ЭПР-спектроскопия спин-меченых макромолекул как метод определения конформации полимеров в тведом состоянии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

|Л!г* - С 0 '7

и •• -

рсшп1ская наук

ИНСТИТУТ Ш5.ИЕСК0Й ЙЗЖИ ки.Н.Н.СЕШЮг,\

**а правах рукописи

КОЛБАИОВСЮЙ Александр Давидович

УДК 543.422.2?

&Г1Р-СПЕ1СТРОСК0151Л СП131-МВЧЕ£Д!Х 1СА1С М2Т0Д

ОШЩЛЕШЭД КОНШШЦИИ ПОЛИМЕРОВ в твердом состоянии

02.00.04 - (йхзячеигая зашил

автореферат диссертанта на солсиаша ученей степа™1 кандидата хшлпеепк паук

Научные руководители: д.х.н. А.М.Бассериэя д.ф.--и.и. Т.Н.Хазаковшг

Москва 19Э2

Работа выполнена в Институте химической физики им. Н.Н.Семо-нова РАН

Научные руководители: доктор химических наук Вассериан А.В.

доктор физико-математических наук Хаза;:ов;гч Т.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических нар; Дягпаров О.С. доктор химических к^ук Лшиищ В.А.

Ведущая организация: Химический факультет 1.5ГУ им.Локоносова

Защита диссертации состоится "_"_1992 г. в__час.

па заседании специализированного совета Д.002.26.01 при Институте химической физики им.Н.Н.Семокоза РАН по адресу: 117977, Москва, у Л. Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Института химической флзшш РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного ссзэта Д.002.26.01

кандидат гтнчзсккх наук ж«- В.Н.Корчак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'rr'l-' :;rJJ Актуальность проблемы. Для установления соотношений свойство - строение полимерных материалов необходимо иметь возможность определения ковформаций макромолекул в твердом аморфном состоянии. Конформации полимерных цепей могут характеризоваться величиной С(г)- парной функцией распределения звеньев (мономерных единиц) полимерной цепи, т. р. их концентрацией в окрестности точки с радиуссм-векторсм прп условии, что начало координат занято каким-то звеном, функция с (г) непосредственно связана с корреляционной фу^ .цией плотность- плотность. Ее экспериментальное определение сспоьано на измерениях рассеяния излучения: света, рентгеновских лучей, нейтронов на малые и промежуточные углы. Все эти методы имеют свои особенности. Так, оптические методы предъявляют большие требования к прозрачности среда, поэтому светорассеяние, кппрпмер, ке применяется для изучения конформации макромолекул в твердых полимерах. Наиболее известный метод определения конформации полимерных цепей в твердом состоянии - нейтронное рассеяние - стил широко применяться для этой цели с середины 70-х годов. В настоящее время с помощью нейтронного рассеяния получено подавляюще большинство данных о конформациях твердых аморфных полимеров к их смесей. Метод нейтронного рассеяния требует уникальной аппаратуры и имеет ряд других ограничений. В последнее.время был разработан метод определения конформацион-ных характеристик аморфных полимеров, основанный на исследовании переноса электронных возбужденных состояний между хромофорными метками на полимерной цепи. Перенос электронных возбуаденных состояний чрезвычайно чувстрктелен к пространственному расположению и расстоянию между хромофорами, присоединенными к полимерной молекуле и это позволяет непосредственно определить конформацп полимеров и их смесей в твердо* состоянии с помощью измерений деполяризации флуоресценции с временным разрешением. Этот метод более чувствителен, чем нейтронное рассеяние, но его применение ограничено, как и у . всех оптических методов, высокими

требованиями к прозрачности среды. Поэтому несомненн! актуальность задачи разработки новых методов определение конформации полимеров в твердом аморфном состоянии.

Среди многочисленных магнито-резонансных методов широкоЕ распространение для исследования" самых разных характеристш полимерных систем приобрел в последнее время метод спиновыз меток. С помощью этого метода определялись, в частности, локальные концентрации полимерных звеньев в твердых раствора: спин-меченых полимеров. Однако локальные концентрации, важность знания которых несомненна, характеризует конформацш полимерных цепей лишь качественно. Отсутствие количественны; данных определялось тем, что до последнего времени не был< теории, позволяющей связать форму линии в спектрах мапштног* резонанса с функцией с(г). Теория формы линии магнитног* резонанса в магнитно-разбавленных твердых телах, предложенная 1 работах [1,2], позволяет связать функцию формы спектра I функцией с(г) , что, в свою очередь, определяет возможное^ получения количественной информации о конформации полимерно: цепи из анализа формы ЭПР-спектров спин-меченых макромолекул.

Цель и задачи работы. Основная цель работы состояла 1 разработке метода определения конформации полимерных цепей 1 твердгм аморфном состоянии из анализа спектров ЭПР сшш-мечекы.' макромолекул. Поставленная цель включала решение следущк конкретных задач:

- определение области применимости тоории формы дипольно уширенных спектров ЭПР магнитно-разбавленных твердых тел пространственной ' корреляцией [1,2] из ее сопоставления экспериментальными данными по концентрационным зависимости: спектров ЗПР твердых растворов нитроксильных радикалов;

- разработку программ, позволяющих на основе указанно теории рассчитывать спектры спин-меченых ыа1ф0М0лекул различных конформационных состояниях;

- определение конформации и размеров цепей ряда спин-мечены полимеров в твердом аморфном состоянии;

- сопоставление полученных количественных рс.-ульгатоз с результатами определения размеров цепей из данных по измерению светорассеяния.

Научная новизна работы обстоит в том, что впервые в

□сновэ теории Форш линии магнитного резонанса в магнитно-разбавленных твердых телах, в которой учитывается неравномерность в пространственном распределении парамагнитных центров, разработан метод, позволяющий определять кокформационное состояние и размеры полимерных цепей в аморфном твердом состоянии на основе анализа спектров ЭПР спин-меченых макромолекул.

Показано, что теория [1,2] количественно описывает экспериментальные спектры ЭПР ряда нитроксильных радикалов п широком диапазоне концентраций .

На основе анализа приведенных интенсг ;тей экспериментальных спектров ЭПР спиновых, моток л лтав предложен метод определения конформационного состоянил jilih-меченых полимеров в твердом аморфном состоянии.

Кокформационное состояние всех иссследэванных в работе макромолекул при uJuüiо всего к состоянию гауссова клуСкс.

Изменение молекуля^^й массы, степени замещения сгашовш.-.л метка?»и и csr.oñ использованной метки слабо влияют на полученные значения величины среднеквадратичной длины мономерного звена макромолекулы, непосредственно характеризующей жесткость полимерной цепи.

Показано, чго полученные количественные результаты удовлетворительно соответствуют данным расчета невозмущенных размеров цепей из измерений светорассеяния.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что предложенный в ней метод определения конформационного состояния и размеров • полимерных цепей в твердом состоянии может быть широко использован для выяснения закономерностей изменения конформации полимерных цепей при различных физико-химических процессах, таких как фазовое расслоение смесей полимеров, деформация макромолекул, адсорбция на твердой поверхности, гелеобрззоЕшше я т.д. Этот метод мояат найти применение и при исследовании конформационных . переходов биополимеров. По приведенным в работе зависимостям моено достаточно простэ определять размеры полимерной цепи, если предварительно определено ое конформационной состояние и известна степень замещения полимерных звеньев спиновыми метками. Полученные в работе зависимости достаточно универсальны в том смысле, что

электронно-становые параметры спиновой метки практически но оказывают на них влияния, что также существенно расширяет область возможного использования результатов данной работы.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Проблемы теории полимеров" (Черноголовка, 1989 г.), Международной конференции по нитроксильным радикалам (Новосибирск, 1989 г.), семинаре "Проблемы магнитного резонанса" в ИРЭ РАН (1990, 1992 г.), семинаре по теории полимеров в МГУ (1990 г.), ежегодном конкурсе научных работ ИХФ РАН (1991 г.), XII Всесоюзной Школе- симпозиуме по магнитному резонансу (Кунгур, 1991 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, трех глав оригинальных исследований, выводов, приложения и списка цитированной литературы из 161 наименования. Работа изложена на страницах машинописного

текста, содержит 27 рисунков и 5 таблиц. Каждая глава завершается обсуждением полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дано обоснование актуальности и новизны исследований, выполненных в работе, сформулированы цель и задачи работы, ее научная и'практическая значимость.

Глава I диссертации содержит обзор литературы, состоящий из двух частей. . Первая часть литературного обзора посвящена рассмотрению современных методов определения конформации макромолекул аморфных полимеров в твердом достоянии. Здесь рассмотрены основные характеристики аморфного состояния полимеров, различные точки зрения на организацию полимерных цепей в аморфном состоянии. Также подробно проанализированы результаты определения конформации полимеров в твердом состоянии, полученные с помощью двух методов - нейтронного рассеяния и переноса электронных возбужденных состояний; обсуждаются достоинства и недостатки этих методов. Во второй части литературного обзор?, рассматриваются магнито-резонансные методы исследования пространственного распределения парамагнитных

центров: метод электронного спинового эха я метод спиновых меток. Глава I заканчивается изложением теории формы лиши магнитного резонанса в магнитно-разбавленных твердая: телах с пространственной корреляцией [1,2], на основании которой и выполнена данная диссертационная работа. Эта теория основана на следующих допущениях: линия магнитного резонанса рассматривается как результат суммарного поглощения II радикалов, тлеющих одинаковые магнитные параметры и разную ориентацию магнитных осей. Предполагается, что концентрация парамагнитных центров настолько мала, что функция формы линии внранается только через парную функцию распределения, а членами, содержащими вклад от многочастичных (тройных, четверик и т.д.) функций распределения мозно пренебречь. Предполагается такзе малая анизотропия д-фактора, что справедливо, например, для нитроксильных радикалов, а такае то, чтг> ":ОХ1ю пренебречь запрещенный! переходами. В работе [2] теория была обобщена за "чот включения независимого механизма устарения, который моделируется . .вращательными качаниями радикалов, что эквивалентно представлению функции формы Еэупирозшого ехтектра *0(Н) в виде суперпозиции лоренцееых линий с тариной н на полувысоте. Если известен вид функции с (г) и параметр устарения, то задача нахождения функции фор:.ш линии сводится к квадратурой.

В главе 2 описаны методики получения объектов исследования -спин- меченых полимеров и даны их характеристики, а танке изложены 'методические особенности проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

Глава 3. Концентрационные зависимости спектров ЭПР твердых растворов нитроксильных радикалов. Работы 11,2] позволяют предполагать, что существует возможность определения функции с(г) из экспериментальных спектров ЭПР, уширенных диполь-дипольным взаимодействием. Однако эта теория никогда не сопоставлялась с экспериментом, а без такого сравнения область ее применимости остается неизвестной.

На основе теории, предлог:енной в [1,2], в данной работе рассчитывались спектры ЭПР ряда замороженных растворов нитроксильных радикалов. Расчеты теоретических спектров значительно упрощаются при введении некоторых приближений.

Использованные в работе нитроксильные радикалы и их электронно-

спиновые параметры.

Н.,0 Н^с

ngCHgBr

СН., N Сн3

СН-

сн;

'[

О" О' о*

I II III

Радикал I в СоН,0Н -А = 5.8 Гс, А = 7.0 Гс, А = 35-5 Гс;

а 5 к* уу гг

g =2.0093, g =2.0062, g = 2.0027

Радикал II в СоНс0Н -А = 5.3 Гс, А = 7.7 Гс, А = 36.4 Гс;

¿у XX уу гг

gKK= 2.00917, gyy=2.00619, gIZ = 2.00224

Радикал III в толуоле- а = 6.0 Гс, А = 7.3 Гс, А = 34.2 Гс;

g = 2.0093, g =2.0062, g = 2.0022

Исследованные в работе спин-меченые полимеры.

Спин- меченые поли-4-винилпирвдшш. ■f- СН2- СН -СН2- СН -СН2- СН -)п -(- СН2- СН -СН2- СН -СН2- СН-)П

О'

же -1 ,;-,3,ь

Спин-меченая Спин-меченый сополимер

полимвтакриловая кислота. стирола и малеииового

ангидрида.

Д

СН^ СН3

!-СНр-С -СН,->П 4СН--СН— СН—ОН—СИ—к,

2.2!» 2 , , , , п

к т"V

Обменные взаимодействия быстро убывают с расстоянием, что позволяет говорить о радиусе обменных взаимодействий г.. Если число пар Щ, сближенных до расстояний г<г^ относительно мало, т.е. выполняется условие:

г1 2% 1с

/ ЙГ Гг/а.(р/йвз1пвс (Г)« 1 , (1 )

то обменными взаимодействиями можно пренебречь. При выполнении условия (1) можно пренебречь также запретом на сближение на расстояния, меньше чем расстояние наитеснейшего сближения, определяемое „силами межмолекулярного отталкивания. Ошибки, вносимые этими двумя приближениями, не могут быть значительными, так как вклад пар сильно взаимодействующих центров должен быть заметен только на крыльях спектров. В случав полностью хаотического пространственного распределения радикалов, которое имеет место в замороженных растворах, парная функция распределения сз(г) равна средней концентрации радикалов С3- Для расчетов весь диапазон изменения магнитного поля разбивался на ряд интервалов и по известным формулам для резонансных полей с использованием электронно-спиновых параметров соответствующего радикала определялись веса №п, т.е. доли радикалов, резонансное поле которых попадает в каждый интервал разбиения. Предварительно определяли число

разбиений К и х.араметр уиирения R из условия наилучшего приближения iö(H) к экспериментальному спектру при столь малой концентрации радикала, когда диполь- дипольное уашрение отсутствует (1,7x1о-4 моль/л)._ Выбирали такие значения параметра к, при которых совпадали расчетные и экспериментальные значения параметра (<Ц/й)0 (см.рис.1). Эмпирический параметр А определяется из экспериментального спектра ЭПР спинового зонда или метки следующим образом:

Д= cLj/ü-C^/iDQ, где й^/d- отношение суммарной интенсивности крайних когяюнект спектра к интенсивности центральной компоненты при задзнной концентрации радикала, а (сЦ/<1)0- значение параметра сЦ/d в отсутствии дапольного упирания . Параметр Д давно и широко используется для определения локальных концентраций ст-шовш: меток и зондов, что связано с простотой его определения к его-независимостью от электронно-спиновых параметров радикалов.

Дяя сопоставления теории с экспериментом были записаны спектры ЭПР нитроксильных радикалов 1,11 и III в стеклуютахся растворителях в широком диапазоне концентраций itpz 77°К. Для всех трех радикалов теоретические спектры удовлетворительно воспроизводят экспериментальные до концентраций радикала O.I5 моль/л. Теоретические спектры при концентрациях радикалов больших, чем 0.15 моль/л характеризуются наличием осщшшцкй, интенсивность которых возрастает при увеличении концентрации радикала. Это мокно объяснить тем, что' при высоких концентрациях радикала вклад от многочастичных (тройных, четверных и т.д.) взаимодействий становится значительным, а такие взаимодейотвия не учитываются в представленной теории в которой взаимодействие какого-либо ПЦ ' с остальными рассчитывается в приближении изолированных пар. При высоких концентрациях радикала необходимо учитывать обменные взаимодействия, а такке вклад от пар ПЦ, сбликенных на расстояния, меныше расстояния наитеснейшего сближения, которые не учитываются в данной теории. Все это, по-видимому., и приводит к появлению дополнительных расщеплений в спектрах радикалов при высоких концентрациях.

Рис.1. Параметризация спектра нигроксильного радикала в замороженном стеклующемся растворителе.

Так как из визуального сравнения экспериментальных и теоретических стктров можно сделать лишь качественные заключения об адекватности теоретических спектров экспериментальным, необходимо ввести параметры, позволяющие количественно характеризовать степень согласия теоретических и экспериментальных спектров. Для количественной характеристики было выбрайо три параметра: параметр Д, 2А22 эф$» равный расстоянию по полю между крайними экстремумами спектра и В-расстояние между экстремумами центральной компоненты спектра (рис.1>. Было показано, что все эти параметры теоретических и экспериментальных спектров практически не отличаются между собой в области концентраций радикалов до 0.15 моль/л (рис.2).Из результатов, приведенных на рис.2в следуэт, чго ширины - компонент в спектрах ЭПР нитроксильных радикал эв сравнительно мало меняются при увеличении концентрации (особенно в области концентраций радикалов сз< 0.15 моль/л).

Теоретическая функция формы спектра Г(Н) нормирована усло-

д

0Ш-)

ПА......а'1о ' 'аШ................Ша

2Аг2ггс

сам ■

В» гс

с, ыоль/л

а

С. МОпъ/п

Рис. 2. Концентрационные зависимости параметров эксперимантальнкх (точка) а теоретических (кривые) спектров ЭГГР зкгорогэвных растворов ннтроксилькых радикалов.

а.£аачанЕЯ параглэтра Д для радикала I в катакола. а.Значения 2Ааа>еф|< для радикала XI в кэтаноле.

в.Значения параметра В »

дол радикала I в иэтшолэ.

С.ОО ою о. »5 о^о

с. ио/л/п

вием:

JT (H)dli -1

Оказалось,, что интенсивности компонент спектра в расчетных спектрах значительно уменьшается при увеличении концентрации радикалов (рис.3), что можно объяснить ростом интенсивности дальних ненаблюдаемых крыльев спектра при увеличении концентрации радикалов. Исходя из этого представляет интерес сравнить с экспериментом првдскззтше теории о концентрационной зависимости интексигаостей спектров. Для того, чтобы провести такое сопоставление, необходимо нормировать экспериментальные спектры. Нормировка зкспорга.еэптальных спектров в данной работе заключалась в том, что спйктрн зсч!орокзнных растворов нитроксильных радикалов различных концентраций приводились к одному и тому se количеству сгансв. Таким образом получали спектры с приводенкшз! интинсп^сстл:„ Sa единицу была выбрана интенсивность нейтральной компонента сгактрэ радикала с концентрацией 0.2 моль/л. Теоретические спектры сопоставляли с экспериментальными ЭПР-стактраст паморогешшх растворов радикалов I и III. При внбрзпной процедуре нормировки ошибка определения лзрямотра d на прввиала 10-15,<5.

Нз рис.4 прйЕСДэнз теоретическая зависимость относительной интенсивности центра,«пой компоненты спектра ЭПР (d) от концентрации радикала с нанесенная на нее экспзржэятальшма точками для двух радикалов. В области пркг^эшэгсстп тоориз параметр d пзшшяэтся болэв чем в 3 раза. Расчетные кривые для параметров радикалов I п III практически совпадают. Дшпше рис.4 указывают иа хорояеэ совпадение теоретических к зкспэркмеитадьких значений относительной ттаисявности центральной компонента спектра.

Таким образом,теория,развитая в работе С1),количественно описавает не то.^ко форму лепя ЭПР нитроксилькых радикалов в заморогешшх растворах а области концентраций до 0.15 моль/л,но и Ейтенсивиостя цзятрзльной компоненты спектров, нормированных на одинаковое число cmmos. Этот факт используется в дальнейшем для изучения копфоргацаоянсго состояния спин-меченых махромолакул в творйи полимерах.

Рис.3. Теоретические спектры растворов радикала I в метаноле. Концентрации радиола: 1- 0.0125 моль/л, 2- 0.075 моль/л, 3- о.г

моль/л. 5.00 т

4.00 : З.оо : 2.оо : i.co :

0.00 1 I и I I 11 111 " 11 I 11 и 11 11 м 11 I 11 и I I м I) I 11 и I

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

С ,моль л

Рис.4. Зависимость интенсивности центральной компоненты спектра ЗПР от концентрации радикала. Сплошная линия- теория, ¿-радикал I, *-радикал III.

1fr

Глава 4. Определение конформаций спин-меченых полимеров методом 311?. Ксли спиновые метки распределены по цепи равномерно шш случайно, а число звеньев в цепи N и число меток п достаточно велики, а степень мечености р=п/ы конечна, то

сд(г)= рс (г), (2)

где С3(г)- парная фугжция распределения спиновых меток, я С(г>- парная функция распределения мономерных единиц макромолекулы. В данной главе будут рассматриваться твердые растворы спин-меченых полимеров, разбавленные настолько, что взаимодействием меток на различных макромолекулах мож:э пренебречь.

Парная функция распределения звеньев бесконечно длинной линьйной цепи может быть представлена в виде:

С(Г) = [<ш И)К| (г), (Э)

где И|К|(г)~ плотность распределения вероятностей для вектора, соединяющего концы отрезка цепи из К звеньев. В работе [3] на основании численных экспериментов было предложено следующее эмпирическое соотношение для функции распределения для вектора, соединяющего концы отрезка цепи из К звеньев:

Ик(г) = ск т-Х ехр[-(г/ак)1] (4)

где к - показатель, характеризующий поведение распределения при малых г; t = (1-г»)"1, где V- критический индекс размеров полимерной цепи, с - нормировочный множитель, а параметр расраспределения ок пропорционален среднему квадрату расстояний между концами отрезка цепи из К звеньев

Для среднего квадрата расстояний мезду концами отрезка цепи из к звеньев принимается соотношение, аналогичное соотношению для расстояния между концами всей цепи:

<г^>=К2Уаг, (5)

где а- среднеквадратичная длина мономерного звена. Такта образом, распределение (4) содержит три параметра: X, 1 (или V) и а и включает в себя многие частные случаи. Подстановка (4) в (3) дает:

С(г)= --(б)

а г

где Б = 1 /V - фрактальная размерность клубка и -

численный мяоки'юль порядка -единицы. Для гауссовой цепи (•у=1/2, Х=о) получается известный результату = 3/%- Для самоизбегаюцей цепи (г>=з/5, Л.=о.71) ч=0.43- Формально уравнение (6) воспроизводит и глобулярное состояние, при котором Ю= 3 -При этом следует полошть величину q/as равной концентрации мономэрнах единиц в глобуле.

Очевидно, что распределение (6) применимо только в интервале г"<г<г". Нишяя граница интервала должна быть больше радиуса нековалентных взаимодействий монокероа <"толщины" цепи). Из уравнения (3) следует, что величина г" должна быть порядка размеров клубка (радиуса инерции). Использование (6) возможно, для достаточно малых степеней кэчсности р к таких больших степеней полимеризации и, при которых даполь-дипольным взаимодействием меток, разделенных расстоянием г'", мояно пренебречь. Подстановка функции распределения (6) в соотношения теории [1,2] позволяет выполнить интегрирование по пространству и рассчитать форму линии поглощения.

Конкретные расчеты были выполнены при следующих значениях электронно-спиновых параметров радикалов: 17.^= 2.00917,^=2.00619.^= 2.00224,

Ахх= 5.8 Гс, Ауу= 7.7 Гс, &х1= 36.4 ГС (эти значения были определены из спектров ЭПР гт диапазона спин-моченого ПВП в замороженном растворе в метаноле );

2.00938, 6^=2.00619, 5„= 2.00224, А*"= 5.5 Гс, Ауу= 7^4 Гс, 35.0 Гс (эти, значения были определены из спектров ЭПР 2мм диапазона слабомеченого ПВП в блоке при 77°К). .

Ел рис.5 представлены зависимости параметра и от среднеквадратичной длины мономерного звена а для гауссова и разбухшего клубков, рассчитанные для различных . степеней мечености от 6 до 40 моль5б. Эти зависимости не чувствительны к выбору электронно-спиновых параметров радикалов, о чем свидетельствует практическое с-впадение значений параметра Л

л

Рис.5. Зависимости параметра А от среднеквадратичной длины монокврного звона (а) для спин-меченых полимеров с различными степенями замещения б конформацда гауссовой (&) и разбухшей (<И цепи. Расчеты про-

водились с использованием электронно-спиновых параметров радикала 7, для кривых :-з - радикалов 17 (верхние точки) и V .

для спектров, рассчитанных с использованием электронно- спиновых параметров радикалов IV и V. Обращает на себя внимание разн-тй масштаб изменения параметра А: при уменьшении а от -12 до 52 А для спектров спин-меченых полимеров в гауссовой конформации изменяется от 0.1 до 0.8 ( для разных р) (рис.5а), для самоизбегающих цепей - от о.оз до о.з (рис.5б). Зависимость А от а объясняется тем, что по мере увеличения жесткости цепи падает локальная концентрация спиновых меток. Точно гакке падает она и при набухании клубка, что и приводит к уменьшению значений параметра А.

Из анализа теоретических спектров было показано, что задача определения конформационного состояния спин-меченых макромолекул в твердом состоянии может быть решена из сопоставления интенсивиостей линий ЭПР-спектра, т.к. интенсивности линий спектров, соответствующих разным конформационным состояниям макромолекулы отличаются ¡левду собой.

Ркс 6. Зависимости интенсивности центральной компонрнты расчетах спектров ЭПР сттин-мечених полимеров от параметра А для различных конфирмационных состояний макромолекулы. 1- глобула, .:- гауссова цепь, >расбухшая цепь, о- р=9*. о-р=1?«, х-р=30Ж,

а

о.оо

Д

д

Piic.7. Тосозт'геосгта зависимости отношения интенсивностей центральных" когяюиент нормированных (приведенных к однсЗ концентра щи) спектров ЗПР зонда и метки от параметра Д. I-гдобула (зонд), II- гауссова цепь, III- разбухпая цепь. Экспериментальные значения ' относения интенсивностей кор:.щровашгцг спектров:

1,2,3 - ПВП-1 (1 - в штаноле, 2 - в н-прспзяолэ, з - в нем.ПБП), 4- ПБП-2 (в мэтеноло), 5- ПБП-4 (в этаюта), 6- ПЕЙ-4 (в нем.ПИТ), 7 - ПВЛ-5 (в этанола), а - 1ЕП-5 ( в ¡.'ет-гголз), 9-ПВП-6 ( в нем.ПБП), 10 -П?Ш{ (в мэтанолз),11- ПМЛК(в ном.ПМДК), 12- ПНАК-IJa (в метаноле), 13 - ПМАК-Ка (истанол, 60 об.З, года 40 об.л), U- СШАЛ в дикэшлфоргламлде.

На рис.б приведены зависимости интенсивностей центральных компонент норотрованшх спектров ЭИР от параметра Д, рассчитанные для трех конформоциокнзз состочнка макромолекул с различными степенями мвчяггп» i- ат 2 jt мпль.Ж. Самое примечательное в этих зависимостях сосгз:;? г том, что точки, соответствующие различным значениям р ложатся на одну кривую. Это означает, что зависимости, приеденные рис.6, определяются только кокфорлзцпонннм состоянием ;:п:-рс:,-.олскулн (параметром v).

В данной работе анализировала ЗПР спектры 1^-растворов различных спин-меченых полимеров в стоклухгзхся растворителях и немеченых полимерах. На рнс.7 приведены зависимости отношения интенсивностей центральных компонент теоретических спектров ЭПР спинового зонда и спиновой метки от параметра Д для гауссова

клубка, разбухшей цепи и глобулы. Здесь приведены также экспериментальные значения отношения интенсивностей спектров зонда и метки для всех исследованных в работе полимеров. Зависимости относительных интенсивностей линий спектра, приведенные на рис.7, получены'из теоретических зависимостей абсолютных интенсивностей нормированных спектров рис.6 при фиксированных значениях параметра Д. Значение отношения интенсивностей для глобулы равно единице, так как парные функции распределения зондов в твердом растворе, а такие меток в глобуле полимера достаточно большой молекулярной массы -постояннные величины, численно равные их концентрации. Экспериментальные значения приведенных интенсивностей спектра получены с помощью уже описанной процедуры нормировки экспериментальных спектров.

Видно, что отношения интенсивностей спектров существенно отличаются, особенно в интервале значений 0.20<Д<0.35. При Л<о.15 теоретические значения отношения интенсивностей отличаются незначительно, . что указывает на необходимость использования полимеров с достаточно большими степенями замещения. Сопоставление экспериментальных значений отношений интенсивностей нормированных спектров зонда и метки указывают на 70, что конформационное состояние всех исследованных макромолекул при 77°Н близко к состоянию гауссова клубка. Этот результат представляется весьма неожиданным, так как изучались достаточно разнообразные системы. Так, , при комнатной температуре этанол и метанол - хороша растворители для поли-4-винилпирйД?ша, а для лолиметакриловой кислоты при комнатной температуре метанол - 8-растворитель .

Следует, однако, иметь в .виду, что здесь определено конформационное состояние полимеров, модифицированных спиновыми метками. Кроме того, качество растворителя зависит от температура и не исключено, что 8-температуры растворов спин-меченых поли-4-винилпиридина и лолиметакриловой кислоты в использованных растворителях незначительно отличаются от температур стеклования этих растворителей. Вывод о том, что макромолекулы спин-меченых поли-4-винилпиридана и полиметакри-лоеой кислоты в немеченом полимере имеют конфэрмацию гауссова клубка соответствует теореме Флори о конформацш макромолекул в

неразбавленных аморфных полимерах , а также экспериментальным данным по определению конформацяи полимеров в твердом состоянии методом рассеяния нейтронов .'

С помощью сопоставления приведенных интенсивностей спектров ЭПР спин-меченых полимеров и спиновых зондов можно найти значения параметров v и К, следовательно, можно количественно оценить косткость полимерной цепи, которая определяется среднеквадратичной длиной: мономерного звена а. Зная а, легко найти и среднеквадратичное расстояние между концами цепи по хорошо известному уравнению для гауссова клубка: <Ьд>1/2= N1/2a. Для гауссовых клубков величина а определялась из кривых рис.5а с использованием, в случае необходимости, линейной интерполяции. Ка основании найденных значений а и данных о молекулярных массах полимеров были рассчитаны аначснп:: среднеквадратичных расстояний между концами цепи; они также ^вдсгазлзцц в таблице I.

Из результатов, приведенных в таблице I следует,что интервал изменений среднеквадратичной длины мономерного звена при • изменении молекулярной массы спин-меченого поли-4-вишшшрвдяна от 5х104 до 7.5x105 лежит в пределах ошибки измерения величины а. Это означает, что число мономерных звеньев l-'-SOO, соответствующее молекулярной массе бзЮ4', достаточно велико, чтобы моано было пользоваться предложенной теорией .

При изменении содержания спиновых меток на макромолекуле поли-4-виншширидаша . в интервале 10-20 моль.% найденные значения а остаются практически неизменными. Отсюда следует, что изменение содержания меток в указанном интервале слабо влияет на гибкость юж-4-вшвдшридана в твердом состоянии.

Размеры макроколэкулярного клубка в застеклованных низкомолекулярных растворителях и в твердом немеченом полимеро отличаются незначительно.

В таблице представлены также значения параметра гибкости полимерной цепи 6, определяемого как где (Ht) -

среднеквадратичный размер цепи со свободным внутренним вращением («У- мера равновесной гибкости цепей различной химической структур^. Значения для немеченых поли-4-винилпиридина (<У = 2.4) и для полиметакриловой кислоты (6" = 1.8) в в - раствори-

Таблица I.

Кокформационнне характеристики спин-меченых макромолекул

N ПОЛИМЕР РАСТВОРИТЕЛЬ МОЛ. р А а, 2 О <у£>1УгЛ

МАССА.

1 ПВП-1 метанол 5x1 о4 17 0.26 10 3.2 220

2 1ШП-1 н-пропанол 0.29 9 2.8 200

3 ПЗП-1 П-4-ВП 0.20 11 3.6 240

4 ПВП-2 метанол 5x104 9 0.15 10 3.2 220

5 ПВП-4 этанол 1.4x105 21 0.28 10. 3.2 360

6 ПВП-4 П-4-ВП 0.26 9.5 3.1 350

7 ПВП-5 этанол . 1.4x105 9 0.17 9 2.8 330

8 ПВП-6 ыотанол 7.5x105 11 0.13 11 3.6 1070

9 ПВП-6 П-4-ВП 0.16 10 3.2 дао

10 ПМАК метанол 1.4x105 23 0.25 11 3.6 440

11 ПМАК ПМАК о.зз 9-5 3.1 380

12 ПЫАК-На метанол 0.23 12 3-9 480

13 ПМАК-Иа метанол/вода= 0.20 13 4.2 520

=3/2 . А

14 СТМАЛ димэтил- 6x104 12 0.22 9 2.9 220

формамнд

твлпх заметно коиыиэ соотаэтствзпщих значений для спин-меченых полимеров при 77°К. Это не удирятельно, так как при модификации полимера спиновой меткой монет возрасти жесткость цепи. Кроме того, в данной работе конформация макромолекулы определена при 77°К. Жесткость полимерной цепи возрастает при увеличении температуры и естественно, что при 77°К значение а больше, чем при комнатной температуре. При обсуждении результатов по спин-меченой полиметакриловой кислоте следует обратить внимание на то, что при образовании соли немного увеличивается жесткость полимерной цепи; это приводит к увеличению значений а, и <ь2>1/г. Особый интерес представляет изменение размеров макромолекулярного клубка ГОШ-Ыа при добавлении к раствору полимерной соли в метаноле воды в количестве 40 об.58 (при большем количестве вода смесь кристаллизуется, а не стеклуется, что препятствует корректному определению величины При добавлении воды макромолекула в твердом состоянии сохраняет конформацию гауссова клубка (см.рис.7), однако, как и следовало ожидать, возрастают жесткость и размеры клубка.

Для определения чувствительности спектра к виду парной функции распределения были проведаны расчеты формы спектров спин-меченых полимеров с усеченной функцией распределения. Расчеты проводились для полимеров со степенями замещения р от 9 до 30 мол.% для двух значений среднеквадратичной длины мономерного звена а=7 и пХ. При сравнении спектров, расчитанных с усеченной функцией распределения при различных значениях г, определяли минимальное значение г, при котором они начинали различаться от спектров, расчитанных с обычной функцией распределения. Спектры сравнивали по параметру сц/й. Таким образом находили значение г** , на котором обрезается парная функция распределения спиновых меток в полимерном клубке, что с точки зрения теории соответствует цепям бесконечно большой молекулярной массы. Диапазон полученных значений г**- 20-402 в зависимости от гибкости цепи и степени замещения поли/ера спиновыми метками.

Глава 5. Сопоставление данных измерения размеров цепей спин-меченых макромолекул методами Э11Р и светорассеяния, светорассеяние является прямым и наиболее обоснованным методом измерения

размеров макромолекул в растворе, используемым для апробации и калибровки других косвенных методов. Так как в предыдущей главе было показано, что конформация исследованных в работе спин-меченых макромолекул соответствует конформации гауссова клубка, то представляет интерес сопоставить количественные результаты измерений размеров макромолекул, полученные методом ЭПР-спектроскошш с данными измерения размеров гаин-меченнх полимеров в идеальном растворителе.

Спин-меченне полимеры с высокими степенями замещения, предложенные в предыдущих главах для исследования конформаиионннх характеристик методом ЭПР, можно рассматривать, как статистические сополимеры. Определение 6-точки для сополимеров - достаточно сложная задача, решить которую удается далеко нэ всегда. В данном случае дополнительная сложность состояла еще к в том, что спин- меченые полимеры, полученные в данной работе, имели значительно худшую растворимость в низкомолекулярных растворителях, чем исходные, немодифициро-ванные полимеры, что чрезвычайно затрудняло эксперименты по светорассеянию растворов спин-меченых полимеров, так как метод светорассеяния очень чувствителен к растворимости полимеров.

Данные измерений светорассеяния двух спин-мэченых ПВП указывают на то, что метанол при комнатной температуре тага» является хорошим растворителем для спин-моченых ПВП (т.к. полученные значения второго вириального коэффициента а2>0), как и для немеченого ПВП, что ухе отмечалось выие. В тех случаях, когда прямое измерение невозмущенных размеров невозможно для определения невозмущенных размеров используют термодинамические и статистические теории растворов полимеров. Для расчета невозмущенных размеров полимерных ■ цепей из данных по светорассеянию в хорошем' растворителе в данной работе была использована хорошо известная работа [4]. Результаты расчетов невозмущенных размеров цепей для двух спин-меченых ПВП

О -1 А>

приведены ниже ((Rt)A'среднеквадратичный радиус инерции).

ПВП-1 (Р=Ш): светорассеяние - (h2)^2 = 251Х, iR|>o/2 = 102^; (Мол.масса з.1хю4) ЭПР - (h2)J/2 = 142Х, (R2)q/2 = 5вЬ, ПВП-б (р=11Ж): светорассеяние - (й2)^/2 = 7372, = 3002;

(Мел.масса 7.5хЮ5) ЭПР - . (К2)^2 = '8552, (r|)q/2 = 3492;

Приведенные данные указывают на расхождение значений размеров цепи ПВП-1, определек«ых двумя различными методами ч на удовлетворительное соответствие значений для ПБП-6 (разница в значениях радиуса инерщш 16:?). Разницу в получешшх результатах молно объяснить следующим образом. Молекулярная масса ПВП-1 оказалась значительно меньше, чем у исходного ПВП (5x1о4), что должно приводить к ухудшению приближения (41 и, вообще, к большим отклонениям от гауссовой статистики. Для полимера значительно более высокой молекулярной массы результаты оказались значительно болев близкими друг к другу. Следует также еще раз отметить, что размеры спин-меченых макромолекул методом ЗПР определялись при 77°К. В случае спин-меченого полимера стоит, по всей видимости, говорить не о 9 точке, а о б-области, т.е. температурной области «езду 6-температурой и температурой фазового расслоения. Результаты измерений размеров макромолекул методом светорассеяния яяже б-точки показывают, что изменение размеров цепи может бнть достаточно значительном даже при очень палом понижении температуры ниге 9-точка.

В Приложении приведе!Ш тексты програг^л расчета спектров ЗПР спиновых зондов и сгош-кзченнх макромолекул.

Сплсок цитированной литературы. 1 .Дяепзров О.С., Лундин A.A., Хазанович Т.Н. Форма линии магнитного резонанса в магнитно-разбавленных твердых телах с пространственной корреляцией и неоднородным уширением//ЮТФ. 1987.- Т.92.- Iß.- С.554-567.

2.Хазанович Т.Н. Теория форм линии ЭПР в магнитно-разбавленных твердых телах с пространственной корреляцией//!? сб.:Методы ЯМР и ЭПР в хкмет твердого тела. Черноголовка. 1990. C.I9I-I92.

3.РогаЬ С., Gillie J., ИНгссгз G. On the shape and configuration or polymer Bolecule3//?roe.Phy3.Soo. 1965.- 7.65.- H4--P.625-645.

4.0rofino T.JU, ?lory P.J. Relationship of the second virial coefficient to polyner chain dinenaions and interaction раггивter// J. Chea.Phys. 1957.- 7.26,- P.1C67-1076.

выводы.

1. Показано, что теория формы дапольно-ушренных спектров ЭПР в магнитно-разбавленных твердых телах с пространственной корреляцией [1,2] количественно описывает экспериментальные спектры нитроксильных радикалов в широком диапазоне концентраций.

2. Общая теория применена к анализу спектров ЭПР сшн-меченых макромолекул в твердом состоянии, на ее основе разработан пакет программ, позволяющих рассчитывать спектры спин-меченых макромолекул в различных конформационных состояниях.

3. На основании анализа расчетных спектров разработан метод определения конформации и размеров цепей спин-меченых полимеров в твердом аморфном состоянии.

4. Разработанный метод применен для определения конформационно-го состояния, параметра жесткости и размеров цепи ряда спин-меченых полимеров в застеклованных низкомолекулярных растворителях и немеченых стеклообразных полимерах при 77°К. Конформацнонное состояние всех исследованных полимеров в различных средах близко кконформации гауссова клубка.

5. Сопоставление • полученных количественных результатов с результатами расчета невозмущенных размеров полимерных цепей из данных по измерению светорассеяния' ряда полимеров в хороших растворителях показало удовлетворительное соответствие данных, полученных с помощью двух различных методов.

Основной материал диссетации опубликован в следующих работах.

1. Alexandrova Т.A., Wasserman A.M., Kokorin A.I., Kolbanovsky A.D., Lundin A.A., Medvedeva T.V., Khazanovioh T.N. The speoifio character of ESR line shapes in spin-labeled macromolecules// Abstracts of International conferenoe on nitroxide radicals.- 1989.- Novosibirsk.- P.26P.

2. Khazanovich T.N., Kolbanovsky A.D., Medvedeva T.V., Wasserman A.M. KPR study oi the pair distribution function оt monomer units in solid state polymers//Abstracts Ol XI International workshop on electron magnetic re sc. lance in. disordered systems-. - 19;' 1 Sofia.- P.26.

Вассориш A.M., КолбаноЕсап! А.Д., Кокор'ля А.!'., Медведева Т.Е., Хазановкч Т.Н. Определение информации слин-меченгх макромолекул в твердых телах из дипольного уиарзииг. лиг::: ЗПР//В сб.: XII Всесоюзная ¡Шсола-скмпссиум по магнитному резонансу. 1991.- Кунгур.- С.94.

4. КолбоповскнП Л.Д., Вассерлан A.M., Хаяпьович Т.Н., Кокорш A.M. Экспериментальная проверка теория дшольного уиирвная спектров ЭПР твердых растворов рздш<алов//Хим.физика. IS92.-Т.11. ~ М1.- С.94-100.