На правах рукописи КРАХОТКИНА Элина Александровна СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КАРБО- И ГЕТЕРОЦЕПНЫХ

На правах рукописи
КРАХОТКИНА Элина Александровна
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КАРБО- И ГЕТЕРОЦЕПНЫХ
АЗОЛСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ
02.00.06 – Высокомолекулярные соединения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иркутск - 2011
Работа выполнена на кафедре органической химии химического факультета
Иркутского государственного университета
Научный руководитель:
доктор химических наук, профессор
Кижняев Валерий Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор
Скушникова Альвира Ивановна
кандидат химических наук, доцент
Лебедева Оксана Викторовна
Ведущая организация:
Научно-исследовательский институт химии
Нижегородского государственного
университета им. Н.И. Лобачевского
Защита состоится 16 февраля 2011 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.074.06 по защите диссертации на соискание учёной
степени кандидата химических наук при Иркутском государственном университете по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический
факультет ИГУ.
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке ИГУ, с авторефератом диссертации - на сайте ИГУ http://www.isu.ru
Автореферат разослан и размещен на сайте ИГУ http://www.isu.ru
« 11 » января 2011 г.
Отзывы на автореферат высылать по адресу: 664003, Иркутск,
ул. К. Маркса, 1, ИГУ, химический факультет, учёному секретарю диссертационного совета О.А. Эдельштейн.
Учёный секретарь диссертационного совета,
к. х. н., доцент
О.А. Эдельштейн
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Водорастворимые высокомолекулярные соединения были и остаются весьма интересным для науки и практики типом полимеров, поскольку, структура подобных полимерных веществ предполагает
наличие определенных функциональных фрагментов, обеспечивающих еще и
проявление широкого многообразия свойств: комплексообразующую, сорбционную, каталитическую активности, многие из водорастворимых полимеров обладают собственным физиологическим действием. Поэтому водорастворимые полимеры находят практическое применение во многих областях
жизнедеятельности человека: они используются при решении задач экологии, сельского хозяйства, пищевой промышленности, в медицинской практике и др. На их основе производят сорбенты, коагулянты, флокулянты, носители лекарственных веществ, разделительные мембраны и многое другое.
Некоторые водорастворимые полимеры, имея структуру, близкую к природным биологически активным соединениям, проявляют активность в реакциях, моделирующих биологические процессы в живых организмах, т. е. могут
служить не только моделями для изучения подобных процессов, но и основой для создания синтетических физиологически активных веществ.
К числу водорастворимых высокомолекулярных веществ относятся и
некоторые представители азолсодержащих полимеров, в частности, имеющие в структуре имидазольные, 1,2,4-триазольные и N-H незамещенные тетразольные циклы. Причем, многообразие структурных вариаций мономерных
фрагментов обусловливает существование среди данного класса высокомолекулярных соединений гидрофильных, ионизующихся и неионогенных полимеров, проявляющих кислотные и основные свойства. Поэтому исследование процессов взаимодействия азолсодержащих полимеров с водными системами представляет интерес в плане решения фундаментальной проблемы
установления взаимосвязи «строение – свойство», для расширения общетеоретических представлений о процессах формирования многокомпонентных
систем, в том числе и биологических систем, моделями которых могут служить водные растворы азолсодержащих полимеров. Кроме того, именно в
водных системах для этих полимеров характерно проявление большинства
практически интересных свойств. Нередко выраженность проявления того
или иного свойства определяется структурными факторами, в частности,
гидрофильно-гидрофобным балансом в макромолекулах полимеров. Поэтому
поиск новых структурных вариаций полимеров на основе полиазотистых гетероциклов является весьма актуальной проблемой в плане расширения возможностей практического применения азолсодержащих полимеров.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института нефте- и углехимического
синтеза при Иркутском государственном университете (№ гос. регистрации
НИР 01200803060) «Создание новых нетрадиционных подходов к молекулярному дизайну азол- и азинсодержащих полимеров и нанокомпозитов на
3
их основе с каталитической и биологической активностью» и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракты №
П1474 от 03.09.09 и № П2122 от 05.11.09).
Цель работы. Синтез и исследование свойств тетразолсодержащих
полимерных кислот с различным гидрофильно-гидрофобным балансом и ранее неизвестных гетероцепных полиазолов катионной природы.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Синтез сополимеров 5-винилтетразола с различными виниловыми сомономерами, обеспечивающими проявление сополимерами амфифильных
свойств и существование в макромолекулах различных типов межмолекулярных взаимодействий: гидрофобных, диполь-дипольных, донорноакцепторных (водородных связей).
2. Исследование реакции сополимеризации 5-винилтетразола с N-виниллактами и получение полимерных соединений, обладающих в водных средах
рН-термочувствительными свойствами.
3. Исследование процессов формирования водных композиций с участием
тетразолсодержащих сополимеров и установление влияния различных структурных факторов на совместимость полимеров с водой и поведение в водных
средах.
4. Исследование возможности использования реакции поликватернизации
для синтеза ранее неизвестных полиазолов ионенной природы.
5. Изучение реакций интерполимерного взаимодействия азолсодержащих ионенов с полимерными кислотами синтетического (полиакриловой кислотой)
и природного (гепарином) происхождения.
В качестве основных объектов исследования данной работы служили
5-винилтетразол и сополимеры на его основе с 2-метил-5-винилтетразолом,
2-амил-5-винилтетразолом, 2-нонил-5-винилтетразолом, 1,1,7-тригидрододекафторгептилметакрилатом, 1-винилимидазолом, N-винилкапролактамом,
N-винилпиридоном, N-винилпиперидоном, а также бис-ди- и триазолы и ионены на их основе.
Научная новизна и практическая значимость работы. Результаты
исследования совместной полимеризации 5-винилтетразола с мономерами
винилазольного, метакрилатного и виниллактамного типа расширяют представление об активности винильных производных тетразола в полимеризационных процессах.
Синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты
кислотного характера, строение макромолекул которых обусловливает существование различных типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами. Исследованием взаимодействия с водой тетразолсодержащих сополимеров установлено, что наличие в макромолекулах боковых
фрагментов, склонных к сильным диполь-дипольным взаимодействиям, приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему
снижению сродства полимеров к воде по сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными фрагментами.
4
Установлено, что совмещением в одной макромолекулярной цепи мономерных звеньев 5-винилтетразола и N-винилкапролактама возможно получение полимерных продуктов, обладающих рН-термочувствительными свойствами. Для водных растворов указанных сополимеров характерно наличие
нижней критической температуры (НКТР), которая изменяется в зависимости от рН среды.
Продемонстрирована возможность использования реакции поликватернизации с участием бис-имидазола, бис-триазолов и дигалогеналканов
различного строения для синтеза гетероцепных азолсодержащих олигомеров
катионной природы, способных к реакциям интерполимерного взаимодействия с полимерными кислотами синтетического и природного происхождения, что обусловливает проявления азолсодержащими ионенами физиологической активности.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
были доложены на XVIII и XIX Российской молодежной научной конференции (Екатеринбург, 2008 и 2009); X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры-2009» (Волгоград, 2009); V
Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры 2010» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 5 материалов конференций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов
и библиографии. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста,
включая 25 таблиц, 33 рисунка и списка цитируемой литературы из 137 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В качестве объектов исследования служили 5-винилтетразол (ВТ) и сополимеры на его основе с 2-метил-5-винилтетразолом (МВТ), 2-амил-5винилтетразолом (АВТ), 2-нонил-5-винилтетразолом (НВТ), 1,1,7тригидрододекафторгептилметакрилатом (12-ФГМА), 1-винилимидазолом
(ВИ), N-винилкапролактамом (ВК), N-винилпиридоном (ВП), Nвинилпиперидоном (ВПП), а также бис-ди- и триазолы и ионены на их основе.
1. Синтез и свойства сополимеров 5-винилтетразола с различным
гидрофильно-гидрофобным балансом
1.1. Синтез сополимеров 5-винилтетразола
Радикальной сополимеризацией винилтетразолов синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты кислотного характера,
5
строение макромолекул которых обусловливает существование различных
типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцепторных (водородных
связей).
( CH2
.....
CH
N
N
N
N
CH )
CH2
H
N
Сополимеры ВТ – МВТ (АВТ, НВТ)
(I  III)
N
N
N
R
CH3
( CH2
.....
CH
N
CH2
C
N
N
..... CH2
CH
Сополимер ВТ – 12-ФГМА (IV)
O
O CH2 (CF2)5 CF2H
H
N
( CH2
CH )
CH )
N
N
N
( CH2
H
N
.....
CH
N
N
CH2
CH )
N
N
N
( CH2
Сополимер ВТ – ВИ (V)
N
Сополимер ВТ – ВК (VI)
O
Сополимер ВТ – ВП (VII)
H
N
.....
CH
CH2
CH )
N
N
O
N
N
( CH2
H
N
.....
CH
CH2
CH )
N
N
Сополимер ВТ – ВПП (VIII)
O
N
N
N
H
CH3
( CH2
.....
C
N
N
CH )
N
N
N
CH2
Сополимер 5-изопропенилтетразола (ИПТ) с ВК (IX)
O
H
6
( CH2
.....
CH
N
CH )
CH2
N
N
N
Сополимер МВТ – ВК (X)
O
N
CH3
Для некоторых систем были изучены закономерности процесса сополимеризации, который проводили в условиях радикального инициирования в
ДМФА или этаноле. Установлено, что при совместной полимеризации ВТ с
ВИ и N-виниллактамами (ВК, ВП и ВПП), а также в системе МВТ – ВК, сополимеры обогащены звеньям тетразолсодержащего мономера во всем диапазоне исходных соотношений сомономеров. Для систем ВТ – МВТ и ВТ –
12-ФГМА отмечено существование точки «азеотропа» (рис. 1).
m1, мол. доли
m1, мол. доли
1,0
.
.
* . ..
.* .
.
* *
*
* *
0,5
.*
0
.*
1,0
0,5
1
2
*
0.5
3
1.0
.

.
.

. 
.
. . 

.
.
.
4
5
6
0
M1, мол. доли
0.5
1.0
M1, мол. доли
Рис. 1. Зависимость содержания звеньев ВТ (МВТ) в сополимере ( m1 )
от его содержания в исходной мономерной смеси (М1) для систем:
ВТ–МВТ (1); ВТ–12-ФГМА (2); ВТ – ВИ (3); ВТ–ВК (4); ВТ–ВП (5);
МВТ–ВК (6).
Расчет констант сополимеризации указывает, что во всех системах
наиболее активным является тетразолсодержащий мономер (табл. 1). Для
смесей ВТ с N-виниллактамами было обнаружено явление комплексообразования между сомономерами, обусловленное образованием водородных связей между N-Н незамещенным тетразольным циклом и карбонильным фрагментом лактамного кольца. Эффект комплексообразования в некоторой степени сказывается на процессе сополимеризации в системе ВТ–ВП, где, по
данным ИК-спектроскопии, образуется более прочный комплекс между сомономерами: произведение констант сополимеризации r1  r2 = 0.01 для этой
системы указывает на возможное чередование звеньев в сополимере.
7
Таблица 1. Константы сополимеризации 5-винилтетразола (М1) с некоторыми
виниловыми мономерами
М2
Растворитель
r1
r2
МВТ
ДМФА
0.61  0.18
0.52  0.16
12-ФГМА
ДМФА
0.74  0.12
0.60  0.09
ВИ
ДМФА
1.04  0.20
0.22  0.05
ВК
Этанол
1.33  0.30
0.24  0.06
ВП
Этанол
1.18  0.20
0.01  0.001
МВТ (М1) – ВК
Этанол
2.73  0.20
0.57  0.05
Образование сополимеров во всех системах подтверждено данными
элементного и спектральных (ЯМР- и ИК-спектроскопией) анализов, результатами потенциометрического и турбидиметрического титрования.
1.2. Совместимость с водой сополимеров 5-винилтетразола
Совместимость высокомолекулярных соединений с водой зависит от
степени термодинамического сродства полимеров к воде, которая, в свою
очередь, определяется структурными особенностями полимера: гидрофильно-гидрофобным балансом и степенью самоассоциации его макромолекул.
Синтезированный набор тетразолсодержащих сополимеров характеризуется
разнообразием структурных вариаций с различными типами межмолекулярных взаимодействий: гидрофобных, диполь-дипольных, донорно-акцепторных (в случае водородных связей). Поэтому можно отследить влияние
структурных факторов тетразолсодержащих полимеров на их совместимость
с водой.
Сополимеры на основе ВТ, включающие NH незамещенные тетразольные фрагменты, проявляют свойства полимерных кислот. Однако, в неионизованной Н-форме, независимо от состава, сополимеры не растворимы в
воде, а лишь ограниченно набухают в ней. Причиной тому является образование внутри- и межмолекулярных водородных связей как между самими
звеньями винилтетразола, так и между тетразольными и структурными фрагментами (имидазольными, лактамными циклами) других сомономеров. Поэтому введение в тетразольный цикл метильного радикала, исключающее образование водородных связей между гетероциклическими фрагментами мономерных звеньев в сополимере МВТ с ВК, способствует проявлению водорастворимости у образцов с преобладающим содержанием звеньев ВК, при
8
наличии НКТР. Для образцов сополимеров МВТ с ВК с содержанием звеньев
последнего 0.52 и 0.65 мол. долей значение НКТР равно 10 и 18 оС соответственно.
Ионизация звеньев ВТ способствует возрастанию термодинамического
сродства сополимеров к воде; в солевой форме сополимеры неограниченно
смешиваются с водой. В случае сополимера ВТ с ВИ, который по своей природе является полиамфолитом, растворимость в водной среде также может
быть достигнута посредством ионизации основных имидазольных циклов,
вследствие разрушения системы водородных связей с появлением заряженных фрагментов.
Количественную оценку термодинамических параметров взаимодействия с водой тетразолсодержащих сополимеров, находящихся в ионизованном состоянии, осуществляли с использованием сорбционного метода. На
основании результатов сорбции были рассчитаны значения средней удельной
энергии смешения Гиббса gm полимеров с водой, которые показали, что
наибольшим сродством к воде (наиболее отрицательные значения gm) из
рассмотренных сополимеров обладает натриевая соль сополимера ВТ и ВИ
(рис. 2). Присутствие в макромолекулах сополимеров алкильных радикалов
или лактамных циклов понижает их гидрофильность по сравнению с натриевой солью гомополимера ВТ. Наименьшим термодинамическим сродством к
воде обладает сополимер ВТ с 12-ФГМА. Обращает на себя внимание и особенность сорбции им паров воды: вид изотермы сорбции для данного сополимера (рис. 3), в большей степени типичен для сорбции паров кристаллическим, а не стеклообразным полимером, как для остальных сополимеров. Сополимер ВТ с 12-ФГМА до p/ps=0.4 практически не поглощает воду, и только
при p/ps  0.9 количество сорбированной воды резко возрастает. Вероятно,
сильная самоассоциация макромолекул, вызванная диполь-дипольными взаимодействиями боковых перфторалкильных радикалов мономерных зве0
2
0.5
4
2
3
6
5
-20
-40
1
-60
Рис. 2. Средние удельные энергии Гиббса
смешения с водой при 25 оС Na-солей гомополимера ВТ (1), сополимеров I (2), II
(3), IV (4), V (5) и VI (6).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах:
I  0.70, II  0.66, IV  0.63, V  0.52 и
VI  0.68.
g , Äæ/ã
9
ньев ФГМА, обусловливает снижение сорбционных свойств. Только при разрушении до определенной степени ассоциированной полимерной структуры
молекулами воды происходит рост водопоглощения.
x / m, ã / ã
o
0.8
oo
o
o
o o
o
o
o
o
0.6
0.4
o
1 o
0.2
o
o
oo o
oo o
0
o
o
o
oo
3
2
o
o
o o
0.5
o
oo
4 o
o
Рис. 3. Изотермы сорбции паров воды
(x/m – отношение массы воды и полимера) при 25 оС Na-солями гомополимера ВТ (1), сополимеров I (2), II (3),
IV (4).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах:
I  0.70, II  0.66, IV  0.63.
o o
1.0
ð/ðs
Таким образом, наличие в макромолекулах сополимеров ВТ боковых
фрагментов, склонных к сильным диполь-дипольным взаимодействиям, приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему
снижению сродства полимеров к воде по сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными алкильными заместителями или полиметиленовыми цепочками лактамных циклов.
1.3. Состояние воды в полимерных матрицах
Данные по равновесной сорбции паров воды сополимерами использованы для оценки состояния молекул воды в полимерной матрице. С этой целью рассчитывали функции кластерообразования G11/V1 (если G11/V1  1, то
вода кластеров не образует, если G11/V1  1 – кластеры существуют) и размер образующихся кластеров воды Nc. Снижение термодинамического сродства полимера к воде обусловливает большую склонность молекул воды к
кластерообразованию. Как следствие, для наименее гидрофильного сополимера ВТ с 12-ФГМА формирование кластеров воды происходит уже при ее
объемной доле в полимерной матрице 0.01 – 0.015 (рис. 4) и образуются
наибольших размеров кластеры воды (до 12 молекул воды).
У наиболее гидрофильного из изученных полимерных образцов сополимера V параметр G11/V1 ненамного отклоняется от 1 только в области
объемных долей воды 0.45 – 0.48 и кластеры вообще не образуются, т. е. вода
в матрице полимера находится в виде отдельных молекул. Аналогичная картина проявляется и для сополимеров ВТ с ВК.
10
G11/ V1
Nc
60
3
8
50
10
10
5
5
6
1
5
1
7
2
0.3
0.6
4
1
0
0.3
10
9
0.6
Объемная доля
я воды
Объемная доля
я воды
Рис. 4. Зависимость функции кластерообразования воды G11/V1 (1-5)
и размера кластеров воды Nc (6-10) от ее объемной доли для систем
вода – гомополимер ВК (1, 6); Na-соль гомополимера ВТ (2, 7); сополимеров IV(3, 8), V (4, 9) и VI (5, 10). Мольная доля звеньев ВТ в
сополимерах: IV  0.63, V  0.52 и VI  0.68.
Таким образом, результаты исследования состояния воды в полимерных матрицах коррелируют с величинами энергии смешения Гиббса полимеров с водой. Улучшение взаимодействия высокомолекулярного соединения с
водой влечет за собой возрастание склонности к формированию совместных
структур полимер–вода и снижению склонности воды к кластерообразованию.
1.4. Свойства водных растворов тетразолсодержащих сополимеров
Карбоцепные полимеры, содержащие N-H незамещенный тетразольный цикл в качестве бокового заместителя, являются типичными полимерными кислотами, макромолекулы которых, в зависимости от строения, способны к конформационным превращениям при ионизации в водных средах.
Стабилизация компактных конформаций макромолекул при низких степенях
ионизации обусловлена существованием, как водородных связей, так и гидрофобных взаимодействий. В анализируемых в данной работе сополимерах
варьирование гидрофильно-гидрофобного баланса осуществлено введением в
полимерную структуру различных по размеру гидрофобных алкильных радикалов, перфторалкильных и полиалкилентетразольных фрагментов с очень
сильными диполь-дипольными взаимодействиями, разной степени гидрофобности лактамных циклов.
11
Вид кривых потенциометрического титрования в координатах рКf(α)
для сополимеров ВТ с МВТ, НВТ, ВПП, ВК (рис. 5) указывает на отсутствие
какого-либо конформационного перехода макромолекул при ионизации.
Присутствие в структуре тетразолсодержащего полимера алкильных радикалов разного размера или лактамных циклов, несмотря на существование гидрофобных взаимодействий с их участием, не приводит к структурированию
макромолекул в неионизованном состоянии при комнатной температуре.
pK
pK
..

8

..
6
..
..

.. .
..
.
..



0

.
.

0.4
.
.
..
.
.




4
.
8
0.8

1
2
3
4
6


.
.





5
6
7
4

0
0.4
0.8

Рис. 5. Зависимость константы кислотности рК от степени ионизации
при 20 оС для водных растворов гомополимера ВТ (1), сополимеров I
(2), III (3), IV (4), VI (5, 6 (60 оС)), VIII (7).
Мольная доля звеньев ВТ в сополимерах: I  0.70, III  0.81, IV  0.63,
VI  0.68, VIII  0.67.
Для сополимера ВТ с 12-ФГМА на кривой зависимости рКf(α) отмечен пологий участок в области значений  0.3 – 0.6, свидетельствующий о наличии
кооперативного конформационного перехода макромолекулярных цепей при
ионизации. Аналогичные превращения претерпевают макромолекулы сополимера ВТ с ВК в области 0.2    0.5 при повышенной температуре. Значение энергии Гиббса конформационного перехода при 60 оС, рассчитанное
из кривой зависимости рК от , составило 401.1 Дж/моль. Это явление не
наблюдается для сополимера ВТ с ВПП. Таким образом, различие всего на
одну группу СН2 в полиметиленовой цепочки лактамного цикла способствует тому, что для сополимера ВТ с ВК при повышенной температуре в большей степени проявляются гидрофобные взаимодействия, которые являются
фактором стабилизации компактной конформации полимерного клубка сополимера в неионизованном состоянии.
Полиэлектролитные свойства сополимеров на основе ВТ выражаются в
проявлении эффекта полиэлектролитного набухания в растворе при иониза12
ции. Как и в случае потенциометрического титрования, характер изменения
вязкости раствора сополимера ВТ с ВК при ионизации отличается от всех
остальных сополимеров; на кривой вискозиметрического титрования наблюдается перегиб в области малых степеней ионизации, характерный для макромолекул, претерпевающих конформационный переход.
Сочетание в макромолекулярной цепи тетразольных и капролактамных
циклов обусловливает существование для водных растворов сополимеров ВТ
с ВК, содержащих выше 0.5 мольных долей звеньев ВК, нижней критической температуры растворения. При этом значение НКТР находится в зависимости как от соотношения мономерных звеньев, так и от степени ионизации тетразольных фрагментов (т.е. от рН среды) (рис. 6), но всегда превышает аналогичную температуру для ПВК (32-33 оС). Таким образом, сополимеры ВТ с ВК относятся к, так называемым, рН-термочувствительным полимерам.
НКТР, 0C
50
1
40
Рис. 6. Зависимость температуры
фазового разделения водных растворов от степени ионизации для
сополимера VI с мольной долей
звеньев ВТ 0.36 (1), 0.14 (2).
2
30
0
0.4
0.8

Сравнение рН-термочувствительных свойств сополимеров ВК с тетразолсодержащим мономером и известными из литературы сополимерами с
метакриловой кислотой выявило ряд отличий в поведении в растворах полимерных NH и OH кислот. При одинаковом содержании звеньев ионогенного сомономера ионизация тетразолсодержащего сополимера сопровождается более существенным возрастанием температуры фазового разделения,
чему причиной является большая гидрофильность звеньев ВТ по сравнению
с фрагментами метакриловой кислоты в солевой форме.
Таким образом, совмещение в одной макромолекуле тетразольных и
капролактамных фрагментов придает продуктам совместной полимеризации
винилтетразолов и ВК свойства, как типичные для гомополимеров обоих сомономеров, так и присущие исключительно сополимерам. Одним из таких
свойств является рН-термочувствительность водных систем на основе полученных сополимеров. С учетом широких возможностей химической модификации тетразолсодержащих фрагментов, полученные сополимеры могут
13
представлять интерес при создании так называемых «умных» полимерных
систем.
Растворить тетразолсодержащие полимеры в водной среде можно не
только посредством ионизации тетразольных фрагментов, но и добавлением
к воде некоторых низкомолекулярных солей, например, перхлоратов, роданидов и иодидов. Подобный эффект проявляется и для сополимеров на основе винилтетразолов. Сополимеры ВТ с ВК при содержании звеньев первого сомономера более 50% также обладают способностью растворяться в водно-солевых средах. Минимальная концентрация соли, необходимая для растворения полимерного продукта (С*), уменьшается с обогащением сополимера звеньями ВТ (рис. 7), но всегда превосходит С* для гомополимера ВТ,
равную 0.8 и 0.7 моль/л для роданида аммония (РДА) и перхлората лития соответственно.
C*соли , моль/л
4
o
o
o
o
o
o
3
o
o
1
o
2
Рис. 7.
Зависимость минимальной
концентрации водного раствора роданида
аммония (1) и перхлората лития (2),
растворяющего при 20 оС сополимер VI
от мольного содержания в нем звеньев
ВТ.
o
2
0.5
[BT],
1.0
моль. доли
Присутствие даже небольших количеств гидрофобных звеньев ВК
уменьшает по сравнению с гомополимером ВТ совместимость сополимеров
с водно-солевыми растворами.
Способностью растворяться в водно-солевых средах (например, в водных растворах РДА) обладают и сополимеры МВТ с ВК. Однако если для
гомополимера МВТ существует только минимальная растворяющая концентрация (Сmin) водного раствора РДА, равная 0.65 моль/л, то для сополимеров
МВТ с ВК отмечено существование двух граничных концентраций водносолевого раствора, растворяющего сополимеры: Сmin, а также и максимальная растворяющая концентрация (Сmax). Причем значения граничных концентраций водных растворов РДА находятся в зависимости от состава сополимеров (рис. 8). С увеличением содержания в сополимере МВТ с ВК фрагментов МВТ расширяется концентрационная область водно-солевого раствора, растворяющего сополимеры. Таким образом, присутствие в макромолеку14
лах сополимера звеньев ВК сказывается на его свойствах, что выражается в
ухудшении качества растворителя.
С, моль/л
7,5
o
2
o
Рис. 8. Влияние содержания звеньев
МВТ в сополимере на минимальную
(Сmin) ( 1 ) и максимальную (Сmax) ( 2 )
концентрации водного раствора РДА,
растворяющего сополимер Х при 20 оС.
o
5,0
o
o
o
2,5
o
o
0
o
o
o
o
o
o
1
0,5
[МBT],
1.0
моль. доли
Водно-солевые растворы сополимеров МВТ с ВК обладают НКТР, значения которой находятся в зависимости от концентрации низкомолекулярного электролита в растворе и состава образца сополимера (рис. 9).
HКТР, oC
o
60
o
o
40
o
Рис. 9. Зависимость НКТР водных
растворов сополимера Х от содержания в нем звеньев МВТ при максимальных растворяющих концентрациях
водных растворов РДА.
o
20
o
o
o
0,5
[МBT],
моль. доли
Таким образом, увеличение в сополимере МВТ с ВК доли звеньев МВТ
сопровождается возрастанием значений НКТР водно-солевых растворов сополимеров, причем, чем больше в сополимере содержание звеньев МВТ, тем
резче выражен рост НКТР. С другой стороны, гидрофобный характер полиметиленовой цепочки лактамного цикла способствует ухудшению совместимости сополимеров МВТ с ВК, по сравнению с гомополимером МВТ, с водными системами, содержащими низкомолекулярный электролит. Для тетра15
золсодержащих полимеров это является признаком гидрофобизации, поскольку, например, поли-2-алкил-5-винилтетразолы с трет-бутильными или
амильными радикалами не растворимы в водно-солевых системах.
2. Синтез и свойства азолсодержащих ионенов
Если рассматривать предыдущий раздел с точки зрения макромолекулярного дизайна полимеров с гетероциклическими фрагментами, то представленный в ней подход можно отобразить цепочкой превращения:
гетероцикл  виниловый мономер  сополимеризация с другими виниловыми сомономерами различного строения.
Однако в структуре азольных циклов заложены и другие варианты
«конструирования» на их основе высокомолекулярных соединений различного строения. Наличие атомов азота «пиррольного» типа обуславливает
участие данных гетероциклов в реакциях электрофильного замещения, а
наличие атомов азота «пиридинового» типа - электрофильного присоединения. К последним относится реакция избыточного алкилирования или кватернизации, приводящая к образованию четвертичных солей.
R N
N
R`X
+
R N
N
R`
где Х = Cl, Br, I
Способность вступать в реакцию кватернизации уменьшается с
увеличением числа атомов азота в гетероцикле, поэтому наиболее активными
являются соединения с имидазольными и триазольными фрагментами. Если
в качестве взаимодействующих реагентов использовать соответствующие
бис-азолы и дигалогеналканы, то реакцию кватернизации можно применить
для построения высокомолекулярных соединений. В результате получаются
соединения, так называемого, ионенного типа.
2.1. Синтез азолсодержащих ионенов
Ионены – это гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи
положительно заряженные четвертичные атомы азота. Один, из наиболее
распространенных подходов к синтезу ионенов, заключается в одновременном формировании полимерной цепи и катионных центров посредством реакции кватернизации дигалогеналканами бифункциональных соединений,
содержащих терминальные третичные атомы азота. В данной работе в качестве бифункциональных азотсодержащих мономеров использованы бисазолы с двумя и тремя атомами азота в цикле, синтез которых осуществляли
тремя подходами:
1) формирование азольного цикла из соответствующих синтонов;
16
2) алкилирование натриевых солей азолов соответствующими дигалогеналканами;
3) использование заместителей, находящихся в кольце, для конденсации
двух азольных циклов.
Структура и некоторые характеристики синтезированных бис-азолов
представлены в таблице 2.
Таблица 2. Строение и характеристики бис-азолов
Бис-азол
Выход, %
136.7; 127.6;
118.9 (Сцикл)
45.8; 27.5 (СН2)
1,4-Бис-(имидазол-1-ил)бутан
N
N
N (CH2)4 N
70
58
1,2-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)этан
N
N
N (CH2)2 N
N
65
157
N
N (CH2)3 N
N
151.3; 143.9 (Сцикл)
48.3; 29.1 (СН2)
82
91
N
151.9; 144.1 (Сцикл)
47.9; 28.8 (СН2)
1,4-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)бутан
N
N
N (CH2)4 N
N
67
73
N
1,6-Бис-(1,2,4-триазол-4-ил)гексан
N
N
N (CH2)6 N
N
N
N,N-Бис-(1,2,4-триазол-4-ил)имин
глиоксаля
N
N
N N=CH-CH=N N
N
152.0; 144.8 (Сцикл)
48.45 (СН2)
N
1,3-Бис-(1,2,4-триазол-1-ил)пропан
N
 13С, м.д.
Тпл, 0С
55
110
90
151
162.6 (Сцикл)
39.3; 29.4;
25.6 (СН2)
153.95; (Сцикл)
139.6 (-СН=)
N
На базе полученных мономеров реакцией кватернизации между соответствующими бис-азолами и дигалогеналканами были синтезированы
высокомолекулярные соединения ионенного типа:
z
N
Y
Y
N A N
z
N
z
+
+
X (CH2)mX
N
Y
Y
N
A
N
z
+
N
(CH2)m
2X
где Y или Z = CH или N; X = Br, I; m = 2 – 4.
Синтезированные ионены представляют собой неокрашенные или слабоокрашенные порошкообразные соединения со структурой и характеристиками, представленными таблице 3.
17
Таблица 3. Строение и свойства азолсодержащих ионенов
Структура
+
N (CH2)4 N
+
N
N (CH2)m
2X
N
N
N (CH2)n N
+
N
+
N (CH2)m
2X
N
+
N
N N=CH-CH=N N
N
+
N (CH2)m
2 Br
N
+
N
N (CH2)6 N
2 Br
N
+
N (CH2)3
m = 4; X = I
m = 4; X = Br
m = 3; X = I
m = 3; X = Br
(I)
(II)
(III)
(IV)
n = 2; m = 4; X = I
n = 2; m = 4; X = Br
n = 2; m = 2; X = Br
n = 3; m = 3; X = I
n = 3; m = 3; X = Br
n = 4; m = 4; X = I
n = 4; m = 4; X = Br
m=4
m=2
(V)
(VI)
(VII)
(VIII)
(IX)
(X)
(XI)
(XII)
(XIII)
(XIV)
* Вязкости измерены в 0.4 М водном растворе КВr при 25 оС.
18
Выход, %
[]*, дл/г
ММ
57
78
82
85
0.06
0.07
0.19
0.12
4500
5000
13500
9000
61
73
76
80
84
57
69
0.03
0.01
0.02
0.01
0.04
0.02
0.04
2000
1000
1500
1000
3000
1500
3000
49
42
0.02
0.01
1500
1000
55
0.01
1000
Об образовании ионогенных высокомолекулярных соединений свидетельствует хорошая растворимость в воде всех продуктов поликватернизации, а также данные вискозиметрии и кондуктометрии. Водные растворы ионенов
обладают
удельной
электропроводностью
в
интервале
-3
(1 ÷ 3.5)  10 См/см. Найденные значения молекулярных масс (ММ) указывают, что во всех случаях образуются олигомерные продукты. При этом ММ
имидазолсодержащих ионенов выше, чем у соединений на основе бистриазолов.
2.2. Комплексообразование азолсодержащих ионенов с полимерными
кислотами
Известно, что физиологическая активность поликатинов, в частности
ионенов, во многом определяется их способностью образовывать интерполимерные комплексы с полианионами. В настоящей работе рассмотрены некоторые закономерности интерполимерного взаимодействия синтезированных
азолсодержащих ионенов с полианионами синтетического (полиакриловой
кислотой (ПАК)) и природного (гепарином) происхождения. Для этих целей
были выбраны образцы поликатионов (ионены I, II и XI) с одинаковой длиной полиметиленовых фрагментов между заряженными центрами, близкой
ММ, различающиеся природой гетероцикла и противоиона (табл. 3).
Подобно алифатическим ионенам, азолсодержащие ионены образуют
полиэлектролитные комплексы с ПАК и гепарином при смешивании их водных растворов. Формирование солевых связей между макромолекулами поликатиона и полианиона происходит в результате реакций:
SO3 Na+
+
N Y
+N
COOH
+
+
Na+
+
X
(1)
H+
+
X
(2)
+N
X
N Y
+N
SO3
N Y
COO
N Y
+
+N
X
где Y или Z = CH или N; X = Br, I.
Если в случае ПАК в реакции принимают участие только карбоксильные группы поликислоты, то у гепарина в комплексообразовании принимают
участие помимо карбоксильных и сульфогруппы, находящиеся в солевой
форме.
19
В результате реакции (2) взаимодействие между полиэлектролитами
сопровождается понижением рН среды: кривые потенциометрического титрования смесей ионенов с полианионами расположены ниже кривых потенциометрического титрования свободных ПАК и гепарина (рис. 10).
pH
12
8
pH
... . . .
..
... .
.
.
.
.....
1
5
4
4
.
.
.
. ..... . .
2.0
1.0
2
6
8
3
4
.
12
1.0
Объем 0.1M NaOH, мл
.
.
..
..
2.0
3.0
Объем 0.1M NaOH, мл
Рис. 10. Кривые потенциометрического титрования водных растворов
ПАК ( 1 ), гепарина ( 2 ) и смесей ионен II – ПАК (3) ( гепарин (4) );
ионен XI – ПАК (5) (гепарин (6)). Концентрация ПАК и ионенов 0.005
осн.-моль/л, концентрация гепарина и ионенов 0.015 осн.-моль/л.
0
-, %
30
0
-, %
.
.
.
. ..
. ..
.
20
.
.
10
2
3
60
40
.
1
.
.
.
.
.
.
2
4
20
3
4
pH
2.0
2.5
pH
Рис. 11. Зависимость степени превращения  от рН среды в реакциях
ионена II с ПАК (1) и гепарином (2) и ионена XI с ПАК (3) и гепарином
(4).
Исходя из данных потенциометрического титрования, были рассчитаны значения степеней превращения  в реакциях между изученными поли20
электролитами (рис. 11), которые указывают на высокую кооперативность
реакции комплексообразования, а также, на несколько большую комплексообразующую способность триазолсодержащего ионена XI. Кроме того, для
системы ионен – гепарин отмечены существенно более высокие значения
степеней превращения  реакции солеобразования между катионными и
кислотными (карбоксильными) фрагментами (рис. 11). Возможно, это является следствием жесткоцепной структуры гепарина и азолсодержащего ионена, размеров структурных фрагментов между заряженными центрами в обоих типах макромолекул, что способствуют стерической комплементарности
компонентов и, как следствие, более полному взаимодействию между катионными и кислотными центрами полиэлектролитов. В совокупности с формированием солевых связей между катионными центрами и сульфонатными
группами это должно способствовать образованию более прочных комплексов ионенов с гепарином, чем с ПАК.
При смешивании водных растворов полианионов и азолсодержащих
ионенов, в зависимости от соотношения компонентов, возможно образование
как нерастворимых, так и растворимых полиэлектролитных комплексов, что
подтверждается данными турбидиметрического титрования (рис. 12).
.... ..
......
.. ...
.. ...
. .. .....
.. .... . ..
D
1.0
D
1
1.0
3
0.5
0
1
...
..
. . .
. .
.. ..
..
..
2
4
0.5
0
2
1
2
z = [Ионен] / [Гепарин]
z = [Ионен] / [ПАК-Na]
Рис. 12. Кривые турбидиметрического титрования раствора ПАК-Na
растворами ионенов II (1) и XI (3) при рН 9.5 (концентрация растворов
ПАК и ионенов 0.008 осн.-моль/л) и раствора гепарина растворами ионенов II (2) и XI (4) при рН 5.0 (концентрация растворов гепарина и ионенов
0.015 осн.-моль/л). (D – оптическая плотность, отнесенная к единице)
Во всех системах с ПАК максимальный выход нерастворимого стехиометрического полиэлектролитного комплекса (СПЭК) приходится на состав
смеси полиэлектролитов z = 1, в случае с гепарином эта величина равна 1.2 ÷
1.3. В области соотношений z  0.5 и z > 2 в обоих случаях возможно образование водорастворимых нестехиометрических полиэлектролитных комплек21
сов (НПЭК), общим свойством которых является их низкая устойчивость при
повышении ионной силы раствора. Так, добавление в водные растворы
НПЭК небольших количеств NaCl приводит к диспропорционированию водорастворимого комплекса с образованием нерастворимого СПЭК и свободного избыточного полиэлектролита.
Так как синтезированные ионены способны к комплексообразованию с
гепарином, можно предположить у них наличие антигепариновой активности. Скрининговые испытания антигепариновой активности “in vitro” фотоколориметрическим методом с применением основного красителя азур А показали, что весовое нейтрализующее соотношение для всех изученных ионенов лежит в пределах 0.5 ÷ 2.0 (в мг ионена на 1 мг гепарина). Кроме того,
для некоторых из полученных олигомерных катионов отмечено наличие высокой антибактериальной активности по отношению к музейным штаммам
микроорганизмов.
ВЫВОДЫ
1. Исследованы некоторые закономерности совместной полимеризации
5-винилтетразола с мономерами винилазольного, метакрилатного и виниллактамного типа, указывающие на более высокую реакционность винилтетразола во всех изученных системах. Синтезированы амфифильные тетразолсодержащие полиэлектролиты кислотного характера, строение макромолекул которых обусловливает существование различных типов межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами: гидрофобных,
диполь-дипольных, донорно-акцепторных (водородных связей).
2. Исследовано взаимодействие с водой тетразолсодержащих сополимеров с различным гидрофильно-гидрофобным балансом. Установлено, что
наличие в макромолекулах сополимеров боковых фрагментов, склонных к
сильным диполь-дипольным взаимодействиям (например, перфторалкильных
или полиалкилентетразольных), приводящим к самоассоциации полимерных цепей, способствует большему снижению сродства полимеров к воде по
сравнению с эффектом, создаваемым гидрофобными алкильными заместителями или полиметиленовыми цепочками лактамных циклов.
3. Изучение состояния воды в полимерных матрицах синтезированных
тетразолсодержащих сополимеров выявило четкую корреляцию между
уменьшением склонности молекул воды к кластерообразованию и улучшением термодинамического сродства полимера к воде.
4. Установлено существенное влияние гидрофильно-гидрофобного баланса и структуры звена гидрофобизирующего сомономера в макромолекулах тетразолсодержащих сополимеров на их полиэлектролитные свойства,
поведение в водно-солевых средах и на термочувствительные свойства водных растворов. Показано, что при определенном соотношении мономерных
звеньев сополимеры 5-винилтетразола с N-винилкапролактамом обладают
рН-термочувствительными свойствами, т.е. водные растворы сополимеров
обладают НКТР, которая способна изменяться в зависимости от рН среды.
22
kp/ko0,5
10, (л/моль x с)0,5
q,%
о
80
2
10
î
40
5
Mw x 106
î
î î
î î
îî î
о
о
îî
î
î
î
оî
î
î
î
о 2 î
5. Продемонстрирована
возможность использования реакции поликваî
4
î
1 тернизации с участием бис-имидазола, бис-триазолов и дигалогеналканов
1
различного
строения
3 î для синтеза гетероцепных азолсодержащих олигомеров
î
î
о ионенного
о типа.
1
2
2
4 о 6. 6Изучены
8 реакции

, ÷àñ. интерполимерного взаимодействия азолсодержао щих ионенов с полимерными кислотами синтетического (полиакриловой
кислотой) и природного (гепарином) происхождения. Установлено, что в
этих реакциях с участием азолсодержащих ионенов проявляются те же зако0.5
1.0 Ô
H2аналогичных
O
номерности, что и для
реакций с участием известных алифатических ионенов. Благодаря склонности к полиэлектролитным реакциям,
азолсодержащие ионены проявляют выраженную антигепариновую и антибактериальную активность, что предполагает возможность создания на их
основе перспективных препаратов медицинского назначения.
о
Список основных публикаций по теме диссертации
1. Кижняев В.Н., Адамова Л.В., Покатилов Ф.А., Крахоткина Э.А., Петрова Т.Л., Смирнов А.И. Термодинамика взаимодействия с водой сополимеров 5-винилтетразола с различным гидрофильно-гидрофобным балансом //
Высокомолек. соед. А. – 2008. – Т. 51, № 2. – С. 218-224.
2. Кижняев В.Н., Крахоткина Э.А., Петрова Т.Л., Ратовский Г.В., Тюкалова О.В., Покатилов Ф.А., Смирнов А.И. Сополимеризация 5-винилтетразола с N-виниллактамами и свойства получаемых соединений // Высокомолек. соед. Б. – 2010. – Т. 52, № 8. – С. 1523-1529.
3. Крахоткина Э.А. Синтез ионенов с триазольными циклами // Материалы
XVIII Российской молодежной научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора В.А. Кузнецова. – Екатеринбург, 2008. –
С. 155.
4. Крахоткина Э.А., Покатилов Ф.А. Синтез термочувствительных тетразолсодержащих N-Н кислот // Материалы XIX Российской молодежной
научной конференции посвященной 175-летию со дня рождения Д.И.
Менделеева. – Екатеринбург, 2009. – С. 122.
5. Кижняев В.Н., Крахоткина Э.А., Казанцева М.В., Покатилов Ф.А., Верещагин Л.И., Смирнов А.И. Ионены с имидазольными и триазольными
циклами // Материалы X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров. «Олигомеры-2009». – Волгоград, 2009. – С. 73.
6. Кижняев В.Н., Покатилов Ф.А., Верещагин Л.И., Крахоткина Э.А., Смирнов А.И. Макромолекулярный дизайн тетразолсодержащих олигомеров и
полимеров // Материалы V Всероссийской Каргинской конференции –
Москва, 2010. – С. 110.
7. Кижняев В.Н., Покатилов Ф.А., Петрова Т.Л., Крахоткина Э.А., Пивоварчук А.О. Металлонаполненные гидрогелевые композиции на основе "сшитого" поли-5-винилтетразола // Материалы V Всероссийской Каргинской
конференции – Москва, 2010. – С. 352.
23