Функциональные водорастворимые полимеры-носители гидрофобных биологически активных веществ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛЕВИТ Мария Леонидовна

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРЫ-НОСИТЕЛИ ГИДРОФОБНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005547154

17 АПР 2014

Санкт-Петербург 2014

005547154

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор химических наук,

профессор

Панарин Евгений Фёдорович

Официальные оппоненты:

Сиротинкин Николай Васильевич

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский технологический институт

(технический университет)», декан факультета химической и биотехнологии

Шамолина Ирина Игоревна

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна», Институт прикладной химии и экологии, профессор кафедры инженерной химии и промышленной экологии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет», Институт химии

Защита диссертации состоится «29» мая 2014 года в 10ш часов на заседании диссертационного совета Д 002.229.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 31, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук

(http://imc.macro.ru:8080/web/quest/thesis council/thesis).

Автореферат разослан 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук

Виноградова Людмила Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для модификации биологически активных веществ (БАВ) и создания новых эффективных лекарственных препаратов все большее значение приобретают водорастворимые полимеры. Модификация БАВ полимерами позволяет повысить их растворимость в воде, снизить токсичность, изменить спектр биологической активности, увеличить продолжительность циркуляции в организме, обеспечить целевой транспорт активных веществ в заданный орган-мишень. . .

Для решения этих задач применяются синтетические и природные карбо- и гетероцепные полимеры-носители (например, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль,;. декстран, хитозан, крахмал, белки, полипептиды). В зависимости от поставленных фармакологических и фармацевтических целей разрабатываются полимеры-носители с заданным химическим строением и молекулярной массой. Как правило, используемые в настоящее время полимеры-носители биосовместимы, однако, они содержат ограниченный набор функциональных групп для связывания БАВ. В связи с этим, возникает необходимость введения в структуру полимеров групп с высокой реакционной способностью или лигандов, обеспечивающих ковалентное или нековалентное связывание БАВ. Ковалентное связывание БАВ: с макромолекулой часто приводит к потере активности, поэтому для связывания, используют гидролизуемые спейсеры, например, олигопептиды, или лабильные химические связи. Этот подход может быть применен только при наличии у БАВ соответствующих функциональных групп. Более простым вариантом, не требующим использования функциональных групп БАВ, является реализация принципов системы «гость-хозяин». Поскольку большинство БАВ -дифильные соединения, содержащие гидрофобные фрагменты, они могут выполнять роль «гостя». В качестве «хозяина» выступают полимерные системы, несущие группы, способные, например, к образованию комплексов включения или к самоорганизации. Применение этого подхода позволяет сохранить нативные свойства БАВ и получить их водорастворимые формы. Поэтому ведётся поиск новых доступных универсальных полимеров-носителей для связывания гидрофобных БАВ.

В последние десятилетия, наряду с широко используемыми в биомедицинских целях поли-Ы-виниламидами, большое внимание привлекают поливинилсахариды. Они обладают хорошей, растворимостью в воде и биологических жидкостях и способны, как и полисахариды, участвовать в процессах межклеточного и межмолекулярного узнавания. В связи с этим перспективным является синтез нового класса карбоцепных биосовместимых полимероз-носителей на основе М-виниламидов и винилсахаридов, способных к биоспецифическим взаимодействиям. Для решения подобных задач необходима разработка методов введения в полимер реакционноспособных групп, лигандов или гидрофобных фрагментов, обеспечивающих ковалентное, электровалентное связывание или гидрофобное взаимодействие с БАВ. Несомненный научный и практический интерес представляет изучение влияния химического строения, конформационных и молекулярно-массовых характеристик, а также гидрофобно-гидрофильного баланса полимера-носителя на его способность связывать дифильные гидрофобные соединения.

Таким образом, создание на основе винилсахаридов и Ы-виниламидов новых типов полимеров-носителей, несущих высокореакционнослособные функциональные группы, а также фрагменты, обеспечивающие нековалентное связывание гидрофобных БАВ является актуальной задачей.

Цель настоящей работы - разработка методов синтеза на основе винилсахарида

2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы (МАГ) и Г\1-виниламидов гидрофильных

полимеров-носителей, содержащих карбоксильные, активированные сложноэфирные

группы, а также остатки Д-циклодекстрина (ЦД) или холестерина.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование радикальной сополимеризации винилсахарида 2-деокси-2-метакриламидо-6-глюкозы (МАГ) с непредельными кислотами (акриловой и метакриловой): изучение кинетики и определение относительных активностей сомономеров; синтез карбоксилсодержащих сополимеров на основе МАГ и Ы-виниламидов (Ы-винилпирролидона, Ы-метил-Ы-винилацетамида) с варьируемым составом и молекулярными массами; введение в структуру полимеров звеньев активированных эфиров;

• разработка методов синтеза новых полимеров-носителей, содержащих остатки 0-циклодекстрина или холестерина и выполняющих функцию «хозяина» в системе «гость-хозяин» для связывания гидрофобных биологически активных веществ (БАВ);

• изучение конформационных состояний синтезированных полимеров-носителей в водных растворах и их способности связывать БАВ в модельных условиях;

• определение возможности использования полученных полимеров для связывания гидрофобных БАВ.

Методы исследования:

• для синтеза полимеров-носителей использовались методы свободнорадикальной сополимеризации и полимераналогичных превращений;

• для характеристики структуры, состава, молекулярно-массовых параметров, конформационных состояний синтезированных полимеров-носителей и полимерных систем на их основе применялись методы УФ, ПК, ЯМР спектроскопии, элементного анализа, потенциометрического титрования, вискозиметрии, статического и динамического светорассеяния, дилатометрии, адсорбционной хроматографии, поляризованной люминесценции.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• свободнорадикальной (со)полимеризацией и реакциями в цепях синтезированы новые карбоксилсодержащие полимеры и полимеры, содержащие активированные сложноэфирные группы, с широким диапазоном составов и молекулярных масс;

• впервые исследован процесс радикальной сополимеризации 2-деокси-2-метакриламидо-О-глюкозы с акриловой и метакриловой кислотами; изучена кинетика сополимеризации, определены относительные активности сомономеров и микроструктура сополимеров;

• разработаны методы введения остатков /?-циклодекстрина и холестерина в полимеры на основе винилсахаридов и Ы-виниламидов и впервые получены ¡3-циклодекстрин- или холестеринсодержащие сополимеры 2-деокси-2-метакриламидо-Р-глюкозы и М-метил-Ы-винилацетамида;

• впервые оценены константы связывания модельных дифильных соединений в растворе (акридинового оранжевого и диметилбензиллауриламмоний хлорида), а таюке изучены конформационные состояния синтезированных полимеров в водных средах.

Практическая значимость работы:

• синтезированные новые водорастворимые полимеры-носители, несущие карбоксильные и/или активированные сложноэфирные группы могут быть использованы для модификации аминосодержащих БАВ;

• разработаны методы синтеза новых гидрофильных полимеров, содержащих остатки холестерина и /?-циклодекстрина, для связывания и регулирования концентрации гидрофобных соединений в водных средах;

• комплексы синтезированных карбоксилсодержащих полимеров 2-деокси-2-метакриламидо-й-глюкозы с диметилбензилалкиламмоний хлоридами, обладающие высокой актимикробной активностью, эффективны для лечения раневой инфекции.

На защиту выносятся следующие положения:

• использование метода радикальной сополимеризации позволяет полумать различающиеся по микроструктуре основной цепи и конформационным состояниям в водных растворах сополимеры 2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы с непредельными кислотами в широком интервале состава и молекулярных масс, а также холестеринсодержащие полимеры на основе 2-деокси-2-метакриламидо-0-глкжозы, N-винилпирролидона, Ы-метил-Ы-винилацетамида;

• методом полимераналогичных превращений возможен синтез полимерных производных /?-циклодекстрина на основе сополимеров 2-деокси-2-метакриламидо-О-глюкозы (МАГ), несмотря на наличие объемных заместителей в звеньях МАГ и в молекуле /?-циклодекстрина;

• варьирование микроструктуры полимеров-носителей в результате использования гидрофильных и функциональных сомономеров различной природы, а также введение в состав полимеров заряженных групп позволяют управлять конформационными состояниями и растворимостью в воде полимерных производных /8-циклодекстрина и холестерина;

• полимерные производные /?-циклодекстрина и холестерина на основе полимеров 2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы, N-винилпирролидона, Ы-метил-N-винилацетамида связывают гидрофобные соединения в водных растворах. Обоснованность и достоверность данных и выводов настоящей работы

подтверждается хорошей воспроизводимостью всех полученных результатов, их согласованностью при использовании независимых методов исследования полученных полимеров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуяодались на российских и мехздународных конференциях: 4m, 5th, 6th Saint-Petersburg Young Scientists Conference «Modem Problems of Polymer Science» (St. Petersburg, Russia, April 15-17, 2008, October 19-22, 2009, October 18-21, 2010), 6th, 7lh International Symposium «Molecular order and mobility in polymer systems» (St. Petersburg, Russia, 2-6 June, 2008, 6-10 June, 2011), XXXVII, XXXVIII, XXXIX, XL, XLI Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 24-29 ноября, 2008, 30 ноября - 5 декабря, 2009, 6-11 декабря, 2010, 5-10 декабря, 2011, 3-8 декабря, 2012), XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 14-17 апреля, 2009), V Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры-2010» (Москва, 21-25 июня, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в отечественных журналах и тезисы 18 докладов, получен 1 патент.

Личный вклад автора состоял в непосредственном участии на всех этапах работы, выполнении всех экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, их обобщении, а также подготовке докладов и публикаций.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), заключения, выводов, списка используемой литературы (207 наименований). Работа изложена на 132 страницах и включает 21 таблицу и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ содержит аналитическое рассмотрение основных методов синтеза гидрофильных полимеров-носителей на основе винилсахаридов, в том числе содержащих карбоксильные группы, а также водорастворимых полимеров-носителей, выступающих в качестве «хозяина» в системе «гость-хозяин» для связывания гидрофобных соединений. Обсуждены возможные методы синтеза и свойства подобных полимеров-носителей.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ содержит описание методов синтеза производных холестерина, мономеров (винилсахарида 2-деокси-2-метакриламидо-0-глкжозы, непредельных производных холестерина), полимеров-носителей на основе винилсахарида или [\|-виниламидов, содержащих карбоксильные, активированные сложноэфирные группы, остатки /?-цикподекстрина или холестерина. Описаны методики определения относительных активностей 2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы (МАГ) и непредельных кислот (акриловой (АК) и метакриловой (МАК)), значений начальных скоростей сополимеризации МАГ с АК и МАК. Приведены способы оценки состава сополимеров методами потенциометрического титрования и 1Н ЯМР спектроскопии, характеристической вязкости сополимеров. Представлены методы изучения свойств сополимеров: спектроскопические, поляризованной люминесценции, динамического светорассеяния, адсорбционной хроматографии.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полимер-носитель должен иметь функциональные группы или лиганды, по которым может проходить ковалентное или нековалентное связывание БАВ. К числу наиболее широко используемых реакционноспособных групп относятся карбоксильные и активированные сложноэфирные группы. Для нековапентного связывания гидрофобных соединений среди лигандов интерес представляют циклодекстрины, которые, благодаря структурным особенностям, образуют комплексы включения с подходящими по размеру гидрофобными молекулами, или остатки холестерина, способные к гидрофобным взаимодействиям в водных растворах. В настоящей работе для связывания БАВ полимером-носителем за счёт нековалентых взаимодействий были предложены три подхода:

- использование носителей полиэлеетролитов, электровалентно связывающие дифильные ионы БАВ (с образованием макромолекупярных мицелл, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями молекул БАВ, находящихся на полимерной цепи);

- введение в структуру полимера молекул /?-циклодекстрина, способного к комплексам включения с гидрофобными соединениями;

- включение в состав водорастворимого полимера гидрофобного фрагмента, в частности холестерина, обеспечивающего компактизацию макромолекулы с образованием макромолекулярной мицеллы (наноконтейнера для плохо растворимых в воде БАВ).

В соответствии с предложенными подходами в данной диссертационной работе разработаны методы синтеза новых полимеров-носителей.

3.1 Синтез полимеров-носителей

Схемы синтезов функциональных полимеров-носителей на основе 2-деокси-2-метакриламидо-О-глюкозы (МАГ) и Ы-винилпирролидона (ВП) или Ы-метил-М-винилацетамида (МВАА) представлены на Рисунке 1.

Сополимеры винилсахарида МАГ, содержащие карбоксильные группы, получали методом свободнорадикальной сополимеризации МАГ с акриловой (АК) и метакриловой (МАК) кислотами в Ы,Ы-диметилформамиде (ДМФА) в присутствии инициатора динитрил-азо-бис-изомаслянной кислоты (ДИНИЗ) (Рисунок 1, реакция 1). Образование сополимеров подтверждали методами ИК и ЯМР спектроскопии.

R3 = ОН и/или NHj

Сомономер R, R? А

акриловая кислота (АК)/ холестерилакрилат (ХАК) Н Н _

метакриловая кислота (МАК)/ холестерилметакрилат (ХМАК) Н сн, -

кротоновая кислота (КК)/ холестерилкротонат (ХКК) СНз н -

4-пентеновая кислота (4ПК) Н н сн2-сн2

Рисунок 1 - Схемы синтезов функциональных полимеров-носителей на основе 2-деокси-2-метакриламидо-Р-глюкозы (МАГ), N-винилпирролидона (ВП) или Ы-метил-Ы-винилацетамида (МВАА).

Реакции: 1 - сополимеризация МАГ, ВП или МВАА с ненасыщенными кислотами; 2 -взаимодействие карбоксилсодержащих сополимеров (I) с «-нитрофенолом; 3 -сополимеризация МАГ, ВП и МВАА с N-гидроксифталимидным эфиром акриловой кислоты (ГФИАК); 4 - взаимодействие амино-у?-циклодекстрин гидрохлорида (АЦД HCI) с карбоксилсодержащими полимерами (I) или полимерами, содержащими активированные сложноэфирные группы (II, III); 5 - сополимеризация МАГ, ВП и МВАА с холестерилакрилатом, -метакрилатом и -кротонатом. Сополимеры МАГ. ВП и МВАА: i - карбоксилсодержащие; II - полимерные и-нитрофениловые эфиры (НФЭ); III - сополимеры ГФИАК; IV - полимерные производные ЦД; V - холестеринсодержащие полимеры (ТМАЭМ - метилсульфатная соль Ы,Ы,Ы-триметиламиноэтилметакрилата).

При проведении сополимеризации в течение 24 ч при всех используемых соотношениях мономеров для обеих кислот выходы сополимеров составляли 90-95 %. Направленное изменение мольного соотношения мономеров в исходной смеси обеспечило получение карбоксилсодержащих сополимеров заданного состава, который определяли методом потенциометрического титрования карбоксильных звеньев раствором 0.1 N №ОН. Использование различных исходных концентраций мономеров и инициатора позволило варьировать значения характеристической вязкости образующихся полимеров (Таблица 1, № 1, 2, 4, 5, 9-12). Оценку значений молекулярных масс (ММ) сополимеров, содержащих менее 20 мол. % звеньев кислоты, проводили по уравнению Марка-Куна-Хаувинка, найденному для гомополимера МАГ. Замена растворителя ДМФА на воду в процессе сополимеризации приводила к повышению значений вязкости [л] и, следовательно, ММ сополимера (Таблица 1, № 8, 9). Эффективное регулирование ММ полимеров осуществляли также введением в исходную смесь агентов передачи цепи -меркаптанов. Так, например, использование тиогликолевой кислоты, привело к значительному снижению ММ сополимера (Таблица 1, № 3 и 7). Выход сополимеров в этом случае составлял 75-85%.

В зависимости от условий сополимеризации были получены сополимеры с [г)] = 0.03-0.38 дл/г и ММ = (14-500)-103.

Таблица 1 - Влияние условий сополимеризации МАГ (МО с АК и МАК (М2) на свойства

№ условия сополимеризации характеристики сополимеров

[M1MM2J, мол. % [М1+М2], масс. % [ДИНИЗ], масс. % [1П2], мол. % [Л] 0-2 N NaCl, дл/г М„-Ю"3

АК

1 85 : 15 10 2 12.1 0.18 178

2 85 : 15 10 5 12.2 0.07 46

3* 85: 15 20 3 10.2 0.04 21

4 75:25 20 1 17.5 0.20 207

5 75:25 10 5 19.5 0.09 66

Т 75 : 25 10 5 16.8 0.03 14

МАК

8** 80:20 20 1 15.9 0.38 518

9 80:20 20 1 21.7 0.25 285

11 80:20 15 1.5 18.2 0.15 137

12 80 : 20 10 2 19.8 0.09 | 66

[тг] - содержание карбоксильных групп в сополимере, мол. %.

*- в присутствии тиогликолевой кислоты; ** - в водном растворе, инициатор 2,2'-азо-бис-(2-амидинопропандиамин)дигидрохлорид (АИБА)

Известно, что микроструктура сополимеров оказывает влияние как на их реакционную способность при модификации БАВ, так и на свойства полученных производных. Однако в литературе отсутствуют работы, посвященные исследованию сополимеризации винилсахаридов с ненасыщенными кислотами. Поэтому проводили изучение реакционной способности сомономеров при сополимеризации МАГ с ненасыщенными кислотами, а также кинетики их сополимеризации.

Сополимеризация МАГ с (М)АК протекает с высокой скоростью. При [МАГ+кислота]=0.9 моль/л, [ДИНИЗ]=0.03 моль/л (ДМФА, 60 °С) за 3 ч выход сополимеров составлял 50-80 %.

Из данных, представленных в Таблице 2, следует, что значения начальных скоростей (и0)

гомополимеризации акриловой и метакриловой кислот различаются примерно вдвое, а скорость их сополимеризации с МАГ зависит от природы карбоксилсодержащего

сомономера и от соотношения мономеров в исходной смеси.

Расчет значений относительных активностей МАГ, АК и МАК в процессе сополимеризации был проведён с использованием методов Файнемана-Росса, Кепен-Тюдеша и Езриелева-Брохиной-Роскина. Найдено, что средние значения составляют: Гмаг=3.03+0.15, гак=0.50+0.08; Гмаг=1 .07+0.10, Гмак=1. 18+0.13. На начальных стадиях процесса в случае сополимеризации МАГ с АК растущие цепи преимущественно реагируют с МАГ, и образующиеся сополимеры при малых степенях превращения обеднены АК при любом исходном соотношении мономеров. Для пары МАГ-МАК оба значения близки к 1, т.е. реакция обоих типов радикалов с обоими мономерами равновероятна, и сополимеризация близка к идеальной азеотропной. Из этого следует, что сополимеры МАГ с АК и МАК различаются по своей микроструктуре.

На основе МАГ также были получены сополимеры, в которых звенья карбоксилсодержащего мономера отделены друг от друга звеньями другого сомономера. Для синтеза подобных сополимеров использовали неактивные мономеры аллильного типа, а именно 4-пентеновую кислоту (4ПК), поскольку, кротоновая кислота (КК) не участвовала в сополимеризации с МАГ.

Таблица 3 - Влияние условий сополимеризации на свойства сополимеров МАГ (М-,) с 4ПК (М2)___

№ Условия сополимеризации Сополимер

[М,]:[М2], мол. % [М,+ М2], масс.% Растворитель Выход, % [т2], мол. % Ш. дп/г М/7'10

1 70:30 10 ДМ ФА 80 0 не опр. не опр.

2 70:30 15 Вода 85 4.9 0.2 200

3 60:40 15 вода 84 8.7 0.18* не опр.

Таблица 2 - Значения начальных

скоростей (со)полимеризации МАГ с (М)АК

[МАГ|: [кислота], мол. % IV1 о4, моль/л -сек

МАГ:АК МАГ:МАК

100 :0 1.6 1.6

90: 10 1.6 -

70:30 1.8 1.1

50 : 50 1.6 1.1

30:70 1.4 1.0

10 : 90 1.1 0.8

0:100 1.1 0.5

*- 0.2 N раствор №2304

Сополимеризацию МАГ с 4ПК проводили в водном растворе в присутствии водорастворимого инициатора 2,2'-азо-бис-(2-амидинопропандиамин)дигидрохлорида (АИБА). Это позволило получить сополимеры МАГ-4ПК, которые обеднены кислотными звеньями по сравнению с исходной мономерой смесью (Таблица 3, № 2 и 3).

Синтез карбоксилсодержащих полимеров на основе Ы-виниламидов. С целью получения сополимеров различной микроструктуры и сравнительного изучения свойств полимеров-носителей в данной работе варьировалась природа не только непредельной кислоты, но и гидрофильного сомономера. Использовали [\[-виниламиды: циклический - Ы-винилпирролидон (ВП) и с открытой цепью мало изученный - Ы-метил-Ы-винилацетамид (МВАА). Методом свободнорадикальной

сополимеризации (Рисунок 1, реакция 1) были получены сополимеры ВП с АК, КК, 4ПК (2-пропанол, ДИНИЗ) и сополимеры МВАА с АК и КК (этанол или бензол, ДИНИЗ). Использование 4ПК, как и при сополимеризации с МАГ, приводит к обеднению сополимера звеньями кислоты по сравнению с исходной смесью. Получены сополимеры, содержащие 4-31 мол. % звеньев кислоты и ММ = (9—40)Ю3.

Синтез сополимеров с активированными сложноэфирными группами.

Активированные сложноэфирные группы вводили в состав сополимеров МАГ, ВП, МВАА как взаимодействием карбоксильных групп сополимеров с «-нитрофенолом {НФ) в растворе ДМФА в присутствии конденсирующего агента ■ N,N'-дициклогексилкарбодиимида (ДЦК) (Рисунок 1, реакция 2), так и радикальной сополимеризацией соответствующих мономеров с N-гидроксифталимидным эфиром АК (ГФИАК) (ДМФА, ДИНИЗ) (Рисунок 1, реакция 3).

Количество звеньев активированных эфиров в сополимерах определяли методом УФ-спектроскопии: в случае л-нитрофениловых эфиров (НФЭ) (Рисунок 1, сополимер И) по полосе поглощения связанного НФ при Лмакс=274 нм, (е = 9500 л-моль~1см~1), а для ГФИАК (Рисунок 1, сополимер III) по полосе при Лмаю:= 295 нм (е = 2100 л-моль" 1-см"1). В первом случае в состав полимера было введено 2-15 мол. % НФЭ групп (степень превращения - 20-80 %), их количество определялось природой исходного полимера и мольного соотношения [кислота]:[НФ]:[ДЦК]. Так, оказалось, что для сополимера МАГ-4ПК даже при соотношении [кислота]:[НФ]:[ДЦК]=1:2:2 степень превращения остается невысокой - около 20 %, что, по-видимому, может быть связано с пространственными затруднениями, создаваемыми массивными углеводными фрагментами звеньев МАГ для единично расположенных по цепи звеньев 4ПК.

В случае ГФИАК были получены сополимеры с МАГ, ВП и МВАА с выходом 95, 72 и 60 %, соответственно, содержащие 16-18 won. % звеньев активированного эфира, [п] ~ 0.11-0.23 дл/г.

Сополимеры МАГ-4ПК-НФЭ4ПК, ВП-4ПК-НФЭ4ПК, МВАА-ГФИАК, МВАА-КК-НФЭКК получены впервые.

3.2 Синтез полимерных производных /}-циклодекстрина

Для связывания гидрофобных соединений за счет образования комплексов включения в состав водорастворимых полимеров-носителей на основе МАГ, ВП и МВАА были введены остатки /?-циклодекстрина (ЦД).

(З-Циклодекстрин - циклический олигомер, состоящий из 7 0-(+)-глюкопиранозных звеньев, соединенных друг с другом а-1,4-гликозидной связью. Его молекулярная структура приближается к усеченному конусу, который содержит гидрофильную внешнюю поверхность и более гидрофобную внутреннюю полость. За счет такой структуры ЦД может взаимодействовать с подходящими по размеру гйдрофобными молекулами с образованием комплексов включения (Рисунок 2).

ОП7

Рисунок 2 - Молекулярная структура р-циклодекстрина.

Полимерные производные p-циклодекстрина (Рисунок 1, сополимер IV), в которых молекула ЦД присоединена к полимерной цепи амидной связью, получали методом полимераналогичных превращений - а) взаимодействием карбоксилсодержащих сополимеров МАГ, ВП или МВАА (Рисунок 1, сополимер I) с б-монодеокси-б-моноамино-/?-циклодекстрин гидрохлоридом (АЦДНС1) в присутствии N,N'-дициклогексилкарбодиимида (ДЦК) и триэтиламина или б) реакцией активированных сложноэфирных групп сополимеров (Рисунок 1, сополимер II, III) с АЦД-HCI в присутствии триэгиламина (Рисунок 1, реакция 4), по окончании реакции для удаления непрореагировавших НФЭ или ГФИЭ групп в реакционную смесь добавляли аммиак.

Образование полимерных производных ЦД подтверждали методами ИК и ЯМР спектроскопии. Содержание остатков ЦД, присоединенных к полимеру, определяли методом 1Н ЯМР спектроскопии. Для подтверждения ковалентного связывания ЦД с полимерной цепью использовали метод диффузионно-упорядоченной спектроскопии (DOSY) в одномерном варианте.

Количество введенного в состав полимера p-циклодекстрина зависело от использованного соотношения [ЦД]:[функциональное звено] и природы полимера (Таблица 4). Так, при реакции АЦД с карбоксилсодержащими сополимерами, где кислотной компонентой является АК, в состав сополимеров было введено 0.8-3.2 мол. % остатков ЦД (Таблица 4, № 1-4), степень превращения составила 50-80 %. Однако, в случае сополимера МАГ-4ПК даже при большем соотношении реагентов в исходной смеси степень превращения оказалась низкой и составила 26 % (Таблица 4, № 2). По-видимому, как и при реакции с и-нитрофенолом, этот эффект объясняется наличием в сополимерах МАГ массивных сахаридных звеньев, создающих пространственные затруднения для единично расположенных по цепи звеньев 4ПК, несмотря на наличие группы -СН2-СН2- спейсера.

Таблица 4 - Синтез полимерных производных ЦД на основе сополимеров МАГ, ВП и МВАА (температура реакции 25 "С, в № 3, 4 - 4 °С)_______

№ Условия реакции Полимерные производные ЦД

Исходный [СООН], [COOR], [функц.зв.]:[АЦД], [АЦД], Степень

сополимер мол. % мол. % моль мол.%/ масс. % превращения, %

1 МАГ-АК 13.6 - 1:0.4 3.2/14.0 64

2 МАГ-4ПК 8.7 - 1:0.6 1.3/5.9 26

3 ВП-АК 15.7 - 1:0.06 0.8/8.0 80

4 МВАА-АК 8.6 - 1:0.5 2.0/19.1 50

5* МАГ-АК-НФЭАК 4.4 9.2 1:1 6.3/26.4 74

6* МАГ-АК-НФЭАК 25.8 14.8 1:0.6 7.0/31.3 82

7* МАГ-4ПК-НФЭ4ПК 6.9 1.8 1:2 1.6/7.2 89.

8 ВП-АК-НФЭАК 7.5 8.2 1:1 6.7/43.1 82

9 ВП-АК-НФЭАК 7.5 8.2 1:0.25 0.8/8.2 40

10 l_ ВП-4ПК-НФЭ4ПК 6.5 7.2 1:0.7 5.0/35.1 98

11 ВП-ГФИАК - 17.0 1:0.-35 5.5/37.7 92

12 МВАА-ГФИАК - 15.7 1:0.4 5.5/40.7 92

13 МАГ-ГФИАК - 18 1:0.3 1.5/7.3 28

14* МАГ-ГФИАК - 18 1:0.4 3.3/14.8 47

* - проведение реакции при 40 °С.

Использование активированных м-нитрофениловых эфиров позволяет следить за ходом реакции по изменению УФ спектра реакционной смеси, так как связанный и свободный п-нитрофенол (НФ), выделяющийся в ходе реакции, характеризуются максимумами поглощения в разных областях УФ спектра, 274 и 315 нм,

соответственно. На Рисунке 2 представлено изменение во времени УФ спектров реакционной смеси сополимера ВП-АК-НФЭАК+АЦД (Таблица 4, № 8). В спектре исходного сополимера наблюдается только полоса связанного НФ при 274 нм. Добавление АЦД при комнатной температуре сопровождается появлением полосы свободного НФ при 315 нм. интенсивность которой повышается с течением времени. При этом в отсутствие АЦЦ при тех же условиях изменений в УФ спектре, т.е. появления полосы свободного НФ не наблюдается, что свидетельствует о протекании реакции между аминогруппами АЦД и звеньями НФЭАК.

Рисунок 3 - УФ спектры реакционной смеси (сополимер ВП-АК-НФЭАК)+АЦЦ (Таблица 4, № 8), 25 °С. Продолжительность реакции 0 (1), 2 (2), 24(3), 48 (4), 120 ч(5).

В случае сополимеров МАГ (Таблица 4, № 5-7) при комнатной температуре полоса свободного НФЭ не наблюдалась, что свидетельствует о том, что реакция не протекает. Повышение температуры до 40 °С позволило получить целевые полимерные производные ЦД на основе сополимеров МАГ.

Реакция полимерных ГФИЭ с АЦД протекала при комнатной температуре для всех исходных сополимеров (Таблица 4, № 11-13). Однако для сополимеров МАГ степень превращения не превышала 30 %. Повышение температуры до 40 °С позволило увеличить степень превращения до 50 % (Таблица 4, N8 14).

Растворимость у?-ЦД в воде составляет ~ 2%, а растворимость полимерных производных зависит от микроструктуры полимеров и содержания в них остатков ЦД. Отсутствие микроблочности функциональных звеньев в сополимерах МАГ-АК, ВП-4ПК и ВП-ГФИАК обеспечивало растворимость в воде полимерных производных с высоким содержанием остатков ЦД (30-40 масс. %, т.е. 5-7 мол. %), в отличие от растворимости производного на основе сопололимера ВП-АК близкого состава, где присутствуют микроблоки звеньев АК (Таблица 4, N2 8).

Таким образом, варьирование природы гидрофильного и функционального сомономера позволило впервые получить водорастворимые полимерные производные с различным содержанием и распределением остатков ЦД по цепи.

3.3 Синтез полимерных производных холестерина

Для связывания гидрофобных соединений за счет гидрофобных взаимодействий были получены амфифилькые полимеры, т.е. водорастворимые полимеры, модифицированные гидрофобными остатками, к которым относится холестерин. Водорастворимые холестеринсодержащие сополимеры синтезировали методом радикальной сополимеризации акрилоильного, метакрилоильного и полученного впервые кротоноильного производного холестерина с гидрофильными сомономерами (Рисунок 1, реакция 5). Сополимеризацию МАГ с хопестерилакрилатом (ХАК) и холестерилметакрилатом (ХМАК) проводили в смеси ДМФА/толуол (амиловый спирт), сополимеризацию ВП или МВАА с ХАК, ХМАК или холестерилкротонатом (ХКК) - в смеси этанол/толуол. Во всех случаях в качестве инициатора использовали ДИНИЗ. Для повышения растворимости полимеров в воде при синтезе дополнительно

X, нм

вводили ионогенные сомономеры. В качестве таких сомономеров использовали метилсульфатную соль Ы,Ы,Ы-триметиламиноэтилметакрилата (ТМАЭМ) или кротоновую кислоту (КК).

Выход сополимеров на основе МАГ составлял 80-90%, для 1М-виниламидов - 5090%, в случае сополимеров МВАА-ХКК ~ 30 %. Образование сополимеров подтверждали методами ИК и ЯМР спектроскопии. Содержание остатков холестерина в сополимерах определяли с помощью 1Н ЯМР спектроскопии.

Варьирование соотношения мономеров, концентрации мономеров и инициатора позволило получить полимеры, содержащие 0.3-13 мол. % (1-17 масс. %) остатков холестерина. Растворимость сополимеров в воде зависела от природы гидрофильного сомономера и содержания холестерина. Растворимыми в воде оказались сополимеры МАГ-ХМАК, МАГ-ХМАК-ТМАЭМ, ВП-ХКК, ВП-ХКК-КК, МВАА-ХКК, МВАА-ХКК-КК, причём их растворимость понижалась с увеличением содержания остатков холестерина и повышалась при введении заряженных групп.

Таким образом, методом радикальной сопопимеризации был синтезирован ряд неизвестных в литературе холестеринсодержащих полимеров на основе МАГ, ВП, МВАА, на растворимость которых в воде влияет микроструктура синтезированных полимеров. Последняя определяется как природой кислотного компонента непредельного производного холестерина, так и природой гидрофильного сомономера.

3.4 Конформационные состояния синтезированных полимеров и их внутримолекулярная подвижность

Свойства макромолекул в растворах, в том числе способность к взаимодействию с низко- и высокомолекулярными соединениями, физико-химические и биологические свойства в значительной степени определяются их конформационными состояниями. Для изучения конформационных состояний синтезированных полимеров в водных растворах были исследованы кислотно-основные свойства сополимеров МАГ с АК и МАК, а также внутримолекулярная подвижность (со)полимеров.

Карбоксилсодержащие сополимеры МАГ-(М)АК. Был проведен анализ кривых потенциометрического титрования сополимеров в координатах рКкаж(аг). Использовали уравнение Гендерсона-Хассельбаха рКкаж = рН - 1од(сг)/(1- а), где о -степень ионизации СООН групп (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость рКкаж от степени ионизации а СООН групп для сополимеров АК (а) и МАК (б), а: [АК]= 6.7 (7), 40 (2), 57 (3), 81 (4), 100 мол. % (5); б: [МАК]= 30 (1), 53 (2), 71 (3), 87 (4), 100 мол. % (5).

Для сополимеров МАГ-АК и сополимеров МАГ-МАК, содержащих менее 80 мол. % звеньев кислоты, кривые титрования характеризовались начальным падением значений рКкаж и последующим их ростом (Рисунок 4а, б), что свойственно гибкоцепным неструктурированным полиэлектролитам, в частности, гомополимеру АК (Рисунок 4а, кривая 5). Такой ход кривых связан с тем, что в процессе титрования происходит ионизация карбоксильных групп, что, с одной стороны, приводит к электростатическому отталкиванию звеньев и ослаблению системы водородных связей между группами СООН, ОН и Г\1Н, а с другой стороны, затрудняет ионизацию последующих групп СООН. Изменение соотношения вклада этих двух тенденций в величину рКкаж приводит к появлению минимума на кривых потенциометрического титрования, положение которого зависит от соотношения звеньев МАГ и (М)АК (Рисунок 4а, кривые 1-4: 46, кривые 1-3). При содержании звеньев МАК более 80 мол. % форма кривых меняется и приближается к форме, характерной для гомополимера МАК, у которого в области средних значений а наблюдается плато на кривой рКкэж(а) (Рисунок 46, кривые 4, 5). Это свидетельствует, что при ионизации групп СООН происходит конформационный переход от компактной структуры макромолекул к их более развернутой конформации.

Исследование внутримолекулярной подвижности (со)полимеров методом поляризованной люминесценции (ПЛ) проводили совместно с лабораторией люминесценции, релаксационных и электрических свойств полимерных систем ИВС РАН. Определялись наносекундные времена релаксации твмп, характеризующие внутри- и межмолекулярную подвижность макромолекул. Использовали люминесцентно меченые сополимеры, которые получали методами радикальной сополимеризации соответствующих мономеров с 9-антрилметилметакриламидом (9-АММА) или полимераналогичных превращений - взаимодействием карбоксильных групп полимера с 9-антрилдиазометаном. Содержание люминесцирующих меток в сополимерах во всех случаях не превышало 0.3-0.5 мол. %.

На Рисунке 5 приведена зависимость значений времен релаксации 7вмп меченых 9-АММА карбоксилсодержащих сополимеров МАГ от содержания карбоксильных групп в сополимерах в неионизованном и ионизованном состоянии (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимость значений времен релаксации твмп неионизованных (а) и ионизованных (б) макромолекул сополимеров МАГ-АК (1) и МАГ-МАК (2) от содержания групп СООН в сополимере (с).

Для гомополимера МАГ значения гВмп составляют 19 не и превышают соответствующие величины для гибкоцепных полимеров метакрилового ряда в растворе (6 - 12 не), что обусловлено, по-видимому, наличием в боковой цепи массивных заместителей. Для сополимеров МАГ-АК во всём интервале составов значения твмп практически не меняются (-20 не) (Рисунок 5, кривая 1а). Для сополимеров МАГ-МАК при содержании незаряженных групп СООН более 40 мол. % происходит рост твмп, значения стремятся к твмп, характерному для гомополимера

МАК в неионизованном состоянии (76 не) (Рисунок 5, кривая 2а). Такое значительное уменьшение внутримолекулярной подвижности (ВМП) полимерных цепей обусловлено гидрофобными взаимодействиями о-СН3 групп звеньев МАК, что способствует компактизации макромолекул за счёт формирования внутримолекулярных структур. Полученные результаты согласуются с результатами потенциометрического титрования. Ионизация СООН групп в сополимерах приводит к разрушению этих внутримолекулярных структур, времена релаксации уменьшаются и при высоком содержании кислотных звеньев приближаются к значениям 7ьмл для ионизованных гомополимеров АК и МАК (13 не) (Рисунок 5, кривые 16 и 26).

Таким образом, исследование кислотно-основных свойств и внутримолекулярной подвижности сополимеров МАГ с АК и МАК показало, что сополимеры различаются по своим информационным состояниям. Для сополимеров МАГ-МАК с содержанием звеньев МАК более 50 мол. % в неионизованном состоянии характерен эффект самосборки с участием звеньев МАК.

Холестеринсодержащие сополимеры. Введение в состав сополимеров МАГ объемных гидрофобных звеньев холестерина приводит к значительному росту значений времён релаксации твмп (Таблица 5, ср. N° 1 и 2), а, следовательно, существенному усилению внутримолекулярных взаимодействий в водных растворах, обусловленных гидрофобными взаимодействиями неполярных холестериновых групп и формированием внутримолекулярных структур, что подтверждается ЯМР спектроскопией. Так, если в спектре сополимера МАГ-ХМАК (95:5 мол. %) в растворе ДМФА-йг сигналы протонов холестерина хорошо видны при 0.6-1.2 м.д. (положения 18, 19, 21, 26, 27 групп СН3) и ~ 5.3-5.4. м.д. (положение 6 группы СН), то у спектра сополимера в растворе ЭгО они не наблюдаются, т.к. происходит агрегация остатков холестерина, приводящая к уширению линий (Рисунок 6).

Таблица 5 - Значения гВмп холестеринсодержащих полимеров и их аналогов

N (Со)полимер [т^^гтШтз], мол. % Твмп НС

1 ПМАГ 100:0:0 19

2 МАГ-ХМАК 94.5 : 0 : 5.5 180

3 МАГ-ТМАЭМ 58.6:41.4:0 23

4 МАГ-ТМАЭМ-ХМАК 53.7:45.0: 1.3 46 1

5 МАГ-ТМАЭМ-ХМАК 45.2 : 52.5 : 2.3 69

6 МАГ-ТМАЭМ-ХМАК 38.2 : 57.5 : 4.3 105

7 ТМАЭМ-ХМАК 0 : 97.7 : 2.5 52

Рисунок 6 - 1Н ЯМР-спектры (60 °С) сополимера МАГ-ХМАК (95:5 мол.%) в ДМФА-й7 и 020.

Для тройных сополимеров МАГ-ТМАЭМ-ХМАК с повышением содержания звеньев ХМАК в сополимере наблюдается линейный рост тВмп (Таблица 5, N2 3-6). Однако для этих сополимеров в отличие от незаряженного двойного сополимера МАГ-ХМАК при близком содержании остатков холестерина внутримолекулярные взаимодействия проявляются слабее (Таблица 5, ср. № 2 и 6). Увеличение содержания заряженных звеньев ТМАЭМ от 53 до 98 мол. % (Таблица 5, № 5 и 7) приводит к уменьшению значений времен релаксации от 69 до 52 не, т.е. ещё большему увеличению подвижности полимерной цепи. По-видимому, в результате разнонаправленного

действия сил электростатического отталкивания одноименно заряженных групп ТМАЭМ и гидрофобного притяжения неполярных холестериновых звеньев формируется более «рыхлая» структура по сравнению со структурой нейтрального полимера.

3.5 Исследование связывания гидрофобных соединений полимерами-носителями

Изучение способности синтезированных полимеров к нековалентному связыванию гидрофобных БАВ в водных средах за счёт ионной связи, образования комплексов включения или гидрофобных взаимодействий проводили методами поляризованной люминесценции (ПЛ), ЯМР спектроскопии, динамического светорассеяния, адсорбционной хроматографии.

Методом ПЛ исследовано комплексообразование карбоксилсодержащих сополимеров МАГ с АК и МАК с дифильными ионами поверхностно-активных веществ (ПАВ) - диметилбензилдециламмоний хлорида (ДМБДАХ) и диметилбензиллауриламмоний хлорида (ДМБЛАХ), с длиной алкильной цепи 10 и 12 углеродных атомов, соответственно. Обнаружено, что определяющую роль в формировании таких комплексов играют электростатические взаимодействия, при этом, дополнительная стабилизация комплекса происходит за счёт гидрофобных взаимодействий неполярных апкильных групп ПАВ.

Известно, что диметилбензилалкиламмоний хлориды (ДМБААХ) и их комплексы с сополимером ВП-КК обладают высокой антимикробной активностью.

В клинике военно-полевой хирургии Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга было проведено исследование антимикробной активности полимерных комплексов ДМБААХ с сополимерами МАГ-АК и МАГ-МАК, структура которых

Рисунок 7 - Структурная формула полимерного комплекса сополимера МАГ-(М)АК - диметилбензилалкиламмоний хлориды.

приведена на Рисунке 7.

R,

Нсн,—C-fcrfcH2—с

сн3

?]JCH> [ из с=о С—о

¿-1чССНз

/ \ СН3

K¡ сн2

¿Í Н5

н, он

R, =Н,СН3

= ^-10-18^21-37

В опытах in vitro (по величине зоны задержки роста микроорганизмов различных штаммов после инкубации при 37 °С 24 ч) и in vivo (на крысах на моделях гнойных ран) было установлено, что полученные полимерные комплексы обладают высокой антимикробной активностью в отношении ряда госпитальных штаммов, а также их ассоциации.

Комплексообразование /J-циклодекстрин- и холестеринсодержащих сополимеров. Исследована возможность связывания гидрофобных соединений и регулирования их концентрации в водных средах синтезированными полимерами, находящимися как в растворе, так и иммобилизованными на сорбенте. Взаимодействие полимеров с низко- и высокомолекулярными соединениями в растворе. Для оценки способности синтезированных полимеров связывать низко- и высокомолекулярные соединения в качестве моделей использовали

низкомолекулярный люминесцирующий ион - акридиновый оранжевый (АО) - и холестерин (Рисунок 8). Акридиновый оранжевый является чувствительным индикатором наличия локальных гидрофобных областей. Методом поляризованной люминесценции с использованием «темновых» (немеченых) полимеров были рассчитаны константы связывания Ксв по методу двойных обратных координат Скзтчарда. Для сополимеров МАГ-ХМАК (2-5 мол. % остатков холестерина) значения КС8 составили ~106 л/моль, а для сополимеров МАГ и МВАА (5-7 мол. % остатков ЦД) -~105 л/моль. Для ЦД-содержащих сополимеров значения КСв на 2 порядка превышают константы связывания исходных сополимеров (103).

(а)

Рисунок 8 - Структура акридинового оранжевого (а) и холестерина (б).

Одной из актуальных задач является разработка методов регулирования содержания в биологических жидкостях веществ-факторов риска, в число которых входит холестерин, поскольку его избыточное накопление в организме приводит к метаболическому синдрому (сердечно-сосудистым заболеваниям).

Методом ПЛ были исследованы взаимодействия в следующих системах:

1) холестеринсодержащий полимер - низкомолекулярный холестерин,

2) холестеринсодержащий полимер - низкомолекулярный ЦД,

3) холестеринсодержащий полимер - холестеринсодержащий полимер,

4) холестеринсодержащий полимер - ЦД-содержащий полимер.

Показано, что добавление низкомолекулярного холестерина или ЦД к растворам хопестеринсодержащих сополимеров сопровождается повышением

внутримолекулярной подвижности полимерной цепи (ВМП), что, по-видимому, связано с ослаблением гидрофобных взаимодействий полимерных холестеринсодержащих звеньев, вследствие встраивания между ними молекул низкомолекулярного холестерина, а в случае ЦД, образования комплекса включения. Последнее предположение подтверждено методом ЯМР спектроскопии (Рисунок 9). Так, в случае сополимера МАГ-ХМАК (95:5 мол. %), отсутствующие в 1Н ЯМР спектре раствора 020 сигналы холестерина в области 0.8-0.9 м.д. (положения 21, 26, 27 групп СНз) и ~ 5.4 м.д. (положение 6 группы СИ) появляются при добавлении у?-циклодекстрина и интенсивность этих сигналов растёт с увеличением количества добавленного ЦД (Рисунок 9а). Кроме того, образование комплекса включения подтверждали с помощью двумерной МОЕБУ-спектроскопии (Рисунок 96). Наблюдаемые в спектре смеси сополимера МВАА-ХКК (97:3 мол. %) и уЗ-циклодекстрина кросс-пики демонстрируют наличие нековалентных взаимодействий ме>еду протонами групп СН3 холестерина (ХЛ) в положениях 26 и 27 и расположенными внутри полости протонами ЦД в положениях 3, 5 и 2 (ЦЦ).

В отличие от смесей низкомолекулярного холестерина или /3-циклодекстрина с полимерами, смешение холестеринсодержащих сополимеров разной природы или холестерин- и ЦД-содержащих полимеров сопровождается снижением ВМП, что, по-видимому, объясняется формированием межмолекулярных контактов между остатками холестерина макромолекул разной природы или комплексов включения ХЛ-

ЦД. При этом интенсивность изменения ВМП зависит от мольного соотношения взаимодействующих лигандов, содержания лигандов в полимере, природы олимеров.

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2-5 2.0 1.5 1.0 0.5 ррт

Рисунок 9 - (а) Области 1Н ЯМР-спектра (D2O) исходного сополимера МАГ-ХМАК (95:5 мол. %) (1), и его смесей с/?-циклодекстрином: [ХП]:[ЦД] = 1:2 (2) и 1:8 (3). (б) 1Н-1Н ROESY-слектр смеси сополимера МВАА-ХКК (97:3 мол. %) и Д-цикло-декстрина.

Наличие взаимодействий в водных растворах между холестеринсодержащими полимерами разной природы - сополимерами МАГ-ХМАК (97:3 мол. %) (I) и МАГ-ТМАЭМ-ХМАК (52:45:3 мол. %) (II) - подтверждали методом динамического светорассеяния (ДСР) (Рисунок 10). Так, если размеры клубков (Rh) макромолекул I и II составляли 37 и 426 нм, соответственно (Рисунок 10, (I) и (!l)), то для смеси сополимеров 1 11 = 1:1 на гистограмме ДРС распределения по размерам наблюдали один пик с максимумом 68 нм, расположенный между пиками, соответствующим исходным сополимерам (Рисунок 10, (I+II)).

Рисунок 10 - Распределение по размерам сополимеров МАГ-ХМАК (97:3 мол. %) (I), МАГ-ТМАЭМ-ХМАК (52:45:3 мол. %) (I!) и их эквимолярной смеси (]+И) в водных растворах.

Все приведенные выше исследования выполнялись при концентрации полимера 0.2-0.3 мг/мл (0.02 — 0.03 %). При более высокой концентрации - 40 мг/мл (4 масс. %) в системе МВАА-акриламид-АЦД (5.5 мол. % остатков ЦД) (Таблица 4, № 12) - МАГ-ХМАК (2.3 мол. % остатков холестерина) образуется гель, что также свидетельствует о комплексообразовании по типу «гость-хозяин» между холестеринсодержащими звеньями одной полимерной цепи и остатками ЦД другой макромолекулы.

Связывание гидрофобных соединений полимерами, иммобилизованными на сорбенте изучали совместно с лабораторией полимерных сорбентов и носителей для

биотехнологии ИБС РАН. Для определения возможности регулирования концентрации гидрофобных соединений в водных средах исследовали адсорбцию водорастворимого производного холестерина - литиевой соли моносукцината холестерина (МСХ-и) из водного раствора полимером, иммобилизованным на поверхности макропористого сорбента монолитного типа.

Использовали сополимер МАГ-ХМАК (96:4 мол. %) и гомополимер МАГ (в качестве полимера сравнения). Перед иммобилизацией на поверхности сорбента предварительно проводили окисление звеньев МАГ полимеров с помощью ЫаЮ4, что позволило ввести в их структуру высокореакционноспособные альдегидные группы. Окисленные ПМАГ (ок.-ПМАГ) и сополимер МАГ-ХМАК (ок.-МАГ-ХМАК) содержали по 28 мол. % окисленных звеньев МАГ, т.е. 56 мол. % групп СНО.

Ковалентное связывание полимеров с монолитной матрицей осуществляли взаимодействием альдегидных групп полимеров с аминогруппами сорбента, которые получали в результате реакции эпоксидных групп сорбента с аммиаком. Образующиеся азометиновые связи восстанавливали боргидридом натрия (Рисунок 11).

Н2С-СН-СН2 Н2С-ГН-СП,ОН(^|а! Н2С-СН-СН2 Н2С-СН-СН2

о и%н2о __[_ он 1УН, 1 ОН 1Ч=СН онн«-сн2

в о ^гв #цон

СНО сн2ок

Рисунок 11 - Схема иммобилизации полимера на монолитном сорбенте.

Для исследования адсорбции использовали хроматографическую систему низкого давления в динамических условиях (0.01 М натрий-фосфатный буферный раствор, рН 7.4). Количество адсорбированной на колонке МСХ-У определяли по разности ее концентраций в исходном растворе и промывных фракциях с помощью реагента Златкиса-Зака (/1 = 563 нм). Установлено, что введение остатков холестерина в состав полимера, связанного с колонкой, позволяет более чем в два раза повысить её сорбционную ёмкость. Так, на колонке с иммобилизованным холестеринсодержащим полимером количество адсорбированного холестерина относительно колонки-сравнения значительно возрастало - с 35 до 70-80 %.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют способность синтезированных полимеров-носителей связывать гидрофобные соединения в водных средах. Синтезированные полимеры являются перспективными для создания систем контроля уровня гидрофобных БАВ в водных растворах и биологических жидкостях.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны методы синтеза ряда новых гидрофильных полимеров-носителей, содержащих винилсахаридные или виниламидные звенья, карбоксильные, активированные сложнозфирные группы, а также остатки /?-циклодекстринз или холестерина для связывания БАВ с помощью ковалентных, ионных связей, комплексов включения или гидрофобных взаимодействий.

2. Впервые исследованы закономерности радикальной сополимеризации винилсахарида 2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы (МАГ) с непредельными карбоновыми кислотами и оценены относительные активности сомономеров. Установлено, что при сополимеризации МАГ с акриловой кислотой растущие цепи преимущественно реагируют с мономером МАГ, а для пары МАГ-метакриловая кислота сополимеризация близка к идеальной азеотропной.

3. Полимераналогичными превращениями карбоксильных или сложноэфирных групп сополимеров 2-деокси-2-метакриламидо-0-гпюкозы, N-винилпирролидона, N-метил-М-винилацетамида с амино-/3-циклодекстрином осуществлен синтез ß-цикподестринсодержащих полимеров и показано, что отсутствие микроблочности несущих /J-цикподестрин звеньев способствует повышению растворимости в воде производных с высоким (до 40 масс. %) содержанием ß-циклодестрина.

4. Радикальной сополимеризацией гидрофильных мономеров с непредельными производными холестерина впервые получены двойные и тройные, нейтральные и несущие заряд хопестеринсодержащие сополимеры, компактность макромолекулярных клубков которых в водных растворах возрастает с увеличением содержания остатков холестерина и уменьшается с введением заряженных групп.

5. Показано, что синтезированные холестерин- и /?:циклодестринсодержащие полимеры способны связывать гидрофобные соединения и перспективны для создания систем контроля уровня гидрофобных веществ в водных средах.

6. Впервые получены комплексы сополимеров МАГ-акриловая кислота и МАГ-метакриловая кислота с диметилбензилалкиламмоний хлоридами и исследованы их биологические свойства. Установлено, что они проявляют высокую антимикробную активность как in vitro, так и in vivo, и эффективны для лечения раневых инфекций.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Назарова, О.В. Сополимеры 2-деокси-2-метакриламидо-0-гпюкозы и непредельных кислот / О.В. Назарова, М.Л. Левит, Т.Н. Некрасова, Н.Г. Бельникевич,

A.B. Добродумов, Е.Ф. Панарин // Высокомолекулярные соединения. - 2009. - Т. 51 Б, №9.-С.1671-1676.

2. Левит, М.Л. Водорастворимые полимерные производные холестерина / М.Л. Левит, О.В. Назарова, Т.Н. Некрасова, A.B. Добродумов, Т.Д. Ананьева, A.A. Никитичева, E.H. Власова, В.Д. Паутов, Е.Ф. Панарин II Высокомолекулярные соединения. - 2010. - Т. 52 Б, № 12. - С. 2195-2202.

3. Левит, М.Л. Водорастворимые полимерные производные /?-циклодекстрина / М.Л. Левит, О.В. Назарова, И.В. Мойсеюк, A.B. Добродумов, Е.В. Диденко, Е.Ф. Панарин//Высокомолекулярные соединения. - 2012.-Т. 54 А, № 1.-С. 112-120.

4. Паутов, В.Д. Релаксационные свойства и комплексообразование сополимеров 2-деокси-2-метакриламидо-0-гпюкозы и непредельных кислот / В.Д. Паутов, Т.Н. Некрасова, Т.Д. Ананьева, Р.Т. Иманбаев, М.Л. Левит, A.A. Никитичева, О.В. Назарова, Е.Ф. Панарин // Высокомолекулярные соединения. - 2013. - Т. 55 А, № 3. -С. 283-288.

5. Киппер, А.И. Комплексообразование хслестеринсодержащих полимеров в водных растворах / А.И. Киппер, М.Л. Левит, О.В. Назарова, Е.Ф. Панарин // Биофизика. - 2013. -Т. 58, № 6. - С. 1028-1031.

6. Пат. 2446808 С2 Российская Федерация, МПК А61К 31/78, А61Р 17/02. Антисептическое средство / Н.Г. Венгерович, М.Л. Левит, А.К. Хрипунов, В.А. Попов,

B.А. Андреев, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, A.A. Ткаченко, Е.Ф. Панарин; заявитель и патентообладатель Институт высокомолекулярных соединений (RU). - № 2010109156/15; заявл. 11.03.2010; опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10. -6 с.: ил.

7. Levit, M.L. Water-soluble polymer derivatives of cholesterol I M.L. Levit, A.A. Nikiticheva, A.V. Dobrodumov, T.N. Nekrasova, O.V. Nazarova // 4th Saint-Petersburg Young Scientists Conference «Modern problems of polymer science». 15-17 апреля, -2008. St. Petersburg. Book of abstract. - P. 46.

8. Levit, M.L. Copolymers of N-methacryloylamcnoglucose and unsaturated acids / M.L. Levit, T.N. Nekrasova, N.G. Bel'nikevich, O.V. Nazarova // 4th Saint-Petersburg Young Scientists Conference «Modern problems of polymer science». 15-17 апреля, - 2008.St. Petersburg. Book of abstract. - P. 49.

9. Levit , M.L. Polymer derivatives of cholesterol / M.L. Levit, A.A. Nikiticheva, A.V. Dobrodumov, T.D. Ananieva, T.N. Nekrasova, O.V. Nazarova, V.D Pautov, E.V. Anufrieva, E.F. Panarin II 6lh International Symposium «Molecular order and mobility in polymer systems». June 2-6, - 2008. St.-Petersburg, Book of abstracts. - P-037.

10. Nazarova, O.V. Copolymers of N-methacryloylaminoglucose and unsaturated acids / O.V. Nazarova, M.L. Levit, T.N. Nekrasova, N.G. Belnikevich, E.F. Panarin // 6th International Symposium «Molecular order and mobility in polymer systems». June 2-6, -2008. St.-Petersburg, Book of abstracts. - P-038.

11. Nekrasova, T.N. Intramolecular mobility and structure formation in solution of glycopolymers containing comonomeric units of various nature / T.N. Nekrasova, O.V. Nazarova, T.D. Ananieva, A.A. Nikiticheva, M.L. Levit, V.D. Pautov, M.G. Krakovyak, E.F. Panarin II 6th International Symposium «Molecular order and mobility in polymer systems». June 2-6, - 2008. St.-Petersburg, Book of abstracts. - P-085.

12. Никитичева, A.A. Структурная организация- сополимеров N-метакрилоиламиноглюкозы и карбоновых кислот и их взаимодействие с катионными ПАВ в водных растворах / А.А. Никитичева, Р.Т. Иманбаев, М.Л. Левит, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, В.Д. Паутов, Е.Ф. Панарин // XXXVII Всероссийская Межвузовская конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 24-29 ноября, -2008. Санкт-Петербург. Тезисы докладов. - Ч. XVIII. - С.68-69.

13. Левит, М.Л. Холестеринсодержащие водорастворимые полимеры / М.Л.Левит, А.А. Никитичева, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, Е.Ф. Панарин II XXXVII Всероссийская Межвузовская конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 24-29 ноября, - 2008. Санкт-Петербург. Тезисы докладов. - Ч. XVIII. - С. 6061.

14. Иманбаев, Р.Т. Закономерности формирования и стабильность комплексов поверхностно-активных веществ с сополимерами N-метакрилоиламиноглюкоза -метакриловая кислота / Р.Т. Иманбаев, А.А. Никитичева, М.Л. Левит // XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов». 14-17 апреля, 2009. Москва. Тезисы докладов. - С. 49.

15. Levit, M.L. Water-soluble polymer derivatives of cholesterol and /?-cyclodextrin / M.L. Levit, T.N. Nekrasova, O.V. Nazarova, A.V. Dobrodumov, I.V. Moyscyuk, E.F. Panarin // 5th Saint-Petersburg Young Scientist Conference «Modern Problems of Polymer Science». October 19-22, - 2009. Saint-Petersburg. Book of abstracts - P. 4.

16. Imanbaev, R.T. Stability and formation of complexes based on surfactants and copolymers of methacryloyoaminoglucose and carboxylic acids / R.T. Imanbaev, M.L. Levit, A.A. Nikiticheva, V.D. Pautov, T.N. Nekrasova, O.V. Nazarova // 5th Saint-Petersburg Young Scientist Conference «Modern Problems of Polymer Science». October 19-22, - 2009. Saint-Petersburg. Book of abstracts. - P. 36.

17. Никитичева, A.A. Конформационные свойства холестеринсодержащих полимеров в водных растворах / А.А. Никитичева, М.Л. Левит, О.В. Назарова, Т.Н. Некрасова, Е.Ф. Панарин II Всероссийская Межвузовская конференция студентов и аспирантов «XXXVIII неделя науки в СПбГПУ». 30 ноября - 5 декабря, - 2009. Санкт-Петербург. Тезисы докладов. Ч. XVIII. - С. 50-51.

18. Иманбаев, Р.Т. Комплексы карбоксилсодержащих сополимеров на основе метакрилоиламиноглюкозы с катионными ПАВ / Р.Т. Иманбаев, М.Л. Левит, А.А. Никитичева, В.Д. Паутов, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, Е.Ф. Панарин // V Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры-2010». 21-25 июня, ~ 2010. Москва. Тезисы докладов. - С2-27.

19. Левит, М.Л. Синтез водорастворимых полимерных производных /?-циклодекстрина I М.Л. Левит, И.В. Мойсеюк, Т.Н. Некрасова, О.В. Назарова, Е.Ф. Панарин II 6lh Saint-Petersburg Young Scientist Conference «Modern Problems of Polymer Science». October 18-21,-2010. Saint-Petersburg. Book of abstracts. - P. 18.

20. Левит, M.Л. Синтез производных /?-циклодекстрина на основе водорастворимых полимеров / М.Л. Левит, И.В. Мойсеюк, Т.Н Некрасова О.В., Назарова, A.B. Добродумов, Е.Ф. Панарин // XXXIX Всероссийская Межвузовской конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 6-11 декабря, - 2010. Санкт-Петербург. Тезисы докладов. - С. 33-34.

21. Никитичева, A.A. Взаимодействие холестеринсодержащих полимеров с низкомолекулярным холестерином в водно-органической фазе / A.A. Никитичева, М.Л. Левит, О.В. Назарова, Т.Н Некрасова, Е.Ф. Панарин II XXXIX Всероссийская Межвузовская конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 6-11 декабря, - 2010. Санкт-Петербург. - С. 35-36.

22. Levit, M.L. Water-soluble polymer derivatives of /?-cyclodextrin / M.L. Levit, O.V. Nazarova, I.V. Moyseyuk, A.V. Dobrodumov, T.N. Nekrasova, T.D. Ananieva, A.A. Nikiticheva, E.F. Panarin // 7th International Symposium «Molecular mobility and order in polymer systems». 6-10 июня, -2011. Санкт-Петербург. - P-009.

23. Скорбунова, O.B. Синтез холестеринсодержащих полимеров с люминесцирующими метками антраценовой структуры / О.В. Скорбунова, М.Л. Левит, Т.Д. Ананьева, Т.Н. Некрасова // XL Всероссийская Межвузовской конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 5-10 декабря, -2011. Санкт-Петербург. - С. 53-54.

24. Скорбунова О.В. Исследование холестеринсодержащих полимеров с люминесцирующими метками антраценовой структуры / О.В. Скорбунова, М.Л. Левит, О.В. Назарова, Т.Н. Некрасова, Е.Ф. Панарин // XLI Всероссийская Межвузовской конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ». 3-8 декабря, - 2012. Санкт-Петербург. - С. 40-42.

Автореферат отпечатан в ИБС РАН. Ризография. Тираж 100 экз.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04501 455391

ЛЕВИТ Мария Леонидовна

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРЫ-НОСИТЕЛИ ГИДРОФОБНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: чл.-корр. РАН, д.х.н., проф. Евгений Фёдорович Панарин

Санкт-Петербург 2014

Список сокращений

ААм - акриламида

АИБА - 2,2'-азо-бг/с-(2-метилпропандиамин)дигидрохлорид АК - акриловая кислота Амиловый спирт — амил.сп.

АЦД - б-монодеокси-б-моноамино-р-циклодекстрин БАВ - биологически активное вещество БАП - биологически активный полимер ВП — Ы-винилпирролидон

ГФИАК — ]Ч-гидроксифталимидный эфир акриловой кислоты

ДИНИЗ — динитрил-азо-бис-изомалянной кислоты

ДМСО — диметилсульфоксид

ДМФА — димстилформамид

ДЦК — ]ЧГ,1Ч'-дициклогексилкарбодиимид

КК — кротоновая кислота

МАГ — 2-деокси-2-метакриламидо-В-глюкоза МАК — метакриловая кислота МВАА - М-метил-1Ч-винилацетамид

ок.-ПМАГ — окисленный гомополимер 2-деокси-2-метакриламидо-В-глюкозы

ок.-МАГ-ХМАК - окисленный сополимер МАГ-холестерилметакрилат

МСХ — моносукцинат холестерина

МСХ-Ы - литиевая соль моносукцината лития

НФ — и-нитрофенол

НФЭ - и-нитрофениловый эфир

4ПАм - 4-пентенамид

4ПК - 4-пентеновая кислота

ХАК - холестерилакрилат

ХЛ - остаток холестерина

ХКК — холестерилкротонат

ХМАК - холестерилметакрилат

ЦД — р-циклодекстрин

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений...............................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................6

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................11

1.1 Поливинилсахариды......................................................................................................12

1.1.1 Синтез винилсахаридов..............................................................................................13

1.1.2 Синтез поливинилсахаридов.....................................................................................14

1.1.3 Карбоксилсодержащие поливинилсахариды...........................................................16

1.1.4 Полимеры-носители на основе 2-деокси-2-метакрилоиламидо-Б-глюкозы........19

1.2 Водорастворимые полимеры-носители, выступающие в качестве «хозяина» в системе «гость-хозяин» для связывания гидрофобных соединений..............................21

1.2.1 Синтез полимерных производных Р-циклодекстрина............................................23

1.2.1.1 Полимеризация ненасыщенных производных Р-циклодекстрина......................23

1.2.1.2 Полимераналогичные превращения......................................................................25

1.2.2 Свойства полимерных производных Р-циклодекстрина........................................27

1.2.2.1 Комплексы Р-циклодекстрина с иизкомолекулярными веществами.................27

1.2.2.2 Комплексы р-циклодекстрина с высокомолекулярными веществами...............27

1.2.3 Синтез полимерных производных холестерина......................................................29

1.2.3.1 Метод (со)полимеризации......................................................................................29

1.2.3.1.1 Синтез непредельных производных холестерина.............................................30

1.2.3.1.2 Полимеризация ненасыщенных производных холестерина............................31

1.2.3.2 Метод полимераналогичных превращений...........................................................33

1.2.4 Свойства полимерных производных холестерина..................................................34

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..................................................................39

2.1 Исходные вещества и материалы.................................................................................39

2.2 Методы синтеза..............................................................................................................40

2.2.1 Синтез производных холестерина.............................................................................40

2.2.1.1 Моносукцинат холестерина (МСХ).......................................................................40

2.2.1.2 Литиевая соль моносукцината холестерина (МСХ-1Л)........................................40

2.2.2 Синтез мономеров.......................................................................................................41

2.2.2.1 Синтез 2-деокси-2-метакриламидо-Б-глюкозы (МАГ).......................................41

2.2.2.2 Непредельные производные холестерина.............................................................41

2.2.3 Синтез сополимеров...................................................................................................43

2.2.3.1 Синтез карбоксилсодержащих сополимеров........................................................43

2.2.3.2 Синтез сополимеров, содержащих сложпоэфирные активированные группы . 44

2.2.4 Синтез полимерных производных Р-циклодекстрина............................................44

2.2.5 Синтез полимерных производных холестерина......................................................44

2.2.6 Синтез люминесцентно меченых сополимеров.......................................................45

2.3 Методы исследования...................................................................................................46

2.3.1 Оборудование..............................................................................................................46

2.3.2 Определение состава полимеров...............................................................................46

2.3.3 Измерение характеристической вязкости................................................................48

2.3.4 Кинетика сополимеризации.......................................................................................49

2.3.5 Определение относительных активностей сомономеров.......................................49

2.3.6 Кислотно-основные свойства сополимеров МАГ-(М)АК......................................49

2.3.7 Исследование внутримолекулярной подвижности макромолекул........................50

2.3.8 Исследование образования комплексов включения...............................................51

2.3.9 Исследование адсорбции холестерина на монолитных колонках.........................51

2.3.9.1 Синтез макропористого сорбента монолитного типа..........................................51

2.3.9.2 Окисление ПМАГ и сополимера МАГ-ХМАК.....................................................52

2.3.9.3 Иммобилизация окисленных полимеров на монолитные колонки....................52

2.3.9.4 Исследование адсорбции литиевой соли моносукцината холестерина.............53

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.............................................................54

3.1 Синтез полимеров-носителей.......................................................................................54

3.1.1 Сополимеризация МАГ с акриловой и метакриловой кислотами.........................54

3.1.1.1 Кинетика сополимеризации МАГ с ненасыщенными кислотами......................59

3.1.1.2 Относительные активности МАГ, АК и МАК при сополимеризации...............61

3.1.2 Сополимеры МАГ с 4-пентеновой кислотой...........................................................65

3.1.3 Синтез карбоксилсодержащих полимеров на основе М-виниламидов.................66

3.1.4 Синтез сополимеров с активированными сложноэфирными группами...............68

3.1 Синтез полимерных производных Р-циклодекстрина...............................................70

3.3 Синтез полимерных производных холестерина.........................................................81

3.4 Конформациопные состояния синтезированных полимеров и их внутримолекулярная подвижность....................................................................................88

3.4.1 Карбоксилсодержащие сополимеры МАГ-(М)АК..................................................89

3.4.1.1 Кислотно-основные свойства сополимеров МАГ-(М)АК...................................89

3.4.1.2 Внутримолекулярная подвижность сополимеров МАГ-(М)АК.........................90

3.4.2 Холестеринсодержащие сополимеры.......................................................................93

3.5 Исследование связывания гидрофобных соединений полимерами-носителями.... 95

3.5.1 Комплексообразование карбоксилсодержащих сополимеров МАГ-(М)АК с дифильными ионами поверхностно-активных веществ..................................................96

3.5.2 Комплексообразование [З-цикл о декстрин- и хо л сстеринсо держащих

сополимеров.........................................................................................................................99

3.5.1 Взаимодействие полимеров с низко- и высокомолекулярными соединениями в

растворе.................................................................................................................................99

3.5.2.1 Связывание гидрофобных соединений полимерами, иммобилизованными на

сорбенте..............................................................................................................................107

ВЫВОДЫ............................................................................................................................110

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................111

БЛАГОДАРНОСТИ

132

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для модификации биологически активных веществ (БАВ) и создания новых эффективных лекарственных препаратов все большее значение приобретают водорастворимые полимеры. Модификация БАВ полимерами позволяет повысить их растворимость в воде, снизить токсичность, изменить спектр биологической активности, увеличить продолжительность циркуляции в организме, обеспечить целевой транспорт активных веществ в заданный орган-мишень.

Для решения этих задач применяются синтетические и природные карбо- и гетероцепные полимеры-носители (например, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, декстран, хитозап, крахмал, белки, полипептиды). В зависимости от поставленных фармакологических и фармацевтических целей разрабатываются полимеры-носители с заданным химическим строением и молекулярной массой. Как правило, используемые в настоящее время полимеры-носители биосовместимы, однако, они содержат ограниченный набор функциональных групп для связывания БАВ. В связи с этим, возникает необходимость введения в структуру полимеров групп с высокой реакционной способностью или лигандов, обеспечивающих ковалентное или нековалентное связывание БАВ. Ковалентное связывание БАВ с макромолекулой часто приводит к потере активности, поэтому для связывания используют гидролизуемые спейсеры, например, олигопептиды, или лабильные химические связи. Этот подход может быть применен только при наличии у БАВ соответствующих функциональных групп. Более простым вариантом, не требующим использования функциональных групп БАВ, является реализация принципов системы «гость-хозяин». Поскольку большинство БАВ — дифильные соединения, содержащие гидрофобные фрагменты, они могут выполнять роль «гостя». В качестве «хозяина» выступают полимерные системы, несущие группы, способные, например, к образованию комплексов включения или к самоорганизации. Применение этого подхода позволяет сохранить нативные свойства БАВ и получить их водорастворимые формы. Поэтому ведётся поиск новых доступных универсальных полимеров-носителей для связывания гидрофобных БАВ.

В последние десятилетия, наряду с широко используемыми в биомедицинских целях поли-]Ч[-виниламидами, большое внимание привлекают полившшлсахариды.

водных растворах и их способности связывать БАВ в модельных условиях;

• определение возможности использования полученных полимеров для связывания гидрофобных БАВ.

Методы исследования:

• для синтеза полимеров-носителей использовались методы свободнорадикальной сополимеризации и полимераналогичных превращений;

• для характеристики структуры, состава, молекулярно-массовых параметров, конформационных состояний синтезированных полимеров-носителей и полимерных систем на их основе применялись методы УФ, ИК, ЯМР спектроскопии, элементного анализа, погенциометрического титрования, вискозиметрии, статического и динамического светорассеяния, дилатометрии, адсорбционной хроматографии, поляризованной люминесценции.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• свободнорадикальной (со)полимеризацией и реакциями в цепях синтезированы новые карбоксилсодержащие полимеры и полимеры, содержащие активированные сложноэфирные группы, с широким диапазоном составов и молекулярных масс;

• впервые исследован процесс радикальной сополимеризации 2-деокси-2-метакриламидо-О-глюкозы с акриловой и метакриловой кислотами: изучена кинетика сополимеризации, определены относительные активности сомономеров и микроструктура сополимеров;

• разработаны методы введения остатков |3-циклодекстрина и холестерина в полимеры на основе винилсахаридов и И-виниламидов и впервые получены циклодекстрин- или холестеринсодержащие сополимеры 2-деокси-2-метакриламидо-Б-глюкозы и Ы-метил-Ы-винилацетамида;

• впервые оценены константы связывания модельных дифильпых соединений в растворе (акридинового оранжевого и диметилбензиллауриламмоний хлорида), а также изучены конформационные состояния синтезированных полимеров в водных средах.

Практическая значимость работы:

• синтезированные новые водорастворимые полимеры-носители, несущие карбоксильные и/или активированные сложноэфирные группы могут быть использованы для модификации аминосодержащих БАВ;

Они обладают хорошей растворимостью в воде и биологических жидкостях и способны, как и полисахариды, участвовать в процессах межклеточного и межмолекулярного узнавания. В связи с этим перспективным является синтез нового класса карбоцепных биосовместимых полимеров-носителей на основе И-виниламидов и вшшлсахаридов, способных к биоспецифическим взаимодействиям. Для решения подобных задач необходима разработка методов введения в полимер реакционноспособных групп, лигандов или гидрофобных фрагментов, обеспечивающих ковалентное, электровалентное связывание или гидрофобное взаимодействие с БАВ. Несомненный научный и практический интерес представляет изучение влияния химического строения, конформационных и молекулярно-массовых характеристик, а также гидрофобио-гидрофильного баланса полимера-носителя на его способность связывать дифильные гидрофобные соединения.

Таким образом, создание на основе вшшлсахаридов и К-вшшламидов новых типов полимеров-носителей, несущих высокореакционноспособные функциональные группы, а также фрагменты, обеспечивающие нековалентное связывание гидрофобных БАВ является актуальной задачей.

Цель настоящей работы - разработка методов синтеза на основе винилсахарида 2-деокси-2-метакриламидо-0-глюкозы (МАГ) и Ы-вшшламидов гидрофильных полимеров-носителей, содержащих карбоксильные, активированные сложноэфирные группы, а также остатки Р-циклодекстрина (ЦД) или холестерина.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование радикальной сополимеризации винилсахарида 2-деокси-2-метакриламидо-О-глюкозы (МАГ) с непредельными кислотами (акриловой и метакриловой): изучение кинетики и определение относительных активностей сомономеров; синтез карбоксилсодержащих сополимеров на основе МАГ н Ы-вшшламидов (М-вшшлпирролидона, ]Ч[-метил-Ы-вшшлацетамида) с варьируемым составом и молекулярными массами; введение в структуру полимеров звеньев активированных эфпров;

• разработка методов синтеза новых полимеров-носителей, содержащих остатки Р-циклодекстрина или холестерина и выполняющих функцию «хозяина» в системе «гость-хозяин» для связывания гидрофобных биологически активных веществ (БАВ);

• изучение конформационных состояний синтезированных полимеров-носителей в

Science» (St. Petersburg, Russia, April 17-19, 2007, April 15-17, 2008, October 19-22, 2009, October 18-21, 2010), 6th, 7th International Symposium «Molecular order and mobility in polymer systems» (St. Petersburg, Russia, 2-6 June, 2008, 6-10 June, 2011), XXXVII, XXXVIII, XXXIX, XL, XLI Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Неделя науки в СПбГПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 24-29 ноября, 2008; 30 ноября - 5 декабря, 2009; 6-11 декабря, 2010; 5-10 декабря, 2011, 3-8 декабря, 2012), XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 14-17 апреля, 2009), V Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры-2010» (Москва, 21-25 июня, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в отечественных журналах и тезисы 18 докладов, получен 1 патент.

Личный вклад автора состоял в непосредственном участии на всех этапах работы, выполнении всех экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, их обобщении, а также подготовке докладов и публикаций.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН) по темам: «Синтетические и полусинтетические биологически активные гидрофильные полимеры» (2008 - 2010 гг.) и «Полифункциональные, биологически активные полимерные системы» (2011 -2013 гг.) при финансовой поддержке грантов РФФИ № 08-03-00324 «Синтез па основе винилсахаридов полимерных биолигандов для связывания соединений, вызывающих нарушение обмена веществ», также молодежных грантов "У.М.Н.И.К." (проекты № 10208).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), заключения, выводов, списка используемой литературы (207 наименований). Работа изложена на 132 страницах и включает 21 таблицу и 52 рисунка.

• разработаны методы синтеза новых гидрофильных полимеров, содержащих остатки холестерина и p-циклодекстрина, для связывания и регулирования концентрации гидрофобных соединений в водных средах;

• комплексы синтезированных карбоксилсодержащих полимеров 2-деокси-2-метакриламидо-Б-глюкозы с диметилбензилалкиламмоний хлоридами, обладающие высокой актимикробной активностью, эффективны для лечения раневой инфекции.

На защиту выносятся следующие положения:

• использование метода радикальной сополимеризации позволяет получ�