПАА и И-винилимидазола (ВИА) [9], а также ИПАА и ]М-винил-пирролидона [10], обладавшие некоторыми характеристиками, предсказанными теорией для белковоподобных макромолекул. Однако наиболее ярко такие свойства подобных сополимеров проявились, лишь когда высокомолекулярные продукты сополимеризации И-винилкапро-лактама (ВКЛ) и ВИА, синтезированные в водной среде при температуре выше точки фазового расслоения системы, удалось разделить на термо-осаждаемую и термонесаждаемую фракции, и именно последняя фракция обладала предсказанными теорией признаками белковоподобных сополимеров [11, 12]. В частности, термонеосажда-емая фракция сополимера ВКЛ-ВИА, полученного при исходном мольном соотношении сомономеров 85 : 15, не теряла растворимости в воде по крайней мере до 70°С (НКТС водных растворов гомополимера ВКЛ находится, в зависимости от ММ цепей, в области 30-40°С [13-15]), но высокочувствительная ДСК регистрировала тепловой эффект конформационного перехода клубок-глобула, обусловленного формированием плотного глобулярного ядра, стабилизируемо-
го гидрофобными взаимодействиями. Кроме того, данные спектроскопии ЯМР показали, что, несмотря на практически одинаковый усредненный мономерный состав термоосаждаемой и термоне-осаждаемой фракций, молекулы сольватной воды после термоиндуцированного конформационного перехода этих полимерных цепей обладали неодинаковыми ЯМР-спектральными характеристиками. Вместе с тем оставалось не ясным, как изменяются размеры макромолекул таких сополимеров ВКЛ-ВИА в водной среде при переходе от термодинамически "хорошего" растворителя (температура ниже НКТС) к "плохому" (температура выше НКТС). Изучение этих вопросов и являлось целью настоящей работы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследованные в работе сополимеры синтезировали из ВКЛ ("ISP Norden АВ", Швеция) и ВИА ("Aldrich", США) согласно методике, подробно описанной в работе [12]. ВКЛ очищали перекристаллизацией из смеси гексан-бензол, ВИА - перегонкой в вакууме под аргоном. Полимеризацию проводили в среде 10%-ного водного ДМСО при суммарной концентрации сомономеров 0.35 моль/л и мольном соотношении ВКЛ: ВИА = 85:15. В качестве инициатора использовали окислительно-восстановительную пару персульфат аммония ("Fluka", Швейцария) - N,N,N',N'-TeTpaMemri3TH-лендиамин ("Aldrich", США). Синтез осуществляли при 25°С (гомогенная полимеризация в растворе) и 65°С (гетерогенная полимеризация, когда реакционная масса становилась мутной уже через 1-2 мин после прибавления инициатора). По окончании процесса низкомолекулярные и оли-гомерные компоненты отделяли диализом через целлофан против деионизованной воды, а полимерные продукты высушивали лиофильно (сублимационная сушка 77400 FreeZone; "Labconco Corp.", США). Полученный сополимер вновь растворяли в воде и подвергали "горячему" центрифугированию при 65°С и 8000 об/мин в течение 30 мин. Супернатант, содержавший термонео-саждаемую фракцию сополимера ВКЛ-ВИА, сливали, охлаждали и высушивали лиофильно (далее эта фракция обозначена ts - thermally soluble). Осадок, являвшийся термоосаждаемой фракцией, охлаждали, растворяли в воде и тоже лиофи-лизовали (далее эта фракция называется tp - thermally precipitated). Для обозначения температуры
синтеза, при которой сформировались указанные выше фракции, использованы подстрочные индексы, т.е. образец ts25 - это термонеосаждаемая фракция сополимера, полученного при 25°С, а образец tp65 - термосаждаемая фракция продукта синтеза, проведенного при 65°С.
Характеристическую вязкость водных растворов фракций сополимеров ВКЛ-ВИА определяли с помощью вискозиметра Уббелоде (капилляр диаметром 0.4 мм) при 25 и 50°С (ультратермостат ED 5; "Julabo", Германия).
Средневесовую молекулярную массу Mw, радиус инерции Rg и второй вириальный коэффициент А2 фракций сополимеров ts и tp определяли методом статического лазерного светорассеяния. Отношение Рэлея RQ измеряли в диапазоне углов 40°-140° (13 углов) на приборе LS-01 ("VA Instruments", Санкт-Петербург, Россия) для пяти-семи концентраций полимера в растворе, используя вертикально поляризованный свет с длиной волны 633 нм. При этом для каждой фракции сополимеров ВКЛ-ВИА измерения светорассеяния проводили в диапазоне возможно более низких концентраций, задаваемым чувствительностью прибора: 3.2-9.9 мг/мл для фракции ts65; 0.79-3.95 мг/мл для фракции tp65; 0.2-3.5 мг/мл для фракции ts25 и 0.2-1.0 мг/мл для фракции tp25. Прибор был откалиброван по обеспыленному бензолу (Д90 = 11.84 х Ю-6 см-1). Водные растворы сополимеров перед измерением обеспыливали пропусканием через мембранные фильтры (Milli-роге 0.65 мкм); ДМСО-растворы сополимеров обеспыливали пропусканием через стеклянный фильтр G-5. Измеренные значения отношения Рэлея Rq использовали для построения угловых и концентрационных зависимостей величины Hc/ARq по методу Зимма [16] или, для повышения точности экстраполяции величины (Hc/ARe)m, по графическому методу Берри [17] (с - концентрация полимера, Д/?0 - избыточное светорассеяние раствора полимера по отношению к растворителю при угле 0, Я - оптическая константа системы, равная 4n2n2v2/NAX4, где NA - число Авогадро, X -длина волны падающего света в вакууме, п - показатель преломления растворителя, v - инкремент показателя преломления полимера в растворе). Значения Mw определяли усреднением экс-траполяционных значений Яс/Д#е или (Яс/Д/?е)1/2 к нулевому углу 0 —0 (экстраполяцию проводили по 13 углам) и нулевой концентрации с —- 0
(Яс/ДЯе)172 (моль/г)ш
0.006-
0.004-
0.002 /
1.0 1.5 2.0
sin2 (0Д) + 140.25 с (г/см3)
Рис. 1. График Берри для фракции ts65 в воде при 20°С. с} = 7.13 х Ю-3; с2 = 5.99 х 1(Г3; с3 = = 5.45 х 10~3; с4 = 4.96 х 10"3; с5 = 3.96 х 10"3; с6 = = 3.22 х 10"3 г/мл.
(экстраполяцию проводили по пяти-семи концентрациям). Значения Rg рассчитывали из наклона угловых зависимостей Hc/ARq или (Яс/Д/?е)1/2 при с —0, значения А2 - из наклона концентрационных зависимостей Hc/àRe или (Hc/ARQ)m при 0 —»► 0. На рис. 1 в качестве примера приведена типичная диаграмма светорассеяния по методу Берри результатов экспериментов для водного раствора фракции ts65.
Инкременты показателей преломления v фракций сополимеров ВКЛ-ВИА, используемые в расчете величин Яс/Д#е, определяли в воде (при 20 и 50°С) и в ДМСО (при 20°С) с помощью дифференциального рефрактометра "Shimadzu" (Япония) при X - 635 нм. Значения v для данных сополимеров составляли 0.15-0.20 см3/г в воде и 0.25-0.42 см3/г в ДМСО. Для фракций tp25 и tp65, теряющих растворимость в воде при температурах выше 30-40°С, инкременты показателей преломления при 50°С были приняты равными значениям v фракций ts25 (20°С) и ts65 (20°С) соответственно. При этом мы основывались на близости химического состава их молекул, что, как известно [16], главным образом определяет величины инкрементов показателя преломления.
Экспериментальная ошибка в определении v, Mw, А2 и Rg составляла не более 10%.
Гидродинамический радиус Rh макромолекул определяли в водных растворах (1-6.5 мг/мл) ме-
Таблица 1. Состав фракций ¿р и сополимеров ВКЛ-ВИА, синтезированных при значениях температуры до и после фазового расслоения реакционной системы
Температура полимеризации, °С
25 65
Мольное соотношение звеньев ВКЛ:ВИА в сополимере*
62.0:38.0 61.5 :38.5 74.0:26.0 73.0:27.0
* Определено из спектров ЯМР 'Н растворов сополимеров в ДМСОчЦ (точность определения ±0.5 мол. %).
тодом динамического лазерного светорассеяния. Временную корреляционную функцию интенсивности светорассеяния измеряли под углом рассеяния 0 = 90°, используя вертикально-поляризован-ный свет с X = 633 нм. Обработку данных динамического светорассеяния проводили по программе DYNALS 1.5 ("VA Instruments", Санкт-Петербург, Россия). Экспериментальная ошибка в определении Rh составляла не более ±10%.
Калориметрические измерения выполняли на дифференциальном адиабатическом сканирующем микрокалориметре ДАСМ-4 (НПО "БИОПРИБОР", Пущино, Россия) в условиях, описанных ранее для сополимеров ВКЛ-ВИА [И].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Молекулярные характеристики термонеосаждаемых и термоосаждаемых фракций сополимеров ВКЛ-ВИА
Как известно, для водных растворов некоторых амфифильных макромолекул, например го-мополимеров ВКЛ или ИПАА, при значениях температуры выше НКТС характерны эффекты фазового расслоения [14, 18, 19]. При этом, с одной стороны, с повышением температуры разрушается часть водородных связей полимер-вода, а с другой - усиливаются внутри- и межмолекулярные гидрофобные взаимодействия, приводящие к компактизации полимерных клубков с образованием глобул (в разбавленных растворах) или надмолекулярных ассоциатов и далее осадков/гелей (в более концентрированных системах) [20]. Поэтому, если вести сополимеризацию смеси отличающихся по гидрофильности/гидрофобности мономеров (при избытке Н-компонента) в водной
среде при температуре выше точки сегрегации фаз, то из-за различий в скоростях гомо- и сопо-лимеризации возникают блоки из Н- и Р-звеньев, а при достижении некоторой критической длины Н-блоков последние компактизуются, формируя ядро, обогащенное более гидрофобными звеньями. Включение в цепь гидрофильных Р-блоков происходит преимущественно на периферии ядра, что способствует образованию белковоподоб-ных структур [11]. Однако такой "сценарий" не абсолютен, он зависит от вероятности исходного взаимодействия инициирующих радикалов с либо Н-, либо с Р-мономером, соотношения констант гх и г2, а также других факторов. Как следствие, наряду с гетероблочными белковоподобными макромолекулами параллельно образуются цепи с иными последовательностями мономерных звеньев (регулярно чередующиеся, статистические блок-сополимеры), что в итоге приводит к смеси продуктов такой сополимеризации. В настоящей работе были исследованы фракции /р и ¿у сополимера ВКЛ и ВИА, синтезированного в гетерогенной среде при температурном режиме (65°С), обеспечивающем наибольший выход белковопо-добной фракции [12]. Полученные данные были сравнены с фракциями ф и ¿у сополимера, синтезированного в растворе при 25°С.
Таблица 1 суммирует информацию о мономерном составе объектов настоящего исследования. Из этих данных следует, что в ходе сополимеризации ВКЛ и ВИА происходило обогащение образующихся цепей более гидрофильным мономером - при его исходной доле 15 мол. % содержание ВИА во фракциях ф65 и £у65 полученных сополимеров увеличивалось до 26-27 и до ~38 мол. % соответственно. Это свидетельствовало о более высокой реакционной способности ВИА по сравнению с ВКЛ в указанных условиях как при образовании данных сополимеров в растворе, так и при осадительной полимеризации.
Что касается ММ рассматриваемых сополимеров, то ранее было найдено, что фракции ф были большей степени полимеризации, чем соответствующие фракции ¿у, а ГПХ показала достаточно широкое ММР всех исследованных образцов. Наибольшую ММ среди них имела фракция ф65, наименьшую - ¿?25 [11' 12]. В настоящей работе молекулярные характеристики фракций синтезированных сополимеров были определены методами светорассеяния в водных растворах и в ДМСО
Таблица 2. Молекулярные параметры фракций сополимера ВКЛ-ВИА, определенные методами динамического и статического светорассеяния при разной температуре
Фракция сополимера г,° с х 103)* а2х 104, см3 моль/г2 нм , нм р=яс/ял [(А^/Л^у-1] х 103, г/см3 Щ, см3/г
#25 20 172000 (66) 9 316 343 0.9 2.2 455
50 496000 5 175 - - 40.7 25
«25 20 12350(28) 19 312 233 1.3 0.2 5000
50 18270 14 270 - - 0.4 2500
фб5 20 1890(254) -4 197 119 1.7 0.1 10000
50 14240 -12 144 121 1.2 1.9 526
«65 20 380 (30) -18 210 228 0.9 0.02 50000
50 2210 9 220 217 1.0 0.1 10000
з
Примечание. v = (4/3 )я/?с.
* В скобках приведены значения измеренные при 20°С в растворе в ДМСО соответствующего сополимера. ** Из-за нестабильности растворов фракций ¿у25 и #>25 ПРИ 50°С в концентрационном диапазоне проведения измерений методом динамического светорассеяния определение /?/, было невозможным.
(для подавления внутри- и межмолекулярных гидрофобных взаимодействий, способных приводить к ассоциации цепей или их сегментов в водных средах). Полученные данные (табл. 2) показывают, что для растворов в ДМСО указанная выше тенденция полностью подтверждалась: самую высокую ММ (25.4 х 104) имела фракция ?р65, наименьшую (2.8 х 104) - фракция
В свою очередь, согласно результатам измерения статического светорассеяния в воде, имела место значительная агрегация исследуемых ам-фифильных сополимеров (табл. 2). Так, например, при 20°С около десяти молекул объединялись в агрегат в случае фракций £у65 и 1р65. Еще в большей степени склонными к агрегации в водных средах оказались фракции &25 и *Р25 сополимера. При этом важно отметить, что указанные макромолекулы были сильнее обогащены звеньями более гидрофильного ВИА, чем сополимеры, образование которых протекало при 65°С (табл. 1). Другими словами, с повышением доли ВИА, т.е. с формальным увеличением гидро-фильности, агрегация цепей возрастала. Можно поэтому предположить, что ассоциация молекул сополимеров ВКЛ-ВИА в водной среде обусловлена не только гидрофобными взаимодействиями участков, обогащенных звеньями ВКЛ, но, вероятно, и иными силами. В частности, это может быть донороно-акцепторное взаимодействие между обедненным электронной плотностью атомом карбонильного углерода капролактамно-
го цикла и неподеленной парой электронов атома имидазольного азота. Ясно, что подобные взаимодействия должны быть довольно слабыми, но с увеличением содержания ВИА они должны усиливаться. Также известно [21], что предрасположенность к такого рода взаимодействиям увеличивается, если взаимодействующие группы частично окружены неполярными группами, препятствующими более полной гидратации, и особенно, если в результате возникновения связи происходит ассоциация многих неполярных групп, т.е. одновременное образование гидрофобной связи (это и ожидается для изучаемых сополимеров, у которых содержание Н-звеньев ВКЛ практически почти в 2 раза превышает содержание Р-звеньев ВИА (табл. 1)). В пользу такого предположения также свидетельствуют и результаты известных исследований [22] светорассеяния водных растворов гомополимера ВКЛ (М ~ 9.6 х 105), не обнаружившие наличия крупных ассоциатов макромолекул при значениях температур ниже НКТС.
Кроме того, положительные величины вторых вириальных коэффициентов (табл. 2) были найдены для более гидрофильных (согласно большему содержанию звеньев ВИА - табл. 1) фракций 1р1Ъ и ¿у25, тогда как более значительный вклад Н-блоков выражался в отрицательных значениях А2 для фракций (р65 и ¡565, что указывало на термодинамическое сродство между макромолекулами этих фракций в водной среде и одновре-
Таблица 3. Некоторые теплофизические свойства фракций гр и ¿у сополимеров ВКЛ-ВИА в воде при значениях температуры ниже и выше фазовых или кон-формационных переходов соответствующих образцов
Фракция сополимера Температура помутнения водного раствора (0.1 г/дл) сополимера*, °С у** °С АД**, Дж/г
П>25 46 50 7.0
^25 >70 - -
Фб5 34 48 7.5
^65 >70 38 6.5
* Определено с помощью термонефелометрии. ** Данные высокочувствительной ДСК (Г, - температура перехода, Д//- энтальпия перехода, растворитель вода, концентрация полимера 5 мг/мл).
меино на термодинамически плохое для них качество воды как растворителя, что в наибольшей мере проявлялось в случае фракции ¿у65 сополимера.
В то же время обнаруженное значительное различие в степени ассоциации между фракциями сополимеров, полученными при значениях температуры ниже и выше фазового расслоения реакционной системы, по-видимому, указывает на
Ср, Дж/г К 0.6
0.4-
0.2
0-
Рис. 2. Функции избыточной теплоемкости фракций 1р (1) и ¿у (2) сополимеров ВКЛ-ВИА, синтезированных при 25 (а) и 65°С (б). Точки соответствуют температурам помутнения водных растворов фракций гр.
разное распределение Н- и Р-блоков в их молекулах. В случае фракций 5 и &25оно оказывается более благоприятным как для донорно-акцептор-ного, так и гидрофобного притяжения таких макромолекул в водной среде, чем в случае фракций гр65 и Вероятно, у полимерных цепей фракций ¿р65 и ¿у65, особенно в случае последней из них, Н-блоки оказываются менее доступными для участия в самоассоциации этих фракций в водной среде, что предполагает как их расположение преимущественно в интерьере макромолекулы, так и экранирование интерьера гидрофильными Р-блоками, расположенными по поверхности макромолекулы. Такое поведение фракции ¿у65 в водной среде оказывается наиболее близким к поведению глобулярных олигомерных или ми-целлоподобных белков, например казеина [23], имеющего гидрофобное ядро, окруженное по периферии полярными группами.
Свойства водных растворов термонеосаждаемых и термосаждаемых фракций сополимеров ВКЛ-ВИА при значениях температуры до и после конформационных и фазовых переходов
Принципиальным отличием белковоподобных НР-сополимеров от их химических аналогов, имеющих иную последовательность мономерных звеньев, является растворимость фракций ¿у в воде при значениях температуры выше точки фазового перехода термоосаждаемой фракции. В случае фракций //?25 и ^25» несмотря на практически одинаковый их мономерный состав, точка помутнения водного раствора фракции 1рг5 находилась около 46°С, а раствор фракции ¿у25 оставался прозрачным, по крайней мере вплоть до 70°С. Еще более существенные различия (34 и >70°С) были в случае сополимеров, полученных при 65°С, т.е. для фракций гр65 и ¿у65 (табл. 3). В результате можно заключить, что температурно-зависимое поведение водных растворов таких сополимеров прежде всего определялось характером распределения мономерных звеньев вдоль по цепи.
В этой связи показательны данные высокочувствительной ДСК о термодинамических параметрах фазовых и конформационных переходов в водных растворах фракций /р25 и а также фракций ?/?65 и ¿%5. Результаты данных экспериментов приведены на рис. 2 в виде функций избыточной теплоемкости.
Функции избыточной теплоемкости фракций ¿р (кривые 1) имели в целом схожий вид, типичный для растворов полимеров с НКТС. Теплоемкость проходила через максимум в области расслоения системы. Однако точка помутнения системы совпадала с началом пика теплоемкости не во всех случаях. Такое расхождение, вероятно, связано со сглаженным характером многих нефе-лометрических кривых в области фазового перехода, что осложняло фиксацию точки перехода системы через бинодаль. Важно также отметить, что все пики теплоемкости значительно отличались по виду от импульсной функции, которая, согласно теории, должна воспроизводить качественно характер изменения теплоемкости раствора при фазовом расслоении. Эти пики были весьма размытыми. Термодинамические параметры фазового перехода фракций ¡р сополимеров, синтезированных при различных значениях температуры, практически совпадали (Т\ ~ 49°С и А,Н ~ 7 Дж/г) (табл. 3). Они значительно отличались от параметров фазового перехода гомополи-меров ВКЛ (Г, ~ 32°С и А,Я ~ 60 Дж/г) [24].
Из общих соображений величину удельной энтальпии перехода можно рассматривать как меру кооперативности гидрофобного взаимодействия ВКЛ-блоков: чем выше кооперативность, тем больше энтальпия перехода. С другой стороны, очевидно, что кооперативность взаимодействия блоков определяется их длиной. На этом основании можно качественно судить о длине термочувствительных блоков во фракциях /р по величине энтальпии фазового перехода. Тогда из данных табл. 3 следует, что средняя длина термочувствительных блоков в указанных фракциях невелика.
Калориметрические данные для фракции ¿?25 (рис. 2а, кривая 2) свидетельствовали о том, что данный сополимер не претерпевал никаких кооперативных конформационных изменений при нагревании. Вполне возможно, что это вызвано недостаточной длиной гидрофобных ВКЛ-блоков. Действительно, при равномерном распределении ВИА-звеньев вдоль цепи средняя длина ВКЛ-блоков была бы порядка всего шести звеньев. Очевидно, что такие короткие последовательности не могут проявлять кооперативных конформационных изменений.
Особый интерес представляет термическое поведение фракции ¿?65 (рис. 26, кривая 2). В дан-
Таблица 4. Величины характеристической вязкости водных растворов фракций сополимера ВКЛ-ВИА и образцов ПАА при 25 и 50°С
Образец Температура измерения вязкости, °С [Л]*, дл/г Коэффициент корреляции*
#25 25 0.126 ±0.010 0.9991
«25 25 0.061 ±0.005 0.9916
50 0.028 ±0.003 0.9929
#65 25 0.102 ±0.009 0.9995
«65 25 0.064 ±0.003 0.9996
50 0.057 ±0.002 0.9997
ПАА 25 2.05 ±0.13 0.9917
50 2.39 ±0.14 0.9986
* Вычислено по методу наименьших квадратов с помощью программы УУАЖОБТ.
ном случае функция избыточной теплоемкости полимера проходила через максимум при температуре порядка 40°С. Так как при этом не наблюдалось фазового расслоения, есть основания утверждать о кооперативных конформационных превращениях указанного сополимера. Некоторое увеличение массы и размера полимерных частиц в результате таких конформационных превращений (табл. 2) дает основания полагать, что эти превращения носят характер кооперативного мицеллобразования, которое может сопровождаться переходом клубок-глобула. Энтальпия конформационного перехода фракции £у65 составляла 7 Дж/г (табл. 3). Данная величина сопоставима с энтальпией фазового перехода раствора фракции /р65. Таким образом, вероятно, фракции ¿у и гр характеризуются сопоставимой средней длиной гидрофобных ВКЛ-блоков. Вместе с тем, они, очевидно, значительно различаются характером распределения блоков вдоль цепи.
Поскольку данные высокочувствительной ДСК свидетельствовали о кооперативном кон-формационном переходе, происходящем при нагревании водного раствора фракции ¿?65, было важно подтвердить феномен термоиндуцируемой перестройки пространственной структуры этих макромолекул другими методами, чувствительными к изменению'размеров, формы и сольватации полимерных частиц, в частности, с помощью визкозиметрии (рис. 3, табл. 4) и светорассеяния (рис. 4, табл. 2).
Луд/с, дл/г 0.20-
0.14
0.08
Луд/с, дл/г
0.14
0.08
(б)
5
с, г/дл
1
Луд/с, дл/г
5
с, г/дл
0.2
0.4
0.6
с, г/дл
Рис. 3. Концентрационные зависимости величин приведенной вязкости водных растворов фракций сополимеров ВКЛ-ВИА, синтезированных при 25 (а) и 65°С (б), а также ПА А при 25 (/) и 50°С (2) (в), а, б: 1 - вязкость растворов фракций ¡р при 25°С, 2 - вязкость растворов фракций ¿у при 25°С, 3 - вязкость растворов фракций ¿у при 50°С.
Так как фракции /р25 и *Рб5 растворимы в воде при комнатной температуре, но осаждаются из растворов при нагревании (табл. 3), значения их характеристических вязкостей были определены только при 25°С. В случае фракций ¿$25и ^65 величины [т|] были измерены и при 25, и при 50°С (рис. За, 36), т.е. при значениях температур до и после конформационного перехода, зафиксиро-
U2P( 0) 3
Персистентная цепь
л
А2
оз а4
>+ • ......
Твердая сфера
U
Рис. 4. График Кратки для фракций tp15 (1), ts2s (2), tp65 (3) и ts65 (4) сополимера ВКЛ-ВИА в водной среде при 20°С. U = qRG, где q - волновой фактор, равный (4jiA)sin(0/2), P(ß) - угловой фактор светорассеяния.
ванного высокочувствительной ДСК для фракции ¿у65 (рис. 2). Кроме того, вискозиметрические данные были получены для образца полиакрила-мида (ПАА) (рис. Зв), чтобы сопоставить характеристики термочувствительных сополимеров ВКЛ-ВИА с водорастворимым полимером, не изменяющим конформацию цепей в исследуемом диапазоне температур. Следует подчеркнуть, что данные измерений вязкости очень хорошо отвечали линейным зависимостям в координатах приведенная вязкость - концентрация полимера (рис. 3), на что указывали малый разброс экспериментальных точек и близкие к единице коэффициенты корреляции. В связи с этим выявленные различия в величинах [л] для фракций сополимеров можно считать значимыми.
Также необходимо отметить малые величины [Л] у сополимеров ВКЛ-ВИА в водной среде даже при температуре ниже области конформаци-онных переходов, особенно для фракций что, очевидно, свидетельствует о довольно компактной, близкой к сферической, форме полимерных частиц и о том, что они довольно плохо сольвати-рованы растворителем [21]. Указанные заключения согласуются с близкими к единице (практически во всех случаях за исключением фракции /р65) значениями конформационно чувствительного параметра р = [17], характерными для сферических частиц (табл. 2), и существенной ассоциацией сополимеров в воде наряду с отрицательными значениями вторых вириальных коэффициентов (табл. 2).
Вместе с тем простое сопоставление значений [Г|] для фракций сополимеров (табл. 4) с обратной величиной плотности полимерных частиц Ш, рассчитанной по данным светорассеяния (табл. 2), показывает хорошее количественное согласие только в случае уменьшения [т|] при повышении температуры от 20 до 50°С для образца ¿у25. Однако для других фракций был обнаружен ряд несоответствий между величинами [т|] и 1Д/, а именно, практически двукратные различия [т|] при одинаковых значениях Ш для фракций ¿р65 (при 20°С) и ¿у65 (при 50°С), а также уменьшение значений [г|], несмотря на возрастание 1/(1, при сравнении фракции (20°С) с й25 (20°С) или (20°С) с ¿у65 (20°С). Таким образом, найденные несоответствия указывают на необходимость учета вклада в величину [т|] не только плотности полимерных частиц с1, но и их формы и уровня сольватации [21].
Действительно, учет вклада полимерных частиц разной формы в величину [п] может объяснить перечисленные выше несоответствия. Так, более асимметричная форма полимерных частиц фракции #65 (20°С) по сравнению с фракцией ¿у65 (20 и 50°С) (об этом свидетельствует практически в 2 раза большая величина структурно чувствительного параметра р (табл. 2)) обусловливает [21] большее значение [Т|] (табл. 4). С другой стороны, менее плотная форма полимерных частиц фракции ¿?25 по сравнению с фракцией гр25 (она проявляется в величине параметра р > 1 [17] (табл. 2), а также, наиболее наглядно, в положении кривой для этой фракции на графике Кратки [17] (рис. 4)) способствует возрастанию "протека-емости" полимерных частиц по отношению к растворителю и, следовательно, приводит к меньшей величине [г|] [21].
В свою очередь вклад разного уровня сольватации полимерных частиц в найденные значения [г|] представляется возможным проследить при сравнении величин [г|] для полимерных частиц, обладающих близкой формой (р « 1), но кардинально различающимся термодинамическим сродством к растворителю (А2 > 0 и А2 < 0), как, например, при сравнении фракций /р25 (20°С) и ¿у65 (20°С) или фракции ¿у65 при двух температурах (табл. 2 и 4). Можно ожидать, что при высоком термодинамическом сродстве полимерных частиц к растворителю (А2 > 0) (как в случае фракции 1р2Ъ (20°С)) растворитель удерживается внут-
ри полимерной частицы и движется вместе с ней. При этом ее можно аппроксимировать эквивалентной твердой сферой [21]. Это, в частности, подтверждается положением соответствующей кривой на графике Кратки (рис. 4). Напротив, в случае плохого термодинамического качества растворителя (А2 < 0) для полимерной частицы, как это было найдено для фракции ¿у65 (20°С), т.е. когда растворитель не удерживается полимерной частицей, модель свободно проницаемой полимерной частицы может быть более приемлемой для описания ее гидродинамических свойств [21]. График Кратки (рис. 4) также указывает на промежуточное поведение полимерных частиц фракции ¿у65 (20°С) в растворе между поведением твердых сфер и персистентных цепей. Кроме того, расчет показал, что плотность полимерных частиц фракции ¿у65 (20°С) на два порядка ниже плотности полимерных частиц фракции ф25 (20°С) (табл. 2). Таким образом, можно предположить, что именно различием в проницаемости полимерных частиц для растворителя можно объяснить меньшие значения [г|], найденные для фракции й65 (20°С) по сравнению с фракцией ¡р25 (20°С), несмотря на заметно большие значения Ш (табл. 2). По-видимому, вклад возросшей сольва-тируемости полимерных частиц фракции ¿у65 с повышением температуры (Л2 меняет знак от отрицательного к положительному, табл. 2), уменьшает их проницаемость для растворителя. Это может лежать в основе уменьшения значений [г|] на 11% по сравнению с ожидаемым (на 80%) при изменении Ш.
Таким образом, на основании проведенного сопоставления данных светорассеяния и вискозиметрии можно сделать вывод о том, что для наиболее полного объяснения гидродинамического поведения соответствующих фракций (р и ¿у сополимеров необходима характеристика не только плотности их полимерных частиц, но и учет их формы и степени сольватации.
Интересно отметить, что данные как вискозиметрии, так и светорассеяния, однозначно указывали на термоиндуцированное сжатие полимерных частиц изучаемых фракций, что выражалось и в возрастании плотности полимерных частиц, и в уменьшении величины их характеристической вязкости с повышением температуры (табл. 2 и 4).
Полученные результаты, по-видимому, связаны с усилением (при переходе от 20 к 50°С) как внутримолекулярных, так и межмолекулярных гидрофобных взаимодействий между неполярными участками изучаемых сополимеров. Важно подчеркнуть, что в отличие от всех фракций, для которых наблюдалось ухудшение термодинамического сродства к растворителю с ростом температуры, в случае фракции ts65 имело место его кардинальное улучшение (табл. 2), что могло свидетельствовать о кооперативном мицеллообразо-вании, сопровождающимся переходом клубок-глобула. При этом формировалось ядро, обогащенное гидрофобными звеньями, и поверхностный слой с повышенным содержанием гидрофильных звеньев.
В случае ПАА, не теряющего аналогично сополимерам ts25 и ts65 растворимость в воде при 50°С, тенденция в изменении характеристической вязкости была иной - значения [т|] возрастали на -17% при переходе от измерений при 25°С к измерениям при 50°С (табл. 4), т.е. полимерные клубки ПАА при таком повышении температуры немного увеличивали свой объем. С другой стороны, макромолекулярные клубки фракции ts65 термочувствительного сополимера ВКЛ-ВИА в результате детектируемого высокочувствительной ДСК (рис. 26) конформационного перехода несколько уменьшались в размерах, формировали мицеллоподобные агрегаты и не выпадали из раствора, т.е. проявляли свойства, приписываемые теорией [1,2] белководоподобным НР-сопо-лимерам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Khokhlov A.R., Khalatur P.G. I I Physica A (Amsterdam). 1998. V. 249. № i_4. p. 253.
2. Khokhlov A.R., Khalatur P.G. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. № 17. P. 3456.
3. Zheligovskaya EA., Khalatur P.G., Khokhlov A.R. // Phys. Rev. E. 1999. V. 59. № 3. P. 3071.
4. Govorun E.N., Ivanov VA., Khokhlov A.R., Khalatur P.G., Borovinsky AL., Grosberg A.Yu. // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. №4. P. 903.
5. Berezkin A.V., Khalatur P.G., Khokhlov A.R. I I J. Chem. Phys. 2003. V. 118. № 17. p. 8049.
6. Virtanen J., Baron C., Tenhu H. I I Macromolecules. 2000. V. 33. № 2. P. 336.
7. Virtanen J., Tenhu H. // Macromolecules. 2000. V. 33. № 16. P. 5970.
8. Virtanen J., Lemmetyinen H., Tenhu H. // Polymer. 2001. V. 43. № 23. P. 9487.
9. Wahlund P.-O., Galaev I.Yu., Kazakov SA., Lozin-sky V.l., Mattiasson В. Ц Macromol. Biosci. 2002. V. 2. № 1. P. 33.
10. Siu M., Zhang G.Z., Wu C. // Macromolecules. 2002. V. 35. № 7. P. 2723.
11. Лозинский В.И., Сименел И.А., Курская Е.А., Кулакова В.К., Гринберг В.Я., Дубовик A.C., Гала-ев И.Ю., Маттиассон Б., Хохлов А.Р. И Докл. РАН. 2000. Т. 375. № 5. С. 637.
12. Lozinsky V.l., Simenel 1А., Kulakova V.K., Kurskaya E.A., Babushkina T.A., Klimova T.P., Buro-va T.V., Dubovik A.S., Grinberg V.Ya., Galaev I.Yu., Mattiasson В., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 2003. V. 36 № 19. P. 7308.
13. Tager AA., Safronov S.V., Berezyuk EA.,Galaev I.Yu. // Colloid Polym. Sei. 1994. V. 272. № 10. P. 1234.
14. Kirsh Yu.E., Yanul NA., Kalninsh K.K. //Eur. Polym. J. 1999. V. 35. № 2. P. 305.
15. Lozinsky V.l., Simenel I.A., Kurskaya E.A., Kulakova V.K., Galaev I.Yu., Mattiasson В., Grinberg V.Ya., Grinberg N.V., Khokhlov A.R. // Polymer. 2000. V. 41. № 17. P. 6507.
16. Эскин B.E. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул. Л.: Наука, 1986.
17. Bur chard W. // Physical Techniques for the Study of Food Biopolymers / Ed. by Ross-Murphy S.B. Glasgow: Blackie Academic and Professional, 1994. P. 151.
18. Schild H.G. //Progr. Polym. Sei. 1992. V. 17. P. 163.
19. WangX., QiuX., Wu C. // Macromolecules. 1998. V. 31. № 9. P. 2972.
20. Plate N .A., Lebedeva T.L., Valuev L.I. // Polym. J. 1999. V. 31. № 1. P. 21.
21. Тенфорд Ч. Физическая химия полимеров. М.: Химия, 1965.
22. Сибилева М.А., Сибилев AM., Клюбин В.В. // Вы-сокомолек. соед. А. 2001. Т. 43. № 7. С. 1202.
23. Holt С. // Adv. Protein Chem. 1992. V. 43. P. 63.
24. Dubovik A.S., Makhaeva E.E., Grinberg V.Ya., Khokhlov A.R. II Macromol. Chem. Phys. 2005. V. 206. №9. P. 915.
Behavior of Protein-Like N-Vinylcaprolactam and N-Vinylimidazole Copolymers
in Aqueous Solutions
V. I. Lozinsky*, I. A. Simenel*, M. G. Semenova**, L. E. Belyakova**, M. M. Il'in**, V. Ya. Grinberg**, A. S. Dubovik**, and A. R. Khokhlov***
*Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 28, Moscow, 119991 Russia ** Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina 4, Moscow, 119991 Russia ***Faculty of Physics, Moscow State University, Leninskie gory, Moscow, 119992 Russia
Abstract—The free-radical copolymerization of N-vinylcaprolactam and N-vinylimidazole (at an initial comonomer ratio of 85 : 15, mol/mol) initiated by a persulfate-tertiaiy amine redox system in 10% aqueous DSMO at 25 and 65°C (at temperatures below and above the temperature of phase separation of the reaction system, respectively) yielded macromolecular products that were subsequently separated into thermally precipitating and nonprecipitating fractions. Investigations into these fractions by capillary viscometry, static and dynamic laser light scattering, and high-sensitivity DSC showed that macromolecules of both types of copolymers are strongly associated in aqueous solutions. Upon heating of solutions of thermally nonprecipitating fractions, additional aggregation takes place and this phenomenon is accompanied by a decrease in the size of particles without loss in their solubility until at least 70°C is reached. As for a set of physicochemical properties exhibited in aqueous solutions, the thermally nonprecipitating fraction of the copolymer synthesized at 65°C may be assigned to protein-like macromolecules.
