Бабаев Марат Сергеевич. Получение и исследование наночастиц полимер-коллоидных комплексов на основе полимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида и додецилсульфата натрия

brief description

Бабаев Марат Сергеевич. Получение и исследование наночастиц полимер-коллоидных комплексов на основе полимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида и додецилсульфата натрия: диссертация ... кандидата химических наук: 02.00.06 / Бабаев Марат Сергеевич;[Место защиты: Институт органической химии Уфимского НЦ РАН].- Уфа, 2014.- 159 с.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт органической химии Уфимского научного центра
Российской академии наук
На правах рукописи
БАБАЕВ МАРАТ СЕРГЕЕВИЧ
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ
ПОЛИМЕР-КОЛЛОИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ
ПОЛИМЕРОВ ГЧ,]Ч-ДИАЛЛИЛ-]Ч,]Ч-ДИМЕТИЛАММОНИЙ ХЛОРИДА И
ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТА НАТРИЯ
02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Уфа- 2014

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор СВ. Колесов

2
ОГЛАВЛЕНИЕ 6
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1. Интерполиэлектролитные комплексы на основе водорастворимых
полимеров 9
1.1.1. Комплексы, стабилизированные водородными связями 9
1.1.2. Комплексы, стабилизированные электростатическими взаимодействиями 12
1.1.3. Комплексы амфифильных полимер ов, стабилизированные гидрофобными взаимодействиями 18
1.2. Комплексы полиэлектролитов с поверхностно-активными
веществами 21
1.2.1. Взаимодействие полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами 21
1.2.2. Факторы, влияющие на процессы связывания ионов поверхностно-активных веществ с полиэлектролитами 26
1.2.3. Структура и свойства полимер-коллоидных комплексов
1.3. Использование полиэлектролитных комплексов 40
1.3.1. Области промышленного применения полиэлектролитов и полиэлектролитных комплексов 40
1.3.2. Биомедицинское применение полиэлектролитов и комплексов на их основе 44
1.3.3. Полиэлектролитные комплексы - контейнеры для лекарственных
Заключение к литературному обзору 53
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 55
2.1. Исходные вещества 55
2.2. Методики эксперимента 56

2.2.1. Проведение сополимеризации 56
2.2.2. Получение (со)полимеров при полимераналогичных превращениях ... 58
2.2.3. Определение состава сополимеров 59

з
2.2.4. Вискозиметрия и оценка молекулярной массы 62
2.2.5. Методика получения частиц полимер-коллоидных комплексов и
методы их исследования 64
2.2.5.1. Получение частиц полимер-коллоидных комплексов 64
2.2.5.2. Турбидиметрическое титрование раствора полиэлектролита раствором ПАВ 65
2.2.5.3. Определение размеров частиц полимер-коллоидных
комплексов 65
2.2.6. Оценка растворимости о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной
кислоты в растворе полисульфонилпирролидиний
хлорида 66
2.2.7. Определение абсорбционной активности полимер-коллоидных комплексов 67
2.2.8. Изучение противовоспалительной активности наноразмерных дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлориде, модифицированного молекулами нестероидных противовоспалительных лекарственных веществ 69
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 72
3.1. Влияние различных факторов на размерные характеристики полимер-
коллоидных комплексов на основе полимеров 1Ч,1Ч-диаллил-1Ч,]Ч-
диметиламмоний хлорида с додецилсульфатом 72
натрия
3.1.1. Концентрационные условия образования нанодисперсий полимер-коллоидных комплексов полисульфонилпирролидиний хлорид -додецилсульфат натрия 72
3.1.2. Влияние различных факторов на процесс образования нано дисперсий полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида с додецилсульфатом
натрия 78
3.1.3. Влияние присутствия низкомолекулярного электролита на

4 лиофилизирующую способность
поли-N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на его основе…………………………………………………………………………. 82
3.1.4. Некоторые характеристики устойчивости готовых полимер-коллоидных комплексов……………………………………………………………………. 86
3.1.5. Визуализация структур полученных частиц полимер-коллоидных комплексов……………………………………………………………………. 90
3.1.6. Влияние молекулярной массы поли-N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида на лиофилизирующую способность полиэлектролита и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на
их основе……………………………………………………………………… 93
3.1.7. Влияние химического состава полимеров
N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида на размерные
характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов…………….… 102
3.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе
полисульфонилпирролидиний хлорида, содержащие фармакофоры…….. 109
3.2.1. Солюбилизация ацетилсалициловой кислоты частицами полимер-коллоидных комплексов………………………………………… 109
3.2.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного различными лекарственными соединениями………………………………. 112

3.2.2.1. Модификация полисульфонилпирролидиний хлорида лекарственными соединениями………………………………………………………………… 112
3.2.2.2. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного ацетилсалициловой кислотой……………………………………………… 117
3.2.2.3. Полимер-коллоидные комплексы на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислотой………………… 121
3.3. Некоторые прикладные аспекты получения и применения полимер-
коллоидных комплексов на основе полимеров

5 N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида…………….………………... 125
3.3.1. Получение наноразмерных дисперсий полимер-коллоидных комплексов в изотоническом растворе…………………………………………………… 125
3.3.2. Изучение противовоспалительной активности наноразмерных дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов на основе полисульфонилпирролидиний хлорида, модифицированного молекулами нестероидных противовоспалительных лекарственных веществ……………………………………………………………………… 126
3.3.3. Использование полимер-коллоидных комплексов в качестве сорбентов органических соединений…………………………………………………… 128 Заключение…………………………………………………………………… 135 ВЫВОДЫ…………………………………………………………………….. 135 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………. 138

6
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АА - акриламид
ДМААХ - 1Ч,1Ч-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорид
ПДМААХ - поли-]Ч,]Ч-диметил-]Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорид
ПСПГ - полисульфонилпирролидиний гидроксид
ПСПХ - полисульфонилпирролидиний хлорид
АСК - ацетилсалициловая кислота
БК - бензойная кислота
ВА - винилацетат
ВМ - виниловые мономеры
ВП - N-винилпирролидон
ДАК - динитрил азо-диизомасляной кислоты
ДДС - додецилсульфат натрия
ДС - диоксид серы
ДКН - натриевая соль о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислоты
(диклофенак)
ФУК - о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислота
ЦФЗ - цефазолин
ПК - персульфат калия
ПАВ - поверхностно-активное вещество
ПКК - полимер-коллоидный комплекс
ПЭ - полиэлектролит
ПЭК - полиэлектролитный комплекс

7 ВВЕДЕНИЕ
Полиэлектролитные комплексы, представляющие собой продукты взаимодействия макромолекул полиэлектролитов (ПЭ) и амфифильных поверхностно-активных веществ, обладают уникальными свойствами, не характерными для индивидуальных компонентов. Такие комплексы самопроизвольно образуются при смешении водных растворов компонентов за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных групп полиэлектролита и ПАВ, а также гидрофобных взаимодействий неполярных фрагментов ионов ПАВ, приводящих к образованию в частицах комплекса мицеллярной фазы. В определенных условиях такие полиэлектролитные комплексы с нестехиометрическим соотношением компонентов существуют в виде агрегативно устойчивых систем коллоидных частиц (полимер-коллоидные комплексы). Способность мицеллярной фазы полимер-коллоидных комплексов (ПКК) солюбилизировать различные органические соединения лежит в основе их использования для решения разных задач в области экологии, техники и медицины. В последнее время четко обозначился интерес к частицам полиэлектролитных комплексов со стороны наномедицины и обусловлен он перспективой создания на их основе наноформ адресной доставки лекарственных соединений и различных биорегуляторов (ферментов, гормонов, витаминов, активаторов и ингибиторов различной природы) к органам и тканям. Решение подобных задач выдвигает вполне определенные требования к размерным характеристикам частиц-носителей лекарственных соединений. Однако, на данный момент информации о влиянии тех или иных факторов, включая факторы макромолекулярного строения полиэлектролитов, на размерные характеристики частиц образуемых ПКК явно недостаточно. Изучение этих вопросов актуально и значимо для разработки методов получения и управления характеристиками и свойствами ПКК, как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью данной работы является установление закономерностей формирования агрегативно устойчивых водных систем наночастиц полимер-коллоидных комплексов на основе (со)полимеров 1Ч,1Ч-диаллил-1Ч,]Ч-диметиламмоний хлорида, в том числе сопряженных с фармакофорами, с мицеллообразующим ионогенным ПАВ -додецилсульфатом натрия.
В соответствии с целью работы решались задачи.

8
Исследование влияния различных факторов: - мольного соотношения исходных компонентов; - режима смешения компонентов; - температуры процесса и присутствия низкомолекулярных электролитов на размеры частиц и устойчивость дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов к агрегации.
Изучение влияния молекулярных характеристик полимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида на их лиофилизирующую способность и размерные характеристики частиц полимер-коллоидных комплексов на их основе.
Получение сополимера N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида с диоксидом серы, модифицированного лекарственными соединениями, в качестве предшественника лекарственных полимер-коллоидных комплексов, оценка влияния модификации полиэлектролита молекулами лекарственных соединений на размеры частиц и устойчивость дисперсий частиц полимер-коллоидных комплексов к агрегации.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИОХ УНЦ РАН по теме «Высокоэффективные каталитические и инициирующие системы на основе металлокомплексных соединений для модификации синтетических и биогенных полимеров» на 2011-2013 г.г. (№ ГР 0120.1152188), а также при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» исследовательских проектов Научно-образовательного центра «Химия», созданного ИОХ УНЦ РАН и Башкирским госуниверситетом (госконтракт № 02.740.11.0648 на 2010-2012 г.г. и соглашение 8444 от 31.08.12 по заявке 2012-1.1-12-000-1015-027 на 2012-2013 г.г.), и стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (2013-2015 г.г).
Автор выражает глубокую благодарность кандидату химических наук Воробьевой Антонине Ивановне за помощь, поддержку и полезные советы при выполнении работы.

bibliography

ВЫВОДЫ
1. При изучении влияния условий образования дисперсно-устойчивых систем наночастиц полимер-коллоидных комплексов поликатионов - (со)полимеров N,N-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида и ионогенного ПАВ - додецилсульфата натрия показано, что при интенсивном механическом перемешивании компонентов в момент получения:

136
- агрегативно устойчивые системы частиц образуются при мольном соотношении (z)
ПАВ / полиэлектролит в интервале zm;n < z < гпред и массовой концентрации
комплекса в растворе < 0.2 масс. % ;
- агрегативная устойчивость систем выражается в незначительном (менее 20 %)
изменении размерных характеристик частиц в течение, по меньшей мере,
последующих 1500 часов выдержки;
- средний размер частиц полимер-коллоидных комплексов, полученных при Zm;n < z <
2пРед, для поли-]Ч,]Ч-диметил-]Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида составляет 45-60 нм, для
полисульфонилпирролидиний хлорида - 47-180 нм.
2. Для систем частиц полимер-коллоидных комплексов на основе фракций nonn-N,N-
диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида, различающихся по молекулярной массе в
пределах 6000-131600, при значении z = гпред средний размер частиц при увеличении
молекулярной массы фракции линейно увеличивается в интервале 50-150 нм.
3. Средние размеры частиц полимер-коллоидных комплексов фракций nonn-N,N-
диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида различных молекулярных масс,
определенные при z = гпред, превышают средние размеры макромолекулярных
клубков, оцененные по значениям характеристической вязкости фракций по методу
Штокмайера - Фиксмана, в 7-11 раз. Это свидетельствует, что в образовании частиц
полиэлектролитных комплексов участвуют несколько макромолекул полимера.
4. В ряду (со)полимеров 1Ч,1Ч-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида с содержанием сомономерных звеньев до 60 мол. % проявляется тенденция к линейной зависимости между средним размером частиц полимер-коллоидных комплексов, полученных при Z = zm;n, и содержанием ионогенных групп 1Ч,1Ч-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида в составе макромолекул.
5. Макромолекулы полимеров 1Ч,1Ч-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида, химически модифицированные лекарственными соединениями, при взаимодействии с додецилсульфатом натрия в соотношениях zm;n < z < гпред образуют агрегативно устойчивые коллоидные системы наноразмерных частиц полиэлектролитных комплексов. В первом приближении для солей полисульфонилпирролидиния хлорида с ацетилсалициловой, о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусной кислотами при степени модификации до 20 мол. % зависимость между средними размерами частиц полимер-коллоидных комплексов от содержания остаточных ионогенных звеньев в

137 макромолекулах полиэлектролита совпадает с зависимостью, установленной для (со)полимеров 1Ч,1Ч-диметил-1Ч,]Ч-диаллиламмоний хлорида. 6. Показано, что в модели острого каррагенинового воспаления у мышей, водные системы наночастиц полимер-коллоидных комплексов, содержащих о-[(2,6-дихлорофенил)-амино]-фенилуксусную кислоту при внутрибрюшном введении задерживали развитие воспаления на 43.3 % больше, чем соответствующая индивидуальная лекарственная субстанция при эквивалентной дозе введения.

138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антипина, А. Д. Особенности равновесий при образовании комплексов поликислот и
полиэтиленгликолей / А. Д. Антипина, В. Ю. Барановский, И. М. Паписов, В. А. Кабанов // Высокомолек. соед. - 1972. - Т. 14. - №4. - С. 941-949.
2. Антипина, А. Д. Критический размер цепи при кооперативном взаимодействии
полиэтиленгликоля с полиметакриловой кислотой / А. Д. Антипина, И. М. Паписов,
B. А. Кабанов // Высокомолек. соед. - 1970. - Т. 12. -№5. - С. 329-331.
3. Изумрудов, В. А. Комплексообразование и конкурентные интерполиэлектролитные
реакции с участием поли-К-оксиэтил-4-винилпиридиниевого катиона /В. А. Изумрудов, М. В. Жирякова // Высокомолек. соед. - 2009. - Т. 51 А. - № 6. - С. 946-953.
4. Дьяконова, Э. Б. Влияние неэлектролитов на процессы ассоциации в растворах
полиметакриловой кислоты и поливинилового спирта / Э. Б. Дьяконова, И. С. Охрименко, И. Ф. Ефремов // Высокомолек. соед. - 1965. - Т. 7. - №6. - С. 1016— 1019.
5. Барановский, В. Ю. Комплекс полиметакриловой кислоты с полиакриламидом / В. Ю.
Барановский, Л. А. Казарин, А. А. Литманович, И. М. Паписов, В. А. Кабанов // Высокомолек. соед. - 1982. - Т. 24-№7- С. 1480-1483.
6. Воробьева, Е. В. Коллоидно- химические свойства поликомплексов на основе
поликислот и полиакриламида / Е. В. Воробьева, Н. П. Крутько, А. А. Литманович // Коллоид, журн. - 1992. - Т. 54. - №2. - С. 60-63.
7. Izumrudov, V.A. Multilayers of a globular protein and a weak polyacid: role of polyacid
ionization in growth and decomposition in salt solutions / V. A. Izumrudov, E. Kharlampieva, S. A. Sukhishvili // Biomacromolecules. - 2005. - V. 6. - № 3. - P. 1782 -1788.
8. Шайхутдинов E. M. Поверхностные свойства комплексов на основе поликислота -
поли-Ы-винилпирролидон / Е. М. Шайхутдинов, К. Ж. Абдиев, М. Б. Журсумбаева,
C. X. Хусаин // Коллоид, журн. - 2001. - Т.63. - №6. - С.850-854.

139
9. Абдиев, К. Ж. Влияние концентрации полимеров на поверхностные свойства
комплексов поликислота-поли(1Ч-винилпирролидон) / К. Ж. Абдиев, Е. М.
Шайхутдинов, М. Б. Журсумбаева, С. X. Хусаин // Коллоид, журн. - 2003. - Т.65. -
№4. - С.437-440.