Гиперразветвлённые полиэфирополиамины. Синтез, комплексообразование и биохимическая активность тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

005010061

На правах рукописи

ГАТЛУЛИИА АЛЬФИЯ РИНАТОВНА

ГИПЕРРАЗВЕТВЛЁННЫЕ ПОЛИЭФИРОПОЛИАМИНЫ. СИНТЕЗ, КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ И БИОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

1 6 ОЕЗ 2012

Казань-2012

005010061

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Научный руководитель: Кутырев Геннадий Андреевич

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Галкина Ирина Васильевна

доктор химических наук, профессор кафедры ВМ и ЭОС, Химического института им. А.М.Бутлерова, КФУ

• .. . Шкодич Валентина Фёдоровна

кандидат химических наук, доцент кафедры технологии синтетического каучука КНИТУ

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт проблем химической физики РАН г. Черноголовка.

Защита состоится «29» февраля 2012 г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.080.01 при Казанском национальном

исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, д.68 (зал заседаний Ученого совета, А-ЗЗО).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «_$'£» 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Е.Н. Черезова

Актуальность работы. Полимерные макромолекулы, имеющие высокоразветвлённое строение, обладают набором свойств, существенно отличающих их от линейных аналогов. В последние годы интенсивно исследуются гиперразветвлённые азотсодержащие олигомеры, обладающие высокой растворимостью, низкой вязкостью, биодеградируемостью, малой токсичностью, выраженными комплексообразующими свойствами и совместимостью со многими биосубстратами. Благодаря этому они находят широкое применение в таких областях как производство новых полимерных материалов, биоинженерия, медицина и фармация. Однако . получение подобных ЗО-структур сопряжено с синтетическими трудностями и высокой стоимостью получаемых продуктов.

Поэтому актуальным является синтез новых гиперразветвлённых олигомеров, имеющих в терминальном положении азотсодержащие фрагменты, на базе промышленно доступных гиперразветвленных полиэфирополиолов серии «ВоИогп Н». Такие структуры могут обладать выраженной биологической активностью, выступать в качестве носителей лекарственных препаратов, генного материала (ДНК, РНК) и лигандов в металлокомплексах. Следует отметить, что информация о гиперразветвлённых полимерметаллических комплексах очень ограничена. При этом металлополимсры имеют высокую технологическую значимость, т.к. могут быть использованы в создании биоподобных структур, биологически активных веществ, разработке высокоэффективных сорбентов для извлечения редких и благородных металлов из промышленных сточных вод, высокоэффективных гомогенных и гетерогенных полимерных катализаторов, полупроводников, мембран. Поэтому синтез и изучение физико-химических свойств и закономерностей образования новых сложных металлополимерных соединений, в частности содержащих ионы биофильных металлов, актуально.

Цслыо работы является разработка методов синтеза гиперразветвлённых аминомодифицированных полиэфиров и металлополимерных комплексов меди(П), оценка их физико-химических характеристик, параметров комплексообразования и биохимической активности. ,

Научная новизна. Впервые проведены реакции гиперразветвлённых полиэфирополиолов Во1(оп1-Н20 с 3-амикопропилтриэтоксисиланом и N-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриметоксиснланом, в результате которых синтезированы и охарактеризованы новые аминопроизводные полиэфиров. Предложен способ аминомодификации гиперразветвлённого полиэфирополиола, включающий на первой стадии получение ■ акрилатного производного, а на второй - присоединение азотсодержащих реагантов (диэтиламина, морфолииа, этилендиамина, Ы,Ы-диме1илнропандиамина-1,3, дифенил-4,4’-диаминометана). Впервые синтезированы металлополимерные комплексы меди (II) с гиперразветвлёнными полиэфирополиаминами;

комплексы охарактеризованы методами элементного анализа, ИК-, УФ-спектроскопии, ЭПР, оценена их термическая устойчивость. Предложены варианты строения координационного узла Cu(II) в синтезированных

полиядерных метаплокомплексах, выявлены факторы, определяющие состав и устойчивость комплексов в растворах.

Впервые оценена фунгицидная и фунгистатическая активность на культурах Candida и антипротеиназная активность по отношению к секреторной аспарагиновой протеиназе Candida albicans. Определена цитотоксичность синтезированных аминопроизводных гиперразветвлённых полиэфиров и их металлокомплексов меди(И). Впервые показано, что гиперразветвлённые пблиэфирополиамины способны связывать ДНК,

установлены факторы, влияющие на формирование комплексов с ДНК.

Практическая значимость. Разработаны технологически значимые

методы аминофункционализации гиперразветвлённых полиэфирополиолов.

Обоснована и доказана перспективность использования гиперразветвлённых полиэфирополиаминов и их комплексов меди(П) в качестве основы для антимикотических препаратов и полимерных носителей генетического материала.

Личный вклад автора заключается в разработке методов синтеза новых гиперразветвлённых полиэфирополиаминов, идентификации полученных

соединений, установлении их структуры, исследовании комплексообразующей способности и биологической активности. Большая часть экспериментальных результатов получены автором лично или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Суздаль, 2011); XVII, XVIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (г. Йошкар-Ола,

2010, 2011); IX, XI Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (г. Казань, 2009, 2011);

IV Международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров <<0лиго-2011» (г. Казань, 2011); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и кйМплексообразования в растворах» (г. Иваново, 2011),

III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в

аналитической химии и радиохимии» (г. Краснодар, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Из них 3 сТатьи в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ, и 12 тезисов докладов на Всероссийских и Международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на J страницах, содержит " таблиц;ТЬрисункА., 24 схемы и -IS1 библиографическую ссылку. Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, списка литературы и приложения.

Работа выполнена на кафедре технология переработки полимеров и композиционных материалов ФГБОУ ВПО «КНИТУ». Исследования поддержаны грантом Инвестиционного-венчурного фонда Республики Татарстан в рамках конкурса «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» проект 01-92-СИ.

Автор выражает благодарность за научное консультирование и обсуждение полученных результатов доценту кафедры неорганической химии Химического института им. А.М.Бутлерова КФУ, кандидату химических наук М.П. Кутыревой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и научная новизна работы, показана её практическая значимость. В первой главе приведен обзор литературных данных, где содержатся сведения о строении и физико-химических свойствах гиперразветвлённых полиэфирополиолов серии «ВоНогп Н», методах их функционализации координирующими группировками, областях их применения в зависимости от природы функциональных групп. Рассмотрены азотсодержащие гиперразветвлённые полимеры, особенности их синтеза, физико-химических свойств, комплексообразующей способности и аспекты биомедицинского использования. Значительное внимание уделено также гиперразвегвлённым полимерам, содержащим ионы переходных металлов. Рассмотрены области применения гиперразветвлённых полиэфирополиолов и их функционализированных производных. Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических и спектральных экспериментов, а также физико-химические исследования структур, приведена в третьей главе. :

1. Синтез и физико-химические свойства гиперразветвлённых полиэфирополиаминов

Синтезирован широкий набор гиперразветвлённых полиаминов с использованием в качестве азотмодифицирующих реагентов диэтиламина, тетрагидрооксазина-1,4 (морфолин), 1,2-диаминоэтана (этилендиамин),

М,М-диметилпропандиамина-1,3, дифенил-4,4'-диаминометана, 3-аминонропил-триэтоксисилана, Ы-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриметоксисилана.

В качестве платформы использовали коммерческий гиперразветвлённый

полиэфирополиол «Во(1огп Н-20» (1),

содержащий в среднем 16 гидроксильных групп, синтезируемый конденсацией пентаэритрита с этиленгликолем и 2,2-ди(гидроксиметил)пропионовой кислотой (рис. 1). Он отличается термической стабильностью, амфифильностью, низкой токсичностью (ЛД5о~2000мг/кг).

Нами разработаны два способа аминомодификации , полиэфирополиола: двухстадийный и одностадийный.

Рис. 1. Гиперразветвлённый Двухстадийный способ синтеза

полиэфирополиол ВоИогп 1120(1) полиэфирополиаминов

Этот способ включает в себя на первой стадии получение полиэфирополиакрилата, путем замещения концевых гидроксильных групп исходного полиола (1) на акрилатные фрагменты в присутствии триэтиламина и

(2) п-12,011,0,

(21) п 14, слме,с-о

За ходом реакции следили по уменьшению в ИК-спектре полосы валентных колебаний гидроксильных групп в области 3400-3100 см"1 и появлению полосы валентных колебаний С=С связи в области 1635 см'1.

При использовании в качестве растворителя дихлорметана реакцию вели при комнатной температуре 26 часов, при использовании смеси бензол-ацетон (1:1) -50°С, 20 часов. Методом

ИК-спектроскопии по убыли

интенсивности ' полос поглощения валентных колебаний ОН-групп измерена степень конверсии гиперразветвленного полиэфирополиола в ходе реакции с хлорангидридом акриловой кислоты при использовании различных растворителей (рис. 2). Скорость реакции в дихлорметане (рис. 2, кривая 1) ниже, чем в смеси бензол-ацетон (рис. 2, кривая 2).

бремя, мин

Рис. 2. Зависимость степени превращения полиэфирополиола в реакции с хлорангидридом акриловой кислоты в дихлорметане (1) и смеси бегоол-ацстон (2), рассчитанная по убыли интенсивности полосы у(ОН) в области 3400-3200 см'1.

В ЯМР 'Н-спектре соединения (2) наблюдали появление сигналов винильных протонов в области 5.6-6.3 м.д. Раствор продукта очищали от непрореагировавших реагентов промывкой водными растворами соляной кислоты и гидрокарбоната натрия. Полиэфирополиакрилаты (2), , (2.1) представляют собой светло-желтые смолы, выход составил 68-70%. При использовании дихлорметана замещению подвергаются только 12 терминальных гидроксильных групп, тогда как в смеси бензол-ацетон - 14 ОН-групп. Полного замещения достигнуть не удалось, что, по-видимому, связано со стерической недоступностью внутрисферных ОН-групп.

Вторая стадия заключается в присоединении аминов по двойной связи гиперразветвленного полиэфирополиакрилата.

Присоединение алифатических аминов к полиэфирополиакрилату. Реакции с морфолином и диэтиламином проводили при комнатной температуре 16-17 часов. Полученные производные (3), (4) были очищены переосаждением,

структура доказана методами элементным анализом.

ЯМР Н, ИК-спектроскопией, состав -

(ОН),

(2)

1,

(3)

(74%)

(4)

(70И)

(ОН),

Данные ЯМР 'н спектроскопии свидетельствуют об исчерпывающем взаимодействии всех акрилатиых групп с аминами. Так в ЯМР-спектре соединения (4) (рис. 3) в области 5.6-6.3 м.д. нет сигналов винильных протонов,-вместе с тем появляются сигналы протонов метиленовых групп у атома азота в области 2.5-2.') м.д. :

С помощью ГПХ (прибор «Waters GPCV») были измерены молекулярные массы и индекс полидисперсности соединения (4). Для расчета относительных молекулярных масс использовали калибровочные зависимости для

полипропиленгликолевого стандарта. Получены следующие результаты: Mw 4239 г/моль, М„ 2982 г /моль, Mw/M„ 1.42, Метеор.) 3232 г /моль.

Присоединение алифатических диаминов к полиэфиропвлиакрилату. Реакцию с этилендиамином проводили в бензоле в токе сухого аргона при комнатной температуре в течение 20 часов. Продукт очищали переосаждением, выход составил 70%. Взаимодействие с М,Ы-диметилпропандиамином проводили в четыреххлористом углероде 11 часов при небольшом нагревании, выход продукта составил 67%.

ІЦМ

(ОН),

(2.1»

С.Ч,

'(011),

(б)

{70%

го-

(OI0,

16)

(S7*

Структуры соединений (5), (6) доказаны методами ИК, ЯМР 'Н -спектроскопии. Степень аминомодификации определяли по данным ЯМР 'Н-спектроскопии. Методом потенциометрического титрования в синтезированных гиперразветвленных полиэфирополиаминах определены степень функционализации и аминное число, значения представлены в табл. 1.

Таблица 1. Аминное число (АЧ) и количество алкиламшшых групп (т) в

соединение(1) R АЧ m № соед.

0C(0)(CH2)2NH(CH2)2NH2 413±8 14 . 5

[Н20] 0C(0)(CH2)2NH(CH2)3N(CHj)2 21б±6 8 6

OSi(OEt)2(CH2)3NH2 180iP 14 8

OSi(OMc)2(CH2)3NH(CH2)2NH2 212±5 12 9

При функционализации полиэфирополиакрилата (2.1) этилендиамином

происходит взаимодействие всех 14 акрилатных фрагментов с молекулами диамина. Меньшая степень аминофункционализации в соединении (6) по сравнению с аддуктом (5), по-видимому, связана со стерическими препятствиями процесса присоединения пространственно более загруженного НМ-диметилпропандиамина.

Присоединение ароматического диамина к полюфирополиакрилату.

Реакцию с дифенил-4,4'-диаминометаном проводили в бензоле в токе сухого аргона (35 С, 22 ч). После удаления из реакционной смеси части растворителя продукт (7) очищали нереосажденисм.

-.^еох- 0О-/ЯСХ|,. д

”(2.1). ■

4

В ИК-спектре продукта (7) фиксируется появление полос в области 1626 см'1 (деформационные колебания N11 связи) и 1515см’1 (плоскостные колебания скелета ароматического кольца). В ЯМР 111 спектре имеются сигналы ароматических протонов в области 6.6-7.0 м.д., метиленовой группы между ароматическими кольцами в области 3.77 м.д., а также винильных протонов непрореагировавших акрилатных групп при 5.6-6.3 м.д. Степень функционализации определяли по соотношению интегральных интенсивностей сигналов ароматических протонов и протонов метальной группы гиперазветвлённого полиэфира в ЯМР 'Н-спектре и по данным элементного анализа.

Одностадийный способ получения полиэфирополиаминов

Второй способ аминомодификации полиэфирополиола основан на его взаимодействии с амино- и диаминоалкилтриалкоксисиланами. Реакции проводили в избытке азотсодержащего реагента без растворителя, при температуре 110-115°С в течение 5-6 часов.

За ходом процесса следили по количеству выделившегося спирта.

^ ~ 'ЫН, ОЕ1

(8)

ое1 т

(ОН),

>■< ............3(9)

- МеОН V УТ Т Н (90%)

ОМв

<ОН>4

Продукты (8, 9), очищенные от избытка исходного реагента

переосаждением в гексане, представляют собой аморфные твердые вещества. Структура доказана методами ЯМР'Н и ИК-спектроскопией. В ЯМР'Н спектре продукта (8) появляются сигналы метиленовых протонов у аминогруппы - 2.72.66 м.д., и атома кремния СН2"81 — 0.63 м.д. Степень функционализации исходного полиэфирополиола (1) понижается при переходе от амино- к диаминоалкилтриалкоксисилану (табл. 1).

При одинаковом химическом составе и молекулярном весе, благодаря более рыхлой упаковке, гиперразветвлённые полимеры легче растворяются по сравнению с линейными аналогами и, для этого требуется меньшее количество

-ЕЮН

растворителя. Растворимость исходного полиэфирополиола и его производных представлена в таблице 2.

Таблица 2. Растворимость гиперразветвленного полиэфирополиола и его производных _ ___._______________________________________________•____________

формула Растворимость ;формула Растворимость

^Н^-(ОН)и ацетон, метанол, ТГФ, ДМСО, (мало растворим в поде) (ОЧ, вода, этанол, ДМСО, смесь вода: изопропанол (мало растворим в хлороформе, ТГФ, ацетоне)

бензол, хлороформ, ацетон, этанол, ДМСО (он),. ■ . вода, этанол, ДМСО, ' (мало растворим в хлороформе, ТГФ, ацетоне)

Лані) 4^°' этанол, ТГФ, ДМСО, хлороформ, ацетон, (мало растворим в воде) хлороформ, этанол, бензол

!„ (QH|, k. этанол, ТГФ, ДМСО, хлороформ, ацетон, бензол, (мало растворим в воде) l<»«, ‘ : ' вода, этанол, смесь вода: ДМСО (1:2), (мало растворим в , хлороформе)

OMa • (OHI, вода, этанол, смесь вода:ДМСО ( 1:2), , (мало растворим в хлороформе) ,

В отличие от исходного полиэфирополиола (1), растворимого в основном в полярных растворителях, его акрилаты гидрофобны и растворимы в неполярных средах. Подавляющее большинство гиперразветвлённых полиэфирогголиаминов

— гидрофильны, что позволяет их использовать в качестве комплексообразователей и полимерной основы для транспорта лекарственных препаратов и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).

1.1. Термическая стабильность аминопроизводных полиэфиров

Термическая стабильность соединений (1), (8) и (9) была изучена методом совмещенной термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с помощью термоанализатора «STA 449 С Jupiter» (Nelzsch, Германия). Для идентификации выделяющихся газообразных продуктов (МС анализ) применяли квадрупольный масс-спектрометр «QMS 403 С Aeolos» (Netzsch, Германия), сопряженный с термоанализатором. Все эксперименты проводили в динамической атмосфере аргона. Согласно данным ТГ (рис.4) исходный полиэфирополиол (1) стабилен в диапазоне температур 30

- 250°С, при 84,4°С идет плавление и происходит .удаление адсорбированных молекул воды (1.32 вес.%). Дальнейшая незначительная потеря массы (0.67%)

обусловлена также удалением Н20 при разрушении водородных связей в макромолекуле при нагревании выше 120°С.

На кривой ДСК . в диапазоне температур 60-150°С наблюдается второй эндотермический пик при температуре 87,7°С. Эндотермические процессы при плавлении образца соответствуют разрушению сетки водородных связей -ОН...О=С<. Скачок теплоемкости процесса деструкции сетки водородных

™ , . .. ; связей составляет 0.12 Дж/гК.

Установлено, что аминосилильные и производные полиэфирополиола (8) и (9) стабильны до 120°С, заметное разложение наступает при 266 и 239°С, соответственно (рис. 5, 6). Были определены параметры термической стабильности в интервале температур 30-300°С. Потеря массы образцами соединений (8) и (9) в интервале температур 30-120°С составляет 2.26 и 3,31 вес.%, соответственно, и связана с отщеплением воды, о чем свидетельствует наличие сигнала с т/г- 18

на ионных термограммах. Для образцов (8) и (9) наблюдается уменьшение массы в интервале 120-300°С.

Рис. 4. Дериватограмма соединения (1) по данным ТГ/ДСК

данный та*/А

t WOOfl

0.0 X9* ' ■ 100

DA 4 М

0.4 2 «

0.3 04

02 * 92 Q .

0.1 4 90

OjO 2 BS

-ai 08 1<Ув

Иониый ток/А ДСХ7(мВтЛ*}

Рис. 5. Дериватограмма соединения (8)

3 2

. . ■ „-—ir.,.Г,..

м too 150 200 250 W0

Тшпьратура ГС

Рис. 6. Дериватограмма соединения (9)

В этом интервале происходит выделение продуктов разложения с сигналами на ионной термограмме с m/z=18, 30, 31, 44, 45, 46 для соединения (8) и с m/z=18 и 44.для соединения (9) (на рис. 5, 6 приведены интенсивные сигналы с m/z=18). Наличие таких сигналов очевидно связано с деструкцией полимерных молекул.

1,2 Самоассоциацин гнперразветвленнмх полиэфирополиамииов в растворах

‘ Были проведены исследования самоассоциацин полиэфирополиамииов в растворах методом динамического светорассеяния при варьировании pH раствора в различных направлениях: из кислой области в щелочную и наоборот

на примере полиэфирополисилиламина (8). Размеры частиц измеряли методом динамического рассеяния света на лазерном анализаторе наночатиц «Malvern Zetasizer Кто» (Великобритания).

Измерения проводили при угле рассеяния 173°. Перед измерениями образцы фильтровали через мембранные фильтры «Millipore» с диаметром пор 0.45 мкм для удаления пыли. Автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного света анализировали с использованием метода кумулянтов,

Рис. 7. Зависимость среднего ПОЗВОЛЯЮЩего 0Це|,ить распределение гидродинамического диаметра агрегатов агрегатов по размерам (ISO 13321:1996). соединения (8) в водном растворе от pH. Установлено, что в растворе с = 5мМ, Т 25°С, начальное pH = 14.0 аминопроизводного (8) (рис.7) образуются

ассоциаты макромолекул, причем достаточно большого размера. При увеличении pH раствора отмечено снижение гидродинамического диаметра частиц ассоциатов с 450 до 100 нм. Очевидно, это связано с тем, что в кислой среде, происходит протонирования атомов азота и образуются аммониевые соли, размер гидратной оболочки ассоциатов при этом увеличивается.

2. Синтез металлокомплексов полиэфирополиаминов с ионами Cu(II)

Поскольку комплексные соединения меди обладают выраженной биологической активностью к целому ряду жизненноважных биосубстратов, нами впервые получены водорастворимые комплексы меди на основе синтезированных гиперразветвлённых полиэфирополиаминов.

: Общая методика реакции заключается в следующем: к раствору

аминопроизводного добавляли избыток *—v нитрата меди, при этом происходит

Rn+cu[NOj), ► ^н-2о V~Rncurl интенсивное зеленое окрашивание, а

комплексное соединение выпадает в „ П = 12-14 „

R - аммюсодержащие группы т = в осадок, который затем промывали

„ органическими растворителями. В

случае ароматического аминопроизводного, металлополимерный комплекс выпадал в виде зеленого осадка, который существует только в растворе, а при его выделении происходит почернение. Полученные металлополимерные комплексы в отлйчйе от исходных полиэфирополиаминов в основном растворимы в воде, этаноле ДМСО.

Строение металлополимерных комплексов определяли методами электронного, парамагнитного резонанса (ЭПР), УФ- и ИК-спектроскопией. На

основании полученных данных определены возможные типы ионов Си(П) в полиэфирополиаминах:

1_

координации

О-А------МНТГ~^ЫН2

;и' ын2

0 \-4-^

ОЕ1

0£°

(За)

(5а)

ь=н2о,дмсо

Спектры ЭПР измерялись на спектрометре «Вгикег-ЕМХ» в интервале температур 100-293К. Спектры ЭПР некоторых образцов представлены на

рис. 6. Параметры спектров ЭПР представлены в таблице 3. Параметры комплекса (6а) (^=2.36, Ац.= 126 Э) указывают на чисто кислородное окружение иона меди в экваториальной плоскости (С11О4). Параметры комплекса (8а) (§||=2.36, Ац.=110) также

соответствуют кислородному

Рис.6. Спектры ЭПР окружению иона меди в экваториальной

металлополимерных комплексов (4а), плоскости (С1Ю4), однако атом (8а), Т200К кислорода может принадлежать и

ДМСО, о чем свидетельствует уменьшение параметра Ац и, следовательно, уменьшение взаимодействия иона Си с атомами кислорода лиганда.

Таблица 3. Параметры спектров ЭПР

соединение Т,К 8п Ац Б1

4а 100-290 2.3533 «146 2.078

5а 140 2.2526 «177 2.04

6а 200-290 '"2.351 125 2.083

8а 200 2.4087 ПО 2.0853

9а 200 2.2534 '200 2.05

Увеличение параметров Ац для комплексов (4а) и (5а) свидетельствуют о том, что в окружении ионов меди присутствуют атомы азота. Значения параметра комплекса (4а) (^|=2.36, Ац.-146 Э) близки к параметрам, характерным"’1’}!®

наличия двух атомов азота аминогрупп и двух атомов кислорода карбонильных групп в ближайшем окружении меди. Параметры спектра комплекса (5а) указывает на то, что в окружении ионов меди в экваториальной плоскости находятся четыре атома азота аминогрупп. Параметры спектра комплекса (9а) идентичны параметрам спектра комплекса (5а), что указывает на подобие структуры их координационных узлов.

Состав и устойчивость комплексных форм гиперразветвлеиных полиэфирополиаминов с ионами меди (II) в растворе.

Электронные спектры поглощения снимали на спектрофотометре «Lambda 35» (Pevkin Elmer, UK) в области длин волн 190-900 нм, при 25°С с использованием термостатирующей системы. Для измерения использовали кварцевые кюветы, толщина которых равна 1см. Точность измерения оптической плотности (А) составляла ±1%. Фоновым электролитом служил 0.1 М раствор LiCI04.

Рис.7. Зависимость оптической ПЛОТНОСТИ от соотношения V| /VM в ДМСО (С = Сси(\о.,ь = 1 х 10'3 моль/л,

Рис.8. Зависимость оптической плотности от соотношения С,,/См в ДМСО (С = 0,01 моль/л, Ccu(no,)2 = 0,01 - 0,2 моль/л, Сисю,,

Сисю, - 0.1 моль/л) для соединении (8а) = 0.1 моль/л) для соединении (8а)

Расчитаны состав и константы устойчивости с использованием метода насыщения и метода изомолярных отношений по измерению оптической плотности на УФ-спектрофотометре.

Таблица 4. Характеристическая длина На рис. 7 и 8 представлены кривая волны, значения логарифмов условных изомолярных отношений и кривая констант устойчивости и состав насыщения для соединения (8а). В

таблице 4 представлены составы и значения логарифмов констант ' устойчивости комплексных соединений Си(И) с гиперразветвленными полиэфирополиаминами. Методой УФ-спектрофотометрии и рН-метрии в сочетании с математическим моделированием экспериментальных

комплексов

лиганд X, нм Cu(II) IgP ‘ м L

3 834 17,4±0,40 6 1

4 820 19,36±0,14 6 1

6 815 20,82±0,3 6 1

5 660 31,79±0,09 6 1

9 657 32,25±0,15 6 1

данных определены константы устойчивости медных комплексов в растворе.

Устойчивость растет в ряду производных: морфолина - диэтиламина -диметилпропандиамина - этилендиамина. Это связано с возрастанием в этом ряду электронодонорности атомов азота и увеличением их количества в терминальных фрагментах. Состав комплексов 6:1 указывает на то, что в координации участвуют преимущественно пары терминальных аминогрупп.

Термическая устойчивость металлополимерного комплекса

В отличие от исходных полиэфирополиалкоксисилиламинов для комплекса (?а) в интервале температур 12(М70°С потеря массы не превышает 1,00 вес.%. На термогравиметрической кривой (рис. 9) при температурах выше 200°С наблюдается значительная потеря массы, чему соответствует заметный экзоэффект на кривой ДСК. Эта потеря массы может быть связана с наличием в составе полимерного комплекса нитрата меди, разложение которого по литературным данным начинается при этой температуре.

_ Ионныйт<*/а ° разложении нитрата меди (II)

свидетельствуют также сигналы на ионной термограмме с т/г=18, 30, 44, которые, по-видимому,

соответствуют воде, оксиду

азота(1У) и оксиду углерода(1'/). Вода и углекислый газ могут образовываться в результате экзотермической реакции окисления органической части комплекса выделяющимся при разложении нитрата меди оксидом азота (IV). Потеря массы комплексом в интервале температур 200-300°С составляет 30,90 вес.%. Таким образом,

наличие нитрата меди в составе комплекса приводит к увеличению термической стабильности комплекса до 200°С и более быстрой деструкции полимерной матрицы при температурах выше 200°С.

3. Полиэфирополиаммны как носители генного материала (нуклеиновых кислот)

Полиамины используются как полимерные системы доставки лекарственных препаратов и целевого транспорта ДНК в клетки живого организма. Проведены испытания гиперразветвленного

полиэфирополисилиламина (8) в качестве носителя ДНК. Для изучения

комплексообразования с ДНК использовали методы сканирующей

флуоресцентной спектрофотометрии. Для оценки связывания- . ДНК с полиэфирополиамином (8) снимали спектры поглощения в диапазоне от 200 до 1000 нм серии образцов в различным соотношении концентраций при pH 4.2 и 7.4.

дск/(«алг)

Рис.9. Дериватограмма соединения (9а)

Максимальное уменьшение

3-РН4 ? Ц} - pH 7.4

Соотношение концентраций ДНК:полимер (8)

Рис.10. Поглощение комплексов ДНК-полимер (8), 260 нм, pH 4.2, 7.4

(ДИК,В,~.«|ЭВ|

Соотноиени( концентраций ДНК:полимер (в)

поглощения наблюдается в соотношениях ДНК:полимер при pH 4.2 - 1:0.5, 1:1.5, 1:4; при pH 7.4-1:1.5, 1:4 (рис. 10).

Так как ДНК и полиэфирополиамин (8) не обладают самостоятельной флуоресценцией, использовали

хромофор - интеркалирующий краситель эгидий бромид (ЭБ).

В серии образцов с различным соотношением ДНК-полимер

наблюдалось увеличение

флуоресценции относительно самой ДНК (рис. 11), что свидетельствует о конформационных изменениях в молекуле ДНК в результате взаимодействия с гиперразветвлённым полиэфирополиамином.

При этом молекулы ДНК принимают конформацию, благоприятную для интеркаляции ЭБ. Увеличение pH среды также сопровождается изменениями в спектрах поглощения.

Методом динамического

светорассеяния были определены гидродинамические радиусы

4. Обнаружено, что радиусы комплексов

Рис.11. Флуоресценция комплексов ДНК-полимер (8) при pH 4.2 и 7.4

полученных комплексов при pH 4.2 и 7 полиэфирополиамина с ДНК больше радиуса свободных молекул нолиамина и ДНК (рис. 12, 13) и составляют от 210 до 440 нм.

О 50 «0 1И> 200 260 300 360 400 450

Радиус комялвкров, нм

Рис. 12. Размер комплексов ДНК-полиэфирополиамин (8), pH 4.2

Радиуо комплексов, нм

Рис.13. Размер комплексов ДНК-полиэфирополиамин (8), pH 7.4

С увеличением концентрации полиэфирополиамина (8) в растворе ДНК при pH

4.2 происходит образование высокомолекулярных комплексов ДНК-полимер (8), которые не диссоциируют при повышении pH до 7.5.

Макромолекулы гиперразветвленных полимеров и их металлокомплексы могут служить не только переносчиками биологически активных веществ, но и сами по себе проявляют антибактериальную, антивирусную активность, являясь Г1РИ этом биодеградируемыми. В качестве объекта выбрана грибковая культура Candida albicans во взаимосвязи с её ферментативной системой. Биохимическая активность синтезированных соединений оценена по их влиянию на каталитическую активность секреторной аспарагиновой протеиназы индуцируемого типа (SAP) гриба Candida albicans. Для этого измеряли оптическую плотность субстрата - гемоглобина (НЬ) в присутствии SAP С. alb. при X = 406 нм. В результате действия протеиназы на гемоглобин происходит его гидролиз до олигопептидов и аминокислот. Водные растворы гиперразветвленных полиэфирополиаминов и их металлокомплексы в диапазоне концентраций 1x10 - 1х|0'3 моль/л использовались в качестве модуляторов

каталитической активности. Установлено, что аминомодифицированные полиэфиры оказывают большее ингибирующее действие на протеиназу SAP C.alb, чем их металлокомплексы. Снижение ингибирующего эффекта наблюдается в ряду: производные диэтиламина — морфолина - диметилдиамина

- этилендиамина. Полиядерные комплексы меди (II) дезактивирует фермент в меньшей степени, но при этом эффект ингибирования проявляется при более низких концентрациях. Антигрибковая активность полученных соединений оценена по отношению к некоторым штаммам Candida. Установлено, что полиэфирополиамины (5) и (6) обладают фунгицидной активностью преимущественно к культуре Candida albicans, и сохраняют фунгистагические свойства по отношению к Candida tropicalis и Candida parapsilosis. Металлокомплекс (6а) обладает меньшей фунгицидной активностью, но фунгистатический эффект сохраняется на всех культурах.

5. Цитотоксичность синтезированных аминомодифицированных полиэфирок и их мсгаллонол «мерных комплексов меди (II) :

Проведено исследование цитотоксичности аминопроизводных полиэфиров и их металлокомплексов меди в МТТ-тесте. Установлено, что соединения (8), (9) и (4а) в диапазоне концентраций от 0,01 до 0,1 мг/мл являются не цитотоксичными, соединения (6) и (6а) - среднетоксичны при концентрациях выше 0,05 мг/мл. Соединения (3-5, 8, За, 5а, 8а) являются высокотоксичными и активны уже при концентрации 0,01 мг/мл. Нетоксичные соединения будут в дальнейшем использованы для разработки антимикотических препаратов. Токсичные вещества могут найти применение в качестве добавок для антигрибковой обработки различных поверхностей.

выводы

1. Разработан метод аминофункционализации гиперразветвленных полиэфирополиолов, включающий на первой стадии получение акрилатных производных, на второй - присоединение по Михаэлю азотосодержащих реагентов (диэтиламина, морфолина, этилендиамина, N,N-диметилпропандиамин-1,3, дифенил-4,4’-диаминометана).

2. Предложен новый одностадийный способ получения гиперразветвленных

полиэфирополйсилиламинов, базирующийся на взаимодействии полиэфирополиолов с аминоалкиягриалкоксисиланами: 3-аминопропил-

триэтоксиСиланом и Ы-(2-аминозтил)-3-аминопропилтриметоксисилапом; выход продуктов составил 90%. Методами П'-ДСК показано, что продукты

' термически устойчивы до 120 °С. Степень функционализации составляет 87,5% для производного 3-аминопропилтриэтоксисилана и 70% для -М-(2-аминоэтил)-3-акинопропил-триметоксисилана.

3. Впервые синтезированы водорастворимые полиядерные металлокомплексы Cu(Jl) с полидентатными гиперразветвленными

’ полиэфирополиамйнами. Установлены состав и константы устойчивости полиядерных комплексов Cu(Il) в растворе; обнаружено возрастание устойчивости макрокомплексов одного состава в ряду: производные

морфолина-диэтнламина-диметилдиамина-этилендиамина, что связано с возрастанием электронодонорных свойств аминных фрагментов и увеличением количества атомов азота в терминальных группах.

4. Показана принципиальная возможность использования полиэфирополи(диэтоксисилилпропиламина) для связывания ДНК с образованием молекулярных комплексов размером от 210 до 440 нм, стабильных до pH 7.5.

5. Гиперразветвлённые полиэфирополиамины и их полиядерные комплексы , Си(]1) являются ингибиторами каталитической активности протеиназы Candida

albicans, снижая ингибирующую способность в ряду производных диэтиламина-морфолина-Ы,]\1-диметиламинопропиламина - этилендиамина, и обладают фунгицидной и фунгистатической активностями к культурам Candida albicans, Candida tropical is, Candida parapsilosis.

Основные публикации no теме диссертации

Статьи в изданиях, определенных ВАК для размещения результатов диссертационных работ:

I. ’ Кутырева, МП. Аминосшшлыше производные гиперразветвленных полиэфиров и их металлокомплексы /М.П. Кутырева, А .Г. Гатаулина. Г.А. Кутырев, И.С. Низамов, Н.А. Улахович // Жури, общей химии. - 2011. -Т.81, Вып.5. -С.873-874.

2. Кутырева, М.П. Полиядерные комплексы мсди(П) с полидентатными нанолигандами на основе аминопроизводных гиперразветвленных полиэфиров/М.П. Кутырева. А.Г. Гатаулина. Г.А. Кутырев, Й.С Низамов, Н> А. Улахович//Журн. общей химии. -2011. — Т.81, Вып.7. -С. 1187-1190.

3; Кутырев, Г.А. Амино- и 1 карбоксильные производные гиперразветвленных полиэфиров как наноплатформы для полиядерных комплексов металлов / Г.А. Кутырев, А.Р. Гатаулина. М.П. Кутырева, Г.Ш. Усманова, П.А. Улахович // Вестник Казанского технологического университета. -2010. - Т. 12. - С. 428-436.

Статьи и журналах, сборниках научных трудов и тезисы докладов:

1. Гатаулина, А.Р. Функционализация гиперразветвленных полиэфирсполиолов диаминовыми реагентами / А.Р. Гатаулина, Г.А. Кутырев, И.С.Низамов, М.П. Кутырева // Тез. докл. IX Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научнообразовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века». - Казань, 2009. - С. 26.

2. Гатаулина, АР. Гиперразветвленные полиэфирполиамины и их координационные соединения / А.Р. Гатаулина, Г.А. Кутырев, М.П. Кутырева, И.О. Низамов, Н.А. Улахович // Тез. докл. XVII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем».- Яльчик, Марий Эл, 2010.-С.51.

3. Гатаулина, А.Р. Аминомодифицированные гиперразветвленные полиэфиры и их координационные соединения как системы биомедицинского назначения / А.Р. Гатаулина, Г.А. Кутырев, М.П. Кутырева, И.С. Низамов, Н.А Улахович // Тез. докл. XVII

• Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем»,- Яльчик, Марий Эл, 2010. -С.52. .

4. Гатаулина, А.Р. Функционализация гиперразветвленных полизфирополиолов вторичными аминами 1 А.Р. Гатаулина, Г-А. Кутырев, И.С. Низамов, М.П. Кутырева // Тез. докл. X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века».- Казань, 2011. - С.ЗЗ.

5. Гатаулина, А.Р. Ионизация гиперразветвленных полиэфирополикислот и полиэфирополиаминов / А.Р. Гатаулина, А.Р. Мухаметзянова, Ю.И. Сальников, М.П. Кутырева, П.О. Сидоров, Г.А. Кутырев, Н.А. Улахович // Тез. докл. XVIII Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем».- Казань, 2011. - С. 100.

6. Гатаулина, А.Р. Биологически активные подиэфирополйамины и их мет аллокомплексы / А.Р. Гатаулина, А.Р. Мухаметзянова, М.П. Кутырева, Г.А. Кутырев, Н.А. Улахович // Тез. докл. XVIII Всероссийской

конференции «Структура и динамика молекулярных систем». -- Казань,

2011.-С.99. •

7. Гатаулина, А.Р. Комплексообразование гиперразветвленных

полиэфирополиаминов и полиэфирополиалкоксиснлиламинов / А.Р. Гатаулина, М.П. Кутырева, Г.А. Кутырев, Н.А. Улахович, И.О. Сидоров // Тез, Докл. XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах». - Иваново, 2011 .-С. 160.

8. Гатаулина, А.Р. Гиперразветвленный полиэфирополиол для концентрирования и трансфекции ДНК / А.Р. Гатаулина, М.П. Кутырева, Р.Э. Мурадимова, Т.А. Невзорова, Г.А. Кутырев, Н.А. Улахович // Тез. докл. III Всероссийского симпозиума «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии».- Краснодар, 2011. - С. 38.

9. Кутырева, М.П. Гиперразветвленные полиэфирополиамины:

комплексообразование и биологическая активность / М.П. Кутырева, А.Р. Гатаулина, Г.А. Кутырев, Н.А. Улахович, А.Р. Мухаметзянова И Тез. докл. XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии.-Суздаль, 2011 .-С. 184.

10. Кутырева, М.П. Мультифункционалыше гиперразветвленные олигоэфиры и их металлокомплексы / М.П. Кутырева, Н.А. Улахович, Г.А. Кутырев, А.Р. Гатаулина, Г.Ш. Усманова // Сборник трудов IV Международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров «0лиго-2011».-Казань, 2011.-С.206.

11. Ханнанов, А. А. Супрамолекулярные ансамбли на основе модифицированных гиперразветвленных полиэфиров / А.А. Ханнанов, М.П. Кутырева, М.А. Воронин, Л.Я. Захарова, А.Р. Гатаулина, Г.А. Кутырев // Сборник тезисов докладов I Всероссийского сипозиума по поверхностноактивным веществам «От коллоидных систем к нанохимии». - Казань, 2011. -С. 127.

12. Кутырев, Г.А. Функционализированные гиперразветвленные полиэфиры и их металлокомплексы / Г.А. Кутырев, А.Р. Гатаулина, И.С. Низамов, М.П. Кутырева, Н.А. Улахович // Тез.докл. XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - Волгоград, 2011. - Т. 2. - С.397.

Заказ 3 /3

Тираж Ю0т

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета

. 420015, Казань, К.Маркса, 68

61 12-2/343

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

На правах рукописи

Л

Гатаулина Альфия Ринатовна

ГИПЕРРАЗВЕТВЛЁННЫЕ ПОЛИЭФИРОПОЛИАМИНЫ. СИНТЕЗ, КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ И БИОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук профессор Кутырев Г. А.

Казань - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................5

ГЛАВА 1. ГИПЕРРАЗВЕТВЛЁННЫЕ ПОЛИМЕРЫ И ДЕНДРИМЕРЫ. МЕТОДЫ СИНТЕЗА. СТРОЕНИЕ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) ................................................................................................10

1.1. Основные типы гиперразветвленных полимеров............................16

1.2. Синтез, строение и физико-химические свойства гиперразветвленных полиэфирополиолов.....................................................................21

1.2.1. Самосборка функционализированных гиперразветвлённых полимеров ................................................................................................27

1.2.2. Функционализация гиперразветвлённых полиэфирополиолов.........30

1.3. Азотосодержащие гиперразветвлённые полимеры. Методы синтеза ..................................................:.............................................34

1.4. Комплексы переходных металлов с гиперразветвлёнными полимерами

.................................................................................................42

1.5. Некоторые аспекты практического применения гиперразветвлённых полимеров..................................................................................50

1.5.1. Применение гиперразветвлённых полиэфирополиолов и их производных...............................................................................51

1.5.2. Биомедицинсоке применение азотосодержщих гиперразветвлённых

полимеров..................................................................................54

ГЛАВА 2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.......................................60

2.1. Синтез и физико-химические свойства гиперразветвлённых полиэфирополиаминов..................................................................63

2.1.1. двухстадийный метод синтеза гиперразветвлённых полиэфирополиаминов..................................................................64

2.1.2. Одностадийный метод получения гиперразветвлённых полиэфирополиаминов..................................................................75

2.1.3. Термическая стабильность гиперразветвлённых полиэфирополиаминов ................................................................................................78

2.1.4. Растворимость гиперразветвлённых полиэфирополиаминов ................................................................................................80

2.1.5. Кислотно-основные характеристики полиэфирополиаминов............81

2.1.6. Самоорганизация гиперразветвлённых полиэфирополиаминов.........85

2.2. Синтез, физико-химические характеристики и устойчивость металлополимерных комплексов гиперразветвлённых полиэфирополиаминов с ионами Cu(II).............................................................................86

2.2.1. Термическая устойчивость металлополимерного комплекса Cu(II) с гиперразвтвлённым полиэфирополиалкоксисилиламином......................91

2.2.2. Состав и устойчивость комплексных форм гиперразветвлённых полиэфирополиаминов с Cu(II) в растворе..........................................92

2.3. Практически полезные свойства гиперразветвлённых полиэфирополиаминов..................................................................99

2.3.1. Биологическая активность.......................................................99

2.3.2. Оценка образования комплексов полиэфирополиаминов с ДНК ................................................................................................100

2.3.3. Влияние гиперразветвленных полиэфирополиаминов и их производных на каталитическую активность индуцируемой секреторной аспарагиновой протеиназы Candida albicans...........................................................104

2.3.4. Фунгицидная и фунгистатическая активность гиперразветвленных полиэфирополиолов, полиэфирополиаминов и их металлополимерных комплексов с Cu(II)......................................................................108

2.3.5. Цитотоксичность синтезированных аминомодифицированных

полиэфиров и их металлополимерных комплексов меди (II)...................109

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.....................................112

3.1. Методики синтеза..................................................................112

3.1.1. Синтез полиэфирополиакрилата...............................................112

3.1.2. Реакции полиэфирополиакрилата (2) с аминами..........................113

3.1.3. Реакции полиэфирополиакрилата с диаминами...........................115

3.1.4 Синтез полиэфирополиалкоксисилиламинов..............................116

3.1.5. Методика синтеза комплексов полиэфирополиаминов с Cu(II)

...............................................................................................118

3.2. Методы исследования............................................................119

3.2.1 Определение процентного содержания аминогрупп и аминного числа ................................................................................................121

3.2.2. Расчет констант ионизации.....................................................123

3.2.3. Расчет констант устойчивости и состава комплексных форм в растворе (метод насыщения или сдвига равновесия).........................................124

3.2.4. Определение комплексообразования с ДНК ..............................125

3.2.5. Определение биологической активности....................................127

3.2.6. Определение фунгицидной и фунгистатической активности..........129

3.2.7. Определение цитотоксичности.................................................130

ВЫВОДЫ..................................................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................135

Приложение...............................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Полимерные макромолекулы, имеющие высокоразветвлённое строение, обладают набором свойств, существенно отличающих их от линейных аналогов. В последние годы интенсивно исследуются азотсодержащие дендримеры, обладающие высокой растворимостью, низкой вязкостью, биодеградируемостью, малой токсичностью, выраженными комплексообразующими свойствами и совместимостью со многими биосубстратами. Благодаря этому они находят широкое применение в таких областях как производство новых полимерных материалов, биоинженерия, медицина и фармация. Однако получение подобных ЗБ-структур сопряжено с синтетическими трудностями и высокой стоимостью получаемых продуктов.

Поэтому актуальным является синтез новых гиперразветвлённых олигомеров, имеющих в терминальном положении азотсодержащие фрагменты, на базе промышленно доступных гиперразветвленных полиэфирополиолов серии «Вокогп Н». Такие структуры могут обладать выраженной биологической активностью, выступать в качестве носителей лекарственных препаратов, генного материала (ДНК, РНК) и лигандов в металлокомплексах.

Повышенный интерес к полимерметаллическим комплексам, с одной стороны, обусловлен тем, что некоторые ионы металлов (железо, медь, кобальт и др.) играют особо важную роль в живых организмах - участвуют в ферментативных реакциях (металлоэнзимы), мышечные сокращениях, явлениях переноса (гемоглобин), мембранных процессах (натрий-каливый насос) и т.д. Другая необходимость изучения комплексов полимер-металл связана с практическими задачами - извлечение редких и благородных металлов из промышленных сточных вод, созданием высокоэффективных

гомогенных и гетерогенных полимерных катализаторов, термо- и механостойких полимерных материалов, полупроводников, мембран и т.д.

Возрастает роль комплексных соединений полимеров и в медицине. Всестороннее исследование процессов комплексообразования с целью определения состава, структуры и констант устойчивости комплексов, кинетики и механизма их формирования, анализ влияния микроструктуры, конформационного состояния макромолекул и хелатного эффекта, в конечном счете, может привести к установлению основных закономерностей комплексообразования и физико-химического поведения координационных соединений в растворах. Взаимодействия макромолекула - ион металла (комплекс, хелат) контролируют не только высокоорганизованную структуру полимерметаллических комплексов, но и их свойства.

Поэтому синтез и изучение физико-химических свойств и закономерностей образования новых сложных металлополимерных соединений, в частности содержащих ионы биофильных металлов, актуально.

Целью работы является разработка методов синтеза гиперразветвлённых аминомодифицированных полиэфиров и их металлополимерных комплексов меди(П), оценка физико-химических характеристик, параметров комплексообразования и биохимической активности.

Научная новизна работы. Впервые проведены реакции гиперразветвлённых полиэфирополиолов Вокогп-Н20 с 3-аминопропил-триэтоксисиланом и 1Ч-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриметоксисиланом, в результате которых синтезированы и охарактеризованы новые аминопроизводные полиэфиров. Предложен способ аминомодификации гиперразветвлённого полиэфирополиола, включающий на первой стадии получение акрилатного производного, а на второй - присоединение азотсодержащих реагентов (диэтиламина, морфолина, этилендиамина, И^-диметилпропандиамина-1,3, дифенил-4,4 '-диаминометана). Впервые

синтезированы металлополимерные комплексы меди (II) с гиперразветвлёнными полиэфирополиаминами; комплексы

охарактеризованы методами элементного анализа, ИК-, УФ-спектроскопии, ЭПР, оценена их термическая устойчивость. Предложены варианты строения координационного узла Cu(II) в синтезированных полиядерных металлокомплексах, выявлены факторы, определяющие состав и устойчивость комплексов в растворах.

Впервые оценена фунгицидная и фунгистатическая активность гиперразветвлённых полиэфирополиаминов и их комплексов с ионами Cu(II) на культурах Candida и антипротеиназная активность по отношению к секреторной аспарагиновой протеиназе Candida albicans, определена цитотоксичность. Впервые показано, что гиперразветвлённые полиэфирополиамины способны связывать ДНК, установлены факторы, влияющие на формирование комплексов с ДНК.

Практическая значимость работы. Разработаны технологически значимые методы аминофункционализации гиперразветвлённых полиэфирополиолов.

Обоснована и доказана перспективность использования гиперразветвлённых полиэфирополиаминов и их комплексов меди(П) в качестве основы для антимикотических препаратов и полимерных носителей генетического материала.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, списка литературы и приложения; включает 11 таблиц, 73 рисунка, 24 схемы и библиографию из 181 литературной ссылки.

В первой главе приведен обзор литературных данных, где содержатся сведения о строении и физико-химических свойствах гиперразветвлённых полиэфирополиолов серии «Boltorn Н», методах их функционализации координирующими группировками, областях их применения в зависимости от природы функциональных групп. Рассмотрены азотсодержащие гиперразветвлённые полимеры, особенности их синтеза, физико-химических

свойств, комплексообразующей способности и аспекты биомедицинского использования. Значительное внимание уделено также гиперразветвлённым полимерам, содержащим ионы переходных металлов. Рассмотрены области применения гиперразветвлённых полиэфирополиолов и их функционализированных производных. Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических и спектральных экспериментов, а также физико-химические исследования структур, приведена в третьей главе.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Суздаль, 2011); XVII, XVIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (г. Йошкар-Ола, 2010, 2011); IX, XI Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (г. Казань, 2009, 2011); IV Международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров «0лиго-2011» (г. Казань, 2011); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (г. Иваново, 2011), III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (г. Краснодар, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Из них 3 статьи в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ, и 12 тезисов докладов на Всероссийских и Международных конференциях.

Работа выполнена на кафедре технология переработки полимеров и композиционных материалов в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИГУ»). Исследования поддержаны грантом

Инвестиционного-венчурного фонда Республики Татарстан в рамках конкурса «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» проект 01-92-СИ.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору химических наук профессору Кутыреву Г. А., доценту кафедры неорганической химии Химического института им. А.М.Бутлерова КФУ кандидату химических наук Кутыревой М.П. за научное консультирование и участие в обсуждении результатов, доктору химических наук профессору Низамову И.С. за техническую поддержку, специалистам, проводившим испытания: Мурадимовой Р.Э., Невзоровой Т.А. (исследование образование комплексов с ДНК), Фаттаховой А.Н. (изучение цитотоксичности), Зиганшину М.А., Герасимову A.B. (термографические исследования), Гарусову A.B. (эксклюзионная гель-хроматография и определение молекулярных масс).

ГЛАВА 1

ГИПЕРРАЗВЕТВЛЕННЫЕ ПОЛИМЕРЫ И ДЕНДРИМЕРЫ. МЕТОДЫ

СИНТЕЗА. СТРОЕНИЕ

{ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Одним из наиболее перспективных и быстроразвивающихся направлений в современной химии высокомолекулярных соединений за последнее десятилетие стали исследования полимеров, макромолекулы которых имеют специфическую (в основном шарообразную) плотноупакованную форму, а трехмерный каркас каждой молекулы представляет собой концентрические слои разветвляющихся элементарных звеньев. Объекты, являющиеся предметом исследования этой области химии, столь необычны и трудно описываемы в рамках номенклатуры ИЮПАК, что потребовалась разработка новой терминологии для их обозначения. В настоящее время этот процесс еще не закончился и многие из применяемых терминов, обозначений и символов еще нельзя считать общепринятыми. Единственным утвердившимся названием для самих соединений этого класса является термин «дендримеры» или «звездчато-взрывообразные дендримеры» (starburst dendrimers), предложенный Томалиа [1]. Менее употребимы термины «арборолы» (предложен Ньюкомом[2]) и «каскадные соединения», применяются также и более общие обозначения, такие как наномолекулы, наноскопические объекты. Выбор терминов обусловлен структурой макроцепей, напоминающей строение кроны дерева (dendron (греч.), arbor (лат.) - дерево) или каскады повторяющихся структурных элементов, и средними размерами молекул этих веществ (1-100 нм). В последнее время для группы дендримеров, отличающихся меньшей упорядоченностью молекулярного каркаса, стали употреблять термины «гиперразветвленные» и «сверхразветвленные полимеры». [3] Одним из принципиальных различий между классическими дендримерами и сверхразветвленными полимерами является метод их синтеза. Первые

получают путем многократного повторения выбранной последовательности реакций, что позволяет ступенчато наращивать новые слои поколения элементарных фрагментов вокруг центрального атома (или молекулы), называемого начальным ядром дендритной молекулы (дивергентная схема) или используют обратный прием: формирование молекулы начинается с ее периферии и протекает с укрупнением на каждой стадии интермедиатов-дендронов, имеющих условную форму конуса, и лишь на последней стадии дендроны присоединяются к ядру, образуя законченную дендритную макромолекулу (конвергентная схема).[3]

\ ■*' \

ома

Ждшергигаая сжш»

4 I

Зи/-

/Р Ш ф ^

Г с

ш % \

группы ^

4 ю

Сво&инмй объем

Рис. 1.1. Многостадийные методы синтеза дендримеров [4] Достоинством дивергентной схемы является высокая функциональность в поверхностном слое. Первый направленный синтез полиаминоамидного дендримера по этой схеме был осуществлен в 80-х годах Томалиа [5]. Для формирования центра (или ядра) макромолекулы был использован аммиак, который количественно реагирует с метилакрилатом (А) по реакции Михаэля, образовавшееся трехфункциональное соединение после очистки

было подвергнуто обработке избытком диамина (В) при комнатной температуре, в результате чего сформирован зародыш макромолекулы:

Далее путем последовательно повторяющихся операций:

очистка - А - очистка - В - очистка и т.д. был получен дендример с молекулярной массой, доходящей до 7x105 Б. [5] Основным достоинством конвергентного метода, описанного Фретчетом и др. в 1990г [6] является возможность синтезировать монодендроны -идеальные строительные блоки для капсулирования конкретного центра внутрь структуры. [4]

И в том