CC BY
66
УДК 544.77.03
А. Б. Миргородская, Р. А. Кушназарова, А. М. Бекмухаметова, Г. А. Гайнанова, Л. Я. Захарова
ВЛИЯНИЕ ГИДРОТРОПНЫХ ДОБАВОК НА СОЛЮБИЛИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МИЦЕЛЛЯРНЫХ РАСТВОРОВ КАТИОННЫХ ПАВ
Ключевые слова: солюбилизация, гидротропная добавка, поверхностно-активное вещество.
Охарактеризовано агрегационное поведение и солюбилизационное действие катионных ПАВ со стерически затрудненной головной группой в присутствии гидротропных добавок - холина хлористого и тимола. Показано, что добавка холина хлористого уменьшает значения ККМ и повышает солюбилизационную емкость мицеллярных растворов исследуемых ПАВ в отношении гидрофобных красителей Sudan I и куркумина. Действие тимола ограничено узкой концентрационной областью растворимости этого соединения в системах на основе катионных ПАВ.
Keywords: solubilization, hydrotropic additive, surfactant.
The aggregation behavior and solubilization action of cationic surfactants with sterically constrained head group in the presence of hydrotropic additives, choline chloride and thymol, were characterized. It was shown that the addition of choline chloride reduces the CMC value and increases the solubilization capacity of the surfactants micellar solutions studied in relation to hydrophobic dyes Sudan I and curcumin. The action of thymol is limited to a narrow concentration region of the solubility of this compound in the systems based on cationic surfactants.
Введение
Обеспечение растворимости в воде нерастворимых лекарственных препаратов, их инкапсулирование и адресная доставка являются своего рода вызовом для супрамолекулярной химии. С этой точки зрения использование ПАВ, способных солюбилизировать низкополярные органические соединения и увеличивать их растворимость за счет локализации в микрофазе организованной системы, становится важным аспектом [1,2]. Эффективность солюбилизации зависит от природы и гидрофильно-липофильных свойств ПАВ, от их агрегационного поведения, от свойств дисперсионной среды и структуры самого солюбилизата, а также от наличия различных добавок. В качестве добавок, усиливающих солюбилизационные свойства ПАВ, в последние годы успешно применяют гидротропные соединения, которые, как и ПАВ, характеризуются выраженными амфифильными свойствами, однако гидрофобная часть этих соединений гораздо меньше, чем у ПАВ. Использование гидротропных добавок ведет к уменьшению вязкости и гигроскопичности исследуемых растворов, а также способствует повышению растворимости ПАВ [3]. К наиболее известным и широко используемым представителям гидротропных добавок относятся спирты, гликоли, амины, салицилаты щелочных металлов и соли сульфокислот. Повышение растворимости при их применении объясняется тем, что в данном случае растворителем является не только вода, но и гидратированные молекулы гидротропных веществ. Однако механизм взаимодействия гидротропов с гидрофобными солюбилизатами изучен недостаточно. Кроме того, в каждом конкретном случае следует учитывать влияние гидротропов на структуру и свойства ПАВ, на синергизм в их солюбилизационном действии, который способен привести к значительному увеличению растворимости различных гидрофобных субстратов.
Целью настоящей работы является исследование систем на основе катионных ПАВ в присутствии гидротропных добавок для выявления возможности образования смешанных агрегатов, способных повышать растворимость гидрофобных субстратов различной природы.
В качестве объектов исследования нами выбраны следующие ПАВ: 1-гексадецил-4-аза-1-азониабицикло[2.2.2]октан бромид (DABCO-16) и трифенилфосфоний бромид (TPPB-16). Оба эти ПАВ имеют стерически загруженную головную группу, что является причиной их необычного агрегационного поведения в водных растворах [48]. В качестве гидротропных добавок были использованы 2-изопропил-5-метилфенол (тимол) и 2-гидроксиэтил-3-метиламмоний хлористый (холин хлористый). Солюбилизационное действие исследуемых систем было испытано на примере синтетического красителя Sudan I и природного пищевого красителя куркумина. Структурные формулы использованных соединений приведены
ниже.
он сн3
С1
Тимол
СН3 НзС-N4.
СН3
Холин хлористый (Ch)
а) Гидротропные добавки
TPPB-16
DABCO-16 б) ПАВ
м
W
Судан-1 Куркумин
в) Гидрофобные субстраты
Экспериментальная часть
1 -Гексадецил-4 -аза-1 -азониабицикло [2.2.2] октан бромид (DABCO-16) синтезирован по методике [6]. В ходе эксперимента применяли коммерческие образцы трифенилфосфоний бромида, тимола, холина хлористого и гидрофобных зондов (Судан-1 и куркумин) фирмы Acros Organics, содержащие 99% основного вещества. Приготовление всех растворов осуществляли с использованием бидистиллированной воды, полученной на установке Direct-Q 5 UV (сопротивление воды 18.2 МОм-см при 25 оС).
Поверхностное натяжение растворов определяли с помощью тензиометра К6 фирмы KRUSS методом отрыва кольца Дю-Нуи в термостатируемой ячейке. Удельную электропроводность (х, мкСм/см) систем измеряли на кондуктометре InoLab Cond 7110. Значения критической концентрации
мицеллообразования (ККМ) соответствовали точкам изменения наклона на графиках зависимости свойство - концентрация ПАВ.
Размер агрегатов в исследуемых системах определяли на фотонном корреляционном спектрометре динамического рассеяния света «ZetaSizer Nano» («Malvern», Великобритания).
Солюбилизирующую способность мицеллярных систем определяли спектрофотометрическим методом. Спектры регистрировали на спектрофотометре Specord 250 Plus в диапазоне от 250 до 600 нм c использованием кварцевых кювет толщиной 0,5 и 1 см. В качестве солюбилизатов применяли гидрофобные зонды: Sudan I (1-фенилазо-2-нафтол) и куркумин (1,7-бис(4-гидрокси-3-метоксифенил)-1,6-гептадиен-3,5-дион).
Молярный коэффициент экстинкции (е) солюбилизатов в исследуемых растворах находили из значения оптической плотности (D) пробы, определенной при заданной концентрации гидрофобных зондов (С) в максимуме их поглощения, по уравнению е = D/LC. Эксперимент по определению солюбилизационной емкости осуществляли следующим образом: в приготовленные растворы с определенной концентрацией ПАВ добавляли избыток кристаллического красителя и выдерживали двое суток для получения насыщенного раствора. Нерастворившийся остаток отфильтровывали и измеряли оптическую плотность растворов при длинах волн X = 500 нм - в случае Sudan I и X = 420 нм для куркумина. На основании полученного значения D раствора в максимуме поглощения с учетом коэффициента экстинкции солюбилизата оценивали его содержание в пробе.
Результаты и их обсуждение
На первом этапе работы охарактеризовано агрегационное поведение DABCO-16 и TPPB-16 в присутствии холина хлористого. Это соединение
хорошо растворяется в воде и в индивидуальных растворах не способно к агрегированию. Однако оно влияет на значения ККМ использованных катионных ПАВ. Тензометрические данные, полученные в системах ПАВ - холин хлористый в условиях изменения концентрации ПАВ при постоянном содержании гидротропной добавки, позволяют фиксировать снижение поверхностного натяжения в растворах, что говорит о возможности образования смешанных агрегатов. Зависимости для обоих исследованных ПАВ характеризуются одной критической точкой, значение которой уменьшается по мере роста содержания холина хлористого в системе (рис.1, табл.1).
£ 60 z
Е 55
10
CCh = 0 mM
CCh = 1 mM
CCh = 10 mM
^-5 ^-4 ^-3 0.01
CDABCO-16' М
Рис. 1 - Концентрационная зависимость поверхностного натяжения систем DABCO-16 в отсутствии и присутствии холина различной концентрации, 25 °С. На вставке - Зависимость удельной электропроводности водных растворов DABCO-16 от его концентрации в отсутствии и присутствии холина (1 мМ), 25°С
Таблица 1 - Агрегационные характеристики мицеллярных растворов DABCO-16 и ТРРВ-16 в присутствии и в отсутствии добавок холина хлористого
ПАВ С ^хол мМ ККМ, мМ а Dh, нм (PDI)
Спав , мМ
2 5
DABCO -16 0 1.1 1.0* 0.22 185 (0.206) 193 (0.187)
1 0.80 0.86* 0.18 165 (0.216) 158 (0.187)
10 0.62 0.55* 0.16 87 (0.338) 80 (0.17)
TPPB-16 0 0.10 160 (0.378)
1 0.09 118 (0.676)
10 0.05 105 (0.584)
* Значения ККМ, полученные кондуктометрическим методом
На примере DABCO-16 показано, что полученные тензиометрией значения ККМ для бинарных систем хорошо согласуются с данными кондуктометрии (табл.1). Степень связывания противоионов (а), определенная по изменению
наклона зависимости удельной электропроводности до и после ККМ (вставка на рис.1, табл.1), для мицеллярных растворов DABCO-16 мало меняется при добавлении в систему холина хлористого. Следует отметить, что если в качестве гидротропов используют соли сульфокислот или соли органических ароматических кислот, наблюдается более сильное снижение ККМ и более существенное изменение значения а, так как эти соединения способны выступать в роли противоионов, эффективно компенсировать заряд головных групп ПАВ и частично замещать ионы брома на поверхности мицелл. В случае холина хлористого его адсорбцию у положительно заряженной поверхности мицеллы ожидать трудно. Более вероятно, что это соединение ведет себя подобно со-ПАВ, встраиваясь между молекулами DABCO-16 и участвуя в образовании мицеллы. Этот процесс сопровождается уменьшением размера агрегата. Чем выше содержание холина хлористого в системе, тем больше его доля в мицелле и тем меньше становится ее гидродинамический диаметр (табл. 1, рис.2).
Рис. 2 - Гидродинамический диаметр агрегатов в смешанной системе DABCO-16 - холин хлористый ( Спав 5 мМ, Cch 10 мМ)
Для оценки возможности применения ПАВ или смешанных композиций ПАВ-гидротроп в качестве эффективных солюбилизаторов, позволяющих увеличивать содержание в водных растворах органических неполярных соединений и тем самым увеличивать их биодоступность, нами проделан эксперимент, позволяющий количественно охарактеризовать солюбилизационную емкость сформированных систем. В качестве солюбилизатов были выбраны синтетический гидрофобный краситель Sudan I, поведение которого в мицелярных системах изучено достаточно хорошо, что обеспечивает базу данных для сравнительной оценки свойств изучаемых систем. Кроме того, использован природный краситель куркумин. Это соединение, широко применяемое в пищевой промышленности, обладает выраженными противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами, что позволяет рассматривать его в качестве потенциального лекарственного средства. Тестируемые соединения характеризуются интенсивным поглощением в УФ и видимой области спектра. Это дает возможность, используя соотношение Бугера-Ламберта-Бера, количественно определять их содержание в растворах. На рис. 3 и 4 приведены спектры Sudan I и куркумина в смешанной системе DABCO-16 - холин хлористый.
Рис. 3 - Спектры поглощения Судана I в системе DABCO-16 - холин (10 мМ) (0.5 см кювета, 25 оС). На вставке - Концентрационная зависимость оптической плотности полосы поглощения Судана I при к = 462 нм в системе DABCO-16 - холин
X, нм
Рис. 4 - Спектры поглощения куркумин в системе DABCO-16 - холин (10 мМ) (0.5 см кювета, 25 оС). На вставке - Концентрационная зависимость оптической плотности полосы поглощения куркумина при к = 420 нм в системе DABCO-16 - холин
При концентрации выше ККМ интенсивность поглощения солюбилизатов возрастает по мере роста содержания ПАВ в системе. На вставках к рис. 3 и рис. 4 представлены изменения оптической плотности насыщенного раствора гидрофобного красителя в максимуме поглощения. Далее с учетом коэффициентов экстинкции солюбилизатов по уравнению S = ble, где b - наклон зависимости DIL = f (Спав), D -оптическая плотность, L - толщина кюветы, Спав -концентрация ПАВ, оценена солюбилизационная емкость (S) мицеллярных растворов, в том числе содержащих гидротропные добавки. В мицеллярных растворах катионных ПАВ в нейтральных средах (рН 6) е = 8700 моль-1-л^см-1 (Xmax 462 нм) для Sudan I и е = 60500 моль-1-л^см-1 (^max 420 нм) для куркумина. Определенная с учетом этих значений солюбилизационная емкость исследованных систем приведена в табл.2.
Из таблицы 2 видно, что добавка холина хлористого изменяет солюбилизационные свойства DABCO-16, усиливая их как по отношению к Sudan I, так и по отношению к куркумину. TPPB-16 проявляет несколько
d
2
0
D
меньшие солюбилизационные свойства, чем DABCO-16, однако отклик на введение холина хлористого у этих ПАВ очень близкий.
Таблица 2 - Солюбилизационная емкость DABCO-16 и ТРРВ-16 в отсутствии и в присутствии холина хлористого
Другой гидротропной добавкой, использованной в настоящей работе, послужил тимол. Это соединение находит применение в медицине и фармацевтике в качестве антисептика и консерванта. Использование тимола в сочетании с ПАВ для солюбилизации водонерастворимых препаратов не только позволит повысить их содержание в водных растворах, но и придаст композициям более широкий спектр биологической активности. Однако тимол плохо растворим в воде и ограниченно растворим в мицеллярных растворах. Существует довольно узкий концентрационный диапазон, в котором водные системы DABCO-16 - тимол и TPPB-16 - тимол представляют собой макрооднородные прозрачные растворы. Так для получения таких систем на основе DABCO-16 и тимола следует придерживаться мольного соотношения ПАВ - тимол 5:1 - 10:1. При этом образуются вязкие растворы, в которых методом динамического рассеяния света фиксируются агрегаты 185-190 нм как в присутствии тимола, так и без него. Эти растворы были использованы нами для солюбилизации красителей. Показано, что если при концентрации DABCO-16 0.1 М можно создать раствор, содержащий 1.5 мМ Sudan I, то добавление 0.0125 М тимола позволяет увеличить содержание красителя приблизительно в три раза. Аналогичное увеличение солюбилизационной емкости для DABCO-16 в присутствии тимола наблюдается и в случае куркумина. Можно предположить, что тимол,
включенный в структуру мицеллы катионного ПАВ, усиливает солюбилизационное действие системы за счет образования водородных связей с субстратами.
Таким образом, в ходе работы показано, что добавка холина хлористого уменьшает значения ККМ катионных ПАВ со стерически затрудненной головной группой и повышает их солюбилизационное действие в отношении гидрофобных красителей Sudan I и куркумина. Действие тимола ограничено узкой концентрационной областью растворимости этого соединения в системах исследуемых ПАВ. Однако в области существования однородных растворов добавка тимола значительно повышает солюбилизационное действие DABCO-16.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 15-43-02490.
Литература
1. Sh. D. Christian, J. F. Scamehorn, Solubilization in Surfactant Aggregates. CRC Press, 1995, 568 р.
2. S. Mehta, S. Chaudhary Self-Assemblies of Surfactants as Solubilization Reservoirs. LAP Lambert Academic Publishing, 2010, 168 р.
3. Sergeeva V.F., Russ. Chem. Rev., 34, 309-318 (1965).
4. T.N. Pashirova, S.S. Lukashenko, S.V. Zakharov, A.D. Voloshina, E.P. Zhiltsova, V.V. Zobov, E.B. Souto, L.Ya. Zakharova, Colloid. Surface. B, 127, 266-273 (2015).
5. G. A. Gainanova, G. I. Vagapova, V. V. Syakaev, A. R. Ibragimova, F. G. Valeeva, E. V. Tudriy, I. V. Galkina, O. N. Kataeva, L.Ya. Zakharova, Sh. K. Latypov, A. I. Konovalov, J. Colloid Interface Sci., 367, 1 (2012).
6. F.G. Valeeva, E.A. Vasilieva, G.A. Gaynanova, R.R. Kashapov, S.V. Zakharov, D.A. Kuryashov, S.S. Lukashenko, N.Yu. Bashkirtseva, L.Ya. Zakharova, J. Mol. Liq., 203, 104-110 (2015).
7. R.R. Kashapov, T.N. Pashirova, S.V. Kharlamov, A.Yu. Ziganshina, E.P. Zhiltsova, S.S. Lukashenko, L.Ya. Zakharova, S.K. Latypov, A.I. Konovalov, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 15891, 327-336 (2011).
8. Т.Н. Паширова, Е.П. Жильцова, Р.Р. Кашапов, С.С. Лукашенко, А.И. Литвинов, М.К. Кадиров, Л.Я. Захарова, А.И. Коновалов, Изв. АН. Сер. хим., 9, 16991706 (2010).
Ссь мМ Солюбилизационная емкость, S
DABCO-16 TPPB-16
Судан I Куркумин Судан
0 0.105 0.066 0.085
1 0.139 0.082 0.106
10 0.155 0.117 0.117
© А. Б. Миргородская - с.н.с., к.х.н., ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, mirgorod@iopc.ru; Р. А. Кушназарова - магистр КНИТУ; А. М. Бекмухаметова - магистр КНИТУ; Г. А. Гайнанова - с.н.с., к.х.н., ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, gaynanova@iopc.ru; Л. Я. Захарова - зав. лабораторией, д.х.н., ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, проф. каф. органической химии КНИТУ, lucia@iopc. ru.
© A. B. Mirgorodskaya, Senior Researcher, PhD, A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences; mirgorod@iopc.ru; R. A. Kushnazarova - Master, KNRTU; A. M. Bekmukhametova -Master, KNRTU; G. A. Gaynanova, Senior Researcher, PhD, A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, gaynanova@iopc.ru; L. Ya. Zakharova, Head of Laboratory, Full Professor, A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of Kazan Scientific Center of Russian Academy of Sciences, lucia@iopc. ru.
