Полиротаксаны нового типа на основе сополимера полиэтиленимина, полиэтиленгликоля и альфа-циклодекстрина

详细

Предложен новый подход к синтезу полиротаксанов на основе полиэтиленимин–блок–полиэтиленгликоль–блок–полиэтиленимин и альфа-циклодекстрина. Показано, что ацилирование свободных аминогрупп полипсевдоротаксана эффективно блокирует распад комплекса в растворе. Структура полученных сополимеров подробно охарактеризована методам ЯМР ¹Н, ЯМР ¹³С, ИК и ГПХ. Обнаружена аномально большая оптическая активность полученных ротаксанов, вероятно, являющаяся следствием образования хиральных спиральных супрамолекулярных структур.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Ротаксаны – необычный класс супрамолекулярных соединений, состоящий из несвязанных макроциклов, нанизанных на макромолекулу. В настоящее время эти соединения привлекают большое внимание как возможные структурные единицы для создания молекулярных машин [1] и полимерных носителей биологически важных соединений. Так, например, было установлено [2], что полиротаксан на основе линейного полиэтиленимина (ПЭИ) и альфа-циклодекстрина обладает большей эффективностью трансфекции и меньшей цитотоксичностью по сравнению с линейным ПЭИ, что может быть использовано для разработки новых невирусных векторов доставки генов при генной терапии. Были синтезированы различные полиротаксаны, в которых варьировался как размер макроцикла (альфа-циклодекстрин–циклогексамальтоза, бета-циклодекстрин–циклогептамальтоза и др.), так и центральный элемент полиротаксана, например, как полиэтиленгликоль (ПЭГ), полипропиленгликоль (ППГ), полилизин или полиэтиленимин [3–7]. Было показано [8], что в случае полиэтиленимина псевдоротаксаны образуются только при рН > 10, в то время как полипсевдоротаксаны с сердечником полиэтиленоксидного типа формируются при любых значениях рН. Эта особенность позволила синтезировать полипсевдоротаксан с использованием в качестве сердечника триблочного сополимера (ПЭИ–блок–ПЭГ–блок–ПЭИ). Также был синтезирован аналогичный термочувствительный полиротаксан с сердечником, представляющим собой триблок-сополимер поли-2-алкил-2-оксазолин–блок–полиэтиленгликоль@альфа-циклодекстрин–блок–поли-2-алкил-2-оксазолин, и было изучено его поведение в водных растворах [9].

Структурной особенностью полученных полиротаксанов является нестатистическое расположение макроциклов вдоль полимерной цепи. Цель настоящей работы – получение изомерных полиротаксанов с более равномерным расположением остатков альфа-циклодекстрина вдоль основной цепи.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для синтеза полимеров использовали 2-этил-2-оксазолин (“Aldrich”) и альфа-циклодекстрин (“Acros”). Внутренним блоком полиротаксана служил альфа,омега-диаминополиэтиленгликоль 2000, полученный по известной методике [10].

Спектры ЯМР получали на спектрометре “Bruker AC400” (400 МГц) для растворов в дейтерированном диметилсульфоксиде. Диализ осуществляли с применением диализных мешков (“CelluSep”, “Orange Scientific”) c MWCO 3500 и 6000. Хроматографический анализ проводили на хроматографе “Shimadzu LC-20AD” с колонкой SDA0830055E1 (5 мкм, 8.0 мм × 300 мм, “PSS”) с использованием рефрактометрического детектора. В качестве подвижной фазы применяли раствор LiBr (0.1 моль/л) в ДМФА при температуре 60°C.

ИК-спектры регистрировали в таблетках KBr на спектрофотометре “Shimadzu IR Affinity-1S” в режиме многократного нарушенного полного внутреннего отражения с разрешением 4 см^–1, число сканов – 30. Молекулярную массу полученных образцов определяли методом статического светорассеяния, для растворов 2-нитропропана, с помощью прибора “Photocor Complex” (“Photocor Instruments Inc.”), который оснащен диодным лазером “Photocor DL” (длина волны λ = 632.8 нм, мощность 5–30 мВт). Оптическую активность образцов определяли для 0.5 мас. %-ных растворов в воде с использованием прибора “POLAX-2L” (на D-линии натрия 589.1 нм). Растворители абсолютировали с использованием стандартных методик.

Получение полиротаксана – поли-2-этил-2-оксазолин@альфа-циклодекстрин–блок–ПЭГ@альфа-циклодекстрин–блок–поли-2-этил-2-оксазолин@ альфа-циклодекстрин

Сополимер ПЭИ–блок–ПЭГ–блок–ПЭИ получали по известной методике [11]. 0.06 г триблок-сополимера растворили в 7.6 мл насыщенного водного раствора альфа-циклодекстрина (1.1 г альфа-циклодекстрина в указанном количестве воды). Смесь подвергли ультразвуковому облучению в водяной бане в течение 10 мин при температуре 60 °С и рН 11, после чего реакционную смесь оставляли при комнатной температуре на 12 ч. К полученной суспензии при интенсивном перемешивании добавляли 3 мл ангидрида пропионовой кислоты. Выпавший осадок отделяли центрифугированием и диализовали относительно воды 12 ч (MWCO 3500). Выход 0.95 г.

ЯМР ¹Н (ДМСО, dн, м.д.): 5.52 (OН-2, д); 5.41 (ОН-3, д); 4.80 (СН-1, д); 4.48 (ОН-6, т); 3.51 (СН₂–СН₂–O, с); 3.33 (СН₂–СН₂–N, c); 2.28 (CO–CH₂–CH₃, ш.с); 0.96 (CO–CH₂–CH₃, ш.с).

ЯМР ¹³С (ДМСО, dс, м.д.): 173.2 (С=О); 101.9 (С₁); 82.0 (С₄); 73.2 (С₂); 72.1 (С₃); 69.8 (С₅); 60.0 (С₆); 44.4 (СН₂–СН₂–N); 40.4 (СН₂–СН₂–O); 24.9 (CO–CH₂–CH₃); 9.4 (CO–CH₂–CH₃).

ИК (см^–1): 3410 (ОН св.); 2880 (ОН несв.); 1640 (С=О); 1476 (CH₂); 1426 (CH₃); 1036 (C–O).

Остальные полиротаксаны получали по аналогичной методике.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для получения изомерных полиротаксанов с более равномерным расположением остатков циклодекстрина вдоль цепи, дитозилат ПЭГ2000, полученный взаимодействием ПЭГ-2000 с тозилхлоридом в условиях реакции Эйнхорна (хлороформ, пиридин, 4-диметиламинопиридин), был использован в качестве инициатора полимеризации 2-этил-2-оксазолина по схеме. В результате был синтезирован поли-2-этил-2-оксазолин–блок–ПЭГ-2000–блок–поли-2-этил-2-оксазолин. Кислотный гидролиз полученного сополимера (водная HCl, 100 °С, 24 ч) позволил получить ПЭИ–блок–ПЭГ-2000–блок–ПЭИ. Нагревание этого сополимера с насыщенным водным раствором альфа-циклодекстрина в щелочной среде (рН 11) провело к получению псевдоротаксана: полиэтиленимин@альфа-циклодектрин–блок–ПЭГ-2000-@альфа-циклодектрин–блок–полиэтиленимин@альфа-циклодектрин (Р1) со статистическим распределением макроциклов вдоль цепи. Блокирование макроциклов на основной цепи было проведено ацилированием свободных аминогрупп полиэтилениминных блоков избытком ангидридов: уксусной, пропионовой, масляной и изомасляной кислот при рН 12, т.е. в условиях, обеспечивающих гидролиз получающихся в качестве побочных продуктов ацилированных остатков циклодекстрина. В результате синтеза (Схема 1) были получены образцы неописанных ранее полиротаксанов: поли-2-алкил (метил, этил, пропил, изопропил)-2-оксазолин@альфа-циклодекстрин–блок–ПЭГ-2000@альфа-циклодекстрин–блок–поли-2-алкил(метил, этил, пропил, изопропил)-2-оксазолин@альфа-циклодекстрин (Р2–Р5) со статистическим распределением макроциклов вдоль цепи.

Схема 1

Как следует из данных спектроскопии ЯМР ¹Н, в полученном образце, например, в спектре полиротаксана Р3 (рис. 1), присутствуют сигналы 5.56 (OН-2, д); 5.52 (ОН-3, д); 4.80 (СН-1, д); 4.50 (ОН-6, т) относящиеся к остаткам циклодектрина, сигналы при 3.51 (СН₂–СН₂–O, с) свидетельствующие о наличии полиэтиленоксидных цепей и сигналы при 3.33 (СН₂–СН₂–N, c); 2.33 (CO–CH₂–CH₃, ш.с); 0.98 (CO–CH₂–CH₃, ш.с) – относящиеся к остаткам пропионовой кислоты. В спектрах полиротаксанов с остатками уксусной, масляной и изомасляной кислот (Р3, Р4 и Р5) наряду с сигналами циклодекстрина и ПЭГ наблюдаются сигналы метильной, пропильной и изопропильной групп, что подтверждает структуру полученных полимеров.

Рис. 1. Спектр ЯМР ¹Н полиротаксана Р3

Среднечисленная молекулярная масса сердечника – ПЭИ–блок–ПЭГ-2000–блок–ПЭИ, найденная из данных ЯМР-спектроскопии, составила 6500, в то время как средневесовая молекулярная масса М_w, определенная методом ГПХ с использованием полиэтиленоксидных стандартов, равна 8200.

Как следует из данных ГПХ, полученные образцы полиротаксанов Р3 и Р4 являются мономодальными, что в комбинации со спектральными данными подтверждает строение синтезированных объектов. Молекулярная масса полученных полиротаксанов, определенная методом статического светорассеяния, составила 21000, 19000, 20000 и 17000 для Р2–Р5 соответственно.

Анализ спектральных данных свидетельствует о том, что плотность содержания макроциклов вдоль цепи составляет 0.3 на группу СН₂СН₂Х, где Х=О или N, и указывает на относительно равномерное распределение циклодекстринов вдоль основной цепи макромолекулы.

Полученные полиротаксаны, как было установлено, обладают очень высокой оптической активностью. Описанные ранее полиротаксаны [9] с центральным полиротаксановым блоком и концевыми поли-2-этил- и поли-2-метил-2-оксазолиновыми фрагментами образуют в воде истинные растворы в отличие от аналогичных полиротаксанов с более гидрофобными остатками масляной и изомасляной кислот, которые образуют в водных растворах значительное количество агрегатов, что делает невозможным корректное измерение их оптической активности. Однако в случае полимеров с поли-2-этил-2-оксазолиновыми блокирующими группами [9] оптическое вращение полимера в воде составило [α]_D = 315°. Принимая во внимание аддитивность этого параметра, а также содержание циклодекстриновых фрагментов – 11 мас. %, оптическая активность механически блокированного фрагмента полиротаксана составляет около [α]_D = 2860°, что почти в 20 раз превышает активность чистого циклодекстрина ([α]_D = 150°). Из литературы известно, что образование гелиценов и аналогичных спиралевидных структур приводит к резкому возрастанию оптической активности. Обнаруженная нами экзальтация оптического вращения также, по всей вероятности, связана с образованием спиральных супрамолекулярных структур за счет образования межмолекулярных водородных связей между остатками циклодекстрина.

В случае полиротаксанов со статистическим распределением макроциклов вдоль цепи измерение оптической активности полученных триблок-сополимеров показало, что удельное оптическое вращение полиротаксана, макроциклы в котором блокированы пропионильными группами, составило [α]_D = 1368°, в то время как аналогичный полимер с бутирильными группами обладает оптическим вращением [α]_D = 1578°. Сравнение оптических активностей полиротаксанов с различным расположением блокирующих групп показывает некоторое уменьшение значения [α]_D, возникающее, по всей видимости, в результате уменьшения размеров связанных водородными связями агрегатов циклодекстрина в случае ротаксанов с равномерным распределением макроциклов. Это подтверждает предположение о формировании в случае триблок-сополимеров с ротаксановым центральным блоком спиральных супрамолекулярных структур, которые вносят определяющий вклад в значение удельного оптического вращения.

Следует отметить, что полиротаксаны Р2–Р5, в отличие от их аналогов с нестатистическим расположением макроциклов вдоль цепи, не проявляли термочувствительности в водных растворах, что, вероятно, связано с увеличением гидрофильности полимеров вследствие наличия большего числа гидрофильных циклодекстриновых фрагментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полипсевдоротаксана ПЭИ–блок–ПЭГ–блок–ПЭИ продемонстрирован новый подход к синтезу полиротаксанов, полученных в условиях “one-port” реакции. Показано, что ацилирование полипсевдоротаксанов эффективно блокирует распад супрамолекулярного комплекса. Обнаружено аномально высокая оптическая активность синтезированных полимеров, возникающая в результате образования спиральных гелиценоподобных ассоциатов.

Работа выполнена по Госзаданию с регистрационным номером проекта 124013000728-0.