На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Тимофей Евгевньевич

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ОБЪЕМЕ ГИДРОГЕЛЯ,

ИНДУЦИОВАННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ С

НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ АМФИФИЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Специальность 02.00.06 высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва– 2008 www.sp-department.ru

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского Государственного Университета им.

М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Махаева Елена Евгеньевна.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Василевская Валентина Владимировна доктор химических наук Сергеев Владимир Глебович

Ведущая организация: Институт синтетических полимерных материалов им. Ениколопова Н.С. РАН

Защита состоится 14 мая 2008 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Лаптинская Т. В.

www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из методов получения новых функциональных полимерных материалов является комплексообразование макромолекул с амфифильными соединениями различной природы.

Выяснение основных закономерностей взаимодействия полимерных макромолекул различной природы с низкомолекулярными амфифильными соединениями является актуальной задачей физики полимеров.

Перспективными объектами исследований являются биосовместимые композитные системы на основе полимеров природного происхождения, в том числе способные образовывать полимерные гели физической природы.

Например, каррагинаны – сульфатные анионные полисахариды. В солевых растворах макромолекулы каррагинанов претерпевают ион - индуцированный конформационный переход клубок - двойная спираль, дальнейшая ассоциация спиралей приводит к образованию физического геля. Спирали каррагинана воспроизводят три основные физические характеристики ДНК – отрицательный заряд, высокую плотность заряда и двуспиральную конформацию.

Взаимодействие гелей каррагинана с биологическими амфифильными соединениями (аминокислотами, липидами) можно рассматривать как модельную систему поведения ДНК в присутствии лигандов. Исследование электростатических комплексов ДНК является важной задачей современной комплексообразования гелей с амфифильными соединениями обусловлена использованием полисахаридов в качестве стабилизаторов (вязкости, прозрачности), загустителей, для защиты и контроля процессов обмена в клетках живых организмов, для направленной доставки лекарств и т.д.

Исследование комплексов синтетических полимеров с органическими соединениями (красителями, ионами металлов, поверхностно активными веществами) интересны как с точки зрения фундаментальных исследований (например, изучение коллапса полиэлектролитного геля, индуцированного взаимодействием с противоположно заряженным поверхностно активным веществом), так и с позиций прикладных разработок. Взаимодействие полимеров с красителями и ионами металлов подробно рассматривалось в последние десятилетия, что создало базу для изучения механизмов формирования и структуры более сложных многокомпонентных комплексов полимеров, органических соединений и ионов металлов.

низкомолекулярными амфифильными соединениями: изучение влияния природы полимерных цепей и типа сшивки на структурообразование в объеме гидрогеля.

В задачи работы входило: исследовать взаимодействие природного полианиона -каррагинана, образующего физические гели, с аминокислотами: фенилаланином и лизином;

-каррагинана с катионным ПАВ цетилтриметиламмоний бромидом;

синтетических химически сшитых полианионных гелей полиметакриловой кислоты с ионами железа и ферроином;

синтетического химически сшитого неионного геля на основе сополимера Nвинилкапролактама и N-винилимидазола с ионами железа и ферроином.

Научная новизна результатов.

Проанализировано связывание аминокислот фенилаланина и лизина гелями -каррагинана. Определены константы связывания лизина спиральной и клубковой формами полисахарида. Показано наличие предпочтительного связывания молекул лизина спиральной конформацией -каррагинана.

Показано, что связывание фенилаланина молекулами каррагинана не влияет на конформацию полисахаридных цепей.

Установлено, что связывание ионов цетилтриметиламмония спиралями каррагинана приводит к образованию новой упорядоченной структуры.

Доказано формирование трехкомпонентных: полимер–ион металла– трехкомпонентных комплексов наблюдается как в полиэлектролитном геле полиметакриловой кислоты, так и в неионном геле на основе сополимера Nвинилкапролактама и N-винилимидазола.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты имеют значение для понимания молекулярного механизма взаимодействия спиральных макромолекул с биологически совместимыми амфифильными соединениями и могут быть использованы для выделения различных веществ из растворов, для создания биологических микрореакторов, лекарств направленного действия, активных пищевых добавок, стабилизаторов физико-химических свойств в пищевой и косметической промышленности.

органическими красителями (в том числе электрохромными), могут быть фоторефрактивных системах, при создании активных элементов индикаторов, различных химических сенсоров.

Апробация работы.

Международной конференции студентов и аспирантов “Ломоносов” (Москва, 2003, 2004, 2007), на конференциях студентов и аспирантов по физике и химии полимеров и тонких органических пленок (Тверь, 2003; Солнечногорск, 2004) Третьей всероссийской Каргинской конференции (Москва, Россия, 2004), Малом полимерном конгрессе, (Москва, Россия, 2005), на международной конференции “European Polymer Congress” (Москва, 2005); на третьей Санктwww.sp-department.ru Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2007) Публикации.

Содержание диссертации полностью отражено в 2 статьях, опубликованных в реферируемых научных журналах, и тезисах к 9 докладам.

Личный вклад автора.

Автор принимал участие в постановке задач диссертационной работы.

Большинство экспериментальных данных, приведенных в диссертационной работе, получены автором. Измерения методом атомно-силовой микроскопии были выполнены в лаборатории зондовой микроскопии кафедры физики полимеров и кристаллов Физического Факультета МГУ имени М.В.

Ломоносова студентами Гаврилко Д.Ю. и Колесовым Д.В. Измерения методом малоуглового рассеяния рентгеноских лучей проведены в лаборатории малоуглового рассеяния Института Кристаллографии имени А.В.Шубникова РАН вед. инж. Дембо К.А., анализ рентгеноструктурных данных выполнен с.н.с., к.б.н. Штыковой Э.В. Помощь в очистке -каррагинана оказывал заведующий лабораторией растительных полисахаридов Института Органической химии им Н.Д.Зелинского РАН Усов А.И.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 103 страницах печатного текста и включает 31 рисунок, 12 таблиц. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы (90 наименований).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научного исследования, определена цель и структура работы.

Глава I содержит обзор основных экспериментальных результатов по теме диссертации. Рассматриваются модели гелеобразования -каррагинана и факторы, влияющие на структурообразование, современные исследования, посвященные взаимодействию гелей и растворов полисахаридов с амфифильными веществами (белками, ПАВ, молекулами лекарств). Также рассмотрены взаимодействия синтетических химически сшитых полимерных сеток с органическими красителями, ионами металлов – образование комплексов, влияние комплексообразования на конформационное состояние геля.

В главе II описаны объекты исследования, методики очистки полимеров, синтеза полимерных гелей, методики приготовления физических гелей каррагинана, образцов для калориметрических, микроскопических и рентгенострукурных измерений. Также изложены основы методов измерений:

высокочувствительной дифференциальной сканирующей калориметрии (ВЧДСК), атомно-силовой микроскопии (АСМ), малоуглового рассеяния рентеновских лучей (МУРР), спектрофотометрии. Термодинамические параметры конформационного перехода -каррагинана определяли методом ДСК, скорость сканирования 1 К/мин. Сруктурные характеристики сеток физических гелей каррагинана, адсорбированных на поверхности слюды, определяли методом АСМ, измерения проводились в полуконтактном режиме.

Структурные характеристики комплексов каррагинан-ПАВ исследовались методом МУРР. Степень абсобции амоникислоты фенилаланина, ионов железа и ферроина определяли по данным спектрофотометрии.

Глава III содержит оригинальные экспериментальные результаты проведенных исследований.

Взаимодействие -каррагинана с аминокислотами.

Влияние фенилаланина на конформационное состояние -каррагинана исследовалось путем изучения абсорбции аминокислоты из раствора гелем, анализа изменения термодинамических параметров перехода двойная спиральклубок каррагинана при взаимодействии с фенилананином и исследования структурных изменений полисахаридных сеток, адсорбированных на поверхности в присутствии фенилаланина. Фенилаланин, так же, как и лизин, является амфолитным соединением. Степень ионизации и знак заряда фенилаланина меняется при изменении pH среды. Изоэлектрическая точка фенилаланина pI равна 5.91. pH среды варьировали в пределах 4 0.3. В этой области концентраций в растворах FeSO4 наблюдается небольшое возвратное набухание гелей, в то время, как в растворах ферроина масса гелей практически не меняется. При 0.5 < n < 1 немного возрастает при увеличении концентрации сульфата железа. Наблюдаемое немонотонное поведение набухания гелей в растворах FeSO4 можно объяснить “перезарядкой” геля за счет абсорбции ионов железа, превышающей мольное отношение [Fe2+] / [COO-] = 0.5, т.е. количество Fe2+, участвующих в нейтрализации карбоксигрупп ПМАК.

При инкубации гелей в растворах ферроина происходит интенсивное окрашивание геля в красный цвет, характерный для ферроина. Изменение массы гелей ПМАК при инкубации как в растворах сульфата железа, так и в растворах ферроина индуцируется абсорбцией ионов железа. На рис. 9(кривые 3,4) приведены зависимости эффективности абсорбции ионов Fe2+ гелями ПМАК от относительной концентрации ионов железа Fe+2 (n). Эффективность абсорбции ионов железа выражали мольным отношением абсорбированных гелем ионов Fe2+ к звеньям МАК = [Fe2+] в геле/ [МАК]. Во всем исследованном интервале концентраций соли эффективность абсорбции ионов железа Fe2+ гелем увеличивается с ростом концентрации соли. При взаимодействии геля ПМАК с уже образовавшимися комплексами Fe2+ – фенантролин число абсорбированных комплексов, приходящихся на одно звено полимерной цепи, при n < 1 несколько выше (рис. 9, кривая 4), что можно связать с дополнительными взаимодействиями (возможно, гидрофобным взаимодействием).

С целью исследования устойчивости комплекса гель ПМАК–Fe2+ – фенантролин были проведены две серии экспериментов. В первой серии гели с иммобилизованными ионами Fe2+ помещали в водный раствор фенантролина.

Во второй гели с иммобилизованными комплексами Fe2+ – фенантролин помещали в воду. Отношение масс гель / раствор поддерживали равным 1 / 500.

После погружения гелей с иммобилизованными ионами железа в раствор фенантролина наблюдается поджатие гелей. Так, при мольном отношении [Fe2+] / [МАК] < 1 масса гелей уменьшается на 40%. При этом происходит интенсивное окрашивание геля в характерный для ферроина красный цвет, что свидетельствует об образовании комплексов Fe2+ – фенантролин в объеме геля.

При инкубации гелей ПМАК с иммобилизованным ферроином в воде масса гелей существенно не изменяется.

Количественная оценка равновесного распределения ферроина между гелем и раствором при инкубации гелей указывает, что лишь небольшая доля ферроина (около 0.1% при инкубации гелей ПМАК – Fe2+ в растворе фенантролина и 0.3% при выдерживании гелей ПМАК – ферроин в воде) находится во внешнем растворе, что указывает на стабильность комплексов.

Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что при взаимодействии полиэлектролитного геля с внутрикомплексным соединением, в котором центральный атом имеет заряд, противоположный заряду полиэлектролита и неионные лиганды, происходит формирование комплексов в объеме геля, т.е. образуются трехкомпонентные (полимер–ион металла– органический реагент) комплексы.

Взаимодействие неионного геля на основе сополимера Nвинилкапролактама (ВК) и N-винилимидазола (ВИ) с ионами железа и ферроином.

С целью изучения особенностей формирования внутрикомплексных соединений в объеме амфифильного неионного гидрогеля и выявления основных движущих сил в системе проведено исследование взаимодействия неионного геля на основе сополимера ВК – ВИ с ионами Fe2+ и ферроином.

Гели ВК-ВИ выдерживали до равновесия в растворах сульфата железа (концентрацию соли варьировали в диапазоне 10-5-10-2 моль/л) и затем в растворе фенантролина.

На рис. 10 приведены зависимости равновесной относительной массы геля ПВК – ВИ и эффективности абсорбции ионов железа гелем от концентрации сульфата железа в растворе. На зависимости можно выделить два участка с различным поведением геля : при концентрации сульфата железа выше и ниже 10-3 моль/л.

При инкубации гелей в растворах с концентрациями соли ниже 10- моль/л увеличение концентрации сульфата железа приводит к росту массы гелей, т.е. происходит дополнительное набухание геля. При этом наблюдается абсорбция ионов железа гелем (рис. 10, кривая 2) за счет образования комплексов Fe2+ с атомом азота имидазольного фрагмента и амидной группой сополимера.

Абсорбция Fe2+ (табл. 2) полимерными цепями ведет к «зарядке» цепей и превращению неионного геля в полиэлектролитный. При этом осмотическое Рис. 10. Относительная масса геля ВК – Рис. 11. Зависимость Относительной (1) и эффективность абсорбции ионов железа (2) в зависимости от n.

Таблица 2. Концентрация ионов железа в геле и в растворе.

отталкивания возрастает, что приводит к значительному увеличению объема геля.

При концентрациях соли выше 10-3 моль/л в исследованном интервале концентраций степень набухания геля незначительно уменьшается с повышением концентрации FeSO4. Однако, как следует из результатов анализа спектров поглощения, количество поглощенных ионов Fe2+ (а, следовательно, и осмотическое давление противоионов) непрерывно возрастает с увеличением концентрации соли во внешнем растворе (рис. 10, кривая 2). Таким образом, повышение количества абсорбированных ионов Fe2+ и SO42- не приводит к дополнительному набуханию геля. Наблюдаемое поведение можно объяснить растяжением полимерных цепей сетки в исследуемой системе.

С целью определения возможности комплексообразования трехкомпонентных комплексов в объеме неионного геля ПВК – ВИ гель с иммобилизованными ионами железа помещали в водные растворы фенантролина (0.005 моль/л) и выдерживали до равновесия, после чего анализировали изменение массы гелей и распределение комплексов Fe2+ – фенантролин между объемом геля и внешним раствором. Погружение гелей сопровождалась окрашиванием геля в красный цвет, характерный для ферроина, что указывает на образование комплекса Fe2+ – фенантролин в его объеме.

Инкубация геля ПВК – ВИ с иммобилизованными молекулами железа в растворе фенантролина приводит к поджатию геля (рис. 11, кривая 1, m2/m1 – отношение массы геля после инкубации в растворе фенантролина к его массе до инкубации). Уменьшение массы геля можно объяснить ослаблением электростатических взаимодействий при образовании внутрикомплексного соединения ферроина с одной стороны, и, с другой стороны усилением гидрофобных взаимодействий в системе. При этом ионы железа практически не вымываются из объема геля, о чем свидетельствуют значения – мольное отношение ионов Fe2+, абсорбированных гелем, после и до погружения в раствор фенантролина, близкое к единице (рис. 11, кривая 2). Совокупность полученных результатов указывает на формирование трехкомпонентного комплекса при взаимодействии слабо сшитого геля ПВК-ВИ с Fe2+ и фенантролином.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

сопровождается связыванием лизина молекулами полисахарида. Определены константы связывания лизина и ионов лития со спиральной и клубковой формами полисахарида. Показано наличие предпочтительного связывания молекул лизина и ионов лития спиральной конформацией -каррагинана.

фенилаланином наблюдается абсорбция аминокислоты гелем, не сопровождающаяся дополнительным структурообразованием молекул каррагинана.

3) Установлено, что связывание ионов цетилтриметиламмония каррагинаном приводит к структурообразованию молекул -каррагинана и к образованию новой упорядоченной структуры.

4) При взаимодействии гелей ПМАК с ионами железа и ферроина в водных растворах ионы Fe2+ и комплексы Fe – фенантролин эффективно абсорбируются гелями ПМАК, что приводит к коллапсу гелей. Обнаружено формирование трехкомпонентных (полимер–ион металла–органический реагент) комплексов в объеме геля.

5) При взаимодействии неионного геля на основе ВК и ВИ с ионами железа в водных средах наблюдается эффективная абсорбция Fe2+ гелем и дополнительное набухание геля. Инкубация гелей с иммобилизованными ионами железа в растворах фенантролина сопровождается образованием трехкомпонентных комплексов Fe2+-фенантролин в объеме геля.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ

1. Григорьев Т.Е., Гелеобразование к-каррагинана с фенилаланином, международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2003», Секция «Физика», Москва 2003, сборник тезисов стр. 225.

2. Григорьев Т.Е., Влияние фенилаланина на конформационное состояние ккаррагинана, VII Конференция студентов и аспирантов учебно- научного центра по химии и физике полимеров и тонких органических пленок. г.Тверь, 2003 г. Тезисы докладов стр. 16.

3. Григорьев Т.Е., Гаврилко Д.Ю., Насимова И.Р., Махаева Е.Е., Хохлов А.Р., Гелеобразование к-каррагинана в присутствии амфифильных соединений, Третья Всероссийская Каргинская Конференция Конференция «ПолимерыТезисы устных и стендовых докладов, том 1, стр. 239.

4. Григорьев Т.Е, Калориметрическое исследование взаимодействия ккаррагинана с фенилаланином, Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2004», секция «Физика», Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва 2004 г. Тезисы докладов стр. 304.

5. Григорьев Т.Е., Калориметрическое исследование взаимодействия ккаррагинана с лизином и ионами лития, VIII Конференция студентов и аспирантов учебно- научного центра по химии и физике полимеров и тонких органических пленок. г. Солнечногорск, 2004 г. Тезисы докладов стр. 19.

6. Grigoriev T., Gavrilko D., Makhaeva E., Grinberg V., Khokhlov A., Energetics of kappa- carrageenan- amphiphile interaction, European Polymer Congress 2005, Moscow State University, Moscow, Russia, june 27- july 1 2005, p4.2-10, Ref Book of abstracts p. 160.

7. Григорьев Т.Е., Нгуен К.Х., Скрябина И.В. Взаимодействие органических красителей с гидрогелями, Малый полимерный конгресс 2005, ИНЕОС РАН, Москва, 29 ноября-1 декабря 2005, сборник тезисов, стр. 74.

8. Григорьев Т.Е., Гринберг Н.В., Гринберг В.Я., Усов А.И., Махаева Е.Е., Хохлов А.Р. Влияние амфифильных соединений на термообратимый конформационный переход к-каррагинана в водно-солевых растворах // Высокомолекулярные соединения, серия А, том 49, №6, 2007г.,стр. 969-976.

полиметакриловой кислоты и ферроина, XIV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» 2007, тезисы докладов стр. 81.

10. Григорьев Т.Е., Скрябина И.В., Махаева Е.Е., Формирование комплексов Fe(II)-фенантролин в объеме гидрогеля, 3-я Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» 2007 г. Тезисы докладов, 2-С-03. с. 11. Григорьев Т.Е., Нгуен Ким Хунг, Скрябина И.В., Махаева Е.Е., Хохлов А.Р.// Высокомолекулярные соединения,Серия А, том 50, №1, 2008 г., стр. 83-90.