Межмолекулярная ассоциация водорастворимых амфотерных полиэлектролитов на основе (МЕТ) акриловой кислоты с катионным поверхностно-активным веществом тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

чР,

&Х

^ ^ На правах рукописи

КУЛАГИНА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА

МЕЖМОЛЕКУЛЯРНАЯ АССОЦИАЦИЯ ВОДОРАСТВОРИМ АМФОТЕРШХ ПОШЛЕКТРОЛИТОВ НА ОСНОВЕ (МЕТ)АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ С КАТЖтМ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВИМ ВЕШЕСТеОМ.

02.00.04. - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань - 1995

Работа выполнена в Казанском государственном „■ технологическом университете

Научные руководители: - доктор химических наук,

профессор Барабанов В.П.

кандидат химических наук, доцент Курмаева А. И.,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Федотов В.Д.

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Ведихкна Л.И.

Ведущая организация: Российский химико-технологический

университет им.Д.И.Менделеева

Защита состоится 16 мая 1995 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.37.03 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г.Казань, ул.К.Маркса 68, зал заседаний Нченого совета.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан " " ,1995 года

Зченый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук-

А.Я. Третьякова

ОБОДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Физико-химическое изучение закономерностей ассоциаций полиэлектролитов СПЭ ? с поверхностно-активными веществами (ПАВ) является актуальным в.связи с.созданием общей теории межмолекулярных взаимодействий в растворах ПЭ-ПАВ, и возможностью практического использования результатов в экологии,биотехнологии,медицине.химической технологии .

При этом большинство исследователей рассматривают образование меашолекулярных ассоциатов Сполизлектролитных комплексов-ПЗК) кеаду разнородными синтетическими полиэлектролитами основного или кислотного характера, а такае между ПЭ и ПАВ Однако.крайне малочисленна в этом плане исследования.когда вступают во взаимодействие полиэлектролиты амфотерного характера - полиамфолиты с ПАВ. Причем, в этом случае возмояно образование межмолекулярных ассоциатов между однотипными макромолекулами полиамфолита сПй) в области изоэлектрического состояния (ИЗС)при их разрушении.В настоящее время не изучены закономерности получения и "изоэлектрического "разрушения меямолекулярных ассоциатов синтетических Пй с поверхностно-активными веществами. Недостаточность экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия типа ПА-ПАВ обусловлено тем, что образование ассоциатов сопро-воядается Фазообразованием.

Имеющиеся в литературе данные показали, что практически отсутствуют исследования поведения межмолекулярного ассоциата полиамфолит -ПАВ в изоэлектрической области состояния полиамфолита.Крайне малочисленны работы касаюдиеся изучения природы фазообразования, возникающего в процессе комплексообразования полиамфолитов с ПАВ.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение условий и механизма образования межмолекулярных ассоциатов синтетических и природных полиамфолитов с катионным ПАВ в зависимости от природы Пй , а так не особенности их разрушения в области ИЗС полиамфолита.

Для достижения указанной цели были поставлены и реиены следующие задачи:

$. изучение природы и условий образования меамолекулярных ассоциатов :полиамфолит метакриловая кислота-диэтил(диметил)аминоэтилме-такрилат.акриловая кислота -2-метил-З-винилпиридин -цетилпиридиний. хлорид (1Щ), а так же природный полиамфолит: желатин (I) и фталоиро-ванный аелатин (Фй)с ЦПХ и их физико-химические свойства в растворе;

2. физико-химическое исследование поведения меямолекулярных ассоциатов ПА-ПАВ при переходе в область изозлектрического состояния полиамфолита;

3.изучение условий образования и разрушения полиэлектролитного комплекса внутриклеточный белок -ПАВ.на примере внутриклеточного белка Ас. веЬЬуНсии :

4. обоснование практического использования процессов формирования и "изозлектрического "■ разрушения меямолекулярных ассоциатов ПА-ПАВ для решения некоторых практических задач в биотехнологии (выделение белка микробного происхоядения) и экологии (очистка сточных вод предприятий кинофотопромышленности).

Научная новизна состоит в том , что в работе установлен обратимый равновесный переход от растворимых к нерастворимым меямолекуляр-ным ассоциатам ПА-ПАВ в зависимости от соотношения компонентов . Изучена природа меямолекулярных взаимодействий макромолекул полиамфоли-тов с катионным ПАВ в растворе.

■ -Впервые обнаруяен кооперативный процесс "изозлектрического" разрушения меямолекулярного ассоциата ПА-ПАВ в области изозлектрического состояния полиамфолита,сопровоядавщийся образованием дисперсной полимерной фазы ("фазовый выброс"). Показано, что наблюдаемое явление является следствием образования нерастворимых ассоциатов меяду однотипными макромолекулами ПА, когда контакт ПА-ПАВ заменяется взаимодействием ПА-ПА. ПРичем интенсивность фазообраэования увеличивается во много раз по сравнении с исходным ПА в ИЭС, а образующаяся новая фаза представляет ПА.

Впервые научный подход по формировании и разрушении ассоциатов модельных систем синтетический ПА -ПАВ был использован для выяснения условий и природы "изозлектрического" разрушения ПЗК внутриклеточный белок -ПАВ.

Практическая значимость работы заключатся в том, что установленные физико-химические закономерности взаимодействия модельных систем ПА-ПАВ использованы при разработке:

1.способа выделения бактерий из культуральной кидкости путем иммобилизации клеток на микрогелевых частицах полиэлектролитного комплекса Ф1-катионный ПАВ ( получено авторское свидетельство N 1557159, проведены испытания на П/0 "Азот" );

2. способа выделения эндо- и экзобелков путем сорбции ПАВ клет-

ками микроорганизмов и образования нерастворимого ПЭК микробный белок - ПАВ;

3. технологии выделения серебра из серебросодеряащих сточных вод путем образования нерастворимого ПЭК яелатин - ПАВ (результаты внедрены на "Тасма-Холдинг";

4. способа выделения фталоированного аелатина (Фй) из раствора путем "йзоэлектрического"разрушения полиэлектролитного комплекса ФМ-ШШрезультаты апробированы в условиях завода "Полимерфото").

.Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на школе-семинаре "Иммобилизованные клетки" (Пущино,1906), на Ш Всесоюзной конференции "Водорастворимые полинеры и их применение'ЧИр-кутск,1987), на II Всесоюзной конференции" Интерполимерные комплек-сы'ЧРига, 1989), на Всесоюзной конференции по физико-химической механике кинофотоматериалов (Казань,1990), на IU Всесоюзной конференции "Водорастворимые полимеры и их прииенение'ЧИркутск.1991 ),на Ulli Всесоюзной конференции "ПАВ и сырье для их производства"(Белгород,1992), а так же на еяегодных научно-технических конференциях КГТУ (Казань, 1986-94).

Публикации .По результатам исследования имеется 9 публикаций

Структура диссертации. Диссертация излокена на 1?1 странице машинописного текста, состоит из введения,5 глав, заключения, выводов, списка литературы (164 ссылки),приложения, включает 29 рисунков,15 таблиц.

Обьекты и методы исследования. В работе изучены синтетические полиамфолитк на основе (мет)акриловой кислоты с диметил-, дизтилами-нозтилметакрилатом, с 2-метил-5-винил-пиридином различного состава. Помимо этого исследовались природные полиамфолиты иелатин (Ж), и яелатин модифицированный фталевьш ангидридом. (ФЕКтабЛ. ).В качестве катионного ПАВ был выбран цетилпиридиний хлорид.В экспериментальной части даны физико-химические характеристики изученных полиамфолитов и ПАВ . В работе использован комплекс физико-химических методов исследования: вискозиметрия, кондуктометрия для определения природы взаимодействия полиамфолитов с ПАВ; метод спектра мутности для оценки параметров новой дисперсной фазы .образованной нерастворимым ПЭК. Измерения оптической плотности исследуемых систем проводили на спектрофотометре "Spekol-Ю" с приставкой EK-S, предназначенной для измерения зкстинции жидкостей в диапазоне длин волн от 400-600 ни.

Таблица 1

Физико-химические характеристики обьектов исследования

К образца к-та, мол У. осн-е, мол% 14 h рНизт Ск, дл/г кг/и3

иетакриловая кислота - дииетиламиноэтилметакрилат (МАК-ДМЙЗМ)

СП-1 40,0 СП-2 57,7 СП-3 68,0 60,0 42,3 32,0 0,23 5.5 0,450 0,73 4.4 0,020 1,10 4,6 0,0125

иетакриловая кислота - диэтиламиноэтилнетакрилат (МЙК-ДЗЙЭМ)

СП-4 20,5 79,5 .0.31 5.5 0,125

СП-5 42,3 57,7 0,35 5.3 0,400

СП-6 62,3 37,7 0.7? 4,3 0,050

СП-? 64,4 35,6 1,10 3.5 0,030

акриловая кислота - 2-метил-5-винилпиридин (АК-2М5ВП)

СП-8 27,3 72,7 0.73 5,90 0,02

СП-3 43,0 57,0 0,90 5,40 0,02

СП-10 66.0 34,0 0,28 4,35 0,04

Ф-1 44,3 55,7 1,25 5,35

Ф-2. . 42,8 57,2 0.9? 5.42

Ф-3 43.1 56,9 0,89 5,40

__Ф-4__. -44.2_____ .55,8 0,28. _____ .__5,35 _ ___________ ___-_______

желатин___ .(8)_____ ттагпиппнлнннй жклятин _(Ф8)_____

рНиэт ч степень фталоир рНиэг

4.7 ВО 000 70 4,4 -

78 4.2 38000

90 3,2 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ РАБОТЫ Взаимодействие полиамфолитов на основе С мет )акриловой кислоты с цетилпиридиний хлоридом.

Изучены условия и природа образования меямолекулярных ассоциатов синтетических амфотерных полизлектролитов с мицеллообразующим ПАВ -цетилпиридиний хлоридом в широком интервале изменения соотношений концентраций реагентов п= ЕПАВМПА], где величина п характеризует отношение концентрации ПАВ в раствореС моль/л 3 к концентрации полиам-фолита (осново-иоль/л). Установлено, что связывание ПАВ с ПА происходит в щелочной области рН =7,5-7,8 до критической концентрации мицел-лобразования ПАВ в растворе.Количество кислотных групп ПА электростатически связанных с ПАВ зависит от их степени диссоциации :чем выше степень диссоциации кислотных групп ПА, тем интенсивнее идет их взаимодействие с ПАВ, что фиксируется изменением электропроводности и увеличением мутности системы ПА-ПАВ.

По «ере увеличения количества связанного ПАВ , в системе ПА-ПАВ обнаруживается различная растворимость ассоциатов. Нерастворимые ассоциаты образуют полимерную дисперсию, которая охарактеризована коллоидно-химическими параметрами: числом и размером полимерных частиц и их массой.Коллоидно-химические параметры оценены по данным спектро-турбидииетрического титрования в том случае, когда ассоциаты были нерастворимы, а образующаяся полимерная фаза- равновесной.При образовании ассоциатов ПА-ПАВ по мере накопления ПАВ до и после концентрации мицеллобразования ПАВ происходит взаимосвязынные равновесные переходы из одного состояния в другое.

Следует отметить существование трех областей различного состояния исследуемой системы.Ассоциаты ПА-ПАВ могут быть растворимыми и не растворимыми С рис.1). В области 0<п>0,3-0,4 образуется водорастворимый ПЭК.Так с увеличением п наблюдали снииение числа вязкости сис-. темы ПА-ПАВ,т.е. уменьшение гидродинамического радиуса макромолекулы вследствие процесса ассоциации ПАВ на полизлектролитной цепи. Ионы ПАВ электростатически связанные с соседними звеньями макромолекулы, взаимодействуют друг с другом гидрофобными радикалами, что обуславливает компактизациш макромолекулярного клубка и переход его в глобулярную конформациюС резкое падение величины ^ у^/с при п=0,4). О процессе ассоциации ПА с ПАВ также свидетельствует более медленный рост

-У-

электропроводимости в системе Пй-ПйВ по сравнению с раствором Пй (рис.1 .область!!).

В щелочной области рН , при добаэке в раствор полиамфолита КОН полиамфолиты ведут себя как поликислоты. Вследствие полной нейтрализации кислотных групп степень диссоциации кислотных групп . мояно считать равной единице. Полиион в этих условиях имеет конфориацию вытянутого стеряня.

Низкомолекулярные ионы С противоионы К+ и ионы ПЙВ) распределены вблизи макромолекул следующий образом: часть из них "сконденсирована" на цепи ( в результате электростатических взаимодействий ),а остальные считаются свободными и не связанными с полиионом. Такая теория - была предлояена Маннингом для сильно заряяенного полизлектролита и находится в качественном согласии с экспериментом.;

В отсутствии ПАВ слой " конденсированных", ионов на цепи состоит из противоионов К+, При добавлении яе ПЙВ слой будет состоять как из К"" так и катионов ПЙВ.Поскольку подвияность ионов К* много больше подвияности катионов ПАВ, то такое вытеснение доляно было бы приводить к увеличении наклона кондуктометрической кривой для системы Пй-ПйВ, по сравнению с кривой для чистого ПЙВС в случае полностью вытянутой конформации Пй, хорово описываемой теорией Маннинга). Как видно из рис.1 (кривые 3,4,5) на практике .наблюдается обратная зависимость. Зтот эффект мояет быть обьяснен линь в том случае, если предполонить , что конденсация катионов ПЙВ приводит к изменению конформации полииона.Такое предполояение подтверяд&ется данными виско-зиметрических измерений Срис.1,кривые 1,2).,, ь

Рассмотрим причины .приводящие к изменению конформации макромолекулы.Используемый нами ПЙВ обладает способностью к мицеллообразова-нию, что обусловлено гидрофобными взаимодействиями меяду углеводородными радикалами.Поскольку толщина слоя в котором находятся сконденсированные противоионы не превышает нескольких нм, то, даяе.при малых п , концентрация ПЙВ в таком слое оказывается значительной и ваяную роль начинают играть эффекты .обусловленные гидрофобными, взаимодействиями. Наличие катионов ПЙВ вблизи макроиона приводит к уменьиению величины среднего расстояния меяду зарядами вдоль его оси , и следовательно к увеличению плотности заряда. Поэтому, благодаря сяатию цепи, происходит дополнительная конденсация противоионов К+ на полиионе за счет увеличения электростатического притяяения ионов К* заряяенной

-В-

^ Си-си'1

к,

кг/м"5 мкм

ю

0.1 0.2 0.1 Рис.1.Вискозиметрические (1,2,8,9), кондуктометрические (4,5), тур-бидиметрические (6,7) кривые титрования растворов СП (Ссп-0,1 кг/«?) раствором ЦПХ (Спав=3 кг/ы3 );п=£ПАВ]/£ПА3¡кривые 1,4,6,8 - СП-1; кривые 2,5,7,9 - СП -2; 3- зависимость удельной электропроводности от концентрации раствора ЦПХ. ш

л/чо,

м3

б Рис.2.Зависимость числа (1),радиуса частице 2) и концентрации полиэлектролитного комплекса СП-!-ЦПХ (3) в дисперсной фазе от соотношения п.Исходные концентрации растворов: Ссп= 0,1 кг/ь?;Спав= 0,6 кг/ь? .

[.> а

ГпяьЗ

' гп» 1

макромолекулой.Благодаря этому эффекту электропроводность в системе ПАВ-ПА будет расти медленнее с ростом п,невели для чистого ПАВ.

Таким образом .область I можно описать так: под действием электростатических взаимодействий молекулы ПАВ конденсируются на полиионе и благодаря гидрофобным взаимодействиям меяду (гидрофобными) радикалами ПАВ. изменят его конформацив(сжимают полимерную цепь). Как следует из результатов оптических измерений образующийся комплекс является растворимым.

Вторая область составов (п=0,3-0,8) характеризуется возникновением нерастворимой фазы в растворе. На это указывают данные спектро-фотометрических исследований. Величина мутности на этом участке резко возрастает и достигает своего максимума при значении.: n= 0,8.Методом спектра мутности оценены параметры новой дисперсной фазы.радиус частиц^). число частиц. (N), масса частиц(М) (рис.2).Показано, что во второй концентрационной * области n R достигает наибольшего значения при минимальном значении Н.

Для более детального выяснения механизма образования нерастворимой фазы были проведены исследования с СП с различным содеряанием кислотных групп , а такяе с различной степенью гидрофобности. Показано, что интенсивность образования нерастворимых ассоциатов ПА-ПАВ (рост мутности) усиливается с увеличением плотности заряда на цепи полиэлектролита , а такяе с ростом его гидрофобности. При дальнейшем изменении п (область III) мутность системы падает,„j,е,, предполагается разрушение межмолекулярных ассоциатов. В рассматриваемой.;.области значений п концентрация ПАВ близка к КК.М и молекулам ПАВ. ^по-видимому, энергетически более выгодно обьединиться в мицеллу. Очевидно,происходит ассоциация молекул ПАВ связанных в комплекс ПА-ПАВ-со свободными молекулами ПАВ,т.е.идет процесс мицеллообразования в обьеме системы. Этот вывод подтверждают данные спектра мутности.Анализ зависимостей массы осажденного полимера , радиуса частиц , числа частиц в единице обьема от п (рис.2) показал, что в области п > 0,6 происходит уменьшение величин H.R с одновременным возрастание N, что свидетельствует о разрушении ПЭК.Разрушение ПЭК сопровождается увеличением гидродинамического радиуса макромолекулы, что фиксируется ростом числа вязкости (рис; 1, кривая 8,9).

С целью получения данных о природе сил участвующих в крмплексо-образовании ПА-ПАВ были проведены спектрофотометрические измерения с

добавкой в система ПЙ-ПЙВ низкомолекулярной соли (ИаС1) и диоксана. Известно, что введение солей приводит к разруиению поликомплекса , вследствии ослабления электростатического взаимодействия,а добавка неводных растворителей влияет на взаимодействия гидрофобного характера.

Исследования проводились с полиэлектролитным комплексом СП-5 -ЦПХ. Методом спектра мутности проведен анализ различных участков спектрофотометрической кривой. При определенных значениях п система Пй-ПйВ подвергалась или титровании низкоаолекулярной солью Сп=0,45 и 0,5 ) или диоксаном (п=1,0 и 1,5). Как следует из рис.За введение в систему НаС1 приводит к уменмению числа частиц в единице обьема, практически при неизменном радиусе частиц, а также к резкому паданию М , что свидетельствует о разруиении электростатических взаимодействий в комплексе под действием ЯаС1. При п =0,5 спектрофотометрической кривой с введением низкомолекулярной соли изменение параметров системы И.М.Н не наблюдалось(рис.Зб). Мояно предполояить, что образование комплекса происходит как за счет электростатических, так и за счет гидрофобных взаимодействий. По-видимому ,в этой области действие обоих факторов соизмеримо, что подтвершдает титрование системы диоксаном при п=1,0 - параметры дисперсной фазы остались неизменными. Введение диоксана в систему ПАВ-ПА при п=1,5 (рис.Зв) приводит к уменьшению т.е. ослабляются гидрофобные взаимодействия.

Таким образом .при образовании ПЭК реализуются как электростатические, так и гидрофобные взаимодействия. Причем ослабление одних взаимодействий приводит к усилению других.

Эффект "изоэлектрического" разрушения меямолекулярных ассоциатов

ПЙ -ПАВ .

В зависимости от концентрации в растворах Пй могут превалировать мен- и внутримолекулярные взаимодействия в области изоэлектрического состояния Пй. Исследуемые ПА могут быть растворимыми и нерастворимыми В нашей работе показано, что растворимость ПА определяется его составом.Чем больше в составе ПА основных групп, тем он менее растворимым. Особое полокение в этом ряду ПА занимают ПА, которые имеют близкий к эквимольному состав 40-50 мольУ. кислотных групп и 60-50 иольХ основ-

-11-

но"1",

к, м-ю*

ИКМ КГ/И5

м-иГГ

м-5

р, м-ю;

кг/м'

*

■ 0.8

- 0.4

1 ._!- 1

. 0.1

N■10"

-ш

V-

к.нкм м-г>

кг/м5

Рис.3. Изменение физико-химических параметров: числа частйц (1), радиуса частиц (3) и концентрации полиэлектролитного комплекса СП-5 -ЦПХ(2) при титровании системы раствором йаС1 (а,б) и диоксаном (в). Исходные концентрации Ссп= 0,03 кг/1? ; Спав= 0,6 кг/1? .

ных групп з составе макромолекулы .Такие ПА, могут быть растворимыми в области ИЭС.Отметим, что растворимость ПА зависит и от того, достигнута ли концентрация ПА в растворе величины Ск, так как у растворимых в ИЭС ПА величина Ск намного болые Ск для нерастворимых ПА. Величина Ск является характеристикой ПА , и ее физический смысл - это та минимальная концентрация ПА, когда в области ИЭС возникают меямо-лекулярные взаимодействия ПА-ПА в растворе, приводящие к образованию полиэлектролитных комплексов меяду однотипными макромолекулами ПА.Природа таких взаимодействий мояет быть электростатической и гидрофобной. Для всех исследуемых ПА ионогенная способность и конформаци-онные переходы, особенно в области ИЭС, взаимосвязаны и предопределяют друг друга. Этот тривиальный факт имеет большое значение для выяснения вопроса о том, как конформационные переходы от развернутого состояния макромолекулы ПА к глобулярной конформации будут учитываться при дальнейшем рассмотрении процессов разрушения меямолекулярных ассоциатов ПА-ПАВ при переходе системы в область ИЭС т.е.тогда, когда ПА переходит в область глобулярной конформации ПА.

Изучено поведение растворимого ПЭК в области рН, где для исходного раствора ПА наблюдается процесс образования новой фазы (область ИЭС полиамфолита).Для проведения данного исследования был использован методологический прием,разработанный в работах Бектурова.Кудайберге-нова при изучении растворимых полиэлектролитных комплексов ПА-ПАК (полиакриловая кислота). Суть его заключается в том, что в изоэлект-рической области наблюдается разрушение растворимого ПЭК, при этом полимеры его составляющие, находятся в растворимом состояние (ПА и ПАК).Проведенные нами исследования позволили установить, что наблюдается процесс разрушения ПЭК ПА-ПАВ в ЙЗС полиамфолита. Но при этом , в отличие от работ Бектурова, Кудайбергенова .наблюдается образование новой фазы. Отметим, что наблюдаются различия в поведении комплекса ПА -ПАВ от поведения " чистого" ПА в данной области. Они заключаются в более высокой степени фозообразования, наступающей лавинообразно на границе области ИЭС полиамфолита, что свидетельствует о кооператив-ности взаимодействия ПА- ПА( рис.4). Остановлено, что при разрушении полиэлектролитного комплекса ПА-ПАВ , весь ПАВ находится в растворе, а ПА образует новую дисперсную фазу. Методом 9Ф спектроскопии проведена оценка нерастворимой фазы. Показано, что спектры поглощения характерны для исходных сополимеров. Таким образом, мояно говорить !о

.

см ' 2

Рис. 4. Зависимость мутности

от рН среды для СП-1 и ПЗК (2

а) СП-1;б) СП-9.

Исходные концентрации:

Ссп = 1 кг/«*3: Спав = 10/кг/м'

при п= 0,2.

7 рИ

Рис.5. Зависимость числа вязкости растворов СП от рН среды для СП-3; Ссп= 1 кг/м3. •- СП после "изоэлектрического" разруиения полиэлектролитного комплекса СП-3 -ЦПХ. о- исходный сополимер.

Ъл

Т'

йф

10

?о

25

V у

1 к 5 6

7 ^

Рис.6. Изотерма степени фазообра-зования СП-1 после " изоэлектрического" разрушения полиэлектролитного комплекса СП-1 -ЦПХ.

2

Сгм, кг/м5

"фазовом выбросе" ПА из ПЭК ПА-ПАВ в ИЗС полиамфолита в результате чего наблюдается процесс "изоэлектрического" образования ПЭК ПА-ПА меаду однотипными макромолекулами ПА. Дальнейшие исследования показали , что в дисперсионной среде в растворимом виде находится практически весь ПАВ. Таким образом наблюдается полное вытеснение ПАВ из комплекса при переходе в нерастворимую фазу,т.е. химический состав нерастворимой фазы тот яе , что и для случая чистого СП.Несмотря на идентичность состава дисперсной фазы с полиамфолитом , как показали данные УФ-спектроскопии частицы нерастворимой фазы полученные в результате " вытеснения" ПАВ из ПЗК оказываются не растворимыми в щелочной области . Это говорит о том, что " вытеснение" ПАВ из ПЭК. соп-рововдается изменением конфориации ПА, которая отличается от конфор-мации макромолекул нерастворимой фазы " чистого" сополимера.

Нерастворимость в щелочной области рН обьясняется тем, что на поверхности частиц нерастворимой фазы находятся преимущественно основные группы. Об этом свидетельствует растворимость ПА в кислой области рН. После растворения в кислой области полимер моает быть переведен в щелочную область рН и находиться там в растворимой форме. При этом полимер восстанавливает структуру, о чем свидетельствуют кривые вязкости (рис 5).

Для сопоставления с процессами фазообразования в растворе СП (без ПАВ) были исследованы зависимости интенсивности фазообразования от концентрации ПА и его молекулярной массы. Наблюдалось , что при достияении критической концентрации ПА дальнейиеего увеличения интенсивности фазообразования не происходит , что характерно и для исходного ПА в отсутствии ПАВ.Величина Ск совпадает с полученной ранее для полимера в отсутствии ПАВ ( рис.6 ).

Нстановлено влияние молекулярной массы , состава СП и его концентрации на фазообразующую способность ПЭК(таб.2),Из таблицы видно, что чем выие молекулярная масса СП АК-2М5ВП, тем интенсивнее идет процесс фазообразования ПА в изозлектрической области ,и следовательно степень фазообразования для СП с большей молекулярной массой больше. Это характерно как для исходного ПА ,так и для ПА изначально находящегося в комплексе с ПАВ. Отмечено, что степень фазообразования - для ПА полученного при разрушении ПЗК в ИЭС во много раз выие

для исходного ПА находящегося в ИЭС.Зто говорит о том , что при взаимодействии ПА с ПАВ .поверхностно-активное вещество изменяя кон-

Таблица 2

Сравнительный анализ фазообразования полиамфолита АК-2М5ВП в ИЭС.

N Состав СП рНиэт Конц-я (С), е,я,

Образца АК 2М5ВП КГ/1? 7. У.

иолХ__мол У.

СП-8 27,1 72.9 5,90 111,0 1.0 4,2 79,0

СП-9 43.0 57,0 5,40 1.0 2,6 56,6

СП-10 66,0 34,0 4,35 1.0 1,5 48,0

Ф-1 44,3 55,7 5,35 254,4 0,1 4.0 62,9

Ф-2 42,8 57,2 5,42 134,3 0,1 2,4 54,9

Ф-3 43,1 56,9 5,40 116,9 0,1 0,9 53,1

_Ф-4____ _44,2__55,8___ __5,35__ -55,1_. -----0,1----- _0.7__ _52,4__

1 & - степень фазообразования ПА В ИЗС,

- степень фазообразования ПА в ИЗС при разрушении ПЗК ПЙ-ПАВ , где =М/С 1002 ; М-концентрация СП в дисперсной фазе (кг/»?); С- концентрация СП в растворе (кг/и* ).

Таблица 3

Сравнительный анализ фазообразования полиаифолита МАК-ДМАЗМ в ИЗС.

N

образца ИМ

Состав СП МАК ДМАЗМ

-МОл7.___мол 7—

40.0 60.0

рй*9Т Конц-я (С), 9а

кг// % У.

5.5

СП-2 5?,? 42.3 _СП-3____68.0__32,0___

4,4 .4,5.

1,0 2,0 3,0 1,0 1,0.

1.3

48,0 47,3

48.2 70,2

.35,1_______

Таблица 4

Сравнительный анализ фазообразования полиамфолита МйК-ДЗйЗМ в ИЭС.

5,0

N Состав СП образца МЯК ДМйЭЫ

---------молХ___мол У—

СП-4 20,5 79,5 СП-5 42,3 57,7 СП-6 62,3 37,7 -СП-?____64,4____35.6.

РН

ЙЭТ

5,5 5.3 4.3

Конц-я (С), кг/м3

дJ У.

1.0 1,0 1.0

в*

У.

52.2

62.3 10,0 75,1

—3.5________1,0_______10,6___18.2.

формацию ПА делая ее более компактной, способствует более интенсивному внутри и межмакромолекулярному взаимодействию молекул ПА в ИЗС, в результате чего и наблюдается увеличение 0по сравнение с Qj.

Кроме этого , как показали исследования на оказывает влияние состав СП, так из таб 3 и таб.4 видно, что когда в составе СП находится примерно поровну групп МАИ и ДМАЭМ или ДЭАЭН наблвдается увеличение б^ по сравнению с другими составами СП.

На ряду с синтетическими ПА были проведены аналогичные исследования для природных ПА С8 , Ф1). Получены сравнимые результаты.

Таким образом .обнаружен новый эффект - эффект"изоэлектрического* разрунейия ассоциатов ПА - ПАВ с фазовым' выделением полиамфолита и вытеснением ПАВ из растворимого ПЭК.При этом: нерастворимая Фаза практически полностью состоит из молекул ПА; конформация растворимого ПЭК отлична от конформации исходного ПА¡катионы ПАВ " подготавливают" наиболее выгодную конформации макромолекулам ПЭК, облегчая взаимодействие между однотипными макромолекулами ПА, при "изоэлектрическом" разрушении ПЭК.

Физико-химическое изучение взаимодействия катионного ПАВ с

белковыми системами и их практическое использование.

Проведенные исследования по изучении механизма образования и "изоэлектрического" разрушения полиэлектролитных комплексов ПА-ПАВ в водной среде позволили подойти к решению проблемы касающейся физико-химического изучения взаимодействия внутриклеточного белка микробного происхождения с ПАВ в реальной системе "клетка-культуральная жидкость".Для этого первоначально был изучен процесс образования и "иэоэлектрического"разрувения ПЗИ ПАВ -желатин и желатин, модифицированный фталевым ангидридом с различной степенью фталоирования от 70 до 91 '/.. в водной среде. Двумя независимыми методами (вискозиметрия, спектрофотометрия) определялась изоэлектрическая точка аелатина в растворе.Обнаружено, что существует зависимость между положением изо-злектрической точки желатина и степенью фталоирования. Так при сравнении желатина и желатина со степень» фталоирования до 91/i смешение ИЗТ достигает единицы рН. Это обьясняется блокированием аминогрупп и, как следствие,появлением нерастворимости в области рН, близкой к ИЗТ.

Процесс комплексообразования желатина с ПАВ аналогичен рассмот-

ренноиу выше для синтетических ПА. Изменяя конформации вводимого ПАВ мокно получить как растворимый , так и нерастворимый.ПЭК. Так ае как для синтетических Пй .наблюдается равновесный переход : растворимый полиэлектролитный комплекс 8 -ПАВ - нерастворимый ПЭК - растворимый ПЭК + мицеллы ПАВ. Для Ф8 наблюдается более интенсивное фазообразова-ние, чем для Ш как в водных .так и в буферных системах, что связано с наличием фталевой группировки, которая усиливает гидрофобность макромолекулы, а такяе наличие дополнительных -СО0Н групп в составе макромолекулы Ф1 усиливает ионогенную способность макромолекулы Ф1 по сравнению с I.

Изучение процесса взаимодействия внутриклеточного белка, с ПАВ проводилось на примере бактериальной культуры А. иеЬЬуНсив.При переходе от модельных систем к реальным необходимо было изучить не только процесс сорбции ПАВ на клетках микроорганизмов , но и количественно оценить накопление ПАВ в различных клеточных структурах, для того , чтобы судить о возможности образования ПЭК внутриклеточный белок -ПАВ.Так , если ПАВ только сорбируется на поверхности клеток.и не проникает внутрь клетки, то образование ПЭК внутриклеточный белок-ПАВ невозможно. Исследования показали ,что введение ПАВ в суспензию микроорганизмов приводит не только к взаимодействию его с клеточной стенкой, но и с внутриклеточными структурами , а так же к образованию нерастворимого ПЭК с метаболитами белковой природы находящимися в культуральной кидкости. Экспериментально показано, что при концентрации ПАВ близкой к ККМ проникновение его в клетку затруднено , что мо-яет быть обьяснено его мицеллярной структурой, причем значительные размеры мицелл препятствуют проникновению молекул ПАВ через цитоплаз-матическую мембрану клеток.

В работе показана возможность образования и разрушения растворимого ПЭК внутриклеточный белок - ПАВ. Изучено влияние ионной силы раствора, рН, концентрации ПАВ на процесс разрушения растворимого ПЭК внутриклеточный белок -ПАВ. Статистический анализ показал, что существенное влияние на процесс разрушения ПЗК оказывает изменение ионной силы раствора.

На примере культуры А.иеЬЬуПсиш изучалась агрегативная устойчивость бактериальных культур.Потеря устойчивости системы "клетка-куль-туральная яидкость"происходит в щелочном диапазоне рН и сопровоядает-ся ростом агрегации с последующим осаждением. Было установлено, что

-1В-

введение в систему " клетка-культуральная аидкость" в щелочной области рН полимера и ПАВ приводит к иммобилизации клеток микроорганизмов в гель образованный ПЭК ПАВ - внутриклеточный белок-метаболиты клетки.

Выводы

1. Изучен процесс образования меямолекулярных ассоциатов на основе синтетических и природных тголиамфолитов с катионным ПАВ' - цетил-пиридиний хлоридом. Показано, что процесс носит кооперативный характер, обратим и обусловлен электростатическими и гидрофобными взаимодействиями. В зависимости от соотношения концентраций ПАВ- ПА ( число п возмояно образование как растворимого, так и нерастворимого полиз-лектролитного комплекса (ПЭК).

2. Методом спектра мутности оценены параметры нерастворимого ПЭК в водной среде : радиус и число частиц в единице обьема, концентрация осаадеккой фазы. Показано изменение среднего радиуса и числа частиц в зависимости от концентрации ПАВ. Отмечается максимальная Фазообразующаяся способность ПА при значениях п близких к 0,6.

3. Показано, что интенсивность процесса образования нерастворимого полиэлектролитного комплекса в щелочной области возрастает с увеличением плотности заряда на макромолекулярной цепи. В ряду : (МАЮАК-2М5ВП > МАК-ДЭАЭМ > МАК ДМАЭМ связывание ПА с цетилпиридиний хлоридом усиливается.

4.0бнарувено и изучено новое явление " фазового выброса" синтетических и природных полиамфолитов при разрушении меямолекулярных ассоциатов ПА -ПАВ в области ИЭС. Интенсивность фазообразования в процессе " фазового выброса" возрастает в 2-5 раз, по сравнении с чистым полиаифолитом в ИЭТ.

5.Установлено влияние концентрации ПАВ,рН раствора и ионной силы на процессы образования и разрушения ПЭК внутриклеточный белок - ка-тионный ПАВ .Статистический анализ показал , что наиболее существенное влияние на процесс разрушения ПЭК оказывает изменение ионной силы раствора.

6.Разработан способ выделения биомассы А. иекЬуНсиа путем иммобилизации клеток в ПЭК.Проведено внедрение способа очистки серебросо-деряащих сточных вод путем образования нерастворимого ПЭК яелатин,

-1У-

связанный с серебром - ПАВ.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Новое направление использования полиэлектролитов в биотехнологии / Курмаева А.И..Кулагина E.H., Свердлов Л.Б. и др.// / 1кола-семинар "Иммобилизованные клетки".Тезисы доклада.-г. Пущино,1986г,-С.?3.

2.Использование полимеров и их комплексов в биотехнологии /Курмаева

А.И..Кулагина Е.М., Свердлов Л.Б. и др.// III Всесоюзная конференция " Водорастворимые полимеры и их применение". Тезисы доклада.-Иркутск, 198?.-С.168.

3. Взаимодействие биосуспензий с комплексом ПЙВ-полиамфолит /Курмаева й.И.»Кулагина Е.М..Барабанов В.П. и др..// III Всесоюзная конференция "Интерполимерные комплексы".Тезисы доклада.- Рига,1989,-С.359.

4. Образование . свойства и применение поликомплексов фталоирован-нор желатина, желатина с поверхностно-активными веществами/Курмаева Й.Й,Потапова М.В..Кулагина Е.М. и др. // Всесовзн. конф. по физико-химической механике кинофотоматериалов. Тезисы доклада.- Казань,

1990.-С.41.

5. й.с. N 1557159 Способ выделения биомассы./Барабанов В.П..Курмаева й.И.,Кулагина Е.М. и др.

6. Межмолекулярные ассоциаты желатин -ПЙВ и их коллоидно - химические свойства / Курмаева й.И.,Кулагина Е.М..Потапова М.В. и др.// Научно-практическая конференция по фотографической желатине. Тезисы доклада.-Казань,1991.-С.

?. Полизлектролитные комплексы полиамфолитов с катионными поверхностно - активными веществами и эффект изоэлектрического выжимания ПЙВ /Курмаева й.И..Кулагина Е.М..Потапова M.B. //IU Всесоюзн. конф. " Водорастворимые полимеры и их применение". Тезисы доклада.-Иркутск,

1991.-С.135.

8. Физико - химическое исследование взаимодействия полиамфолитов на основе МАК с катионным ПйВ./Курмаева Й.И.» Кулагина Е.М., Потапова М.В. и др. // Деп в ВИНИТИ. 22 августа 1991 N 393 - хп 91.

9.Явление сегрегации в растворах ассоциатов полиамфолитов с катионным ПАВ /КурмаеваА.И., Кулагина Е.М,, Потапова M.B.// Ulli Всесоюзн. конф. по ПАВ и сырью для их производства. Тезисы доклада."Белгород, 1992.-С.234.

Соискатель Е.М. Кулагина

-го-