Реакции аминирования сополимеров глицидилметакрилата и дивинилбензола для получения плазмосорбентов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ
|
Алдошин, Александр Сергеевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Алдошин Александр Сергеевич
РЕАКЦИИ АМИНИРОВАНИЯ СОПОЛИМЕРОВ ГЛИЦИДИЛМЕТАКРИЛАТА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМОСОРБЕНТОВ
02.00.06 — высокомолекулярные соединения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Москва - 2014 год
005553184
005553184
Работа выполнена на кафедре проблем устойчивого развития Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева
Научный руководитель:
доктор химических наук
Лейкин Юрий Алексеевич, профессор кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева
Демин Александр Александрович, заведующий лабораторией физической химии полиэкгролитов Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук
доктор химических наук, профессор Выгодский Яков Семенович, заведующий лабораторией высокомолекулярных соединений Института элементорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук
Официальные оппоненты:
доктор химических наук
Защита состоится
Ведущая организация:
Институт химической физики имени H.H. Семенова Российской академии наук
| jd/\S 2014 г. в // часов на заседании
диссертационного совета Д 212.204.01 при РХТУ имени Д.И.Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9) в аудитории 443 (конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д. И. Менделеева и в интернете по адресу: http://diss.muctr.ru/media/dissertations/2014/04/Aldoshin.pdf
Автореферат диссертации разослан «/$ » Ш9ИЛ 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.01
Биличенко Ю.В.
Актуальность темы. Одно из первых мест в ряду причин смертности населения в развитых странах занимают сердечно - сосудистые заболевания. Повышение уровня ате-рогенных липопротеидов низкой (ЛПНП) и особо низкой (ЛПОНП) плотности приводит к развитию атеросклеротических поражений сосудов. Так по данным медстатистики увеличение содержания на 1% атерогенных липопротеидов (ЛПНП и ЛПОНП) на 2-3% увеличивает риск возникновения сердечно-сосудистых патологий и может значительно снижать временной ресурс после замены сосудов. Однако применение эффективных медицинских технологий и устройств экстракорпоральной плазмосорбции реально ограничено дефицитом сорбентов для коррекции плазмы, обладающих необходимой избирательностью.
Ситуация осложняется и ограниченностью ассортимента полимерных матриц и носителей, способных к широкому классу полимераналогичных превращений (ПАП) и иммобилизации БАВ. Все возрастающие требования к обеспечению химической безопасности плазмосорбентов порождают ограничения применения для синтеза аффинных сорбентов БАВ животного происхождения, а также использования полимеров или жидких реагентов, обладающих токсическими или канцерогенными свойствами, что характерно для широко распространенных хлорметилированных матриц на сополимерах стирола (ХМС).
Актуальным являются и исследования реакционной способности альтернативных полимерных матриц и носителей на основе трехмерных сополимеров глицидилметакри-лата и дивинилбензола (ГМА-ДВБ). Несомненно, актуальной является и кинетическая оценка в широком интервале температур реакционной способности эпоксидных групп таких сополимеров в реакциях ПАП, что важно для достижения максимальных степеней превращения и концентрации активных групп в реакциях аминирования первичными, вторичными и третичными аминами.
Разработка плазмосорбентов с достаточной химической селективностью позволит создать новые лечебные технологии экстракорпоральной коррекции плазмы по ряду метаболитов и БАВ, а также делает реальной возможность замены переливания донорской плазмы экстракорпоральной коррекцией с синхронным возвратом аутоплазмы.
Целью работы является оценка возможности использования трехмерных сополимеров глицидилметакрилата и дивинилбензола (ГМА-ДВБ) в качестве исходных полимерных матриц и носителей, а также разработка синтеза селективных сорбентов с максимально возможной для данной структуры количеством активных аминогрупп различного типа, обладающих химической селективностью, необходимой для экстракорпоральной коррекции плазмы.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
— разработка методики количественного определения эпоксигрупп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ для исследования кинетики и равновесия ПАП на матрице ГМА-ДВБ;
- исследование кинетических и равновесных параметров реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ различными аминами для подбора оптимальных режимов синтеза;
1
- оценка реакционной способности сополимера ГМА-ДВБ в реакциях аминирования различными аминами и его пригодности для иммобилизации БАВ по аминогруппам;
- оценка и формулирование требований по селективности в ряду липопротеидов, белков и факторов свертывания;
- сравнительная оценка сорбционных свойств сорбентов на основе сополимеров ГМА-ДВБ и ХМС—ДВБ для целей плазмосорбции.
Научная новизна:
- проведено систематическое исследование кинетических и равновесных характеристик блока реакций аминирования трехмерного сополимера ГМА-ДВБ различными аминами в широком интервале температур и времен реакций.
- для семи реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ получен комплекс кинетических, равновесных и термодинамических параметров ПАП в широком интервале температур и времен реакций;
- для блока семи реакционных серий показана возможность количественного описания кинетики ПАП на набухающих трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ по модели внутридиффузионного лимитирования с изменением реакционного объема полимерной фазы и общей модели усеченных триад на короткоцепных кластерах трехмерного сополимера;
- исследовано равновесие одиннадцати реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ рядом аминов в различных растворителях и получено количественное описание максимально достигаемых степеней превращения от температуры. Показаны соответствие констант равновесия уравнению Вант-Гоффа в исследованных интервалах температур и возможность прогнозирования оптимальной температуры для достижения высоких степеней превращения;
- установлено, что константы скоростей химической реакции в уравнении Маккарри для всего ряда исследованных реакций ПАП, а также коэффициенты набухания и внутренней диффузии подчиняются уравнению Аррениуса в широком интервале температур, что позволяет описать зависимости степеней превращения от времени и температуры для всех исследованных реакционных серий;
- показано, что взаимное влияние прореагировавших и непрореагировавших групп определяется в основном изменением диффузионных характеристик полимерной фазы, которое может быть оценено по константе к2 уравнения Маккарри;
Практическая значимость работы:
- показана высокая реакционная способность эпоксигрупп трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ, позволяющая использовать эти сополимеры как носители и матрицы для синтеза анионитов по реакциям ПАП с различными аминами. В сравнении с хлорметилиро-ванными сополимерами стирола применение подобной матрицы позволяет в ряде случаев отказаться от использования дефицитных винилароматических мономеров и высокотоксичного монохлордиметилового эфира;
- показаны широкие возможности достижения максимальных степеней превращения эпоксигрупп трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ в реакциях с различными аминами и предварительно оценены изменения емкости и селективности в зависимости от структуры аминогрупп по ряду липопротеидов, глобулинов и показателям свертываемости плазмы;
- выбраны и проверены адекватные модели, позволяющие в широком интервале температур количественно описать равновесие и кинетику реакций ПАП с изменяющимся объемом полимерной фазы при аминировании сополимеров ГМА-ДВБ;
- комплекс полученных равновесных, кинетических, термодинамических параметров исследованных реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ дает возможность получения широкого спектра сорбентов с максимально возможным содержанием аминогрупп с различными заместителями;
- показана возможность изменения химической селективности в ряду липопротеидов, глобулинов и факторов свертывания крови варьированием типа и структуры аминогрупп, вводимых в матрицу сополимера ГМА-ДВБ;
- предложены и проверены две методики определения содержания исходных и прореагировавших эпоксидных групп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ: экспресс-метод оценки степени превращения в реакциях раскрытия эпоксидных циклов по данным ИК-спектров и волюмометрический метод анализа, позволяющий с высокой точностью (±0,05 ммоль/г) определять содержание эпоксигрупп;
- показана возможность применения разработанных на основе сополимера ГМА-ДВБ селективных сорбентов для коррекции аутоплазмы при лечении различных заболеваний связанных с повышенной свертываемостью крови, повышенным содержанием ате-рогенных липопротеидов, а также некоторых гипериммунных состояний. Предложены комплексные критерии для предварительной оценки эффективности плазмосорбентов при решении задач плазмокоррекции.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Безопасность жизнедеятельности и проблемы устойчивого развития» (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «Образования и наука для устойчивого развития» (Москва,
2010); межвузовской практической конференции «Образования и наука для устойчивого развития» (Москва, 2011); ХП-ХШ международных конференциях «Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов (ИОНИТЫ-2010 и ИОНИТЫ-
2011)» (Воронеж, 2010, 2011); международной научно-практической конференции и школе молодых ученых и студентов «Образование и наука для устойчивого развития» (Москва, 2012).
Личный вклад автора заключается в выполнении всех этапов диссертационной работы: постановки цели и задач исследования, планирования и проведения эксперимента, обработки и обсуждения полученных результатов и формулирования выводов.
3
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах рецензируемых ВАК.
Структура и объем работы Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 60 таблиц, 11 схем, 55 рисунков, 239 уравнений и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы из 195 библиографических ссылок.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1. Исследование морфологии сополимера ГМА-ДВБ
Внутренняя дисперсность и морфология трехмерной структуры обуславливают важнейшие свойства трехмерных сополимеров и потенциальных носителей БАВ, необходимые для решения задач селективной сорбции или иммобилизации БАВ. В данной работе была изучена структура поверхности и сколов гранул исходных и модифицированных сополимеров ГМА-ДВБ (5 масс. %). На рис.1 приведены полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) фотографии. Как видно, исследуемые гранулы имеют правильную сферическую форму. Результаты СЭМ свидетельствуют о развитой пористой структуре сополимера ГМА-ДВБ. Методом низкотемпературной сорбции азота были определены характеристики пористости сополимера ГМА-ДВБ, удельная поверхность составила 13,11 м2/г, суммарный объем пор - 0,13 см3/г. По дифференциальным порометрическим кривым, средний эффективный диаметр пор составил 39 нм по адсорбционной ветви изотермы сорбции и 24 нм — по десорбционной. Морфология исследованных сополимеров представляет собой беспорядочно упакованные агломераты сфероли-тов (0,1-Ю,4 мкм), разделенных порами, что соответствует макропористым материалам.
2. Разработка методики определения содержания эпоксидных групп Для аналитического определения эпоксидных групп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ в данной работе был предложен и статистически оценен простой волюметри-ческий вариант раскрытия эпоксидных циклов соляной кислотой. Подобраны оптимальные условия анализа по степени измельчения анализируемого сополимера, составу рабочего раствора, температуре и времени анализа, обеспечивающие наиболее полное присоединение соляной кислоты по эпоксигруппам трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ. Наибольшая точность и минимальное время анализа достигается при использовании вод-но-этанольного (10 об. %) 0,1 н раствора HCl, насыщенного NaCl (6 моль/л), при комнатной температуре и 2-х суточной выдержке измельченного образца. В рекомендованных оптимальных условиях концентрация эпоксигрупп составила 5,23±0,03 ммоль/г (0,7 отн.%).
Рис.1 Электронные фотографии сополимера ГМА-ДВБ:
а) общий вид (1:150)
б) поверхность (1:30000)
в) скол гранулы (1:20000)
3. Оценка стабильности сополимера ГМА-ДВБ к реакции гидролиза
Оценка стабильности эпоксидной группы в сополимере ГМА-ДВБ к реакции гидролиза показала, что сохранность эпоксигрупп увеличивается при переходе от водной среды к спиртовой (при температуре кипения). Так при 4-х часовой обработке в воде степень гидролиза составила 0,16±0,01, в 50% этаноле - 0,08±0,01. В 96% этаноле гидролиз удается практически полностью подавить (степень гидролиза всего 0,02±0,01).
4. Исследование равновесия реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ Реакция эпоксидной группы с аминами протекает по механизму Бм2 (схема 1), причем первичные и вторичные амины при этом дают конечный продукт в форме свободного амина (II), а третичные - в форме четвертичного аммониевого основания (I).
п—сн2—сн— сн2 + Ш,рг2Рз = о
©
— П—СНз—СН— СН2-ЫР!,1*21*3
I °Э
: П-|-СН2— СН-,С" б
НгО
П-|-СН2—СН— СНг-Ш^з ОН
(схема 1)
- п— СН2—СН—СНг-Ш, к2н -= н |
о
П—СН2—СН-СНг—Ш,
ОН «
где П - фрагмент полимерной цепи.
В работе исследованы реакции аминирования сополимера ГМА-ДВБ серией аминов (табл. 1). Предложены формулы для расчета молярной степени превращения (Ра„) в реакциях ПАП, учитывающие изменение концентрация (ммоль/г) определяемых аминогрупп в ходе реакции за счет изменения массы (привеса) реагирующего фрагмента:
ям /1 1ЭКСП * \ 5 (ур. 1)
нсхоп V вв.ам ам '
где Да„ - привес на ммоль сополимера, г/ммоль; С„„.э„ - исходное содержание эпоксидных групп в сополимере, ммоль/г; С™„ - конечное содержание введенных в сополимер аминогрупп (определяется как статическая обменная емкость по соляной кислоте), ммоль/г.
Для достижения максимальной концентрации ионогенных групп реакции ПАП исследовано равновесие в интервале температур 20-100 °С, в молярном избытке аминов при времени реакции 8 и более часов. Для большинства аминов было исследовано влияние растворителя на равновесную степень превращения. Для ГпА в качестве растворителей использовали этанол, изопропанол (ИП), пропиленгликоль (ПГ), для МЭА, ДЭА, ТЭА, ДМЭА - этанол (соотношение 1:1 для всех растворителей). ДМА и ТМА использовали в виде водного раствора (45 мас.%). Как видно из рис. 2, экспериментальные равновесные величины стати-5
Таблица 1
Серия аминов в исследованиях равновесия и кинетики аминирования сополимера Г МЛ и ДВБ
Ле Название сокра-щенве
1 Гептиламин ГпА
2 2-эталгсксиламин изо-ОА
3 Днбутпламин ДВА
4 Днгексиламив ДГсА
5 Диметнламнн ДМА
6 Триметпламин ТМА
7 Трнэтиламин ТЭтА
8 Моноэтан оламин МЭА
9 Днэтаноламнн ДЭА
10 Триэтаноламин ТЭА
11 Диметнлэтаноламин ДМЭА
ческой обменной емкости по соляной кислоте (СОЕт„) для исследованных аминирован-ных продуктов реакций уменьшаются в ряду:
МЭА>ДМА>ДЭА>ТМА>ДБА>ГпА>юо-ОА>ДГсА>ДМЭА=ТЭА>ТЭтА
Особенностью исследованных реакций ПАП является отсутствие растворимого продукта реакции. При этом равновесие реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ
П + Я(-(схема 2)
где П — реакционноспособный фрагмент полимера; И — амин; 1Ш - аминированный фрагмент полимера.
Предполагая обратимость реакции, уравнение для расчета константы равновесия реакции (Кр) выглядит следующим образом:
к^оа-о, (ур. 2)
где Р^,, - равновесная степень превращения при температуре Т.
Зависимость кажущейся константы равновесия от температуры может быть описана уравнением Вант-Гоффа:
1пк^ = 1пгр-днр/кт, (ур. з)
где Ъг - предэкспонента; ДНР - энтальпия реакции, кДж/моль; И - универсальная газовая постоянная, 0.00831 кДж/моль-К; Т - температура реакции, К.
Линеаризацией по МНК и уравнению Вант-Гоффа были получены величины энтальпий реакции (ДНР) и предэкспонент (1п2р) для серии реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ в различных средах. В табл. 2 приведены параметры уравнения Вант-Гоффа, а также максимальные экспериментальные параметры (СОЕт„, Ртах, Кр) полученные для каждой реакционной серии в исследуемых интервалах температур. По значениям ДНр видно, что в случае аминирующих агентов: ДМЭА в этаноле, изо-ОА, ДМА, степени превращения реакции практически не зависят от температуры (ДНр«0). В случае ТМА (ДНр<0), Рт„ снижается с температурой, что говорит об обратном процессе деструкции четвертичных аммониевых оснований. В остальных случаях наблюдался рост Ртах с температурой (ДНр>0). Было установлено, что применение растворителей в случае ГпА, МЭА, ДЭА, ДМЭА снижает степень превращения. Только в случае вязкого ТЭА использование этанола позволило увеличить Ртах реакции. Полученные значения ДНР и 1п£р, позволяют по уравнению Вант-Гоффа прогнозировать Ртах и СОЕтах в зависимости от температуры с хорошей описательной способностью. Экспериментальные и рассчитанные по уравнению Вант-Гоффа степени превращения для всех исследованных реакционных серий показывают высокую адекватность (гСО1т=0,996).
В исследованных реакциях ПАП сополимера ГМА-ДВБ наиболее высокую реакционную способность показали вторичные амины ДЭА и ДБА (К,, = 14 ^ 195 и Рт„= 0,93 +■
определяется общей схемой:
Рис. 2 Зависимость СОЕямх от температуры для реакции амггни-ровання сополимера ГМА-ДВБ
(* - раствор амина в этаноле (1:1); ** - 45 % водный раствор)
0,99), а наименьшую реакционную способность (Кр - 0,8 + 1,3 и Ртах = 0,45 + 0,56) показали третичные этанол- и алкиламины: ТЭтА, ТЭА, ДМЭА. Промежуточное положение по реакционной способности (Кр=2,4 -¡- 5,3; Р^ = 0,70 0,85) занимают первичные МЭА, ГпА, изо-ОА, вторичные ДМА, ДГсА и третичный ТМА.
Таблица 2
№ серии Амин Растворитель Исследованный интервал температур Максимальные экспериментальные параметры Параметры уравнения Вант-Гоффа
t, °С СОЕ„ж, ммоль/г Fm„ кР InZp кДж/моль Гсогт
1 МЭА _ * 30- -90 90 3,73 0,841 5,30 4,62 8,84 0,990
2 МЭА Этанол 30- 90 90 3,53 0,784 3,62 3,28 5,91 0,976
3 ДЭА - 30- -90 90 3,57 0,995 194,43 34,38 87,44 0,998
4 ДЭА Этанол 30- -90 90 3,51 0,968 30,65 14,40 33,37 0,992
5 ТЭА - 30- -90 90 1,85 0,466 0,87 3,14 10,08 0,965
6 ТЭА Этанол 30- -90 90 2,10 0,563 1,29 4,51 12,68 0,984
7 ДМЭА - 30- -90 90 2,10 0,472 0,58 2,48 7,68 0,971
8 ДМЭА Этанол 30- -90 90 1,72 0,367 0,89 -0,26 0,87 0,981
9 ГпА - 30- -95 95 2,86 0,742 2,88 2,79 5,25 0,986
10 ГпА Этанол 60- -90 90 2,57 0,636 1,74 3,58 9,09 0,994
11 ГпА ИП 60- -90 90 2,56 0,632 1,72 3,72 9,52 0,970
12 ГпА ПГ 60-100 100 2,56 0,632 1,72 5,30 14,87 0,990
13 изо-ОА - 30- -90 90 2,66 0,705 2,40 1,44 1,71 0,997
14 ДВА - 30- -95 95 3,17 0,934 14,23 12,75 31,26 0,989
15 ДГсА - 30- -90 90 2,32 0,708 2,43 9,21 24,41 0,911
16 ДМА Вода 20 -60 20 3,62 0,753 3,06 0,47 -1,58 0,994
17 ТМА Вода 20 -60 20 3,30 0,771 3,36 -4,60 -14,20 0,996
18 ТЭтА - 20 -50 50 1,98 0,451 0,82 5,80 15,98 0,951
* - без растворителя
В исследованных реакционных сериях наблюдается компенсационный эффект между энтальпийным (ДНР) и энтропийным (1п2р) параметрами, т.е. зависимость ДНр=фп2р) строго подчиняется правилу Барклея-Батлера и описывается линейным уравнением:
ДНр = -0,556 + 2,553-1п^, гсогг = 0,996 (ур. 4)
5. Исследование кинетики реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ Исследование кинетики было проведено в оптимальном интервале температур синтеза для ГпА, ДБ А, ДГсА, МЭА, ДЭА (в этаноле 1:1), ТЭА (в этаноле 1:1), ДМЭА. Количественное описание исследованных реакций ПАП осложняется значительным изменением объема полимерной фазы с 2-3 кратным набуханием. Для количественного описания кинетических кривых ПАП в данной работе впервые была использована модель внутренней диффузии с изменяющимся объемом частиц (набухание - сжатие). Расчетное уравнение модели представляется измененным рядом Паттерсона:
(УР- 5)
СОЕ, =СОЕ„
JLy,
exp
где COEma, - максимально достижимая статическая обменная емкость аминированного продукта реакции, ммоль/г; г - средний радиус гранул, см; q - коэффициент набухания (отношение конечного и исходного объемов фазы сорбента); t — время реакции, мин; Din — коэффициент внутренней диффузии, см2/мин.
i) с—®—о 2)»—э—о о—е—• з) •—&—• Далее была проверена более общая
j, j. модель неоднородного полимера, основан-
о ranrrnwvw n„ope»«p<«i.™«,<p№ ная на схеме триад и позволяющая учесть
Рис, 3 Схема триад взаимное влияние прореагировавших групп
на реагирующую группу в зависимости от количества прореагировавших групп в триаде по аддитивному уравнению Маккарри (рис.3):
-dP/dt = ко • Р0 + к, • Р, + k2- Р2, (ур.6)
где Р - количество исходных активных групп (Р0), и имеющих одного (РО и двух (Р2) прореагировавших соседей и реагирующих с константами скорости ко, кь к2 соответственно.
Рис.4 показывает, что для трехмерных сополимеров с большим количеством химических и физических узлов реально могут существовать только короткоцепные кластеры (не более 6 единиц), не имеющие незатрудненных групп типа Р0. В результате уравнение Маккарри приобретает более простой вид:
-¿P/dt = k,-P,+ k2P2 (ур. 7)
При этом реакция ПАП на трехмерных сополимерах с короткоцепными кластерами при избытке жидкого реагента в гранулах макропористого сополимера может быть описана схемой усеченных триад (Р0 =0) для двух последовательных реакций:
P,-i-»ni+NP2; Рг > П2; Поиц = П, + П2, (схема 3)
где Pi - концентрация исходных реакционноспособных групп; Р2 - концентрация измененных реакционноспособных групп; П1 - концентрация прореагировавших групп Рь П2 -концентрация прореагировавших групп Р2; N - константа, показывающая, сколько затрудненных групп образуется в среднестатистическом кластере на стадии превращения Р, в П,.
В соответствии со схемой 3 описание кинетики можно провести по уравнению двухэкспоненциальной модели в интегральной форме:
СОЕ, =COEml ■ jl-^l-~~-jexp(-kj -t)-^~-exp(-k2 -t)| (УР-8)
Ф^тъттщш, Модель имеет три детерминирующие константы (ki, k2 и
О -(ЧХ^У^ЧХИавНВаа
i «."¡¡ZS*™ ПРИ этом коэффициенты внутренней диффузии (D¡„) могут
® Üm^í^ST быть рассчитаны из величин к2 по уравнению 9.
Рис. 4 Возможные схемы ^ кг' ,
распределения групп 6- ¡n п1
членного кластера трехмер- где г _ средний радиус гранул, см. ного сополимера
Расчет кинетических кривых и параметров основных уравнений проводили по компьютерной программе с оврагоустойчивым алгоритмом минимизации отклонений расчетных и экспериментальных значений СОЕ, для различного вида дисперсий. В качестве примеров приведены экспериментальные и рассчитанные по рассмотренным моделям кинетические кривые реакции сополимера ГМА-ДВБ с МЭА (рис. 5а - модель внутренней диффузии с набуханием) и с ДБА (рис. 56 - двухэкспонен-циальная модель).
Наборы детерминирующих констант обеих моделей (D¡„, q и ki, k2, N) обеспечивают высокие rcon. > 0,995 для кривых адекватности Ft, расч = f(Ft ,ксв) кинетических зависимостей для всех исследованных реакций сополимера ГМА-ДВБ в широком интервале температур.
В табл. 3 приведены значения ряда параметров двух моделей при различных температурах. Для удобства при сравнении констант скоростей (k|, k2, D¡„) был использован соответствующий показатель pk¡ = -lgkj. По полученным высоким коэффициентам корреляции для зависимости COE3KCn=f(COEpaC4) видно, что обе модели обладают хорошей адекватностью (rcm>0,996).
По модели усеченных триад (двухэкспо-ненциальной модели) для всех аминов во всем интервале температур характерны близкие величины рк|, (в пределах 1,5 - 2,5). Интервал изменений рк2 значительно больший (2,85,2), причем наибольшие скорости обеспечивают ДЭА, ДГсА, ДБА. Четко просматривается зависимость величины максимальной концентрации активных групп от N, причем зависимости Fmax от N описываются линейными уравнениями для большинства реакционных серий с высокими Го,,, не ниже 0,93. Действительно доля замедленной реакции с к2 зависит от стерического фактора (N) и определяется диффузионными характеристиками ПАП. Причем в соответствии с физическим смыслом увеличение N для одной реакционной серии сопровождается снижением коэффициентов диффузии и набухания. Самые высокие значения N наблюдаются для реакций с вторичными аминами (ДЭА, ДБА, ДГА), самые низкие - с первичными (ГпА, МЭА). С ростом температуры для одной реакционной серии N падает, а значения констант (кь к2) увеличиваются в соответствии с физическим смыслом, т.е. чем меньше количество затрудненных групп в кластере, тем выше скорости первой и второй реакции.
Сравнение коэффициентов внутренней диффузии по данным двух моделей показало, что с учетом коэффициента набухания для внутридиффузионной модели (D¡„(„S)=Din/q2), величины pD¡„ достаточно хорошо коррелируют между собой (гсо„=0,964), что свидетельствует о значительном вкладе внутридиффузионных процессов в взаимное влияние прореагировавших и реагирующих групп.
В табл. 4 приведены термодинамические параметры уравнения Аррениуса для двух исследованных кинетических моделей. Как видно, изменения параметров двух моделей (D¡„, q, k|, k2, N) с температурой хорошо согласуются с уравнением Аррениуса:
о.» - 0,8 \ 0.7 О 0.6 1 • °»4 i 0,4 { 0,3 ■] 03. 4 0,1 ] 0.0 а _______
--- i AJO'С о 50 -С ■ О 70 *С i о»0-С
SO 100 190 200 2SO 300 350 400 450 500 5S0 «00
1.0 о.в ол 0.7 0.6 0.5 0.4 0J оа 0 л /С* 4 л __l_______-s
£ ГАЯГ*С| г 0 70 *C: Св5'С:
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Рис.5 Кинетическая зависимость степени превращения от времени реакции для реакций ами-нпрования сополимера ГМА-ДВБ: а) МЭА (модель внутренней диффузии с набуханием): б) ДБА Сдвухэкспоненшальная модель); экспериментальные точки нанесены на рассчитанные по моделям коивые
Таблица 3
Кинетические параметры модели внутренней диффузии с набуханием и
двухэкспоненциальной модели для реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ
амин параметры модели
модель внутренней диффузии с набуханием двухэкспоненциальная модель
t,°C Di„, см /с pD,„ Ч к„ с"1 рк, кг, с"1 ркг Din, см2/с pD¡„ N Гсогг
ДМЭА 90 4.00Е-07 6,40 4,60 >0,999 1,12Е-02 1,95 2.50Е-04 3,60 2.28Е-08 7,64 0,127 >0,999
70 3,36Е-07 6,47 4,40 >0,999 1.07Е-02 1,97 2.26Е-04 3,65 2.06Е-08 7,69 0,134 >0,999
50 1.70Е-07 6,77 3,40 >0,999 9.49Е-03 2,02 6.01Е-05 4,22 5.48Е-09 8,26 0,198 0,998
30 - - - - 4.68Е-03 2,33 7.30Е-06 5Д4 6.65Е-10 9,18 0,229 >0,999
ТЭА* 70 9.09Е-08 7,04 4,80 >0,999 1,31 Е-02 1,88 2.00Е-04 3,70 I.83E-08 7,74 0,118 >0,999
50 2.06Е-08 7,69 4,60 0,999 1.25Е-02 1,90 6,41 Е-05 4,19 5.84Е-09 8,23 0,123 >0,999
30 1.66Е-08 7,78 3,80 >0,999 1.07Е-02 1,97 1,67 Е-05 4,78 1.52Е-09 8,82 0,227 >0,999
ДЭА* 90 2.18Е-07 6,66 1,40 0,999 2.96Е-02 1,53 1,52Е—03 2,82 1.39Е-07 6,86 0,398 0,999
70 8.87Е-08 7,05 1,30 0,999 2.79Е-02 1,5: 7.49Е-04 3,13 6.83Е-08 7,17 0,500 0,999
50 1.94Е-08 7,71 1,25 0,998 1,81 Е-02 1,74 1.82Е-04 3,74 1.66Е-08 7,78 0,600 >0,999
МЭА 90 2.77Е-06 5,56 2,40 0,999 1.47Е-02 1,83 4Д8Е-04 3,38 3.81Е-08 7,42 0,044 >0,999
70 1.47Е-06 5,83 2,30 >0,999 9.62Е-03 2,02 3.35Е-04 3,48 3.05Е-08 7,52 0,062 >0,999
50 2.01Е-07 6,70 2,20 >0,999 4.85Е-03 2,31 2.80Е-04 3,55 2.55Е-08 7,59 0,178 >0,999
30 3.41Е-08 7,47 2,10 0,998 5.58Е-03 2,25 9.60Е-05 4,02 8.76Е-09 8,06 0,324 >0,999
ГпА 95 4.28Е-06 5,37 4,00 >0,999 1.02Е-02 1,99 3.88Е-04 3,41 3.54Е-08 7,45 0,070 ^0,999
50 5 J0E-07 6,24 3,80 >0,999 5.53Е-03 2,26 8,71 Е-05 4,06 7.95Е-09 8,10 0,140 >0,999
30 1.37Е-07 6,86 3,60 0,999 4.19Е-03 2,38 4.30Е-05 4,37 3.92Е-09 8,41 0,193 >0,999
ДГсА 90 4.03Е-07 6,39 2,40 >0,999 1,21 Е-02 1,92 7.55Е-04 3,12 6.88Е-08 7,16 0,259 к>,999
70 1.28Е-07 6,89 2,30 0,998 7.46Е-03 2,13 2.80Е-04 3,55 2.55Е-08 7,59 0,270 0,998
50 2.77Е-08 7,56 2,20 0,999 4,19Е-03 2,38 6,64 Е-05 4,18 6.05Е-09 8,22 0,293 >0,999
ДВА 95 1.30Е-07 6,89 1,70 0,996 1.03Е-02 1,99 8.ЮЕ-04 3,09 7.39Е-08 7,13 0,305 0,998
70 4Д9Е-08 7,38 1,60 0,999 5.42Е-03 2,27 2.02Е-04 3,70 1.84Е-08 7,74 0,388 0,998
50 1,56Е-08 7,81 1,50 0,999 3.85Е-03 |2,41 7,91Е-05 4,10 7.21Е-09 8,14 0,480 >0,999
* - раствор амина в этаноле 1:1
Inki = InZ - ESKI/RT, (ур.Ю)
где Z — предэкспонента; - энергия активации, кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, 0.00831 кДж/моль-К; Т - температура реакции, °К.
По модели триад для констант к, получены невысокие энергии активации (4-26 кДж), не характерные для внутренней диффузии. Величины Еакг для констант к2 весьма велики и находятся в интервале 25-60 кДж/моль, характерном для процессов внутренней диффузии.
Зависимости энергий активаций и предэкспонент уравнения Аррениуса для всех исследованных реакций сополимера ГМА-ДВБ с аминами показывают компенсационный эффект для пар Еакт и InZ в соответствии с линейными уравнениями (ур. 11-15).
D¡„: Ea„=44,45 + 2,636-lnZ, rcorr= 0,977 (ур. 11)
q: E»„ = -0,49+l,798-InZ, rcorr= 0,919 (ур. 12)
к,: Еа1ст = 12,91 + 3,073'lnZ, гсогг= 0,984 (ур. 13)
к2: ЕаКТ= 23,75 + 2,844-lnZ, гсогг= 0,995 (ур. 14)
N: ЕаКТ= 2,05 + 2,404-lnZ, гсогг= 0,989 (ур. 15)
Достаточно высокие коэффициенты корреляции показывают соблюдение правила Барклея-Батлера для всех исследованных реакционных серий.
Таблица 4
Термодинамические характеристики основных параметров кинетических уравнений для ре-
амин параметры двухэкспоненинальной модели параметры модели внутренней диффузии с набуханием
константа к| константа кг константа N 0,п Ч
1п г, Еакт кДж/ моль ГСогг 1пгг Е„„ кДж/ моль ГСОГТ 1пг* Е,„ кДж/ моль •"согг 1п Ъв Е,„ кДж/ моль Гсогт Е,„ кДж/ моль Гсг,
ГпА -0,40 12,78 0,999 2,45 31,57 >0,999 -7,46 -14,68 >0,999 3,53 48,44 0,997 1,87 1,45 0,983
ДВА 2,48 21,71 0,989 9,56 51,18 0,996 —4,43 -9,91 >0,999 -0,67 46,46 >0,999 1,43 2,74 0,999
ДГсА 4,18 25,90 >0,999 12,54 59,36 0,997 -2,33 -2,95 0,988 6,97 65,32 0,999 1,58 2,12 >0,999
МЭА 0,77 15,01 0,941 0,68 24,92 0,952 -13,45 -31,03 0,993 10,64 69,83 0,988 1,55 2,03 0,999
ДЭА* 1,06 13,61 0,954 11,62 54,26 0,992 -4,14 -9,76 0,997 4,39 59,26 0,994 1,24 2,74 0,978
ТЭА* -2,83 4,25 0,961 10,33 53,68 >0,999 -7,29 -14,42 0,910 -3,80 36,08 0,903 3,38 5,10 0,951
ДМЭА -0,10 12,98 0,923 11,94 59,41 0,965 -5,19 -9,39 0,968 -7,65 21,11 0,957 4,03 7,46 0,938
* - раствор амина в этаноле 1:1
6. Элементный анализ аминированных образцов сополимера ГМА-ДВБ
Содержание введенных в ходе реакции аминогрупп и молярную степень превращения можно определять как по данным СОЕ, так и по данным элементного анализа. Так содержание азота ([М]эа) и величины экспериментальной емкости (СОЕ) достаточно хорошо коррелируют между собой:
[ГЧЬа = - 0,063 + 0,904 ■ СОЕ, гс01Т = 0,984 (ур. 16)
Причем метод определения по значениям СОЕ показал большую точность определения азота, чем элементный анализ. Так, стандартные отклонения в случае СОЕ не превышали 0,03 ммоль/г (1,4 отн. %), в то время в случае расчета по данным элементного анализа достигали 0,24 ммоль/г (12 отн. %).
7. ИК-спектроскопня аминированных образцов сополимера ГМА-ДВБ
Показана возможность экспресс-
оценки степени аминирования трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ по данным ИК — спектров исходных и аминированных сополимеров (рис.6). Хотя образующиеся в ходе реакций аминирования амино- и аммониевые группы не имеют индивидуальных частот поглощения, расчет их концен-
Рнс.6 ИК-спектры образцов сополимера ГМА-ДВБ до
(XII) и после аминирования: ГпА (ЛИ); изо-ОА (ЛаЗ): трации может быть проведен ПО СООТНО-ДБА (Л°4). ДГсА (ЛИ) шению интенсивностей полос метилено-
вых (2932 - 3003 см"1) и гидроксильных групп (3395 - 3453 см'1) к базовой полосе карбонильной группы (1728 — 1736 см"1). В исследуемом ряду аминированных образцов были
получены достаточно высокие коэффициенты корреляции между относительными ин-тенсивностями (5) и концентрациями групп ([СН2] и [ОН])::
[СН2] = 15,54 + 16,17 • ö„ Гс0гг = 0,965 (ур. 17)
[ОН] =-0,72 + 13,43 -82, гсо„ = 0,982 (ур. 18)
Экспериментальные и рассчитанные по уравнением 17-18 значения [СН2] и [ОН] показывают хорошую адекватность (г^ 0,994 и 0,988 соответственно).
8. Исследование сорбции компонентов плазмы человека сорбентами на основе сополимера ГМА-ДВБ
Сравнительное исследование сорбционной активности полученных сорбентов на основе сополимера ГМА-ДВБ (5 масс. %) и сорбентов сравнения на основе ХМС-ДВБ (30 масс. %) проводилось по сорбционным характеристикам целевых компонентов (ли-пиды и белки плазмы) и факторам свертывания (протромбин, антитромбин III, время свертывания). Сорбенты АМГ и АМХ-1 получены аминированием МЭА сополимеров ГМА-ДВБ (АМГ-11 и 12 - сополимеры разных производств) и сополимера ХМС-ДВБ соответственно. Сорбент АМХ-1 был исследован в различных формах: свободного амина (АМХ-Г), хлор-форме (АМХ-1**) и гидрокарбонатной форме (АМХ-1*"). Кроме того была проведена иммобилизация антикоагулянтов: хондроитинсульфата на сополимере ГМА-ДВБ (сорбент ХСГ) и гепарина на сополимере ХМС-ДВБ (сорбент ГПХ).
Для оценки изменения концентрации и расчета количества сорбируемых компонентов плазмы в данной работе использовались величины статической обменной емкости (СОЕ=(Сисх-Сравн)-Vjjjj/gcgpg), для величины сродства использовали коэффициенты распределения (Р=СОЕ/Сра,н). Стандартное отклонение определений по липидам и факторам свертывания не выше 3,4 отн. % (лаборатория IN VITRO).
Выбор сорбентов для извлечения атерогенных липопротеидов целесообразно проводить в группе сорбентов с минимальными значениями коэффициента распределения по липопротеидам высокой плотности (Рвп)- По гистограмме коэффициентов распределения
по компонентам липидного спектра (рис.7) видно, что сорбенты на основе сополимера ГМА-ДВБ показывают в несколько раз меньшие значения по Рвп по сравнению с сорбентами на основе сополимеров ХМС-ДВБ с идентичной функциональной группой. Так сорбент АМГ-12 при значительно более низком Рвп показал идентичный ве-лгашдного спектра для исследуемых сорбентов личины коэффициент распределения по ЛПНП (Рнп) с сорбентом АМХ-1. Причем сополимер ГМА-ДВБ модифицированный хондроитинсульфатом (ХСГ) в двух параллельных экспериментах показал практически нулевую сорбцию ЛПВП. При этом данный сорбент эффективно извлекает ЛПОНП и триглицериды (ТГЦ).
Рис.7 Коэффициенты распределения
Селективность извлечения одного компонента (или суммы компонентов) относительно другого (или суммы компонентов) оценивали по величине:
= СОЕ/СОЕк (ур. 19)
Как видно на рис. 8 по значениям коэффициентов селективности (Кссл) синтезированный на основе сополимера ГМА—ДВБ сорбент АМГ-12 значительно превосходит сорбенты, полученные на матрице ХМС-ДВБ (АМХ-1). Причем исходный сополимер ГМА-
ДВБ (ПГМА) также показал достаточно высокие коэффициенты селективности.
Выбор среди сорбентов, одновременно извлекающих липопротеиды низкой и высокой плотности, проводили с использованием коэффициента атероген-ности (Кат), который используют для оценки риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний.
К„=(С0хс-СВп)/Свп = (Снп+Сонп)/Свп, (УР- 20) где С — содержание общего холестерола (Сохе), липо-протеидов высокой плотности (Свп), низкой плотности (Снп) и особо низкой плотности (Сонп), ммоль/л.
Снижение величины Кат после лечения или коррекции плазмы определяет положительный клинический эффект коррекции липидов. Конечный выбор с более наглядной дифференциацией и учетом знака эффекта дает комплексный критерий изменения ряда показателей (П,):
АД^-"-""1—-Ун- 100 % (УР- 21)
Комплексный критерий рассчитывался с учетом соотношения сорбционных фаз по исходным и равновесным показателям: Кат, MHO и отношению концентраций антитромбина III к протромбину (Са1П/С„р<,) и trpou (тромбиновому времени). На рис. 9 показаны величины критерия ДКат (ур. 21) после контакта плазмы с исследуемыми сорбентами. Как видно, сорбенты ПГМА, АМГ-12, ХСГ обеспечивают снижение Кат, в то время как сорбенты на основе сополимеров ХМС-ДВБ значительно увеличивают К„. Для оценки изменений системы свертывания использовали величину MHO (международное нормализованное отношение), характеризующую изменение протромбинового времени в процессе сорбционной коррекции.
Для разработки эффективных медицинских технологий коррекции гиперлипидеми-ческой плазмы необходимо обеспечить не только избирательную сорбцию ЛПНП и ЛПОНП плотности, исключая сорбцию ЛПВП, но желательно обеспечить снижение
К^ХСОЕДОЕвп
и, I а(нгж>нпувп
-II: щтгц+нп+онпувп
1 ГМ.-гп ill. . , Г-Ш . г£Э
s г
Рис.8 Коэффициенты селективности по отношению СОЕ компонентов шшидного спектра для исследуемых сорбентов
Рис. 9 Изменение коэффициентов ате-рогенности после контакта с исследуемыми сорбентами
1 адмнэ
i О Д!С.к, УСпоо ) 3□¿тромб Время
свертываемости обменной плазмы или аутоплазмы. Причем для лечения различных патологических состояний необходимо обеспечить увеличенные в 2-3 раза значения MHO по сравнению с MHO нормальной плазмы (0,8 - 1,15). Таким образом, при выборе сорб-ционных параметров целесообразно не только исключить понижение времени свертывания при сорбционной коррекции аутоплазмы, но и по возможности обеспечить его увеличение при заменном переливании лечебной плазмы.
На рис. 10 приведено относительное изменение параметров коагулограмм (ДП, %)
до и после сорбции. Как видно, для исходного сополимера с эпоксигруппами (ПГМА) наблюдается неизменность величин П по всему ряду параметров свертывания, аналогичные результаты дал и сополимер (ХСГ), модифицированный хондроитин-сульфатом. Близость величин ДП к нулю наблюдается из-за близости концентраций до и после сорб-
„ ,, ции, которые могут лежать в пределах погрешно-
Рис. 10 Удельное шменение параметров г г
MHO. отношения концентрации антитром- сти анализов. Переход к более эффективному ан-
бина Ш к протромбину (С„/С~о), тромби- „„-г.
нового времени плазмы поелГконтакта е ^коагулянту гепарину сорбент ГПХ (ХМС-ДВБ
исследуемыми сорбентами модифицирован гепарином) дает уже 20%-ное уве-
личение тромбинового времени при неизменности других параметров. Увеличение тром-бинового времени (At,,^) и других показателей Д(Са1ГГ/Спр<,) и ДМНО наблюдается после контакта с сорбентами АМГ-11, АМХ-1, полученными аминированием аминоэтанолом матриц ГМА-ДВБ и ХМС-ДВБ. Сорбент АМГ-11 при значительном увеличении t^ обеспечивает самые высокие значения ДМНО. Было установлено, что удельные изменения соотношения содержания антитромбина III к протромбину (Сакт/Спр<() и MHO изменяются симбатно, давая линейную зависимость с высоким коэффициентом корреляции (Гсо„=0,990).
Большое значение для новых лечебных технологий сорбционной иммунокоррекции
плазмы имеет и селективность в ряду глобулинов, которая позволяет снижать гипериммунный статус путем избирательной сорбции определенных глобулиновых фракций.
Коэффициенты селективности (Ксел), как отношение емкостей (СОЕ() по отдельной фракции глобулинов (а,, а2, ß, у) к емкости по общему белку (СОЕ06) показывают принципиальную
Рис.И Коэффициенты селективности (по возможность селективной сорбции в ряду глобу-
СОЕ) сорбции фракций глобулинов по от- , ,,, r г
я„ - ' линов (рис. 11). Следует отметить, что большин-
ношению к оощему белку для исследуемых V1 ' J '
сорбентов ство сорбентов показали выраженную селектив-
S 2
ность к Р-глобулинам. Образец АМГ-11 показал селективность к р-глобулинам немного выше, чем образцы серии АМХ-1. Исключение составил образец ХСГ, обладающий наибольшей селективностью к у-глобулинам. Исходный сополимер (ПГМА) показал наибольшие в исследуемом ряду сорбентов коэффициенты селективности по аг, аг, р- глобулинам, при практическом отсутствии сорбции у-глобулинов.
ВЫВОДЫ
1. Проведено комплексное исследование кинетики и равновесия блока реакций ПАП-аминирования трехмерного сополимера ГМА—ДВБ рядом аминов, найдены оптимальные условия синтеза для достижения высоких степеней превращения. Показана высокая эффективность реакций сополимера ГМА-ДВБ с первичными, вторичными и третичными аминами.
2. Для одиннадцати реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ в различных растворителях получено количественное описание равновесия по уравнению Вант-Гоффа с высокими коэффициентами корреляции (0,911- 0,998) в широких интервалах температур и определены изменения энтальпии реакций ПАП.
3. Для семи реакций аминирования получено количественное описание кинетики ПАП на набухающих сополимерах с высокими коэффициентами корреляции (0,9960,999) по двум моделям: модели внутридиффузионного лимитирования с изменением реакционного объема полимерной фазы, а также модели усеченных триад с учетом взаимного влияния соседних групп на короткоцепных кластерах трехмерного сополимера.
4. Установлено, что изменения констант скоростей химической реакции в уравнении Маккарри (по модели триад), а также коэффициентов набухания и внутренней диффузии (по внутридиффузионной модели набухающего сополимера) в широком интервале температур описываются уравнением Аррениуса, рассчитаны энергии активации данных процессов. Показано, что взаимное влияние прореагировавших и непрореагировавших групп определяется в основном изменением диффузионных характеристик полимерной фазы и может быть оценено по константе скорости к2 уравнения Маккарри.
5. Предложены и проверены две методики количественной оценки прореагировавших и непрореагировавших эпоксигрупп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ: волю-мометрический метод анализа исходных эпоксигрупп (+0,05 ммоль/г) и экспресс - метод оценки степени превращения в реакциях раскрытия эпоксидных циклов по данным ИК— спектров.
6. В сравнении с хлорметилированными сополимерами ХМС—ДВБ показана высокая реакционоспособность эпоксигрупп трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ в реакциях аминирования и возможность достижения высоких сорбционных характеристик этих сополимеров по целевым метаболитам.
7. Показано, что варьирование строения аминирующего агента обеспечивает селективность сорбции в ряду липопротеидов, белков и некоторых факторов свертывания. Предложены комплексные критерии для предварительной оценки эффективности плаз-
15
мосорбентов для сорбционной плазмокоррекции. Предварительные оценки селективности и емкости сорбентов на основе аминированных сополимеров ГМА-ДВБ показывают возможность их применения для коррекции плазмы при лечении различных заболеваний, связанных с повышенным содержанием атерогенных липидов, некоторых гипериммунных состояний, и состояний, связанных с повышенной свертываемостью крови.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
1. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин. Разработка новых сорбционных материалов // Ж.Сорбционные и хроматографич. процессы. 2010. Т.10. №6. С.761 - 768.
2. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин. Трехмерные сополимеры глицидилметакрилата и ДВБ как потенциальная матрица для синтеза плазмосорбентов. // Ж.Сорбционные и хроматографич. процессы. 2012. Т.12. №3. С.380 - 387.
3. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин. Методы определения концентрации функциональных групп полимеров // Материалы межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Безопасность жизнедеятельности и проблемы устойчивого развития» М.: РХТУ 2010. ч.1. С.13-18.
4. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин, Т.А. Черкасова. Разработка сорбентов и процессов детоксикации организма человека и животных методами плазмосорбции для целей эфферентной медицины // Образование и наука для устойчивого развития. Международная научно-практическая конференц.: материалы конф. 4.1, секции «Природопользование для устойчивого развития» и «Химия в интересах устойчивого развития» М.:РХТУ, 2010. С.48-51.
5. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин, Т.А. Черкасова. Направленный синтез сорбентов для селективного извлечения ЛНП из биологических жидкостей организма // Образование и наука для устойчивого развития. Межвузовская научно-практическая конференц.: материалы конф. 4.1, секции «Природопользование для устойчивого развития»; «Химия в интересах устойчивого развития»; «Экология мегаполисов и устойчивое развитие» М.:РХТУ, 2011. С.13-16.
6. A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин. Трехмерные сополимеры глицидилметакрилата и ДВБ как потенциальная матрица для синтеза анионообменных плазмосорбентов. // Сборник материалов XIII Международной конференции «Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов (ИОНИТЫ-2011)» ВГУ, С. 196-199.
7. М.Е. Росугбу, A.C. Алдошин, Ю.А. Лейкин. Сорбенты для селективного извлечения липопротеидов низкой и особо низкой плотности. // Международная научно-практическая конференция и школа молодых ученых и студентов «Образование и наука для устойчивого развития» М.:РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012.- С. 79-83.
Подписано в печать: 21.05.2014 Тираж: 100 шт. Заказ N019 Отпечатано в типографии «Реглет» Москва, Страстной бульвар, д. 4, стр. 1 +7(495)979-98-99 vvww.reglet.ru
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
На правах рукописи
04201460448
Алдошин Александр Сергеевич
РЕАКЦИИ АМИНИРОВАНИЯ СОПОЛИМЕРОВ ГЛИЦИДИЛМЕТАКРИЛАТА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМОСОРБЕНТОВ
02.00.06 - высокомолекулярные соединения
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Ю.А. Лейкин
Москва - 2014
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................................................................3
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................................................................................8
1.1 Липопротеиды плазмы крови и их роль в развитии атеросклероза. Методы снижения уровня атерогенных липопротеидов......................................................................8
1.2 Сорбенты на основе активных углей....................................................................................11
1.3 Модифицированный фуллереном силикагель......................................................................12
1.4 Сорбенты с гидрофобными группами...................................................................................14
1.5 Сорбенты с анионными и амфотерными группами.............................................................16
1.6 Плазмоиммуносорбенты.........................................................................................................28
1.7 Общая оценка методов ЛПНП-афереза................................................................................31
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.....................................................................................35
2.1 Выбор полимерного носителя для получения плазмосорбентов........................................35
2.2 Методология расчета концентрации функциональных групп и молярной степени превращения в реакциях полимераналогичных превращений (ПАП)...............................39
2.3 Разработка методики определения эпоксидных групп в сополимере ГМА-ДВБ.............42
2.4 Исследование реакции гидролиза сополимера ГМА-ДВБ..................................................49
2.5 Исследование равновесия реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ.......................53
2.6 Сравнение эффективностей реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ по равновесным характеристикам и термодинамическим параметрам уравнения Вант-Гоффа.............................................................................................................................66
2.7 Общее описание кинетики ПАП аминирования сополимера ГМА-ДВБ...........................71
2.8 Модель внутренней диффузии с набуханием.......................................................................74
2.9 Двухэкспоненциальная модель с учетом неоднородности функциональных групп........83
2.10 Сравнительная оценка реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ по параметрам кинетических моделей и термодинамическим параметрам уравнения Аррениуса................................................................................................................................96
2.11 Элементный анализ аминированных образцов сополимера ГМА-ДВБ..........................114
2.12 ИК-спектроскопия аминированных образцов сополимера ГМА-ДВБ............................115
2.13 Исследование морфологии структуры и внутренней дисперсности сополимера ГМА-ДВБ и его аминированных производных..................................................................120
2.14 Сравнение ПАП-аминирования сополимера ГМА-ДВБ и хлорметилированных сополимеров стирола и ДВБ................................................................................................130
2.15 Исследование сорбционных свойств сорбентов на основе сополимера ГМА-ДВБ
для целей плазмосорбции.....................................................................................................134
2.16 Определение параметров сорбции для достижения клинического эффекта...................144
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..............................................................................146
3.1 Характеристика используемых веществ.............................................................................146
3.2 Методики эксперимента.......................................................................................................147
3.3 Экспериментальные данные.................................................................................................152
ВЫВОДЫ...........................................................................................................................165
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................167
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ГМА-ДВБ - сополимер глицидилметакрилата и дивинилбензола;
ХМС-ДВБ - хлорметилированный сополимер стирола и дивинилбензола;
ГпА - гептиламин;
изо—OA - 2-этилгексиламин;
ДБА - дибутиламин;
ДГсА - дигексиламин;
ДМА - диметиламин;
ТМА - триметиламин;
ТЭтА - триэтиламин;
МЭА - моноэтаноламин;
ДЭА — диэтаноламин;
ТЭА - триэтаноламин;
ДМЭА - диметилэтаноламин;
ХС - хондроитинсульфат;
ИП - изопропанол;
ПГ - пропиленгликоль;
ПАП - полимераналогичные превращения;
ст. откл. - стандартное отклонение;
отн. % - относительное отклонение;
МНК - метод наименьших квадратов;
ЗДМ — закон действующих масс;
ММ - молекулярная (молярная) масса;
СОЕ - статическая обменная емкость;
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;
Метод БЭТ - метод Брюнера-Эммета-Теллера;
Метод БДХ - метод Баррета-Джойнера-Халенды;
БАВ - биологически активное вещество;
ТГЦ - триглицириды;
ОХС - общий холестерол;
ЛП - липопротеиды;
ЛПВП - липопротеиды высокой плотности;
ЛПНП - липопротеиды низкой плотности;
ЛПОНП - липопротеиды особо низкой плотности;
СГХ - семейная гиперхолестеринемия;
ИБС - ишемическая болезнь сердца;
MHO - международное нормализованное отношение;
ОЦК - объем циркулирующей крови;
ОЦП - объем циркулирующей плазмы.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одно из первых мест в ряду причин смертности населения в развитых странах занимают сердечно-сосудистые заболевания. Повышение уровня атерогенных липопротеидов низкой (ЛПНП) и особо низкой (ЛПОНП) плотности приводит к развитию атеросклеротических поражений сосудов. Так по данным медстатистики увеличение содержания на 1% атерогенных липопротеидов (ЛПНП и ЛПОНП) на 2-3% увеличивает риск возникновения сердечно - сосудистых патологий и может значительно снижать временной ресурс после замены сосудов. Однако применение эффективных медицинских технологий и устройств экстракорпоральной плазмосорбции реально ограничено дефицитом сорбентов для коррекции плазмы, обладающих необходимой избирательностью.
Ситуация осложняется и ограниченностью ассортимента полимерных матриц и носителей, способных к широкому классу полимераналогичных превращений (ПАП) и иммобилизации БАВ. Все возрастающие требования к обеспечению химической безопасности плазмосорбентов порождают ограничения применения для синтеза аффинных сорбентов БАВ животного происхождения, а также использования полимеров или жидких реагентов, обладающих токсическими или канцерогенными свойствами, что характерно для широко распространенных хлорметилированных матриц на сополимерах стирола.
Актуальными являются и исследования реакционной способности альтернативных полимерных матриц и носителей на основе трехмерных сополимеров глицидилметакрилата и дивинилбензола (ГМА-ДВБ). Несомненно, актуальной является и кинетическая оценка в широком интервале температур реакционной способности эпоксидных групп таких сополимеров в реакциях ПАП, что важно для достижения максимальных степеней превращения и концентрации активных групп в реакциях аминирования первичными, вторичными и третичными аминами.
Разработка плазмосорбентов с достаточной химической селективностью позволит создать новые лечебные технологии экстракорпоральной коррекции плазмы по ряду метаболитов и БАВ, а также делает реальной возможность за-
мены переливания донорской плазмы экстракорпоральной коррекцией с синхронным возвратом аутоплазмы.
Целью работы является оценка возможности использования трехмерных сополимеров глицидилметакрилата и дивинилбензола (ГМА-ДВБ) в качестве исходных полимерных матриц и носителей, а также разработка синтеза селективных сорбентов с максимально возможной для данной структуры количеством активных аминогрупп различного типа, обладающих химической селективностью, необходимой для экстракорпоральной коррекции плазмы.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- разработка методики количественного определения эпоксигрупп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ для исследования кинетики и равновесия ПАП на матрице ГМА-ДВБ;
- исследование кинетических и равновесных параметров реакций амини-рования сополимера ГМА-ДВБ различными аминами для подбора оптимальных режимов синтеза;
- оценка реакционной способности сополимера ГМА-ДВБ в реакциях аминирования различными аминами и его пригодности для иммобилизации БАВ по аминогруппам;
- оценка и формулирование требований по селективности в ряду липо-протеидов, белков и факторов свертывания;
- сравнительная оценка сорбционных свойств сорбентов на основе сополимера ГМА-ДВБ и ХМС-ДВБ для целей плазмосорбции.
Научная новизна:
- проведено систематическое исследование кинетических и равновесных характеристик блока реакций аминирования трехмерного сополимера ГМА-ДВБ различными аминами в широком интервале температур и времен реакций.
- для семи реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ получен комплекс кинетических, равновесных и термодинамических параметров ПАП в широком интервале температур и времен реакций;
- для блока семи реакционных серий показана возможность количественного описания кинетики ПАП на набухающих трехмерных сополимерах с изменением реакционного объема полимерной фазы в процессе реакции по моде-
ли внутридиффузионного лимитирования и общей модели на короткоцепных кластерах трехмерного сополимера по схеме усеченных триад;
- исследовано равновесие одиннадцати реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ рядом аминов в различных растворителях и получено количественное описание максимально достигаемых степеней превращения от температуры. Показано соответствие констант равновесия уравнению Вант-Гоффа в исследованных интервалах температур и возможность прогнозирования оптимальной температуры для достижения высоких степеней превращения;
- установлено, что константы скоростей химической реакции в уравнении Маккарри для всего ряда исследованных реакций ПАП, а также коэффициенты набухания и внутренней диффузии подчиняются уравнению Аррениуса в широком интервале температур, что позволяет описать зависимости степеней превращения от времени и температуры для всех исследованных реакционных серий;
- показано, что взаимное влияние прореагировавших и непрореагировав-ших групп определяется в основном изменением диффузионных характеристик полимерной фазы, которое может быть оценено по константе к2 уравнения Маккарри;
Практическая значимость работы:
- показана высокая реакционная способность эпоксигрупп трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ, позволяющая использовать эти сополимеры как носители и матрицы для синтеза анионитов по реакциям ПАП с различными аминами. В сравнении с хлорметилированными сополимерами стирола применение подобной матрицы позволяет в ряде случаев отказаться от использования дефицитных винил ароматических мономеров и высокотоксичного монохлордимети-лового эфира;
- показаны широкие возможности достижения максимальных степеней превращения эпоксигрупп трехмерных сополимеров ГМА-ДВБ в реакциях с различными аминами и предварительно оценены изменения емкости и селективности в зависимости от структуры аминогрупп по ряду липопротеидов, глобулинов и показателям свертываемости плазмы;
- выбраны и проверены адекватные модели, позволяющие в широком интервале температур количественно описать равновесие и кинетику реакций ПАП с изменяющимся объемом полимерной фазы при аминировании сополимеров ГМА-ДВБ;
- комплекс полученных равновесных, кинетических, термодинамических параметров исследованных реакций аминирования сополимера ГМА-ДВБ дает возможность получения широкого спектра сорбентов с максимально возможным содержанием аминогрупп с различными заместителями;
- показана возможность изменения химической селективности в ряду ли-попротеидов, глобулинов и факторов свертывания крови варьированием типа и структуры аминогрупп, вводимых в матрицу сополимера ГМА-ДВБ;
- предложены и проверены два метода определения содержания исходных и прореагировавших эпоксидных групп в трехмерных сополимерах ГМА-ДВБ: экспресс - метод оценки степени превращения в реакциях раскрытия эпоксидных циклов по данным ИК-спектров и волюмометрический метод анализа, позволяющий с высокой точностью (±0,05 ммоль/г) определять содержание эпок-сигрупп;
- показана возможность применения разработанных на основе сополимера ГМА-ДВБ селективных сорбентов для коррекции аутоплазмы при лечении различных заболеваний связанных с повышенной свертываемостью крови, повышенным содержанием атерогенных липопротеидов, а также некоторых гипериммунных состояний. Предложены комплексные критерии для предварительной оценки эффективности плазмосорбентов при решении задач плазмокоррек-ции.
Анализ удельной поверхности и пористости, сканирующая электронная микроскопия исходных и модифицированных образцов сополимера ГМА-ДВБ выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева. ИК-спектроскопия и элементный анализ - выполнены в аналитической лаборатории ФГУП «ГНЦ «НИОПИК».
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Липопротеиды плазмы крови и их роль в развитии атеросклероза.
Методы снижения уровня атерогенных липопротеидов.
За более чем 80 лет изучения липопротеидов (ЛП) плазмы крови, особенно в последние десятилетия, было сделано много фундаментальных открытий, в области их структуры и функций. ЛП представляют собой высокомолекулярные комплексы белков и липидов, образованные с помощью нековалентных связей (гидрофобные и электростатические взаимодействия). ЛП играют важную роль в жизнедеятельности организма. Основной их функцией является транспорт липидов, в том числе холестерина, а также жирорастворимых витаминов, гормонов и других БАВ в организме человека [1].
Согласно современным представлениям частица ЛП имеет мицеллярную структуру и состоит из гидрофильного поверхностного слоя, образованного белками и полярными липидами (фосфолипиды, неэтерефицированный холе-стерол) и гидрофобного ядра, содержащего неполярные липиды (триглицери-ды, этерефицированный холестерол) [2].
ЛП принято классифицировать по различиям в их свойствах. Существует несколько таких классификаций: по гидратированной плотности, по скорости флотации, по электрофоретической подвижности и по аполипопротеиновому составу частиц. Среди них наиболее распространена классификация, основанная на разделении ЛП методом ультрацентрифугирования. Согласно данной классификации, ЛП делятся на четыре основных класса: хиломикроны (ХМ), липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) и липопротеиды высокой плотности (ЛПВП). Данные классы ЛП отличаются по химическому составу и по размеру частиц. Размер ЛП частиц обратно пропорционален их плотности: чем больше размер частицы, тем меньше ее плотность, и наоборот. Также липопротеиды принято различать по преобладанию в них того или иного белка или липида (например ano A-, ano В-содержащие и т.д.). ХМ и ЛПОНП относятся к группе ЛП богатых тригли-
церидами (ТГЦ), ЛПНП относятся к группе ЛП богатых холестерином, а ЛПВП относят к ЛП, богатых фосфолипидами [3].
В настоящее время общепризнанной является «липидная теория» патогенеза атеросклероза - заболевания, обусловленного образованием обильных отложений холестерина и его эфиров на внутренней поверхности кровеносных сосудов. Данная теория основывается на том, что повышение уровня холестерина атерогенных классов липопротеидов в крови, даже при отсутствии других факторов риска, способствует возникновению и развитию атеросклеротических поражений сосудов, что является причиной возникновения сердечнососудистых заболеваний и преждевременной смерти [4, 5].
ЛПНП и ЛПОНП относятся к атерогенным ЛП, а ЛПВП - к антиатероге-неным. Важный фактор возникновения атеросклероза - высокое содержание в плазме ЛПНП при низком содержании ЛПВП. Липопротеиды высокой плотности способны выводить холестерин из клеток, тем самым защищая организм от атеросклероза. Таким образом, высокая концентрация ЛПВП существенно снижает риск атеросклероза и сердечнососудистых заболеваний [1, 3].
В 1963 г был открыт новый антиген - липопротеид (а) (Лп(а)) [6]. Это ли-пидо-белковый комплекс, относящийся к атерогенным классам ano В-содержащих ЛП, богатых холестерином. Лп(а) представляет собой ЛПНП-подобную частицу, но отличается от нее тем, что имеет в своем составе уникальный апобелок(а), молекула которого ковалентно связана с молекулой белка апоВюо дисульфидной связью. Было установлено, что апобелок(а) обладает высокой гомологией с плазминогеном [7], вследствие этого возникло предположение, что Лп(а) играет роль в развитие атеросклероза и может играть связующую роль между образованием атеросклеротической бляшки и тромбообразо-ванием. В многочисленных исследованиях, была замечена связь м�
