Новые поверхностно-активные вещества, содержащие циклодекстрин и полиэтиленоксид тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА. ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 541.183.02 : 547.917

КАРЕЗИН Константин Игоревич

НОВЫЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА, СОДЕРЖАЩИЕ ЦИКЛОДЕКСТРИН И ПОЛИЭТИЛЕНОКСИД

(02.00.06 — Химия высокомолекулярных соединений)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА - 1998- г;

Работа выполнена в Государственном Научном Центре «НИОПИК» и на кафедре высокомолекулярных соединений Химического факультета Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор химических наук

Топчиева И. Н.

кандидат химических наук Быстрицкий Г. И.

Официальные оппоненты: доктор химических наук

профессор Измайлова В. Н.

доктор химических наук профессор Симакова Г. А.

Ведущая организация: Институт биоорганической химии

им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

Защита состоится 17 июня 1998 года в 15 час. на заседании диссертационного совета Д.053.05.43 по химическим наукам при Московском Государственном Университете им. М. В. JIо моносоЕа по адресу: 119899, Москва, Ленинские Горы, МГ>, Лабораторный корпус «А», кафедра высокомолекулярных соединений, а уд. 501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета ¿МГУ.

Автореферат разослан « . (Н . » мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук

Миронова А. А.

1'\K I l l'IK Г11КЛ I'AliOTI.I

ivn.n.HiK 11. npofi. icmi.i. Суттрамолекулярная химия - современная, бурно развивающаяся i,дисциплинарная область химии, граничащая с органической, коллоидной, >чи\1С1 ичеичон химией и химией высокомолекулярных соединений Начало к'лованпяч м >ioii области было положено открытиями краун-тфиров и криптандов КТЮСТ1, mix открытий била отмечена присуждением нобелевских премий по химии Д Крамму. Ж -М Лену и К Педерсену п 1087году

Ciimci с\нрамочекулярных структур, основанный на принципах молекулярного знания н молекулярной самосборки, осуществляется с помощью образования овален|ных аддумов за счег кооперации многих слабых связей (Ван-дер-ваальсовых, [оротных и I нлрофобных) Этог принцип широко используется природой для создания |жиы\ структур, выполняющих важные биологические функции мультпферментных птлексов. мембран, рибосом, вирусов и т д Один из наиболее важных принципов гтекулярното уптавання состоит в образовании комплексов включения типа "гость-;яин" В качестве молекул - "хозяев" как правило выступают циклические молекулы, юржатмс виутрениие полости (краун-эфиры, цнклодекстрины, каллттксарены и т д.). '.пекулярное ушаванне остювано на геометрическом соответствии между молекулами стя" и "хозяина" Химическая природа молекул-гостей весьма разнообразна и включает : малые молекулы (инертные газы, ионы металлов и т д) так и сложные объёмистые лекулы типа фуплереио» В последние годы супрамолекулярная химия обогатилась :темами, в которых в качестве молекулы гостя выступают полимерные соединения и ■терхносию-акгивнме вещества Этот подход позволил осуществить синтез соединений, тадающих новой н необычной архитектурой молекулярных ожерелий, катенанов и мкеанов. букетных структур и т д

В настоящей работе будет рассмотрен синтез новых супрамолекулярных структур на юве поверхностно-активных веществ (ПАВ), представляющих собой ковалентные и човалетттные аддукты цнклодекстрнна (ЦД) и полизгиленоксида (ПЭО) ль пв5оты. Получение новых поверхноеттю-актнвиых веществ двумя методами методом лекуттярпоп самосборки на основе ПОО-содерЖащих неионных ПАВ, а также с помощью петою одностадийного синтеза, использующего гпдрокенльпые группы ЦД в качестве ипнаюров полимеризации окиси этилена Предполагается изучить состав и структуру лученных соединений и исследовать их физико-химические, поверхностно-активные и мплексообратутощие свойства

тучная новизна работы. Впервые получены молекулярные ожерелья на основе неионных Ш и 1ДД Определена структура и состав полученных комплексов в растворе и в твёрдом

состоянии. Установлено, что в зависимости от размера молекулы цпклодекстрин; образуются соединения с различной топологической структурой l'ajpaóoian простой i эффективный метод синтеза букетных структур (конъюгатов) на основе </.-. (i- п у-ПД и ПЭО Показана возможность образования инклюзионных комплексов иш соединений i низкомолекулярными лигандами в водной среде Взанмодейсшю 11ПЛВ с коныогатам! ПЭО-ЦД приводит к образованию дендритоподобпых структур

Практическая значимость работы. Полученные в работе конъюгаш ЮО-ЦЦ обладаю уникальной, характерной для исходных цнклодекстринов способности обраювыват комплексы включения с различными по структуре и свойствам соединениями l¡ южс врем модификация полимерными цепями позволила придать им прекрасную pací ворнмость в вод в сочетании с поверхностной активностью. Совокупность ли\ свойств позволяе использовать конъюгаты в качестве транспортных средств для дооавки лекарственны соединений в организме.

Апробация работы. Основные результаты работы были предскшлеиы на 8" Международном Симпозиуме по циклодекстрпнам (Ьудапепп, Иешрпя, 1996), Г-Международной Конференции "Химия высокоорганизованных вещее ib и научные основ! нанотехнолопш" (Санкт-Петербург, 1996), 9- Международно!! Конференции и поверхностным явлениям и коллоидной химии (София, Болгария, 1997) н 5""-' [-.вропейско! Симпозиума по контролируемой доставке лекарственных средет (Иордвик ааи ¡ei Нидерланды).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных paóoi Объём н структура работы. Диссертационная работа сосюш us введения, обзор литературы (3 главы), постановки задачи, экспериментальной част, шложенпя резулыато и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литера1уры (139 наименований). I'aóoi изложена на 99 страницах и включает 6 таблиц и 52 рисунка

)Д КРЖЛ11IIК 1'Л ПОТЫ

Синтез м исследование комплексов неценных поверхностно-активны* веществ с

цнклолекетринамн

Циклодекстрины способны образовывать инклюзионные комплексы с полимерами -лскуляркыс ожерелья (МО), в которых десятки молекул ЦД нанизываются на лпмернме цепи Наиболее изученными являются комплексы с водорастворимыми пиалкнленоксидачп политгиленоксндом (ПЭО), полипропиленоксидом (ППО) а также ли пилемокснд-полппропнленоксидными сополимерами. Представлялось интересным яенпть, способны ли блоки, входящие в состав непонных ПАВ (НПАВ) выполнять роль reii для формирования молекулярных ожерелий. Необходимо отметить, что .имодейстпнс 1I11AB с ЦД практически не исследовано, имеется единственная работа, в opoii было щучено комилексообразование между НПАВ Triton Х-100 и ЦД методом юриметрип Однако полученные данные не представляются достаточно надёжными и зывалп удивление у самих авторов.

Нами было проведено исследование структуры и состава комплексов на основе ПЭО-(ержащмх HIIAB различной химической природы с ЦД в растворе и конденсированной ¡е и описаны мицеллообразующне свойства этих комплексов

<м3 <п3 •jj*

Hjc <; <ir2 у <i i)-0-(ni2rn20)n-Ti c,7iij5-c-0-(CH2cn20)23-n tiij fiij

Triton X-45 (11=5), Triton X-100 (n=IO) ПЭГ-1000-моностеарат

г,21125 О (Г11гСН20)23-Н Brij .45

I. Структуры НПАВ, нспользованных для получения инклюзионных комплексов на основе 1 |Д

Взаимодействие исследованных НПАВ с а- и у-ЦД в концентрированных водных 1 ворах приводит к выпадению осадка. Кристаллическая структура комплексов, еделённая методом рептгеноструктурного анализа, не зависит от природы

з

использованного НПАВ и аналогична структуре МО, полученных на основе а- и у-ЦД ПЭГ (Таблица 1).

Таблица

Межплоскостные расстояния с! для комплексов а- и у-ЦД с ГПО н с нснонными ПАВ

Рефлекс а-ЦД-ПЭО а-ЦД-ПАВ у-ЦД-ПЭО у-ПД-ПАВ

й,к J, А J, А </, А

1 16.60 16,62 23.13 23 10

2 11.82 11.86 16 88 16 87

3 8 28 8.28 И 95 11.95

4 6 88 6.86 11 55 11 58

5 5.55 5.57 8 44 841

6 5 51 5.51 7 72 7 74

7 4.46 4.46 7 20 7 21

В 3 91 3 90 6.29 6 30

9 3 25 3 25 5 98 5 98

10 5 31 5 30

11 4.60 4 64

12 4 33 4 35

13 4 06 4 07

14 3.78 3 78

15 3 61 3 62

Существование инклюзионных комплексов в растворе было доказано с использоваш метода гель-проникающей хроматографии. Объем элюции Triton X-I0U в присутствии меньше соответствующего объёма исходного НПАВ, что указывает на обраюва комплекса между компонентами

1.1. Комплексы неионных ПАВ с а- и /З-ЦД

Методом поляриметрии было показано, что для болышшсша щученныч II АН coi комплексов с а-ЦД (молярное соотношение ЦД/ПАВ) cooiBeicieyei cooiiioiuei компонентов, вычисленному в предположении, что на каждые дна звена окиси -ни. приходится одна молекула ЦЦ (Таблица 2). Эго дает основание иредположни.. чк>

1) ЦЦ селективно нанизывается на ПЭО-фрагменты ПАВ, образуя МО,

2) МО, образующиеся на ПЭО-фрагментах, характеризуются большей 1срмодинамиче1 стабильностью по сравнению с комплексами а-ЦД с алифатическими соединениями

Таблица 2

( icMioMi'i рическпй cot ian комплексов на основе «-11Д и МИЛИ

ПАИ Молярное соотношение а-ПД/ПАВ

Icopet нчески В кристаллическом И растворе

рассчптнное сос 1ohiii iii

1 1 lloil -> . 1 2+1

1 шоп Х-100 5 5 + 1 5± 1

lOOil-mdiitk'ieapai 1 1 ИМ 11 + 1

Bii| ^ 11 3 t 1 3+1

Важную информацию о характере взаимодействия НПЛВ с 11Д в растворе даёт пучение влияния 11Д па ККМ Можно ожидать, что образование МО приведёт к пдрофнлтанип модифицированных ПАП (МПА13), что в свою очередь, должно проявиться | увеличении ККМ Для определения ККМ был использован метод измерения ювермюстного п.ия,копия Типичный вид иютермы поверхностного натяжения водного шетвора комплекса (/-I [Д-ТШоп Х-100 приведен на рис 2 На кривой имеется два излома, оотпетствуюпшх ККМ исходною и модифицированного ПАВ. (МПАВ), причем СКМмщи ККМнщн При достижении стехиометрического соотношения ЦДТ1АВ >ег пстрируется лини, один излом, соот ветезвуюшпи ККМ комплекса.

п. мН/м

-4 4

Рис 2 Чависимость поверхностного натяжения водного раствора Triton Х-100 в присутствии а-ЦД от концентрации ПАВ Молярное соотношение а-ПДДпЮп=5:1.

'"ч • ■ « ■

-I ()

-3 2 |С1

На рис. 3 представлены зависимости величины ККМ для Triton Х-45 и Triton Х-100 oi молярного соотношения ЦД/ПАВ. Видно, что увеличение содержания ЦЦ в pacreopt приводит к росту ККМ, достигающему предельного значения при соотношении соответствующем стехиометрическому составу комплекса. Рос г ККМ обусловлен, по видимому, образованием МПАВ с постепенно увеличивающейся степенью заполнения I ПО фрагментов молекулами ЦД Важно отметить, что значения стечномсчрического состав; комплексов, определенные в результате анализа кристаллических комплексов н полученньи из кривых, представленных на рис. 3, хорошо согласуются друг с другом (Таблица 2)

е ККМ104,М

I

Рис 3 Чависимост величины ККМ водной раствора Triton Х-100 (1)1 Triton X-45 (2) о молярного соошошени и-ИД'ПДВ

О 3 6 9 12

ЦД/ПАВ

Обнаруженное нами явление несовместимости между мицеллярными структурами н основе исходного и МПАВ позволяет предположить, что оно может проявиться и отношении МПАВ с разной длиной гидрофильного фрагмента Для проверки этог предположения мы изучили зависимость ККМ от соотношения ЦД/ПАВ, используя смсс Triton Х-45 и Triton Х-100 Известно, что гомологичные ПАВ обра>укл смешанные мицелл с ККМ, находящейся в промежутке между значениями ККМ индивидуальных Г1АВ Мели смеси этих ПАВ добавить a-ЦД, то на изотерме поверхностного тпя,кения иаблюдаегся д( излома, соответствующих двум ККМ, и зависимость ККМ oi соотношения ЦД'ПА описывается двумя кривыми (рис 4). Оценка стехиометрнческого сое шва комплексов и-Ц - Triton Х-45 и a-ЦД - Triton Х-100, сделанная на основании -них даниыч, ношолт получить значения, близкие к составу комплексов на основе чиаыч компоненю» Гаки образом, в процессе мицеллообразования МПАВ происходит нч 'фракционирование" i длинам гидрофильных фрагментов

Рис 4 Зависимость величины ККМ водного раствора смеси ТпЮи Х-100 и Х-45 (I I) от молярного соотношения а-ЦД/ПЛВ

X ЦД'ПЛВ

KM III1 м

4

Важно отметить, что замена а-1Щ на Р-ИД. комплементарный изобутильной руппировке на конце гидрофобного хвоста ПАВ. приводит к резкому увеличению ККМ уже три сот ношении ПД ПАВ -I I, а при дальнейшем увеличении содержания Р-ПД в растворе \КМ не обнаруживается Следовательно, гетеромолекулярная ассоциация р-ЦД с нлрофобной частью молекулы Tiilon предотвращает возможность мицеллообразования.

Наличие в составе молекулы Triton фенпльнон группы, являющейся хромофорной .tCTKoii, позволяет определить локализацию блоков а-ПД С зтой целью были изучены УФ-гпектры Tiiton Х-100 в присутствии а- и р-ЦД (рис 5)

Рис 5 УФ-спектры Triton Х-100 в водной среде: I) исходный ПАВ и ПАВ в присутствии а-ЦД в соотношении ЦД/ПАВ=5:1;

2) в присутствии Р-ЦД в соотношении ЦД/ПАВ=2:1;

3) Triton Х-100 в дноксане.

Концентрация ПАВ во всех случаях 2- Ю"4 М.

Видно, что добавление а-ЦД к Triton не влияет ни на положение максимум поглощения, ни на интенсивность пика, причем увеличение стехиомегрпческог соотношения ЦДПАВ вплоть до 5:1 не приводит к заметным изменениям в спектрах Такт образом, молекулы а-ЦД, нанизываясь только на ПЭО-фраг мент Triton, не меняю микроокружения фенильной группы. В то же время добавление |)-1]Д к раствору Triton X 100 приводит к длинноволновому смещению максимума поглощения спектра - на 1 нш Несколько больший эффект изменения - 2.5 нм наблюдается в системе Triton Х-100 диоксан. Сравнение УФ-спектров производных фенола в диоксане и их комплексов с [i-Ц! свидетельствует об их полной идентичности. Следовательно, батохромный сдвиг спектр Triton в присутствии р-ЦД (рис. 5) свидетельствует о том, что в огличне or системы н основе а-ЦД, фенильная группа, по крайней мере частично, включается в полость (>-11Д

Рассмотрим характер зависимости величины ККМ от соотношения ЦД/ПАВ для друпг ПАВ, содержащих длинные ПЭО-фрагменты. Из рис. 6 видно, чю для ПЭГ-1000 моностеарата (ПМС) эта зависимость характеризуется минимумом, далее ККМ растет достигает своего предельного значения и больше не меняется

ККМ 10 . М

Рис 6 Зависимое! величины ККМ водном раствора I1MC oí молярном соошошения ПД/ПАВ

15

ЦД/ ПМС

Поскольку подобный минимум на кривых не наблюдался для систем на основе Imon можно предположить, что его появление обусловлено сложным балансом сил, вклмчамшш в себя водородные связи и гидрофобные взаимодействия между ПАВ и а-ЦД, а тик,и участием звена, соединяющего её гидрофобный хвост с фрагментом ПЭО Отметим, чю, кат и в случае комплексов а-ЦД с Triton, значение состава комплекса а-ЦД-ПМС в точке соответствующей выходу кривой на плато, совпадает с составом кристаллической комплекса и теоретически рассчитанным стехиометрттческим составом

(Хо'ччо обсуждения (аслужинаег характер мкнерм поверхностного иатяжемия Вг^ 35 в пр!к'\ IсI ими 1/-ЦД Как видно ш рис 7 при малых соошошеипях а-ЦД/Вгу проттсходит снижение ККМ. чю \-т е иаблюлалось нами для комплекса а-ЦД с ПМС, в то время как при соотношениях. превышающих 3 I, ча изотермах не наблюдается изломов, указывающих на мппе.гюобсм чш;шпе

60

55

50-

45

40

л мИ/м

Рис 7. Зависимость поверхностного натяжения водного раствора Вгу 35 в присутствии а-ЦД от

концентрации ПАВ

Соотношение ЦД/ПАВ: I) исходный Вгу 35; 2) 1:1; 3) 2 1,4)31.

-4 4

-4 0

-3 6

-3.2 Is с

Кроме того, как видно из таблицы 3, стехпомсгрический состав кристаллического комплекса, выделенною из концентрированного раствора смеси Brij-ot-ЦД, оказался существенно ниже теоретического, составляющего 11 ПД на молекулу ПАВ. Заметим, что »ксперименталым определенный состав кристаллического комплекса также соответствует шаченшо 3 I 11о-вндимому, по мере увеличения соотношения ЦД/Brij молекулы а-ЦД, нанизывающиеся с конца ПЭО-блока перемешаются в сторону гидрофобного участка молекулы Brij В ном случае, как и при взаимодействии Triton Х-100 с р-ЦЦ, включение гидрофобной части ПАВ в полость ЦД препятствует мпцеллообразованию.

Возможность перемещения МО пз гидрофильной части ПАВ в гидрофобную определяется, по-видимому, химической природой звена, соединяющего эти части. В молеьуле Biij 35 чту роль выполняет атом кислорода простой эфирной связи, в пространственном и копформацпонном отношении не отличающийся от соответствующих групп, входящих в состав 1 ПО-фрагмента IIAB В молекулах Triton и ПМС на границе гидрофильною н гидрофобного фрагментов расположены группы, обладающие большим молекулярным обьемом По-видимому, это и создает барьер для перемещения МО в сторону гидрофобных хвостов ПАВ

1.2. Комплексы неионных ПАВ с у-ЦД

Известно, что молекулы восьмичленного у-ЦД способны нанизываться на две цепи ПЭС или ПЭО-содержащнх блок-сополимеров. Поэтому можно было ожидать, чтс взаимодействие у-ЦД с НПАВ приведет к получению новых дифильных веществ содержащих один гидрофильный фрагмент и два гидрофобных. Действительно кристаллическая структура комплексов у-ЦД-НПАВ аналогична структуре двухцепочечных комплексов включения, полученных на основе у-ЦД и ПЭО (таблица 1)

Данные по составу образующихся комплексов приведены в таблице 3 Экспериментально определенный стехиометрическнй состав практически совпадает с теоретически рассчитанным для комплексов Triton Х-100 -у-ЦД и I1MC - у-ЦД г оказывается заниженным для комплекса Brij 35 - у-ЦД (таблица 3) Отметим, чтс поляриметрическое определение содержания ЦД в комплексе включает стадию щелочноГ обработки. В случае ПМС это приводит к гидролизу ПАВ, сопровождающемуся выпадениел осадка стеариновой кислоты. Это требует дополнительной стадии отделения осадка, чтс снижает точность метода

Таблица:

Стехиометрическнй состав комплексов на основе у-ЦД и НПАВ

ПАВ Молярное соотношение у-ПД/ПАВ

Теоретически рассчитанное В кристаллическом состоянии В растворе

Triton Х-100 3 3± 1 3 ± 1

ПЭГ-ЮОО-моностеарат 6 4+ 1 6± 1

Brij 35 6 3 ± 1 -

Методом гель-проникающей хроматографии было noKasano, чго обьем элюцш комплекса Triton Х-100 - у-ЦД меньше соответствующего объема для системы Triton X-IOi - а-ЦД, что также подтверждает предположение о включении двух цепей ПАВ в полост

цд

На примере изучения изотерм поверхностного натяжения Triton Х-100 был' рассмотрено влияние у-ЦД на ККМ. Видно, что ККМ увеличивается вплоть до соотношснн ЦД/ПАВ=2:1, после чего резко падает и далее не меняется (рис 8) По-видимому, при малы молярных соотношениях ЦД/ПАВ молекулы ЦД, нанизываясь на фрагмешы ПЭС скрепляют две молекулы Triton Х-100, оставляя свободными тдрофобные хвосты

ю

лыпую часть 1ПО-блока ")гп затрудняет процесс мицеллообразования, что проявляется в сличении ККМ Стехнометрическне комплексы являются новыми дифильными тсствамн, в которых гидрофильная часть образована комплексом включения, содержащим и молекулы у-ЦД, нанизанными на два ПЭО-фрагмента, а гидрофобная часть - двумя пфатическими хвостами ПАП (структура (1))

Известно, что структуры подобного типа способны образовывать мицеллы, рактсризуюшнеся низкими значениями ККМ. Снижение ККМ при достижении ехиометрического соотношения компонентов по сравнению с ККМ исходного Triton Х-100 'дтверждает предположение об образовании мицелл на основе (1) Определение размеров стиц в водных растворах (1) в интервале между ККМ и пределом растворимости (от 1-10'4 до 1-I0"1 М) показало, что они не превышают 30 им, что также подтверждает щеллярную природу растворов этих соединении.

у-ЦД/ПАВ

Рис 8 Зависимости величины ККМ водных растворов Triton Х-100 (1), Brij 35 (2) и ПМС (3) от молярного соотношения у-ЦД/ПАВ

Отсутствие влияния у-ЦД на мицеллообразующне свойства Brij 35 означает, что злекулы 11Д свободно перемешаясь вдоль цепи ПАВ, не образуют с ним прочного >мплекса Сравнение этом системы с системами на основе Triton Х-100 и ПМС (рис. 8) тзволяет предположить, что это объясняется отсутствием в молекуле Brij 35 объёмистых iynii между гидрофильном и гидрофобной частями молекулы

1.3. Температурная зависимость ККМ комплексов на основе Triton Х-100 н циклодекстринов

В работе было показано, что нагревание водных растворов молекулярных ожерелий на основе блок-сополимеров окиси этилена и окиси пропилена и циклодекстринов приводи! к их диссоциации на составные компоненты. В связи с этим представлялось интересным изучить влияние температуры на комплексы ЦД-Ш1АВ На рис 9 представлены температурные зависимости ККМ водного раствора Triton Х-100 в присутствии а- и у-ЦЦ Видно, что характер зависимости ККМ от температуры различен для каждою комплекса и отличается от линейной зависимости для немоднфицнрованного Triton Х-100 Значения ККМ для системы Triton Х-100 - а-ЦЦ лежат выше соответствующих величин для исходною ПАВ, причем раствор Triton Х-100 мутнеет при 64°С, что соо1ве!сгвует ею точке помутнения, тогда как раствор комплекса остается прозрачным Иная каршна наблюдается для комплекса Triton Х-100 - у-ЦД ККМ данной системы не меняемся но всем исследованном интервале температур. Полученные результаты пошоляки сделай, вывод i том, что оба комплекса не разрушаются при нагревании вплоть до 70 С

ККМ 104,М 5 -1

Рис 0 Зависимость KKPv водною раствора Triton Х-101 (1) п ею комплексов с и- (2) п у ЦД (3) от температуры

3-

10

20

30

40

50

—I— 60

70

80

t."C

Таким образом, использование молекулярной самосборки с участием ПИАН и И,' привело к получению НПАВ нового типа Их можно рассмафивап, как сIр>кI>р| полиротаксанового типа, в которых роль одного из "стопперов" играки шдрофобные чвосп ПАВ. Комбинация самосборки и самоорганизации (мицеллообраюванпя! и крнскииппацп МПАВ обеспечивает строгий контроль за их структурной оргашпацней как в рас торс. 1ак в конденсированной фазе

2

*

3

2. Синтез и характеристика конъюгатов ПЭО-ЦД

Альтернативный способ получения поверхностно-активных веществ, содержащих циклодекстрины, может состоять в синтезе ковалентных аддуктов (конъюгатов) ЦД и ПЭО Конъюгаты а-, Р- и у-циклодекстринов с полиэтиленоксидом были получены путем анионной полимеризации окиси этилена, инициируемой гидроксильными группами молекулы ЦД. Модификация ЦД окисями этилена и пропилена широко используется для повышения их растворимости в воде, что позволяет успешно применять получаемые производные в медицине и биотехнологии Эти реакции проводятся в избытке ЦД, причем селективность замещения контролируется кислотностью среды, а распределение заместителей по ОН-группам носит статистический характер. Представляло интерес провести аналогичную реакцию в избытке окиси этилена, что могло бы привести к получению ЦД, модифицированных не отдельными заместителями, а фрагментами цепей ПЭО, что позволило бы соединить в полученном продукте хорошую растворимость в воде с дифильными свойствами "букетных структур". Синтез проводился в щелочных условиях, что способствовало замещению как вторичных, так и первичных ОН-групп. Следствием того, что реакция проводилась в избытке окиси этилена, явилось образование свободного ПЭО в качестве основной примеси. Реакция, аналогичная использованной нами, применялась ранее для синтеза крахмала, модифицированного цепями ПЭО.

Конъюгаты представляют собой вязкие, бесцветные жидкости, хорошо растворимые в воде и полярных органических растворителях. Методом ДСК было показано, что они аморфны по своей структуре и имеют температуры стеклования в интервале от -73 до -54 "С.

На первом этапе характеристики состава и структуры синтезированных конъюгатов была применена ЯМР-спектроскопия В 'Н-ЯМР-спектрах конъюгатов сигналы протонов молекулы ЦД перекрываются очень интенсивными сигналами протонов ПЭО-цепей. В ПС-ЯМР-спектрах наблюдаются чёткие сигналы, соответствующие атомам углерода полимерных цепей со следующими значениями химических сдвигов: 62.173 ррт, 71.315 ррт и 73 477 ррт Кроме того, проявляются широкие сигналы атомов углерода в области 62 ррт, 71-74 ррт, 80-84 ррт и 100-103 ррт. Наши попытки достигнуть лучшего разрешения линий в спектрах нагреванием образцов до 90°С и увеличением времени накопления сигнала не привели к заметным улучшения качества спектров.

Таким образом, метод ЯМР-спектроскопии не позволяет охарактеризовать структуру конъюгатов, по-видимому, вследствие того, что полученные продукты неоднородны по длинам присоединённых ПЭО-фрагментов и их положению в глюкозных остатках молекулы

ЦД

Исчерпывающая характеристика конъюгатов была проведена с использование! процедуры полного перметилирования, гидролиза и пердейтерометилирования [21] Последовательность реакций и методы исследования приведены на рисунке 10

OR6

OR2

R=

MALDI-MS

J>CH,

CDJ/NaOH

R= xK"-°tcH3

Рис 10 Схема анализа конъюгатов на основе циклодекстринов и полиэтиленоксида Три параметра конъюгатов: молекулярные массы, молекулярно-массовое распределен!! (ММР), Mw/M„ и молярная степень замещения, МЗ, были определены при помощи MALC (matrix-assisted laser desorption/ionization)-Macc-cnexTpOMeTpnii (MALD1-MS) (таблица 4 MALDI-MS спектры позволяют определить средние молекулярные массы М„ и М„ и ММ исходных конъюгатов и продуктов их гидролиза Анализ данных ММР, а так» симметричная форма MALDI-MS спектров свидетельствуют о том, что исходные конъюгат характеризуются узким ММР, близким к единице.

Данные исследования выполнены доктором П. Мишник (Гамбургский Университет. ФРГ)

Для того чтобы оценить молекулярные массы и ММР ПЭО-заместителей перметнлированные конъюгаты были прогидролизованы. Расчёт ММР продуктов гидролиза показывает, что оно несколько шире, чем у соответствующих конъюгатов, но, тем не менее, достаточно узкое (таблица 4). Это означает, что степень полимеризации ПЭО-цепей присоединённых в различных положениях глюкозных остатков различаются незначительно.

Общее число звеньев в конъюгате, МЗ, определяли по разности между молекулярной массой конъюгата и молекулярной массой ЦД, отнесённой к массе мономерного звена (Таблица 4). Среднее число мономерных звеньев приходящихся на каждый остаток глюкозы было рассчитано по следующей формуле: М3,р=( М. .кс.н1к.г-Мцд)/(44- п), где

Мп.конъюг - среднечисловой молекулярный вес конъюгата, Мцд - молекулярный вес ЦД, входящего в состав конъюгата, п - число глюкопиранозных звеньев с молекуле соответствующего ЦД, 44- масса мономерного звена ПЭО.

Таблица 4

Характеристики ПЭО-ЦЦ конъюгатов

ЦД М„ М. /М» МЗ МЗср

Конъюгат гидролизат Конъюгат гидролизат

а 3025 608 1.004 1.04 35-60 8

Р 3540 778 1.005 1.09 40-70 8

У 5537 808 1.002 1.07 80-110 12

Локализация полимерных цепей в конъюгатах была определена с использованием метода газовой хроматографии-масс-спектрометрии (вС-МБ). Из данных по анализу продуктов фрагментации пердейтерированных гидролизатов следует, что присоединение ПЭО-фрагментов происходит преимущественно по гидроксильным группам во 2-ом положении, в меньшей степенн в 6-ом положении и в ещё меньшей степени в 3-ем положении 2 > 6 » 3. Несмотря на высокие степени замещения, в образцах присутствовали остатки глюкозы с незамещёнными гидроксильными группами. Таким образом, полпмеризационный метод синтеза приводит к образованию статистически замещённых ПЭО-ЦД конъюгатов со средней степенью замещения 8-12 звеньев ОЭ на один остаток глюкозы Структурная формула полученных соединений может быть представлена следующим образом:

(

у б/

0-(СН2СН20)а-Н

V

/ Н

1НОСН2СН2)с

(СП2СН20)Ь-Н/ /6-8

а+Ь+с=8 -12

3. Комплексообразующне свойства конъюгатов ПЭО-ЦД

Одним из основных свойств конъюгатов на основе ЦД является их способность образовывать инклюзнонные комплексы. В данной работе было изучено взаимодействие конъюгатов на основе а- и р-ЦЦ с двумя органическими веществами //-нитрофенолом (НФ), использованным в качестве модельного соединения, и биологически активным веществом -ацетилгомотауринатом кальция (АОТА)

3.1. Взаимодействие с л-нитрофенолом

Известно, что взаимодействие НФ с а-ЦД приводит к батохромному сдвигу максимума поглощения на 15 пт Нами было изучено взаимодействие НФ с а- и р-НД и их конъюгатами Дифференциальные спектры поглощения данных систем приведены на рис. 11. Видно, что увеличение концентрации а-ЦД или конъюгатов приводит к росту оптической плотности, прекращающемуся при установлении равновесия между свободной г связанной формами НФ.

ДО О 15-,

О 12-

0 06-

0 09-

Рис. 11. Кривые связывания дл; систем на основе НФ и а-ЦД (1) конъюгата ПЭО-а-ЦД (2), 1 конъюгата ПЭО-Р-ЦЦ (3) Концентрация НФ~5 • 10 М

0 03 -

Т=297 К.

0 (К)

о

2

4

6

смо'.м

Сравнивая характер кривых связывания для а-ЦД и его конъюгата, можно заключить, что: 1) сродство между лигандом и конъюгатом ПЭО-а-ЦД ниже, чем между НФ и исходным а-ЦЦ; 2) кривая связывания для системы конъюгат-НФ имеет Б-образную форму, что свидетельствует о более сложном характере связывания по сравнению с системой а-ЦД-НФ

Уменьшение связывания лиганда при переходе от а-ЦД к его конъюгату объясняется, вероятно, уменьшением эффективного размера внутренней полости за счёт стерических препятствий, создаваемых полимерными цепями для проникновения лиганда в полость ЦД. Подобный эффект уже наблюдался для других производных ЦД. Из литературных данных известно, что константа связывания для комплекса р-ЦД-НФ на порядок меньше чем для комплекса а-ЦД-НФ. Это объясняется тем, что полость Р-ЦД слишком велика для включения молекулы »-нитрофенола, чтобы образовать с ним прочный комплекс. При использовании метода дифференциальной спектрофотометрии нам не удалось зарегистрировать заметных изменений в спектре поглощения НФ в присутствии р-ЦД в различных концентрациях. В то же время, как видно из рис. И, конъюгат ПЭО-Р-ЦД образует комплекс с НФ. Сравнение кривых связывания для ПЭО-Р-ЦД и а-ЦД показывает, что оба "хозяина" образуют одинаковые по стабильности аддукты. Следовательно, наличие полимерных цепей позволяет молекуле конъюгата "подстраиваться" под размер молекулы-"гостя" и образовывать с ней прочные комплексы, которые не могут быть образованы с соответствующим немодифицированным ЦЦ.

Известно, что ПЭО-цепн способны образовывать комплексы включения с а-ЦД. Представлялось интересным выяснить, способен ли конъюгат ПЭО-а-ЦД включить ПЭО-фрагмент в полость собственного ЦД. Принципиальная возможность такого явления была продемонстрирована нами при помощи моделей Стюарта-Брайглеба: действительно, длина и гибкость присоединённых ПЭО-фрагментов вполне достаточна для того, чтобы один из них образовал автокомплекс со своим ЦД. Логично предположить, что такая структура не должна обладать сродством по отношению к внешним лигандам. Именно это и наблюдается на начальном участке кривой связывания НФ конъюгатом ПЭО-а-ЦД (рис. 11). Заметное возрастание оптической плотности раствора НФ при дальнейшем увеличении концентрации конъюгата обусловлено, по-видимому, разрушением автокомплексов за счет протекания межмолекулярной ассоциации ПЭО-а-ЦД.

3.2. Взаимодействие с ацетилгомотауринатом кальция

Принимая во внимание возможность использования конъюгатов в качестве контейнеров для доставки лекарственных веществ, представляло интерес изучить взаимодействие конъюгатов с биологически-активными соединениями. В качестве одного из таких лигандов был выбран ЛОТА (СН,С0ЫН(СН2),80,')2Са2\ используемый в клинической практике для предотвращения рецидивов у больных алкоголизмом Химически это соединение, как молекула гостя, интересно тем, что в его состав входит два аниона Компьютерное моделирование комплекса АОТА-а-ЦД с использованием программы "НурегСЬет" показало, что наиболее стабильная структура образуется при включении одного из анионов ЛОТА в полость ЦД, причём объёмная, заряженная сульфогруппа находится вне полости

Комплексообразование АОТА с ЦД и их конъюгатами было изучено методом 'Н-ЯМР-спектроскопии Включение молекулы АОТА в полость ЦД приводит к сдвигу сигналов ее протонов в сторону сильного поля, причём метильные протоны оказываются более чувствительными к изменению окружения при комплексообразовании, чем метиленовые Поэтому хим. сдвиг метальных протонов АОТА был использован при расчете констант ассоциации (К„) его комплексов с ЦД и конъюгатами

Константы ассоциации были рассчитаны из кривых связывания (изменение хим сдвига метильных протонов в зависимости от концентрации ЦД) (рис. 12) с использованием уравнения(1)

С, М

Рис 12. Кривые связывания для систем на основе. А) АОТА и а-ЦД (I) и конъюгата ГТЭО-а-ЦД (2), Б) АОТА и Р-ЦД (1) и конъюгата ПЭО-р-ЦД (2) Концентрация АОТА= 1.25 • 10гМ, Т=313 К.

_ 8о - 5|

ОоЬь = ОI Н------(1 \

1 + К.[В]

где боЬя - наблюдаемая величина хим. сдвига метиленовых протонов АОТА;

5| - предельное значение хим. сдвига;

5о- хим. сдвиг метиленовых протонов исходного АОТА;

[В] - концентрация ЦД или конъюгата;

К., - константа связывания.

Данное уравнение справедливо при двух предположениях:

1) оба аниона АОТА эквивалентны и не взаимодействуют друг с другом;

2) [В] »[АОТА].

Сравнение констант ассоциации комплексов а-ЦД-АОТА и Р-ЦД-АОТА показывает, что з последнем случае Ка более чем на два порядка выше (Таблица 5). Эти данные противоречат збщепризнанному наблюдению, в соответствии с которым увеличение размера полости ЦД приводит к уменьшению константы ассоциации комплекса. По-видимому, при использовании Р-ЦД в полость могут включаться 2 аниона АОТА. Как для а-, так и для Р-ЦД :остав комплекса будет соответствовать одной молекуле АОТА на 1 молекулу ЦД (1:1) [рис 13),

Таблица 6

Параметры связывания для систем на основе ацетнлгомотаурината кальция и ЦД и их

конъюгатов с ПЭО.

№ ЦД или конъюгат Температура, К Д = 50-8| Кл, л/моль

1 а-ЦЦ 313 0.0360 4.6± 0.4

323 0.0335 3.0 ±0.2

333 0 0320 2.1+02

2 ПЭО-а-ЦД 313 0.0360 2.1+0.1

3 Р-ЦД 303 0.0148 1840 + 20

323 0.0150 1060 + 20

343 0 0124 860140

4 пэо-р-цд 303 0.0195 320 ± 20

323 0.0148 168 ± 10

343 0.0179 63 ±2

Как видно из таблицы 5 оба исследованных конъюгата оказались более слабым комплексообразующими агентами по сравнению с соответствующими ЦД Общим для в« систем является то, что константы ассоциации комплексов уменьшаются при повышенп температуры

Рис. 13. Схематическое представление комплексов между АОТА и Р-ЦД (I) и АОТА конъюгатом ПЭО-Р-ЦД (2).

В экспериментах по связыванию АОТА не было зарегистрировано образованп автокомплексов на основе ПЭО-ЦД. Это может быть объяснено, исходя из того, что рабочи диапазон концентраций конъюгатов в ЯМР-исследованиях был на 2-3 порядка выше, чем дл систем на основе НФ, Принимая во внимание тот факт, что формирование автокомнлексо происходит лишь при низких концентрациях, представляется очевидным, чго в систем АОТА - Г1ЭО-ЦД они не образуются

4. Поверхностно-активные свойства конъюгатов ПЭО-ЦД

Конъюгаты ПЭО-ЦД являются немицеллообразующими поверхностно-активным веществами. Нами было показано, что зависимости поверхностного натяжения водны растворов всех синтезированных конъюгатов от концентрации представляют coóo нисходящие кривые, не имеющие точек излома Методом ГПХ было показано, 4ti увеличение концентрации конъюгатов в водном растворе приводит к образовании ассоциатов, характеризующихся уменьшающимися временами удерживания

Одним из проявлений дифильных свойств конъюгатов является их способность i образованию гетероассоциатов с другими дифильнымп соединениями, например с неионнь» ПАВ, Triton Х-100 Взаимодействие между этими компонентами было продемонстрировано i использованием метода гель-проникающей хроматографии. Другой способ исследовани: гетероассоциации - изучение влияния добавок конъюгата на ККМ Triton Х-100 С это] целью нами были изучены изотермы поверхностного натяжения Triton Х-100 в присутствш

1

2

ПЭО-ЦД конъюгатов и определены величины ККМ. Зависимости ККМ от молярного соотношения ПЭО-р-ЦД/ Triton Х-100 и ПЭО-у-ЦД/ Triton Х-100 приведены на рис. 15.

ККМ 10 , м

5-

4-

Рис. 15. Зависимость ККМ Triton Х-100 от молярного соотношения ПЭО-р-ЦД/Triton (1) и ПЭО-у-ЦД/Triton (2).

о

о

-! 11-

0 12 3

ПЭО-ЦД/Triton Х-100

Максимальное значение ККМ достигается при эквимолярном соотношении конъюгаг . Triton Полученная стехиометрия объясняется, по-видимому, стерическими причинами: конъюгаты ПЭО-ЦД не способны образовывать молекулярные ожерелья, а дают ннклюзпоннын комплекс лишь с концевым участком ПЭО-фрагмента Тот факт, что комплексы, образующиеся при взаимодействии конъюгатов и Triton Х-100, способны формировать мицеллярные структуры, означает, что ПЭО-фрагмент Triton включается в полость ЦД, в то время как гидрофобная часть молекулы ПАВ остаётся свободной

Подобные сферические молекулярные ансамбли, состоящие из высокоразветвленных структурных элементов близки по архитектуре к дендримерам и могут быть предположительно представлены следующим образом (рис. 16)

По-видимому, подход, основанный на синтезе дендримеров путем молекулярной самосборки, может быть распространён на другие ПЭО-содержащне звездообразные структуры, например, мицеллярные структуры на основе амфифильных блок-сополнмеров, содержащих ПЭО-блок в качестве гидрофильного фрагмента

ВЫВОДЫ

1 Показано, что при смешении насыщенных растворов а- и у-ЦД и ПАВ образуются нерастворимые кристаллические вещества Параметры кристаллической структуры и состав комплексов аналогичны соответствующим данным для молекулярных ожерелий на основе полиэтиленоксида.

2. Методом измерения поверхностного натяжения изучено влияние ЦД на мицеллообразование ПАВ. Изучение зависимости критической концентрации мицеллообразования ПАВ от молярного соотношения ЦД/ПАВ позволяет определить состав инклюзионного комплекса в растворе. Значения стехнометрического состава комплексов в растворе и в кристаллическом состоянии хорошо согласуются между собой

3. Комплексы, образующиеся при взаимодействии одного и того же НПАВ с различными ЦД, существенно отличаются как по структуре, так и по составу. Обнаружено существенное влияние химической природы группы соединяющей гидрофильную и гидрофобную часть молекулы НПАВ на локализацию молекул ЦД на цепи ПАВ

4. Осуществлён одностадийный сикгез букетных структур на основе циклодекстринов и полиэтиленоксида путём полимеризации окиси этилена, инициируемой гидроксильнымн группами ЦД. Показано, что избранный метод синтеза обеспечивает строгий контроль за молекулярной массой присоединённых ПЭО-фрагментов и приводит к образованию статистически замещённых ПЭО-ЦЦ конъюгатов, характеризующихся узким ММР (средняя степень замещения 8-12 звеньев ОЭ на один остаток глюкозы).

5. Исследование комплексообразующнх свойств конъюгатов ЦД-ПЭО показало, что константы ассоциации инклюзионных комплексов на их основе ниже, чем для комплексов на основе соответствующих ЦД Методом УФ-спектрофотометрии обнаружено, что при низких концентрациях конъюгат ПЭО-а-ЦД способен образовывать авто комплекс с одной из собственных цепей ПЭО.

6. Методом измерения поверхностного натяжения было показано, что конъюгаты являются поверхностно-активными веществами, не образующими мицеллярных структур

Специфика ПЭО-ЦД конъюгатов как дифильиых веществ состоит в том, что в зависимости от химической природы "гостя", в образовании смешанных структур участвует либо внутренняя полость ЦД, либо участки на внешней поверхности ЦД. Изучение гетероассоциации конъюгатов ПЭО-р-ЦЦ и ПЭО-у-ЦД с неионным ПАВ, Triton Х-100 показало, что изученные системы способны формировать мицеллярные структуры, построенные на основе инклюзионных комплексов конъюгат - Triton Х-100 в стехиомегрпческом соотношении 1:1. Полученные сферические молекулярные ансамбли, состоящие из высокоразветвленных структурных элементов близки по своей архитектуре к дендрнмерам.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1) I N Topchieva, S. V. Elezkaya, V. A. Polyakov, К. 1. Karezin. Conjugates based on cyclodextrins and poly(ethylene oxide) as complexation and transport agents. //Proceed of 8"' International Symposium on Cyclodextrins, Budapest, Hungary, 1996, p 125-128.

2) К. И Карезин, С В. Елецкая, В. А. Поляков, И. Н. Топчиева. Циклодекстрины модифицированные полиэтиленоксидом как новый тип супрамолекулярных структур // Тезисы 1-ой конф. по высокоорганизованным соединениям, Санкт-Петербург, 1996, с 229-231

3) 1 N Topchieva, V. A Polyakov, S. V. Elezkaya, G. I. Bystryzky, К. I. Karezin. One-pot synthesis of cyclodextrins, modified with poly(ethylene oxide). // Polymer Bull. 1997, v.38, № 2, p. 359-364

4) 1 N. Topchieva, I G. Panova, V. 1. Gerasimov, К. I. Karezin, V. A. Kabanov Poly(ethylene oxides) in processes of molecular self-assembly. // Polymer Preprints, 1997, v 38, № 1, p.589-590

5) I. N Topchieva, 1. G. Panova, V. I. Gerasimov, К. 1. Karezin, N. 1. Ivanova, N. V. Efremova, S. V. Elezkaya. Self-assembly in the systems based on poly(ethylene oxide) containing compounds and cyclodcxtrins // Abstracts of 9,h International Conference on Surface and Colloid Science, Sofia, 1997, p. 218-219.

6) И H Топчиева, К. И. Карезин, И. Г. Панова, В. И. Герасимов Новый тип мнцеллярных структур, полученных путем молекулярной самосборки циклодекстринов и неионных поверхностно-активных веществ. //Докл. РАН, 1997, т. 355, № 3, с 357-360.

7) И Н Топчиева, В. И Герасимов, И. Г. Панова, К. И. Карезин, Н. В. Ефремова. Наноструктуры на основе полиалкиленоксидов и циклодекстринов. // Высокомолек. Соед , А, 1998, т 40, № 2, с 310-318.

2Л

8) I N Topchieva, P Mischnick , G Kuehn, К. I Karezin, S V. Elezkaya Polyfelhyle: oxide)-derivatives of cyclodextrins are potent dmg delivery systems // Abstracts of ; European Symposium on Controlled Drug Delivery, Noordwijk aan Zee, Netherland, 199 p. 201-204

9) И H Топчиева, П Мишник, Г Кюн, К. И Карезин, С В Елецкая Букепи, структуры на основе циклодекстринов, модифицированных полиэтиленоксндом новый тип дифильных веществ. // Докл. РАН, 1998, т. 360, № 3, с. 00