Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет "Львівська політехніка"

УДК 541.64; 544.773.432; 547.995.1; 66.095.26-922.3

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Синтез пероксидних похідних хітозану для створення полімерних композиційних матеріалів

02.00.06 - хімія високомолекулярних сполук

Соломко Надія Юріївна

Львів-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Воронов Станіслав Андрійович, Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри органічної хімії

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор Сиромятніков Володимир Георгійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри хімії високомолекулярних сполук

доктор хімічних наук, професор Солтис Михайло Миколайович, Львівський національний університет імені Івана Франка, професор кафедри фізичної та колоїдної хімії

Провідна установа: Інститут хімії високомолекулярних сполук НАН України, відділ модифікації полімерів (м. Київ)

Захист відбудеться " 5 " липня о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.01 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, м. Львів, пл. Св. Юра 3/4, корпус 8, аудиторія 240).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий " 4 " червня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Скорохода В.Й.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Останнім часом зростають обсяги використання природних біополімерів, зокрема, хітозану, в медицині, біоінженерії, фармацевтичній, косметичній та харчовій промисловості. Хітозан - полі-в-1,4-(2-дезокси-2-аміно-D-глюкоза) - продукт деацетилювання хітину, полісахариду, який за поширенням другий у природі. Він має унікальні властивості - біосумісність, біодеградабельність, нетоксичність, здатність до полімераналогічних перетворень. З його застосуванням одержані гелі, композитні полімерні матеріали, водні дисперсії полімерів, які мають антибактеріальні властивості. Однак, можливості використання хітозану суттєво обмежуються такими недоліками, як селективна розчинність, жорсткість, термодинамічна несумісність з більшістю полімерів. Тому суттєво зростає використання його кополімерів з синтетичними полімерами - полівінілпіролідоном, поліакриламідом тощо.

Разом з тим, дослідження синтезу гетерофункціональних поліпероксидів та закономірностей пероксидації міжфазних поверхонь полімерних колоїдних систем, які проведені на кафедрі органічної хімії Національного університету “Львівська політехніка” дозволили розробити принципи формування ковалентноприщеплених до мікро- і макроповерхонь полімерних шарів з регульованим вмістом реакційноздатних пероксидних груп.

Слід очікувати, що введення в структуру хітозану пероксидних груп дозволить одержати новий тип похідних хітозану - реакційноздатні пероксихітозани. Такі біополімери будуть здатні приймати участь в утворенні ковалентнозшитих полімерних каркасів гелів, виконувати роль реакційноздатних коемульгаторів при синтезі латексів або реакційноздатних модифікаторів планарних поверхонь. Пероксихітозани будуть здатні прищеплюватися до полімерних поверхонь та надавати їм біосумісні або бактерицидні властивості. Тому актуальною проблемою є синтез пероксидованих хітозанів, дослідження їх властивостей та можливостей застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі органічної хімії Інституту хімії та хімічних технологій Національного університету “Львівська політехніка” і є частиною досліджень з держ. бюджетної теми “Регулювання властивостей полімерних поверхонь шляхом пероксидації поліпероксидами та контрольованої прищепленої полімеризації”, (2004-2006), № держ. Реєстрації 0104U002305. Автор дисертаційної роботи є одним з виконавців теми.

Мета та задачі дослідження. Основною метою роботи є розробка методів синтезу пероксихітозанів та одержання на їх основі гідрогелів, латексів і модифікованих полімерних поверхонь.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

· Полімераналогічними перетвореннями макромолекул хітозану, а саме взаємодією з трет-бутилпероксиметиловим естером бутендикарбонової кислоти одержати пероксихітозани з первинно-третинними пероксидними фрагментами.

· Радикальними реакціями хітозану з пероксидним мономером 5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іном в присутності амоній пероксодисульфату одержати пероксихітозани, які мають у складі макромолекул дитретинні пероксидні фрагменти.

· Дослідити термоліз пероксихітозанів з дитретинними та первинно-третинними пероксидними фрагментами та встановити хімізм термічного розкладу пероксидних груп у складі макромолекули хітозану.

· Встановити можливість застосування пероксихітозанів як коемульгаторів і макроініціаторів водно-емульсійної полімеризації вінільних мономерів та модифікаторів поверхні латексних частинок. Дослідити антибактеріальні властивості латексних полімерів.

· Із застосуванням пероксихітозанів одержати гідрогелі та дослідити особливості їх водопоглинання, колапсу та антибактеріальні властивості.

· Одержати кополімери пероксидованого хітозану з вінілпіролідоном, дослідити можливість їх прищеплення до планарних полімерних поверхонь та регулювання водневої та дисперсійної складових вільної поверхневої енергії.

Об'єкт дослідження. Основними об'єктами дослідження є пероксидовані хітозани з дитретинними пероксидними фрагментами у складі кополімеру хітозан-ко-5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іну або з первинно-третинними пероксидними фрагментами в складі солі хітозану і трет-бутилпероксиметилового естеру бутендикарбонової кислоти, їх термічний розклад, реакційна здатність та антибактеріальні властивості.

Предмет дослідження. Синтез пероксихітозанів, формування гідрогелів на їх основі, водно-емульсійна полімеризація в присутності пероксихітозанів, як реакційноздатних коемульгаторів і макроініціаторів, поверхнева модифікація полімерних планарних поверхонь.

Методи дослідження. ПМР-, ІЧ-спектроскопія, малокутовий та ширококутовий рентгеноструктурний аналіз, газо-рідинна хроматографія, термогравіметрія, методи функціонального та елементного аналізу, визначення енергетичних характеристик поверхні методом двох рідин, метод СЕМ, вимірювання поверхневого натягу.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше досліджено залежність перебігу реакції модифікації хітозану пероксидним мономером 5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іном у присутності пероксодисульфатів як ініціаторів від співвідношення реагентів та розроблено метод синтезу пероксихітозанів з дитретинними пероксидними фрагментами. З застосуванням реакцій полімераналогічних перетворень хітозанів визначеної молекулярної маси взаємодією з трет-бутилпероксиметиловим естером бутендикарбонової кислоти вперше одержано пероксихітозани з первинно-третинними пероксидними фрагментами. Встановлено хімізм термічного розкладу первинно-третинних та дитретинних пероксидних фрагментів у складі пероксихітозанів. Вперше проведено водно-емульсійну полімеризацію стиролу в присутності макроініціаторів-коемульгаторів на основі пероксихітозану і вивчено її кінетичні залежності. Показано, що одержані латексні полімери мають антибактеріальні властивості. Встановлено, що пероксихітозани можуть слугувати основою для створення ковалентнозшитого полімерного каркасу рН-залежних гідрогелів. Радикальним ковалентним прищепленням полімерного шару пероксихітозан-ко-полівінілпіролідону модифіковано поверхню поліетилентерефталату.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методи одержання нових реакційноздатних біополімерів на основі хітозану з первинно-третинними або дитретинними пероксидними фрагментами. Використання їх в процесах водно-емульсійної полімеризації стиролу дозволяє одержати латекси з ковалентноприщепленими до латексного полімеру макромолекулами пероксихітозану. Показано, що латексні полімери з ковалентноприщепленим хітозаном мають антибактеріальні властивості. Модифікація планарних полімерних поверхонь кополімерами пероксихітозанів дозволяє надавати їм гідрофільні властивості і регулювати водневу і дисперсійну складові вільної поверхневої енергії. Встановлено, що використання пероксихітозанів для конструювання полімерного каркасу гідрогелів дозволяє одержувати біосумісні біодеградабельні рН-залежні гідрогелі з регульованим водопоглинанням, які можуть бути використані для транспорту лікарських препаратів.

Особистий внесок співшукача полягає у самостійному виконанні експериментальних досліджень, первинній обробці експериментального матеріалу та у формуванні у співавторстві з д.х.н., проф.. Вороновим С.А. і к.х.н., доц.. Будішевською О.Г. основних положень і висновків роботи.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на Шостій Всеукраїнській науковій конференції студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2005), ІІІ Всеукраїнській конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Харків, 2005), IX международной конференции по химии и физикохимии олигомеров “Олигомеры-2005” (Одеса, 2005), 5^th International Symposium “Molecular Mobility and Order in Polymer Systems” (Санкт-Петербург, 2005), 23^rd Discussion Conference PMM Current and Future Trends in Polymeric Materials (Prague, 2005), 67^th Prague Meeting on Macromolecules and 44^th Microsymposium on “Polymer Gels and Networks” (Prague, 2005), “Молодь та поступ біології” (Львів, 2005), International conference Analitical chemistry and chemical analisis devoted to 100 anniversary of Anatoly Babko (Київ, 2005), Международной конференции по органической химии “Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности” (Санкт-Петербург, 2006), VII Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2006), 45^th Microsymposium on Macromolecules Structure and Dynamics of Self-organized Macromolecular Systems (Prague, 2006), VIII Международной конференции “Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана” (Казань, 2006), XII th International Conference on Surface Forces (Moscow, 2006), Macro Group UK International Conference on Polymer Synthesis (United Kingdom, 2006), XIII международной конференции “Поверхностные силы” (Москва, 2006), І Всеукраїнській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології (Київ, 2006), II Санкт-Петербужской конференции молодых ученых “Современные проблемы науки о полимерах” (Санкт-Петербург, 2006), Международной научной конференции “Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий” (Томск, 2006), Congres Mondial De L`Emulsion 2006 (Lyon, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації одержано Патент України на корисну модель, опубліковано 4 статті у фахових наукових журналах та 19 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація викладена на 159 стор. друкованого тексту та складається зі вступу, 5-ти розділів, що включають 50 рисунків, 20 схем та 15 таблиць, висновків і списку використаних літературних джерел, що включають 161 джерело.

Основний зміст роботи

У першому розділі наведено огляд літератури з синтезу, властивостей та застосування похідних хітозану, проаналізовано сучасні методи синтезу похідних хітозану, одержання гідрогелів на основі хітозану та хітозанстабілізованих полімерних дисперсій. Другий розділ містить інформацію про методики синтезів та експериментів, очистку матеріалів, методики аналізів, що використовуються в дослідженнях. У третьому розділі наведено матеріали досліджень особливостей синтезу макроініціаторів на основі хітозану двох типів - з дитретинними або первино-третинними пероксидними групами. У четвертому розділі наведено результати досліджень модифікації міжфазних поверхонь дисперсних і планарних систем за допомогою модифікованих пероксихітозанів. У п'ятому розділі наведено результати досліджень прищепленої полімеризації пероксидованого хітозану та вінілпіролідону з наступним формуванням рН-залежних гідрогелей та вивчення їх властивостей.

Макроініціатори на основі хітозану

Одержання пероксихітозану з первинно-третинними пероксидними групами методом полімераналогічних перетворень

Одним з перспективних напрямків створення нових біосумісних та біодеградабельних матеріалів на основі хітозану (Хіт) є полімераналогічні перетворення макромолекул Хіт. Нові похідні Хіт, що містять в своєму складі первинно-третинні пероксидні фрагменти були одержані взаємодією Хіт з трет-бутилпероксиметиловим естером бутендикарбонової кислоти (ПМ).

На ІЧ-спектрі Хіт-ПМ, на відміну від спектра вихідного Хіт спостерігаються смуги, які свідчать про утворення сольових зв'язків при взаємодії Хіт і ПМ. Так, смуги при 1580 см^-1 та 1540 см^-1 характерні для карбоксилатної групи СОО-, широка інтенсивна смуга поглинання в області ~ 3000 см^-1 характерна для -NH₃⁺ групи. Також у спектрі Хіт-ПМ спостерігається нова смуга поглинання при 3060 см^-1, що при наявності смуги при ~ 1640 см^-1 свідчить про наявність фрагменту СНR=СНRґ. Смуга при 864 см^-1, характерна для трет-бутоксильного замісника, а смуга при 888 см^-1, віднесена до -ОО- групи, що підтверджує присутність пероксидного фрагмента.

Синтез ПМ здійснювали ацилюванням трет-бутилпероксиметанолу (ТБПМ) малеїновим ангідридом (МА) в присутності піридину при температурі 333К.

ПМР-спектри продуктів реакції підтверджують утворення трет-бутилпероксиметилового естеру бутендикарбонової кислоти. Будову ПМ підтверджували також ІЧ-спектроскопією та газо-рідинною хроматографією.

На ІЧ-спектрах (зкомпенсованих) крапельних шарів ПМ у вазеліновій олії спостерігаються смуги поглинання валентних коливань ОН (_{ОН зв'язаної}) в діапазоні 3200-2570 см^-1, 1710 см^-1 (_С=О), та 940 см^-1 (_{ОН неплоскі}), характерні для карбоксильної групи. Смуги поглинання валентних коливань С=С (_С=С) при 1665 см^-1 слабкої інтенсивності і 976 см^-1 (_{СН неплоскі}) сильної інтенсивності характерні для фрагмента RHC=CHR транс-конфігурації. Смуга поглинання валентних коливань С=С (_С=С) при 1636 см^-1 середньої інтенсивності і 704 см^-1 (_СН) середньої інтенсивності характерні для фрагмента RHC=CHR цис-конфігурації. Смуги при 1740 см^-1 (_С=О) та 1196 см^-1 (_С-О) характерні для естерного зв'язку. Смуги поглинання при 880 см^-1, характерні для трет-бутоксильної групи, а також при 840 см^-1 (-ОО-) свідчать про наявність пероксидного фрагменту.

Таблиця 1. Характеристика пероксидованого хітозану Хіт-ПМ

Пероксидні похідні хітозану для емульсійної полімеризації

Пероксидований хітозан з дитретинними пероксидними групами Хіт-ВЕП, як і низькомолекулярний Хіт (мол. маса 32000 Да) має слабку поверхневу активність. Ізотерми поверхневого натягу мають вигляд, характерний для полімерних ПАР, без чітко вираженої ККМ.

Встановлено, що емульсійна полімеризація стиролу (Ст) відбувається з невисокими швидкостями і до малих конверсій у наступних випадках:

· в присутності немодифікованого Хіт як емульгатора при ініціюванні ПСА (V=7,5·10^-4 моль/лс). При цьому модифікація поверхні латексних частинок хітозаном не спостерігалось.

· в присутності тільки кополімеру Хіт-ВЕП як емульгатора-ініціатора тільки до конверсій 1015 %.

· з використанням як емульгатора триметилцетиламонійброміду (МЦАБ) та ініціатора ПСА конверсія складає не більше 40 %, а одержані латекси не стабільні.

У зв'язку з цим, для формування водних дисперсій полістиролу (поліСт) разом з ініціатором-емульгатором Хіт-ВЕП використовували як коемульгатор катіонактивний МЦАБ. Емульсійна полімеризація Ст при використані суміші Хіт-ВЕП та МЦАБ відбувається з високими швидкостями протягом 1-3 год до конверсії 96-98 %.

При цьому агрегативна стабільність частинок дисперсії забезпечується електростатичною стабілізацією за рахунок МЦАБ та стеричною стабілізацією за рахунок Хіт-ВЕП.

Синергізм стабілізаційної дії Хіт-ВЕП і МЦАБ при їх одночасному застосуванні можна пояснити утворенням макромолекулярних комплексів молекулами МЦАБ та Хіт-ВЕП, з кінцевими сульфатними групами. Ініціювання водно-дисперсійної полімеризації Ст здійснюється пероксидними фрагментами Хіт-ВЕП.

Експериментальні кінетичні криві використано для визначення порядків реакції за ініціатором Хіт-ВЕП, який виявився близьким до 0,5. За коемульгатором МЦАБ він - 0,5 та за мономером Ст близький 1. Таким чином рівняння швидкості емульсійної полімеризації Ст можна представити:

W ~ k [Хіт-ПМ]^0,5 [МЦАБ]^0,5 [Ст]¹

Одержане рівняння відповідає теорії Медведєва, а саме, з випадком коли генерація радикалів відбувається в адсорбційних шарах ПМЧ. За рівнянням Ареніуса розрахована сумарна енергія активації емульсійної полімеризації Ст в присутності Хіт-ВЕП (50 кДж/моль). Встановлено, що діаметр частинок (D) дещо зростає із збільшенням концентрації Хіт-ВЕП, причому температура та концентрація емульгатора МЦАБ суттєво не впливає на D (табл.4,5).

Таблиця 4. Вплив концентрації МЦАБ на розмір частинок поліСт латексів*

*емульсійну полімеризацію проводили в 1 % розчині Хіт-ВЕП і співвідношенні олео- і водної фаз як 1:9

Таблиця 5. Вплив концентрації Хіт-ВЕП на розмір частинок поліСт латексів*

*емульсійну полімеризацію проводили в присутності 2 % МЦАБ від маси Ст

D частинок зростає при збільшенні концентрації Хіт-ВЕП. Очевидно, це зумовлено зменшенням стабільності частинок за рахунок електростатичної складової внаслідок хімічного прищеплення Хіт-ВЕП до поліСт і поступового витіснення ним з поверхні низькомолекулярного МЦАБ. Підтвердженням цього є зменшення поверхневого натягу кінцевих латексів при зростанні концентрації Хіт-ВЕП і діаметра частинок (табл.5).

Встановлено, що одержані зразки латексного поліСт, виділеного з латексу виморожуванням і відмитого від МЦАБ і неприщепленого Хіт-ВЕП, містять ковалентноприщеплені до поліСт ланцюги Хіт-ВЕП (табл.6).

Таблиця 6. Характеристика прищеплення Хіт-ВЕП до латексного поліСт

Дослідження антибактеріальної активності поліСт та полібутилакрилату (поліБА), модифікованих Хіт-ВЕП, які були виділені з латексу вищевказаним методом, показали що вони повністю пригнічують ріст клітин бактеріальної культури Sarcina flava та бацилярної культури Bacillus, при чому вміст клітин Sarcina flava у вихідних досліджуваних бактеріальних суспензіях дорівнював 1,0961·10⁷ кл/мл та Bacillus - 2,872·10⁷ кл/мл. Антимікробна дія модифікованих хітозаном поліСт та поліБА проявляється вже при ступені прищеплення Хіт-ВЕП до поліСт 2,8-8%, в той час як не модифіковані аналоги не виявляють антимікробної дії, що також свідчить про ковалентне прищеплення Хіт-ВЕП до поверхні ПМЧ.

Модифікація полімерних поверхонь

Для модифікації планарної поверхні поліетилентерефталату (ПЕТ) ковалентним прищепленням до поверхні наношарів модифікованого хітозану синтезовано пероксидовмісний кополімер пероксихітозан-ко-полівінілпіролідон (Хіт-ПМ-ПВП) з первинно-третинними пероксидними фрагментами.

Аналіз ширококутових рентгенівських дифрактограм показав, що структура прищепленого Хіт-ПВП суттєво відрізняється від структури гомополімерів Хіт та ПВП, навіть при невеликому вмісті Хіт (7%). Положення основних дифракційних максимумів на дифрактограмі Хіт відповідають кутам 2и_m=17,2^о, 19,8^о, 21,8^о та 9,5^о. Визначено, що ступінь кристалічності Хіт складає 67%, а розмір кристалітів L=5,5 нм. Гомополімер ПВП є аморфним полімером, про що свідчать дифракційні максимуми дифузійного характеру при 2и_m=10,6^о та 20,9^о. Зменшення частки Хіт в складі Хіт-ПВП сприяє зменшенню кристалічності, про що свідчить наявність одного дифракційного максимума дифузійного типу. Разом з тим, дифрактограми свідчать про наявність ближнього трансляційного порядку в Хіт-ПВП у порівнянні з ПВП, який зумовлений міжмолекулярною взаємодією за рахунок водневих зв'язків і формуванням абсолютно нового за природою полімеру. При цьому, із зростанням вмісту Хіт середня відстань між молекулами зменшується, а упаковка між макроланцюгами стає щільнішою.

Порівняння профілів інтенсивності малокутового розсіювання рентгенівських променів гомополімерами та кополімерами показало, що інтенсивність розсіювання Хіт та ПВП значно нижче ніж їх кополімерами. Якщо мікрообластями гетерогенності в об'ємі Хіт є кристаліти та аморфні мікрообласті, то в кополімерах Хіт-ПВП (25/75) та Хіт-ПВП (7/93) ними можуть бути утворення, сформовані “налиплими” на макромолекулярні ланцюги Хіт фрагментами ПВП внаслідок внутрішньомолекулярних взаємодій.

Отже, проведеними дослідженнями встановлено, що кополімери Хіт-ПВП, які містять комплементарні полярні групи кардинально відрізняються за структурою від гомополімерів Хіт та ПВП, навіть тоді, коли вміст ПВП у складі кополімеру є домінуючим (93%). Гетерогенна структура кополімерів Хіт-ПВП зумовлена формуванням в об'ємі кополімерів інтраполімерних комплексів. При цьому максимальна інтенсивність комплексоутворення реалізується при однаковому вмісті компонентів кополімеру Хіт/ПВП=50/50, що зумовлює найбільший рівень гетерогенності. Зменшення вмісту Хіт від 50% до 7% супроводжується зменшенням рівня гетерогенності і густини областей гетерогенності, проте зростанням їх розміру від 11,4 нм до 36,6 нм.

Важливою властивістю кополімерів Хіт-ПМ-ПВП є здатність до плівкоутворення та прищеплення Хіт-ПМ-ПВП до полімерних поверхонь.

Модифікацію поверхні ПЕТ проводили термообробкою зразків підкладинок ПЕТ з нанесеними на них методом spin-coating шарів Хіт-ПМ-ПВП. В подальшому екстракцією з поверхні ПЕТ був видалений неприщеплений Хіт-ПМ-ПВП і визначені складові поверхневої енергії вимірюванням крайових кутів змочування.

Таблиця 7. Характеристики полімерних поверхонь

* - модифікація відбувалась при 353 К протягом 24 год після нанесення шару полімеру з водно-етанольного розчину методом spin-coating

ПЕТ - поліетилентерефталат, Хіт-ПМ-ПВП - кополімер складу Хіт:ПМ:ПВП=9,4:5,6:85,0 % мольн

** - наносили Хіт-ПМ-ПВП з 4% водно-етанольного розчину,

*** - наносили Хіт-ПМ-ПВП з 2% водно-етанольного розчину

З табл.7 видно, що воднева складова поверхневої енергії модифікованої поверхні зростає до 20,1 мН/м, а дисперсійна зменшується до 36,6 мН/м, тобто, зростає гідрофільність поверхні. Ступінь модифікації ПЕТ залежить від концентрації розчину Хіт-ПМ-ПВП при нанесенні, співвідношення Хіт і ПВП у кополімері, вмісту пероксиду ПМ та складає 40-82 % (табл.7). Таким чином показано, що відбулась зміна поверхневих характеристик поверхні ПЕТ внаслідок радикального ковалентного прищеплення наношару Хіт-ПМ-ПВП до полімерної поверхні, яке ініціюють радикали, що утворюються внаслідок термолізу первинно-третинними пероксидних груп у складі Хіт-ПМ-ПВП.

Гідрогелі на основі кополімерів хітозану і вінілпіролідона та їх властивості

В хімії медико-біологічних полімерів особливо перспективними є “розумні” гідрогелі, які змінюють свій об'єм під впливом зміни зовнішніх умов - температури, рН середовища, опромінення тощо. При цьому з об'єму гідрогелів виділяються попередньо абсорбовані в них біологічно-активні речовини або лікарські препарати.

Полімерний каркас гідрогелів утворюється під час прищепленої кополімеризації Хіт-ПМ і вінілпіролідону (ВП) і формування трьохвимірної полімерної матриці. Кополімеризацію ВП і Хіт-ПМ проводили у водних розчинах при 333К і варіюванні співвідношення реагентів. Ініціювання радикального процесу здійснювалось радикалами, що утворюються при термолізі первинно-третинної пероксидної групи у складі Хіт-ПМ. Встановлено, що ці радикали не розщеплюють ланцюг Хіт, на відміну від відомого ініціювання водорозчинними ініціаторами пероксидисульфатами.

Одержані зразки кополімерів Хіт-ПВП утворюють гідрогелі при набуханні у водному середовищі. Кількість ініціюючих фрагментів ПМ впливає на структуру полімерної сітки, ступінь прищеплення ланцюгів ПВП, що визначає її здатність до набухання при різних рН. Набухання відбувається внаслідок електростатичного відштовхування однойменно заряджених іонізованих у водному середовищі ланок полімерного каркасу, а також “розпираючого” осмотичного тиску протиіонів, і зростає симбатно іонізації.

Ступінь іонізації основних аміногруп у складі ланок Хіт залежить від рН середовища. При зростанні рН водного середовища, близько значень 5,5-6, рівноважне набухання різко зменшується і при цьому гідрогелі близькі до стану “колапсу”. рН колапсу залежить від складу кополімеру. Збільшення вмісту Хіт призводить до зміщення рН колапсу в сторону менших значень рН, що зумовлено більшим вмістом основних аміногруп у кополімері. Рівноважна ступінь набухання Хіт-ПВП зростає симбатно концентрації ініціатора у реакційній суміші внаслідок зростанням ступеня прищеплення гідрофільних ланцюгів ПВП до Хіт.

Густину зшивки полімерної сітки регулювали також зшиваючим агентом N,N-метиленбісакриламідом (МБА). Збільшення МБА зумовлює зростання густини зшивки, що супроводжується зменшенням рівноважного ступеня набухання гідрогеля.

Мікробіологічні дослідження показали, що гідрогелі Хіт-ПВП пригнічують ріст клітин бактеріальної культури Sarcina flava та бацилярної культури Bacillus.

Висновки

1. Полімераналогічними перетвореннями хітозану - взаємодією з трет-бутилпероксиметиловим естером бутендикарбонової кислоти вперше одержано пероксихітозани з первинно-третинними пероксидними фрагментами Хіт-ПМ. Пероксидований хітозан містить в макромолекулі регульовану кількість пероксидних фрагментів, що зумовлює його здатність до участі у вільнорадикальних реакціях.

2. Радикальною прищепленою кополімеризацією хітозану з пероксидним мономером 5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іном в присутності пероксодисульфату як ініціатора одержано пероксихітозани з дитретинними пероксидними фрагментами Хіт-ВЕП. Закономірності деструкції макроланцюга хітозану в присутності пероксодисульфату дозволяють одержувати пероксихітозани з регульованою молекулярною масою.

3. Термічний розклад первинно-третинного та дитретинного пероксидних фрагментів у складі пероксихітозанів відбувається в результаті гомолізу пероксидного зв'язку та фрагментації радикалів з утворенням пропанону та 2-метил-2-пропанолу. Запропоновано схеми термічного розкладу пероксидних фрагментів у складі пероксихітозанів.

4. Пероксихітозани Хіт-ВЕП можуть застосовуватися разом з низькомолекулярним катіонактивним емульгатором триметилцетиламонійбромідом (МЦАБ) як пероксидні коемульгатори і макроініціатори водно-емульсійної полімеризації вінільних мономерів. Водно-емульсійна полімеризація в їх присутності відбувається з високими швидкостями до глибоких конверсій. Кінетичні закономірності емульсійної полімеризації стиролу відповідають теорії Медведєва. Варіювання співвідношення пероксидованого хітозану та МЦАБ визначає швидкість процесу і розмір латексних частинок. Прищеплення пероксидних хітозанів до поверхні латексних частинок надає антибактеріальні властивості латексним полімерам.

5. Кополімери пероксидованого хітозану з вінілпіролідоном (Хіт-ПМ-ПВП) мають плівкоутворюючі властивості на відміну від хітозану і при термообробці прищеплюються до планарних полімерних поверхонь. Модифікація поверхні кополімером Хіт-ПМ-ПВП дозволяє регулювати водневу і дисперсійну складові вільної поверхневої енергії, при цьому ступінь модифікації визначається складом кополімеру.

6. Пероксихітозани Хіт-ПМ дозволяють конструювати рН-залежні гідрогелі (“розумні” гідрогелі). При цьому швидкість водопоглинання і рівноважний ступень набухання залежить від складу і структури гідрогелю та рН середовища. рН колапсу одержаних на основі Хіт-ПВП гідрогелей залежить від їх складу і може варіюватись в межах рН 57. Одержані гідрогелі мають антибактеріальну активність.

Основний зміст дисертації викладено в таких публікаціях

1. Н.Ю.Соломко, О.Г.Будішевська, С.А.Воронов Макроініціатори на основі хітозану // Доповіді НАН України. - 2007. - № 4. - С. 142-147.

Особистий внесок: створення пероксидовмісних похідних хітозану здатних ініціювати радикальну кополімеризації за участю вінілпіролідону, з одержанням зшитих сіток здатних до набухання; визначення кінетики набухання та рівноважного набухання зразків залежно від рН середовища та співвідношення компонентів.

2. Соломко Н.Ю., Будішевська О.Г., Воронов С.А. Пероксидовмісні похідні хітозану для модифікації міжфазної поверхні // Вопросы химии и химической технологии. - 2006. -№ 4.-С. 78-83.

Особистий внесок: дослідження модифікації поверхні полістирольних латексних частинок макромолекулами пероксидованого хітозану, дослідження впливу радикального ініціатору амоній пероксодисульфату на ступінь деструкції ланцюга хітозану.

3. Соломко Н.Ю., Будішевська О.Г., Кочубей В.В. Емульсійна полімеризація стиролу в присутності пероксидвмісного хітозану // Вісник НУ “Львівська політехніка”, Хімія, технологія речовин та їх застосування. Теорія і практика - 2006. - № 553.-С.267-270.

Особистий внесок: одержання полістирольних латексів із застосуванням Хіт-ВЕП, одержання характеристик полістирольних частинок.

4. Будішевська О.Г., Соломко Н.Ю., Воронов С.А., В.В.Кочубей, Паляниця Л.Я. Пероксидовмісні кополімери хітозану // Вісник НУ “Львівська політехніка”. - 2005. - № 529. - С.232-236.

Особистий внесок: синтез та дослідження структури пероксидованого прищепленого кополімеру Хіт-ВЕП, встановлення його антибактеріальної активності, обробка експериментальних даних.

5. Пат. №19498 України, МПК(2006), С08В 37/00. Спосіб одержання кополімеру хітозану і вінільного мономеру / Соломко Н.Ю., Будішевська О.Г., Воронов С.А. (Україна); Національний університет “Львівська політехніка”. - № u 2006 07269; Заявл. 30.06.2006; Опубл. 15.12.2006; Бюл. № 12. - 3с.

Особистий внесок: синтез та дослідження структури пероксидованого прищепленого кополімеру Хіт-ВЕП, встановлення його антибактеріальної активності.

6. Myskova I., Solomko N., Budishevska O., Voronov S., Vasiljev V., Kochubej V. Analysis of peroxide groups in polymers by chromatography and thermogravimetry // Theses of International conference Analitical chemistry and chemical analisis devoted to 100 anniversary of Anatoly Babko. - Kyiv. - 2005. - Р.219.

7. Соломко Н.Ю., Будишевская О.Г., Воронов С.А. The Block Copolymers Of Chitosan-Co-5-Tert-Butylperoxy-5-Methyl-1-Hexene-3-Ine As Modifiers Of Surface // Theses of 5^th International Symposium “Molecular Mobility and Order in Polymer Systems”. - Санкт-Петербург. - 2005. - P.073.

8. N.Yu.Solomko, O.G. Budishevska, S.A. Voronov. Chitosan Block-Copolymers For Creation Of Antibacterial Materials // Theses of 23^rd Discussion Conference PMM Current and Future Trends in Polymeric Materials. - Prague. - 2005. - P.51.

9. І.А. Мiskova, N.Yu. Solomko, О.G. Budishevska, S.A. Voronov Peroxidation of interfacial surface of colloid systems for creation nanocomposites // Theses of 67^th Prague Meeting on Macromolecules and 44^th Microsymposium on “Polymer Gels and Networks”. - Prague. - 2005. - P.83.

10. N. Solomko, O. Budishevska, S.Voronov. The Chitosan and monoester of dicarboxylic salt in preparation of gels // Theses of 45^th Microsymposium on Macromolecules Structure and Dynamics of Self-organized Macromolecular Systems. Prague. - 2006. - P.13.

11. Solomko N., Budishevska O., Voronov S Peroxide containing chitosan copolymers for obtaining the polymer dispersions // Theses of XIІI^th International Conference on Surface Forces. - Moscow. - 2006. - Р.147.

12. Соломко Н.Ю., Будишевская О.Г., Воронов С.А. Пероксидсодержащий хитозан для эмульсионной полимеризации стирола // Тезисы докладов VIII международной конференции "Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана". - Казань. - 2006. - С.124.

13. N.Solomko, O.Budishevska, S.Voronov Modificated chitosan for styrene emulsion polymerization // Theses of Macro Group UK International Conference on Polymer Synthesis. - United Kingdom. - 2006. - P.314.

14. Соломко Н.Ю., Будишевская О.Г., Воронов С.А. Определение пероксидних фрагментов в сополимерах // Тезисы докладов Международной конференции по органической химии “Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности”. - Санкт-Петербург. - 2006. - С.764.

15. O. Budishevska, N.Solomko, S.Voronov. Emulsion polymerization of styrene in presence of chitosan containing peroxide groups // Theses of Congres Mondial De L`Emulsion. - Lyon. - 2006. - Р.206.

16. Соломко Н.Ю., Будишевская О.Г., Воронов С.А. Пероксидсодержащие полимерные модификаторы поверхности на основе хитозана // Тезисы докладов Международной конференции по органической химии “Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности”. - Санкт-Петербург. - 2006. - С.263.

17. Н.Ю. Соломко Кополімери хітозану з пероксидними групами // Тези доповідей І міжнародної конференції студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. - Львів. - 2005. - С.159.

18. Соломко Н.Ю. Пероксидвмісні кополімери хітозану з антибактеріальними властивостями // Тези доповідей VI Всеукраїнської наукової конференції студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії”. - Київ. - 2005. - С.201.

19. Соломко Н.Ю. Пероксидвмісні кополімери хітозану з антибактеріальними властивостями // Тези доповідей ІІІ Всеукраїнської конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. - Харків. - 2005. - С.75.

20. Будишевская О.Г., Соломко Н.Ю., Воронов С.А., Паляниця Л.Я. Пероксидсодержащие олигомеры хитозана для создания композиционных материалов с антибактериальными свойствами // Тезисы докладов IX международной конференции по химии и физикохимии олигомеров “Олигомеры-2005. - Одеса. - 2005. - С.238.

21. Соломко Н.Ю., Федевич О.О. Емульсійна полімеризація стиролу в присутності пероксидованого хітозану // Тези доповідей VII Всеукраїнської конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”. - Київ. - 2006. - С.323.

22. Соломко Н.Ю., Федевич О.О. Кополімери хітозану для модифікації міжфазної поверхні в дисперсних системах // Тези доповідей І Всеукраїнської конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології. - Київ. - 2006. - С.77.

23. Соломко Н.Ю. Модифицированный хитозан для эмульсионной полимеризации // Тезисы докладов II Санкт-Петербужской конференции молодых учених "Современные проблемы науки о полимерах". - Санкт-Петербург. - 2006. - С.34.

24. Н.Ю. Соломко, О.Г. Будишевская, С.А. Воронов. Пероксидсодержащие производные хитозана // Тезисы докладов Международной научной конференции “Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий”. - Томск. - 2006. - С.359.

Анотація

Соломко Н.Ю. Синтез пероксидних похідних хітозану для створення полімерних композиційних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.06 - хімія високомолекулярних сполук. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2007.

Дисертаційна робота присвячена синтезу і дослідженню нових похідних хітозану - пероксихітозанів. Радикальними реакціями хітозану з 5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іном одержано пероксохітозани з дитретинними пероксидними фрагментами, які можуть застосовуватися разом з низькомолекулярним катіонактивним емульгатором як коемульгатори і макроініціатори у водно-емульсійній полімеризації вінільних мономерів. Показано, що пероксихітозани прищеплюються до поверхні латексних частинок і надають емульсійному полімеру антибактеріальні властивості. Полімераналогічними перетвореннями хітозану взаємодією з трет-бутилпероксиметиловим естером бутендикарбонової кислоти одержано пероксихітозани з регульованою кількістю первинно-третинних пероксидних фрагментів. На їх основі одержано гідрогелі. Нові гідрогелі є рН-залежними. Швидкість водопоглинання та рівноважний ступень набухання залежать від складу та структури гідрогелей та рН середовища. рН колапсу гідрогелів на основі Хіт-ПМ-ПВП залежить від складу кополімеру. Одержані гідрогелі мають антибактеріальну активність.

Ключові слова: хітозан, пероксихітозан, емульсійна полімеризація, макроініціатор-коемульгатор, модифікація поверхні, рН-залежні гідрогелі.

Summary

Solomko N. Yu. Synthesis of peroxychitosanes for polymer composite materials. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in chemical sciences, specialty 02.00.06. - High Molecular Weight Compounds. Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2007.

The thesis is devoted to synthesis and research of new chitosan derivatives - peroxychitosanes. Via radical reactions of chitosan and 5-tert-butylperoxy-5-methyl-1-hexen-3-in peroxychitosanes with ditertiary peroxide fragments were synthesized. They can be used as macroinitiator for emulsion polymerization of vinyl monomers, at the presence of low molecular cation-active emulsifiers. The emulsions obtained possess antibacterial properties due to presence of covalently bonded peroxychitosanes on the surface of latex particles. Polymeranalogical interaction of chitosan with tert-butylperоxymethyl ester of butendicarbon acid yields in peroxychitosanes with controlled quantity of primary-tertiary peroxide fragments. New pH-sensitive smart hydrogels with antibacterial properties were created on their basis. Water absorption rate as well as the degree of swelling depends on the gel composition, density of crosslinking and pH of medium. pH of collapse depends on the composition of hydrogel.

Keywords: chitosan, peroxychitosan, emulsion polymerization, surface modification, macroinitiato-coemulsifier, pH-sensitive hydrogels.

Размещено на Allbest.ru