Получение и свойства алифатических ионенов с заданными молекулярными характеристиками тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

2.1. Синтез и свойства ионенов.

2.1.1. Синтез алифатических ионенов.

2.1.2. Фракционирование ионенов и определение их молекулярных характеристик.

2.1.3. Определение молекулярных характеристик ионенов и их концентрации в растворах.

2.2. Свойства ионенов в водных растворах.

2.3. Полиэлектролитные комплексы ионенов.

2.3.1. Закономерности образования полиэлектролитных комплексов.

2.3.2. Устойчивость полиэлектролитных комплексов к диссоциации.

2.3.3. Поликатионы - носители генетического материала для доставки в клетку.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Синтез, модификация и фракционирование ионенов.

3.1.1. Синтез и модификация 2,4-ионена.

3.1.2. Синтез и модификация 2,У- и Х,Х- ионенов.

3.1.3. Синтез дибромида >^,№,№-тетраметил-Г^,№-бис-(4-нитробензил)-этилен-1,2-диамина.

3.1.4. Фракционирование ионенов.

3.1.5. Определение степеней полимеризации алифатических ионенов.

3.2. Кондуктометрическое исследование свойств ионенов в водных растворов.

3.3. Полиэлектролитные комплексы ионенов.

3.3.1. Диссоциация ПЭК в водно-солевых средах.

3.3.2. Алифатические ионены - носители генетического материала для доставки в клетку.

3.3.3. Конкурентные реакции в растворах полиэлектролитов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Синтез, модификация и фракционирование ионенов.

4.1.1. Синтез ионенов.

4.1.2. Аминирование концевых групп ионенов.

4.1.3. Модификация концевых групп нитробензилбромидом

БНТ).

4.1.4. Спектральные характеристики образцов, меченных БНТ.

4.1.5. Фракционирование ионенов методом ионнообменной хроматографии.

4.1.6. Определение средних молекулярных масс фракций ионенов.

4.2. Водные растворы ионенов.

4.3. Полиэлектролитные комплексы ионенов.

4.3.1. Диссоциация ПЭК в водно-солевых растворах.

4.3.2. Модель диссоциации ПЭК в водно-солевых растворах.

4.3.3. Алифатические ионены - носители генетического материала.

4.3.4. Конкурентные реакции в растворах полиэлектролитов.

5. ВЫВОДЫ.

Полиэлектролитные комплексы (ПЭК) являются продуктами взаимодействия противоположно заряженных макромолекул. Материалы на основе ПЭК находят применение в различных областях фундаментальной и прикладной науки. Так, ПЭК с контролируемой растворимостью используются для разделения смесей белков и других биологических макромолекул. Послойная адсорбция полиионов позволяет модифицировать поверхности, придавая им знак и плотность заряда, необходимые для создания биосенсоров. Наконец, комплексы ДНК с поликатионами перспективны как носители для адресной доставки генетического материала в клетку. Поскольку эти и другие свойства ПЭК во многом определяются молекулярными характеристиками составляющих их полиэлектролитов, изучение влияния плотности зарядов и длин цепей полиионов на свойства ПЭК является актуальной задачей.

Алифатические ионены - это поликатионы с заряженными группами в основной цепи, строго чередующееся расстояние между которыми можно варьировать в широких пределах подбором исходных реагентов для синтеза. Это обусловливает привлекательность ионенов как наиболее удобных объектов для выявления влияния плотности зарядов и их расположения по цепи на свойства таких полимеров и их полиэлектролитных комплексов, что может иметь большое значение как для развития теорий растворов полиэлектролитов, так и для разработки путей практического применения ПЭК. Серьезным недостатком ионенов является их невысокая средняя молекулярная масса и широкое молекулярно-массовое распределение. Отсутствие эффективных методов фракционирования ионенов, а также удобных способов определения их молекулярных масс и концентрации в растворах препятствует широкому использованию этих уникальных поликатионов. Цель работы заключалась в разработке метода получения алифатических ионенов с заданной степенью полимеризации и плотностью заряда, исследовании влияния молекулярных характеристик получаемых образцов на свойства ионенов в их водных растворах и физико-химические и физиологические свойства комплексов ионенов с ДНК.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Синтез и свойства ионенов

Полиэлектролиты с положительно заряженными группами в основной полимерной цепи составляют особый класс поликатионов интегрального типа -ионены. Наиболее широко используемыми ионенами являются поликатионы с зарядом на четвертичном атоме азота с общей формулой, представленной на схеме 1:

СН3 СН3

А" | А" I r}- n+- r2- n+ n

CH,

CH,

Схема 1

Уникальность ионенов обусловлена в первую очередь тем, что расстояние между заряженными группами на цепях таких поликатионов строго чередуется по цепи и задаются исключительно подбором исходных реагентов для синтеза полимера. Важно отметить, что реагенты для синтеза ионенов являются широкодоступными веществами, а сам синтез осуществляется по простой в экспериментальном исполнении реакции полиприсоединения. Благодаря мягким условиям синтеза в молекулы ионенов могут быть введены различные функциональные группы. Наиболее часто противоионами А" в ионенах являются галогенид-ионы, которые могут быть заменены на другие анионы.

Уникальность химического строения ионенов и простота их синтеза давно привлекали многих исследователей, занимающихся синтезом и изучением свойств полиэлектролитов в твердом и растворенном состояниях с целью их использования в прикладных исследованиях. В начале 30-х годов Littman с сотр.1 впервые провели синтез алифатических ионенов. В 1941 году Kern и Brenneisen2 описали синтез ионенов из третичных диаминов и дигалоид производных, который и на сегодняшний момент является основным способом о получения ионенов. В 1968 году КегпЬаиш е1 а1. опубликовали статью, положившую начало широкому исследованию ионенов, в которой описан синтез алифатических ионенов, результаты исследования механизмов и кинетики полимеризации, а также определения молекулярных масс полученных полимеров. Именно КешЬаит4 введен термин "ионен", который означает "ионный амин". С тех пор интерес к таким полимерам все возрастает, и в настоящее время в год публикуется более 50 статей и патентов, в которых исследуются или используются ионены.

Наряду с алифатическими ионенами (Ы^К^последовательность метиленовых групп) в литературе описаны ионены, содержащие в цепи г -2 ¿1 П ксилольные группы, дипиридильные группы, ' пиперидиновые кольца. Введение в основную цепь ионенов оксиметиленовых последовательностей позволяет получать поликатионы с чрезвычайно низкой плотностью зарядов на о цепи, которые, тем не менее, хорошо растворимы в воде. Помимо ионенов, заряд которых обусловлен наличием кватернизованного атома азота, также известны полиэлектролиты с фосфониевыми9 и сульфониевыми10 катионами в полимерной цепи. Синтез олигомеров с концевыми М,Г^-диметиламиногруппами позволяет получать эластомерные ионены полиуретанового типа,11 блоксополимеры ионенов с последовательностями политетрагидрофурана12 и др.

Поскольку основными объектами нашей работы являлись алифатические ионены, синтезу и свойствам именно этих объектов будет уделено основное внимание в приведенном ниже обзоре литературы.

5. ВЫВОДЫ

1. В работе впервые предложен метод выделения фракций алифатических ионенов в широком интервале их молекулярных масс и плотностей зарядов. Предложенный подход включает модификацию концевых групп ионенов хромофорными группами, что позволяет изучать их водные растворы спектроскопическими методами анализа, что обусловливает осуществление фракционирования и определения степеней полимеризации фракций ионенов без выделения разбавленных водных растворов.

2. Методом кондуктометрии установлены закономерности конформационных переходов алифатических ионенов в водных бессолевых растворах в зависимости от их молекулярных характеристик. Обнаружено, что в широком интервале изменения количества метиленовых групп между зарядами на цепях ионенов электростатическая составляющая жесткости цепи ионена доминирует над структурной составляющей и обнаружено, что не только плотность зарядов, но и их расположение по цепи (симметричное или несимметричное) может оказывать значительное влияние на персистентную длину ионена.

3. Установлено, что с увеличением степени полимеризации ионенов плотность зарядов теряет определяющее значение в устойчивости их ДНК-содержащих комплексов в водно-солевых средах благодаря тому, что конформация диссоциирующихся цепей ионенов значительно компактизована, и эффективная плотность зарядов различных ионенов становится сопоставимой.

4. Обнаружена глубокая корреляция между физико-химическими и биологическими свойствами ДНК-содержащих ПЭК, в частности, устойчивости к диссоциации в водно-солевых средах и способности служить носителями генетического материала для доставки в клетку. Иными словами, одни и те же факторы (длина цепи, эффективная плотность зарядов) определяют устойчивость ПЭК к диссоциации и к действию нуклеазного фермента и эффективность их действия для доставки ДНК в клетку.

5. Разработан метод определения величин констант комплексообразования поликатионов с ДНК и другими полианионами, в основе которого лежит использование экспериментально определенного распределения поликатиона между полианионами - конкурентами. Продемонстрировано, что величины констант комплексообразования ионенов с ДНК и полиакрилатом натрия в расчете на моль солевых связей имеют близкие значения, что отражает единый тип взаимодействия этих полиэлектролитов, а именно электростатический. Показано, что соотношение констант комплексообразования ионена с ДНК и с ПА чувствительно к ионной силе раствора с тенденцией к взаимодействию ионена с ДНК при повышении концентрации хлористого натрия.

1.ttman, E.R.; Marvel, C.S. Cyclic quaternary ammonium salts from halogenated aliphatic tertiary amines. II J. Am. Chem. Soc., 1930,52, 287-294.

2. Kern, W.; Brenneisen, E. // J. Prakt. Chem., 1941,159, 193.

3. Rembaum, A.; Baumgartner, W.; Eisenberg, A. Aliphatic ionenes. // Polymer Letters, 1968, 6, 159-171.

4. Rembaum, A. Polyelectrolyte complexes. II J. Macromol. Sei., Chem. 1969, 3, 87-99.

5. Tsuchida, E.; Sanada, K.; Moribe, K. Polycation polymers of the integral type obtained from the reation of p-xylylenedichloride and a,co-tert-diamines. H Makromol. Chem., 1972,151, 207.

6. Factor, A.; Heinsohn, G.E. Polyviologens a novel class of cationic redox polymers. // Polymer Letters, 1971, 9, 289.

7. Tazuke, S.; Suzuki, Y. A hydrophobic polycation bearing pendant anthryl groups. // J. Polym. Sei., Polym. Lett. Ed., 1978,16, 223-228.

8. Tsutsui, T.; Tanaka. R.; Tanaka, T. II J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed., 1975,13, 2091.

9. Nohira, H.; Taniguchi, M.; Saito, Y. // Kobunshi Ronbunshu, Japan, 1975, 31, 391.

10. Pecherz. J.; Ciesielski, W.; Kryszewski, M. Synthesis and electrical conductivity of tenq complex salts with polycations containing sulfur atoms in the main chain. // Macromolecules, 1981, 14, 1139-1140.

11. Somoano, R.; Yen, S. P. S.; Rembaum, A. VI. Electronic conductivity of elastomeric ionenes. // Polym. Lett., 1970, 8, 467-479.

12. Takahashi, A.; Kawaguchi, M.; Kato, T.; Kuno, M; Matsumoto. S. // J. Macromol. Sei—Phys., 1980, B17, 747-767.

13. Menschutkin, N. // Z. Physik. Chemie, 1890,5, 589.

14. Rembaum, A.; Noguchi, H. Reactions of AWiV',yV'-tetramethyl-diaminoalkanes with aco-dihaloalkanes. II. x-y reactions II Macromolecules 1972, 75, 261-269.

15. Gibbs, C. F.; Marvel, C. S. Quaternary ammonium salts from bromopropyldialkylamines. v. conversion of cyclic ammonium salts to linear polymers. II J. Amer. Chem. Soc., 1935, 57, 11371139.

16. Yen, S. P. S.; Casson, D.; Rembaum, A. Water Soluble Polymers. (N. M. Bikales, Ed.), 1973, Plenum Press. New York, p. 291.

17. Donkai, N.; Inagaki, H. II Makromol. Chem., 1979,180, 65.

18. Knapick, E.G.; Hirsch, J.A.; Ander, P. Synthesis and viscosity studies of some novel ionene polymers. // Macromolecules, 1985,18, 1015-1021.

19. Wang, J.; Meyer, W.H.; Wegner, G. On the polymerization of N,N,N',N'-tetramethyl-oc,co-alkanediamines with dibromoalkanes an in-situ NMR study. // Macromol. Chem. Phys. 1994, 195, 1777-1795.

20. Tsutsui. T.; Tanaka, R.; Tanaka, T. II J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed., 1976,14, 2273.

21. Nagaya, J.; Minakata, A.; Tanioka, A. Effects of the charge density and counterion species on the conductance of ionene solutions. // Colloids and Surfaces 1999,148, 163-169.

22. Nagaya, J.; Minakata, A.; Tanioka, A. Conductance and counterion activity of ionene solutions. // Langmuir, 1999, 15, 4129-4134.

23. Soldi, V.; de Magalhaes Erismann, N.; Quina, F.H. Micelle-mimetic ionene polyelectrolytes. // Macromolecules, 1988,110, 5137-5143.

24. Reisinger, Т.; Meyer, W.H.; Wegner, G.; Haase, Т.; Schultes, K.; Wolf, В A. Influence of chain length on the molecular dynamics of aliphatic ionene. И Acta Polym., 1998, 49, 710-714.

25. Dubin, P.L.; Levy, I.J. Gel permeation chromatography of cationic polymers on PW gel columns И J. Chromatography, 1982, 235, 377-387.

26. Barlow, G.H.; Coen, L.J.; Kimura, E.T.; Keresztes-Nagy, S. Macromolecular properties ofhexadimethrine bromide, as antiheparin agent. //Proc. Soc Exp. Biol. Med., 1963,113, 884-886.

27. Гуляева, Ж.Г.; Зансохова, М.Ф.; Разводовский, Е.Ф.; Ефимов, B.C.; Зезин, А.Б.; Кабанов, В.А. Олигомерные ионены и их реакции с синтетическими поликислотами. // Высокомолек. Соед. 1983,25 (А), 1238-1243.

28. Yamazaki, S.; Muroga, Y.; Noda, I. Persistence length of ionenes in methanol. // Langmuir 1999, 15, 4147-4149.

29. Herrman, W.; Keller, В., Wenz, G. Kinetics and thermodynamics of the inclusion of ionene-6,10 in a-cyclodextrin in an aqueous colution. // Macromolecules 1997, 30, 4966-4972.

30. Beyer, P.; Nordmeier, E. Ultracentrifugation, viscosimetry, pH, and dynamic light scattering studies of the complexation of ionene with poly(acrylic acid) and poly(methacrylic acid). // Eur. Polym. J. 1999, 35, 1351-1365.

31. Гуляева, Ж.Г.; Зансохова, М.Ф.; Зезин, А.Б.; Кабанов, В.А. Состав и свойства полиэлектролитных комплексов на основе полимерных и олигомерных алифатических ионенов. II Высокомолек. Соед. 1985, 37, 426-429.

32. Ander, P.; Leung-Louie, L.; Silvestri, F. Polycations. 1. Sodium, Teopium, and sulfate ion diffusion coefficients in aqueous salt solutions containing ionene bromides. // Macromolecules1979.12, 1204-1207.

33. Casson, D.; Rembaum, A. Solution properties of novel polyelectrolytes. // Macromolecules 1972, 5, 75-81.

34. Arh, K.; Pohar, C.; Vlachy, V. Osmotic properties of aqueous ionene solutions. II J. Phys. Chem. В 2002,160, 9961-9913.

35. Пилипенко, A.T.; Куличенко, C.A., Запорожец, О.А., Доленко, С.А. Взаимодействие катионных полиэлектролитов с эозином в присутствии ПАВ полимерной природы. // Укр. Хим. Журн. 1990, 56, 40-43.

36. Toei, К.; Kohara, Т. A conductometric method for colloid titrations. I I Anal. Chem. Acta, 1976, 83, 59.

37. Horn, D.; Heuck, C.C. Charge determination of protein with polyelectrolyte titration. // J.Biol.Chem., 1983, 258, 1665.

38. Tsuchida, E.; Abe, K. Interaction between macromolecules in solution and intramolecular complexes. I I Adv. Polym. Set 1982, 45, 1-130.

39. Zhuomei, L.; Xuexin, Z.; Yuanpei, C.; Yuanzhen, Z. H Hydrophobic interaction of ionenes in aqueous solution. IIMacromolecules 1992, 25, 450-453.

40. Sonnessa, A.J.; Cullen, W.; Ander, P. A new class of cationic polysoaps. // Macromolecules1980.13, 195-196.

41. Manning, G.S. Limiting Laws and counterion condensation in polyelectrolyte solutions. 1. Colligative properties. II J. Chem. Phys. 1969, 51, 924-933.

42. Klein, J.W.; Ware, B.R. Direct observation of the transition to counterion condensation. // J. Chem. Phys. 1984,80, 1334-1339.

43. Hoagland, D.A.; Smisek, D.L.; Chen, D.Y. Gel and free solution electrophoresis of variable charged polymers. // Electrophoresis 1996,17, 1151-1160.45

44. Wandrey, С.; Hunkeler, D. Study of Polyion Counterion Interaction by Electrochemical Methods, in Handbook of Polyelectrolytes and Their Applications. Tripathy, S.K.; Kumar, J.; Nalwa, H.S.; Eds.; American Scientific Publishers: 2002, vol.2, p. 147.

45. Hoagland, D.A., Arvanitidou, E.; Welch, C. Capillary electrophoresis measurements of the free solution mobility for several model polyelectrolyte systems. // Macromolecules 1999, 32, 61806190.

46. Zhang, W.; Bond, J.P.; Anderson, C.F.; Lohman, T.M.; Record, M.T. Large electrostatic differences in the binding thermodynamics of a cationic peptide to oligomeric and polymeric DNA. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA 1996, 93, 2511-2516.

47. Kabanov, V.A. Basic properties of soluble interpolyelectrolyte complexes applied to bioengineering and cell transformation. // in Macromolecular Complexes in Chemistry and Biology, Dubin, P.L. Ed., Springer-Verlag: Berlin-Heidelberg 1994; p. 151-174.

48. Tsuchida, E., Abe, K. Polyelectrolyte complexes. // in "Developments in ionic polymers 2", A.D.Wilson, H.J.Prosser, Eds., Elsevier 1986, chapter 5, p.191.

49. Phillip, В.; Dautzenberg, H.; Linovv, K.-J.; Kotz, J.; Dawydoff, W. Polyelectrolyte complexes -recent developments and open problems. II Prog. Polym. Sci. 1989,14, 91-172.

50. Sato, M.; Abe, K.; Osada, Y.; Tsuchida, E. H J. Chem. Soc. Jap. 1974, 5, 977.

51. Tsuchida, E.; Osada, Y.; Ohno, H. Formation of interpolymer complexes. // J. Macromol. Sci. -Phys. 1980, B17, 683-714.

52. Dautzenberg, H. Polyelectrolyte complex formation in highly aggregating systems: methodical aspects and general tendencies. // in Physical Chemistry of Polyelectrolytes. Radeva T. Ed., Marcel Dekker, Inc. New York Basel 2001. p.743-792.

53. Schindler, Т.; Nordmeier, E. The stability of polyelectrolyte complexes of calf thymus DNA and synthetic polycations: theoretical and experimental investigations. // Macromol. Chem. Phys. 1997,198, 1943-1972.

54. Harada, A.; Kataoka, K. Chain length recognition: core-shell supramolecular assembly from oppositely charged block copolymers. II Science 1999, 283, 65-67.

55. Wolfert, M.A.; Schacht, E.H.; Toncheva, V.; Ulbrich, K; Nazarova, 0.; Seymour, L.W. Characterization of vectors for gene therapy formed by self-assembly of DNA with synthetic block co-polymers. // Human Gene Therapy 1996, 7, 2123-2133.

56. Tsuchida, E.; Osada, Y.; Sanada, K. Interaction of poly(styrene sulfonate) with polycations carrying charges in the chain backbone. // J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed., 1972,10,3397-4003.

57. Baranovsky, V.Yu.; Litmanovich, A.A.; Papisov, I.M.; Kabanov, V.A. Quantitative studies of interaction between complementary polymers and oligomers in solutions. II Eur. Polym. J. 1981, 17, 939-979.

58. Tsuchida, E.; Osada, Y.; Abe, K. Formation of polyion complexes between polycarboxylic acids and polycation carrying charges in the chain backbone. //Makromol. Chem. 1974, 175, 58347