Синтез альтернантных полимерных щеток с боковыми поли-2-алкил-2-оксазолиновыми цепями для биомедицинских применений

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Амфифильные полимерные щетки представляют собой уникальный класс разветвленных полимеров с гидрофобной основной цепью и водорастворимыми боковыми цепями, которые активно применяют в биомедицине, катализе, а также при создании функциональных покрытий и умных полимерных материалов [1]. В последние десятилетия синтез амфифильных полимерных щеток стал предметом интенсивного изучения, что обусловлено их многообещающими свойствами и широкими возможностями для модификации, в том числе с целью получения термо- и pH-чувствительных полимерных материалов [2–4].

Одним из распространенных методов синтеза амфифильных полимерных щеток можно назвать радикальную полимеризацию макромономеров, в частности с применением контролируемых методов радикальной полимеризации [5–7]. При этом полимеризация макромономеров по радикальному механизму может проводиться в водных средах [8], что позволяет значительно упростить процесс производства подобных полимерных материалов и снизить объемы выделяемых в процессе синтеза опасных отходов, что отвечает основным принципам “зеленой химии”. Основным требованием, предъявляемым к макромономерам, в этом случае является их достаточная водорастворимость. Среди водорастворимых полимеров в настоящее время внимание исследователей привлекают поли-2-алкил-2-оксазолины, обладающие выдающимися свойствами, такими как амфифильность, термочувствительность и биосовместимость [9, 10]. Боковые цепи поли-2-алкил-2-оксазолинов в полимерных щетках могут значительно улучшать взаимодействие полимеров с биологическими системами, что открывает новые перспективы для их использования в медицине. Получение амфифильных полимерных щеток на основе поли-2-алкил-2-оксазолинов также активно изучается [11].

В настоящей работе рассматривается возможность синтеза альтернантных полимерных щеток с чередующимися боковыми поли-2-алкил-2-оксазолиновыми цепями путем радикальной сополимеризации поли-2-алкил-2-оксазолиновых макромономеров в водной среде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы и методы

2-Этил-2-оксазолин (99%, “Sigma-Aldrich”, Германия) перегоняли над гидридом кальция. 2-Изопропил-2-оксазолин получали по известной методике [12], затем перегоняли над гидридом кальция. Ацетонитрил (99%, “Криохром”, Россия) дважды перегоняли над пятиокисью фосфора. N-(4-хлорсульфонилфенил)малеимид получали по известной методике [13]. 4-Винилбензилхлорид (98%, “Sigma-Aldrich”, Германия), N-фенилмалеимид (99%, “Реахим”, Россия), динитрил азобисизомасляной кислоты (99%, “Реахим”, Россия), персульфат калия (99%, “Реахим”, Россия), сульфат железа (99%, “Вектон”, Россия), гидросульфит натрия (99%, “Реахим”, Россия), гексаметилдисилоксан (99.5% NMR grade, “Aldrich”, США) использовали без предварительной очистки. Иодид натрия (98%, “Реахим”, Россия) очищали перекристаллизацией из смеси этанола с водой и высушивали прокаливанием при температуре 200 °С. Деоксигенацию аргона осуществляли методом продувания через нагретую до 600 °С кварцевую трубку, наполненную титановой стружкой.

Спектры протонного ядерного магнитного резонанса (ЯМР ¹H) снимали на приборе “Bruker AC400” (400 МГц) при 20 °C для растворов в дейтерированном хлороформе. Молекулярно-массовые характеристики макромономеров и полимерных щеток исследовали методом гель-проникающей хроматографии на приборе “Shimadzu LC-20 Prominence”, оснащенном колонкой “Waters Styragel HT4 10 μm” (7.8 × 300 мм), колонкой “PSS SDV 5 μm” (8 × 300 мм) и рефрактометрическим детектором “Shimadzu RID-20A”. В качестве элюента использовали N,N-диметилформамид (99.9% для ВЭЖХ, “Aldrich”, Германия) с добавлением 5 ммоль/л безводного хлорида лития при температуре 60 °C и скорости потока 1.0 мл/мин. Для анализа использовали растворы полимерных образцов с концентрацией 2 мг/мл, фильтрованные через гидрофобные шприцевые фильтры PFTE (“Thermo Scientific”, США) с порами 0.45 мкм. Молекулярно-массовые характеристики определяли на основе кубической калибровочной зависимости, полученной с использованием набора стандартных образцов полиэтиленоксида с массами в диапазоне 400–6000 (“PSS”, США).

Молекулярно-массовые характеристики полимерных щеток устанавливали методами статического и динамического светорассеяния на установке “Photocor Complex” (“Photocor Instruments Inc.”, Россия). Источником света служил диодный лазер “Photocor-DL” с длиной волны λ = 658.7 нм. Корреляционную функцию получали на корреляторе “Photocor-PC2” с 288 каналами и обрабатывали с помощью программного обеспечения “DynalS”. Молекулярно-массовые характеристики определяли в растворах хлороформа, так как ассоциативные явления в нем отсутствовали. Значения абсолютных молекулярных масс M_w находили методом статического рассеяния света. Асимметрия рассеяния света отсутствовала, поэтому M_w устанавливали, используя подход Дебая. Гидродинамические радиусы макромолекул R_h получали методом динамического рассеяния света. Процессы самоорганизации изучали на установке “Photocor Complex” (“Photocor Instruments Inc.”, Россия) методами статического, динамического рассеяния света и турбидиметрии. Методика эксперимента подробно описана в работе [14]. Также исследовали водные растворы при фиксированной концентрации С = 0.005 г/см³.

Синтез макромономера поли-2-этил-2-оксазолина (ММ-1)

N-(4-хлорсульфонилфенил)малеимид 0.50 г (0.0018 моля), 2-этил-2-оксазолин 5.47 г (0.055 моля) и ацетонитрил 5.5 г (0.14 моля) помещали в ампулу, которую затем продували от воздуха и остаточной влаги сухим аргоном и запаивали. Реакционную смесь выдерживали при 100 °C в течение 6 ч в микроволновом химическом реакторе “WBFY-201” (“Guangzhou Fan Bo Lun Import And Export Trade Co., Ltd.”, Китай). После окончания процесса полимеризации растворитель удаляли, продукт очищали двукратным осаждением из хлороформа в петролейный эфир и сушили в вакууме. Выход продукта составил 4.9 г (89%). Спектр ЯМР ¹H (400 MHz; СDCl₃; 20 °С; δ, м.д.): 7.96 (m, 2H), 7.54 (m, 2H), 6.93 (t, 2H), 3.46 (br, 176H), 2.56–2.10 (br, 44H), 1.12 (br, 264H).

Синтез макромономера поли-2-изопропил-2-оксазолина (ММ-2)

4-Винилбензилхлорид 0.24 г (0.0016 моля), иодид натрия 0.47 г (0.0028 моля), 2-изопропил-2-оксазолин 5.29 г (0.047 моля) и нитрометан 5.34 г (0.088 моля) помещали в ампулу, которую продували от воздуха и остаточной влаги сухим аргоном и запаивали. Реакционную смесь выдерживали при 100 °C в течение 8 ч в микроволновом химическом реакторе “WBFY-201”. После окончания полимеризации растворитель удаляли, продукт растворяли в дихлорметане, фильтровали от неорганического осадка, после чего промывали насыщенным водным раствором карбоната калия и дистиллированной водой, сушили над прокаленным сульфатом магния. Продукт осаждали в холодном диэтиловом эфире и сушили в вакууме. Выход продукта составил 4.4 г (83%). Спектр ЯМР ¹H (400 MHz; СDCl₃; 20 °С; δ, м.д.): 7.35 (m, 4H), 6.71 (m, 1H), 5.74 (d, 1H), 5.23 (d, 1H), 3.46 (br, 172H), 3.07–2.40 (br, 86H), 1.12 (br, 129H).

Сополимеризация макромономеров в неводной среде

Навески макромономеров 0.5 г поли(2-этил-2-оксазолин)а и 0.5 г поли(2-изопропил-2-оксазолин)а растворяли в 10 мл хлорбензола, после чего добавляли к реакционной смеси раствор 0.5 мг динитрила азобисизомасляной кислоты в 1 мл хлорбензола. Колбу продували сухим дезоксигенированным аргоном, а затем герметично закрывали. Полимеризацию проводили при 70 °C в течение 24 ч. Полученную реакционную смесь осаждали в петролейном эфире. Продукт растворяли в этаноле и очищали диализом в воде с использованием диализных мешков с MCWO 7 × 10³ (“M-CEI”, Франция), затем лиофилизировали. Выход продукта составил 0.65 г (65%).

Определение относительной активности макромономеров

Относительную активность макромономеров при их сополимеризации в среде хлорбензола при температуре 70 °C и инициировании динитрилом азобисизомасляной кислоты определяли в соответствии с графическим методом Майо‒Льюиса. Готовили реакционные смеси с различным мольным соотношением макромономеров (табл. 1). Рассчитанное количество макромономеров растворяли в 0.8 мл хлорбензола. Добавляли 0.1 мл раствора динитрила азобисизомасляной кислоты в хлорбензоле концентрацией 1 мг/мл и 0.05 мл раствора гексаметилдисилоксана концентрацией 50 мг/мл в хлорбензоле в качестве внутреннего стандарта. Образцы исходных смесей отбирали для исследования методом спектроскопии ЯМР ¹H, после чего реакционные смеси продували сухим деоксигенированным аргоном. Полимеризацию вели при 70 °C в течение 1 ч, затем отбирали образцы реакционных смесей объемом ~0.1 мл для анализа методом спектроскопии ЯМР ¹H.

 

Таблица 1. Параметры загрузки для реакционных смесей (концентрация инициатора С_иниц = 6.41 × 10^‒4, моль/л)

Навески макромономеров, г		Мол. соотношение ММ-1 : ММ-2 (F1/F2)
mММ-1	mММ-2
0.1602 0.1011 0.0403	0.0395 0.1009 0.1601	3.81 0.94 0.24

 

Относительную активность макромономеров с малеимидными (r₁ = k₁₁/k₁₂) и стирольными (r₂ = k₂₂/k₂₁) концевыми группами рассчитывали в соответствии с уравнением Майо–Льюиса:

$r_2=\frac{f_1}{f_2}\left[\frac{F_2}{F_1}\left(1+\frac{f_1{r}_1}{f_2}\right)-1\right]$, (1)

где F₁ и F₂ – мольные доли макромономеров малеимида и стирола соответственно в исходных реакционных смесях, f₁ и f₂ – мольные доли макромономеров ММ-1 и ММ-2 соответственно в полученном сополимере, r₁ и r₂ – относительная активность макромономеров ММ-1 и ММ-2.

Мольные доли макромономеров f₁ и f₂ в полученном сополимере определяли на основе интегральных интенсивностей сигналов фрагментов малеимида (6.97 м.д.) и винилбензила (5.49 м.д.), а также сигналов гексаметилдисилоксана (0.14 м.д.) в качестве внутреннего стандарта в спектрах ЯМР ¹H исходных и конечных образцов реакционных смесей.

Для каждого состава мономера F₁/F₂ построили линейную зависимость с использованием произвольных значений r₁. Пересечение линий дало область значений для относительной активности r₁ и r₂. Для усредненных значений r₁ и r₂ взяли координаты центра тяжести полученного треугольника, а в качестве погрешностей ‒ наибольшие отклонения от средних значений r₁ и r₂ в области допустимых значений.

Сополимеризация макромономеров в водной среде при пониженной температуре

Для приготовления растворов дистиллированную воду предварительно дегазировали при помощи вакуумного дегазатора “Modulmex V5-LE” (Россия). Навески макромономеров 0.5 г поли(2-этил-2-оксазолин)а и 0.5 г поли(2-изопропил-2-оксазолин)а растворяли в 15 мл воды, затем к раствору последовательно прибавляли раствор 10 мг персульфата калия в 2 мл воды, раствор 1 мг сульфата железа(II) в 1 мл воды и 0.1 мл водного раствора гидросульфита натрия массовой концентрацией 35%. Колбу продували сухим дезоксигенированным аргоном. Смесь перемешивали в течение 24 ч при температуре 3 °С. Полученный раствор диализовали относительно воды, затем лиофилизировали. Выход продукта составил 0.54 г (54%).

Сополимеризация макромономеров в водной среде при повышенной температуре

Навески макромономеров 0.5 г поли(2-этил-2-оксазолин)а и 0.5 г поли(2-изопропил-2-оксазолин)а растворяли в 20 мл воды, затем к раствору последовательно прибавляли раствор 10 мг персульфата калия в 2 мл воды, раствор 1 мг сульфата железа(II) в 1 мл воды, 0.1 мл водного раствора гидросульфита натрия массовой концентрацией 35%. Колбу продували сухим дезоксигенированным аргоном. Смесь перемешивали в течение 24 ч при температуре 75 °С. Полученный раствор фильтровали, диализовали относительно воды, затем лиофилизировали. Выход продукта составил 0.51 г (51%).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез полиоксазолиновых макромономеров

Использование подхода “прививка через” для синтеза привитых сополимеров предполагает предварительное получение макромономеров с полимеризуемыми концевыми группами. В литературе имеются сведения о синтезе различных макромономеров на основе 2-алкил-2-оксазолинов, содержащих в качестве концевых групп остатки (мет)акрилата, стирола, диенов, циклических алкенов, а также норборнена и пиррола [15, 16]. При этом, несмотря на достаточно интенсивные исследования, о синтезе полимерных щеток с регулярным чередованием термочувствительных полиоксазолинов различной химической структуры не сообщалось, хотя использование таких полимеров в биомедицинских приложениях, учитывая возможность внешнего влияния на конформацию основной цепи, нижнюю критическую температуру растворения, представляется перспективным.

С целью получения альтернантных полимерных щеток с чередованием боковых цепей гидрофильного поли-2-этил-2-оксазолина и гидрофобного поли-изопропил-2-оксазолина были синтезированы макромономеры с винилбензильной и N-(4-сульфонилфенил)малеимидной концевыми группами:

 

 

Макромономеры были получены методом катионной полимеризации 2-алкил-2-оксазолинов с раскрытием цикла в присутствии соответствующих функциональных инициаторов – 4-винилбензилхлорида и N-(4-хлорсульфонилфенил)-малеимида. Теоретическая степень полимеризации макромономеров составляла DP_n^теор = 50. Полимеризация проводилась в среде ацетонитрила при температуре 100 °C в условиях микроволнового индуцирования. Ранее неоднократно обсуждалось существенное увеличение скорости и эффективности протекания полимеризации 2-алкил-2-оксазолинов под действием микроволнового излучения [17]. В настоящей работе оптимальные времена полимеризации макромономеров были рассчитаны на основе литературных данных, с использованием ряда источников, где механизм и кинетика полимеризации 2-алкил-2-оксазолинов в подобных условиях были достаточно подробно изучены [18–20]. В предварительных испытаниях при отборе проб реакционных смесей и анализе их методом спектроскопии ЯМР ¹H была подтверждена полная конверсия мономеров в реакционных смесях при выбранных временах полимеризации.

Полученные хроматограммы образцов макромономеров свидетельствуют об их мономодальном распределении молекулярных масс с низкими значениями показателей полидисперсности в диапазоне Ð = 1.28–1.30 (табл. 2).

 

Таблица 2. Молекулярно-массовые и структурные характеристики макромономеров

Образец	Концевая группа	DPn (ЯМР)	Mn (ГПХ), г/моль	Ð (ГПХ)
ММ-1 ММ-2	N-(4-сульфонилфенил)малеимид 4-винилбензил	43 44	4300 4700	1.28 1.30

 

Методом протонной спектроскопии ЯМР подтверждено наличие полимеризуемых концевых групп в составе макромономеров, а также проведена оценка средней степени полимеризации DP_n (рис. 1).

 

Рис. 1. Спектры ЯМР ¹H макромономера поли-2-изопропил-2-оксазолина (1) и макромономера поли-2-этил-2-оксазолина (2). Цветные рисунки можно посмотреть в электронной версии

 

Определение значений относительной активности макромономеров

Возможность синтеза регулярных полимерных щеток с чередующимися боковыми цепями поли(2-алкил-2-оксазолина) обусловлена механизмом сополимеризации соответствующих низкомолекулярных мономеров: стирола и малеимида. Хорошо известно, что N-замещенный малеимид и стирол представляют собой мономерные пары с сильной тенденцией к чередованию радикальной сополимеризации [21]. Регулярное чередование звеньев стирола и малеимида обосновано влиянием стерических и донорно-акцепторных эффектов функциональных групп, имеющих противоположные сопряжения с двойными связями. Малеимид является электрон-дефицитным мономером. Двойные связи мономеров малеинового ангидрида и малеимида характеризуются заметными стерическими затруднениями, которые препятствуют их гомополимеризации, однако они хорошо сополимеризуются с виниловыми мономерами [22, 23]. В ряде работ сообщалось о синтезе гомополимеров различных производных малеимида с использованием радикального инициирования, которые, однако, имели относительно низкую молекулярную массу [24].

Для подтверждения предположения об образовании чередующейся структуры привитых сополимеров при радикальной сополимеризации макромономеров со стирольными и малеимидными концевыми группами был изучен состав сополимеров при трех различных начальных соотношениях концентрации макромономеров F₁/F₂ = 3.81, 0.94, 0.24. Полимеризация проводилась при низких значениях конверсии, поэтому концентрацию мономеров можно было считать постоянной, и относительная активность макромономеров r₁ и r₂ была рассчитана с помощью графического метода Майо–Льюиса [25].

Состав сополимера анализировался методом спектроскопии ЯМР ¹H. На рис. 2 представлен спектр ЯМР ¹H исходной полимеризационной смеси макромономеров ММ-1 и ММ-2 в хлорбензоле с мономерным составом F₁/F₂ = 0.94. Отдельно стоящие сигналы малеимидных протонов CH (6.64 м.д. – сигнал “b”) и винильных протонов CH, CH₂ (6.82 + 6.0 + 5.43 м.д. – сигналы “a¹”, “a²”, “a³”) позволяют оценить степень конверсии соответствующих макромономеров и состав полученного сополимера. В качестве внутреннего стандарта для количественных измерений в реакционную смесь был добавлен гексаметилдисилоксан, который характеризуется интенсивным синглетным сигналом протонов групп CH₃ (0.06 м.д. – сигнал “c”).

 

Рис. 2. Спектр ЯМР ¹H исходной полимеризационной смеси макромономеров ММ-1 и ММ-2 в хлорбензоле с мономерным составом F₁/F₂ = 0.94. Показаны сигналы винильных фрагментов CH (a¹), СН₂ (a², a³), малеимидных фрагментов CH (b) и гексаметилдисилоксана CH₃ (c)

 

В соответствии с уравнением Майо–Льюиса на основе полученных значений параметров f₁/f₂ и случайно выбранных значений r₁ были построены линейные зависимости (рис. 3). Известно, что значения относительной активности мономеров однозначно определяются точкой пересечения полученных линейных зависимостей. Однако в реальном случае наблюдается небольшое расхождение, которое формирует диапазон значений r₁ и r₂. В этом случае наиболее вероятные значения относительной активности устанавливаются как центр тяжести образуемой треугольной области. Таким образом, значения относительной активности исследуемых макромономеров составляют r₁ = 0.015 ± 0.475 и r₂ = 0.115 ± 0.074. Рассчитанные значения r₁ и r₂ близки к литературным значениям соответствующих низкомолекулярных мономеров и подтверждают, что сополимеризация макромономеров ММ-1 и ММ-2 приведет к образованию преимущественно альтернантного сополимера.

 

Рис. 3. Графики Майо–Льюиса, полученные для сополимеризации макромономеров ММ-1 и ММ-2. Треугольный диапазон вероятных значений r₁ и r₂ (1). Полноразмерный график с пересечением трех линейных зависимостей (2)

 

Сополимеризация макромономеров в неводной среде

Сополимеризация макромономеров проводилась в хлорбензоле при температуре 70 °С с использованием динитрила азоизомасляной кислоты в качестве инициатора. Выбор растворителя был обусловлен необходимостью минимизации передачи цепи в растворитель и хорошей растворимостью полиоксазолинов в хлорбензоле. Концентрация инициатора составляла 0.5 × 10^‒3 моль/л, что соответствовало исходному соотношению мономера к инициатору [M]₀ : [I]₀ = 200 : 1.

Структура полученного в неводной среде образца 1 привитого сополимера подтверждена методом спектроскопии ЯМР ¹H (рис. 4). В спектре обнаружены высокоинтенсивные сигналы полиоксазолиновых цепей: метиленовые группы полиэтиленимина (3.74–3.36 м.д. – сигнал “d”), метиновые группы изопропилового заместителя (2.96–2.60 м.д. – сигнал “f”), метиленовые группы этильного заместителя (2.46–2.17 м.д. – сигнал “g”) и метильные группы алкильных заместителей (1.27–0.91 м.д. – сигнал “i”). С использованием соотношения интенсивностей сигналов макромономерных звеньев ММ-1 и ММ-2 определен состав сополимера. Показано, что мольные доли f₂/f₁ боковых полимерных цепей ММ-1 и ММ-2 соответственно близки к эквивалентным с незначительным избытком поли-2-изопропил-2-оксазолина: f₂/f₁ = 1.12. В спектре также обнаружены уширенные сигналы ароматических фрагментов. Сигналы “a¹” 7.98 м.д. и “a²” 7.80 м.д. соответствуют химическим сдвигам ароматических протонов N-(4-сульфонилфенил)сукцинимида, а сигналы “b¹” и “b²” 7.69–7.45 м.д. соответствуют химическим сдвигам бензильных протонов. Сигналы “c¹” 4.23 м.д. и “c²” 4.12 м.д. характерны для протонов метиленовых и метиновых групп в α-положении к бензольному кольцу макромономера ММ-2. Сигнал “e” 3.31 м.д. относится к протонам сукцинимидного фрагмента в основной цепи полимера. Сигнал “h” 2.13 м.д. соответствует химическому сдвигу метиленовых протонов основной цепи. Полученный спектр ЯМР ¹Н образца 1 позволяет сделать вывод об успешном формировании привитого сополимера с углеводородной основной цепью и высокой степенью прививки боковых полиоксазолиновых цепей.

 

Рис. 4. Спектр ЯМР ¹H образца привитого сополимера

 

Сополимеризация макромономеров в водной среде

Рассмотрена возможность синтеза полимерных щеток в водной среде, поскольку полиоксазолиновые макромономеры обладают достаточной для проведения такого синтеза водорастворимостью. Сополимеризация макромономеров в водном растворе проводилась в условиях окислительно-восстановительного инициирования в присутствии персульфата калия, сульфата железа(II) и гидросульфита натрия при двух температурных режимах: в условиях повышенной температуры (образец 2), а также при охлаждении (образец 3). Инициирующая система взята на основе опыта предыдущих исследований, в которых было показано, что в выбранных условиях происходит полимеризация макромономеров поли-2-алкил-2-оксазолинов с образованием привитого сополимера [26]. Скорость образования радикалов в выбранной системе достаточна для проведения полимеризации при значениях температуры близких к комнатным, а также при охлаждении.

Кроме того, в работе был рассмотрен и альтернативный вариант проведения сополимеризации термочувствительных полиоксазолиновых макромономеров при нагревании выше их нижних критических значений температуры растворимости [27]. Можно полагать, что образующиеся в процессе сополимеризации макромономеров термочувствительные олигомеры при повышенных значениях температуры будут претерпевать фазовый переход и агрегировать в виде набухших клубков, что уменьшит вероятность квадратичного обрыва цепи и приведет к полимерам с бóльшей, чем при полимеризации в растворе, молекулярной массе. Для гидрофильного макромономера ММ-1, полученного на основе поли-2-этил-2-оксазолина, точка помутнения в водном растворе массовой концентрацией 2% составила 65 °С, а для гидрофобного макромономера ММ-2, полученного на основе поли-2-изопропил-2-оксазолина, точка помутнения составила 46 °С.

Сополимеризация макромономеров, соответственно, проводилась при температуре 75 °С, что выше значений температуры фазового перехода обоих макромономеров, в инертной атмосфере. Суммарная массовая концентрация макромономеров в растворе составляла 4.14%. После завершения процесса сополимеризации раствор охлаждался и подвергался фильтрации от нерастворимых продуктов, затем образец сополимера 2 был очищен диализом от низкомолекулярных продуктов и олигомеров. Известно, что при длительном выдерживании водных растворов поли-2-алкил-2-оксазолинов в условиях повышенной температуры протекают процессы кристаллизации последних, связанные с дегидратацией полиоксазолиновых цепей [28]. Предположительно, некоторая доля макромономеров выкристаллизовалась из раствора в процессе полимеризации, что привело к снижению выхода продукта. Однако анализ образца 2 методом спектроскопии ЯМР ¹Н показал, что синтезированный сополимер содержит эквивалентное количество звеньев ММ-1 и ММ-2: f₂/f₁ = 1.08 (рис. 5).

 

Рис. 5. Фрагмент спектров ЯМР ¹H образцов 2 и 3, полученных в водных растворах

 

Понижение температуры синтеза, в свою очередь, может привести к повышению контроля над процессом и получению образцов с более узким молекулярно-массовым распределением. В связи с этим образец сополимера 3 был получен полимеризацией в водной среде при температуре 3 °С в условиях окислительно-восстановительного инициирования. Суммарная массовая концентрация макромономеров в растворе составляла 5.22%. Образец 3 также имел эквивалентное количество мономерных звеньев ММ-1 и ММ-2: f₂/f₁ = 1.06.

Молекулярно-массовые и характеристики и ассоциация в водных растворах

Методом гель-проникающей хроматографии показано, что синтезированные образцы полимерных щеток являются мономодальными, что иллюстрируют приведенные на рис. 6 хроматограммы.

 

Рис. 6. Хроматограммы образцов полимерных щеток 1–3

 

Также не обнаружено высокомолекулярных побочных продуктов, наличие которых могло бы свидетельствовать о реакциях рекомбинации макрорадикалов. Результаты, полученные методом гель-проникающей хроматографии, хорошо согласуются с исследованиями динамического рассеяния света в растворах хлороформа, которые показали мономодальное распределение интенсивности светорассеяния вдоль гидродинамических радиусов. Индексы полидисперсности Ð = M_w/M_n образцов находятся в диапазоне 1.3–1.7 (табл. 3), что соответствует обрыву основных цепей преимущественно по механизму диспропорционирования. Наиболее узкое молекулярно-массовое распределение наблюдалось у образца 3, синтезированного в водной среде при охлаждении.

 

Таблица 3. Молекулярно-массовые и гидродинамические характеристики образцов полимерных щеток

Образец	Мw × 10‒3, г/моль	Rh, нм	A2 × 104, см3 моль г‒2	Ð (ГПХ)	f1/f2 (ЯМР 1H)
1 2 3	51.7 14.6 32.0	3.6 3.2 3.5	1.1 4.7 1.0	1.66 1.54 1.32	1.12 1.08 1.06

Примечание. R_h ‒ гидродинамический радиус, A₂ ‒ второй вириальный коэффициент, f₁/f₂ ‒ мономерный состав сополимера.

 

Как видно из табл. 3, наибольшей молекулярной массы удалось достичь при проведении синтеза в среде хлорбензола. При сравнении молекулярных масс полимерных щеток, синтезированных в водных средах, заметно, что увеличение температуры синтеза приводит к снижению M_w. Вероятно, это связано с тем, что значения температуры дегидратации мономерных звеньев 2-изопропил-2-оксазолина значительно ниже значений температуры проведения реакции.

Известно, что водные растворы линейного поли-2-изопропил-2-оксазолина претерпевают фазовый переход при температуре от 45° до 63 °С в зависимости от молекулярной массы [29]. Обычно при этом образуются плотные надмолекулярные структуры и выпадает осадок полимера. Можно предположить, что такое поведение препятствует получению высокомолекулярных образцов. В пользу данного предположения свидетельствует изучение термочувствительности водных растворов синтезированных образцов. Процессы самоорганизации сравниваемых полимерных щеток подобны тем процессам, которые наблюдаются для звездообразных поли-2-алкил-2-оксазолинов [30]. Температура начала фазового разделения для образцов 2 и 3 составила 39° и 33 °С соответственно. Данное различие связано со значительным снижением молекулярной массы при переходе от образца 3 к образцу 2. При этом методом дина мического рассеяния света для обоих образцов полимерных щетокв водных растворах при комнатной температуре зафиксировано два типа частиц: индивидуальные макромолекулы с гидродинамическими радиусами R_f и большие агрегаты с радиусом R_s. Однако размер больших агрегатов в растворах образца 2 выше, чем в случае образца 3. Это объясняется дегидратацией мономерных звеньев поли-2-изопропил-2-оксазолина в процессе получения образца 2, и, как описано выше, формирование таких агрегатов препятствует получению образцов с более высокой молекулярной массой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показана возможность синтеза амфифильных полимерных щеток с чередующимися боковыми полиоксазолиновыми цепями в водных растворах в условиях окислительно-восстановительного инициирования радикальной полимеризации. В качестве макромономеров для радикальной сополимеризации были успешно применены линейные поли-2-алкил-2-оксазолины различной структуры с массами полимеризуемыми концевыми группами типа винилбензола и N-замещенного малеимида. Установлено, что синтезируемые альтернантные полимерные щетки имеют эквивалентное содержание боковых полимерных цепей гидрофильного поли-2-этил-2-оксазолина и гидрофобного поли-2-изопропил-2-оксазолина. Также изучено влияние температуры синтеза на молекулярно-массовые характеристики полимерных щеток. Так, наиболее предпочтительным является проведение синтеза в водной среде при охлаждении, поскольку при температуре около 3 °С и прочих равных условиях может быть получен сополимер с узким молекулярно-массовым распределением и наибольшей молекулярной массой.

Исследованные полимерные щетки имеют температуру фазового разделения в водных растворах вблизи физиологической температуры тела человека, что позволяет рассматривать возможным их использование для различных биомедицинских целей. При этом возможность проведения синтеза в водной среде может значительно упростить процесс получения подобных полимеров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 23-23-00079.

作者简介

А. Блохин

Институт высокомолекулярных соединений – филиал Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

编辑信件的主要联系方式.
Email: blokhin_an@hq.macro.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

Т. Кирилэ

Институт высокомолекулярных соединений – филиал Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: blokhin_an@hq.macro.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

А. Разина

Институт высокомолекулярных соединений – филиал Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: blokhin_an@hq.macro.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

А. Филиппов

Институт высокомолекулярных соединений – филиал Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: blokhin_an@hq.macro.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

А. Теньковцев

Институт высокомолекулярных соединений – филиал Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: blokhin_an@hq.macro.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

参考

补充文件