УДК 541.64+678 На правах рукописи ТАЖБАЕВ ЕРКЕБЛАН МУРАТОВИЧ
advertisement
УДК 541.64+678 На правах рукописи ТАЖБАЕВ ЕРКЕБЛАН МУРАТОВИЧ Управление физико-химическими свойствами со- и терполимеров β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты 02.00.06 – высокомолекулярные соединения Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук Республика Казахстан Караганда, 2007 Работа выполнена на кафедре органической химии и полимеров Карагандинского государственного университета им. Е.А. Букетова Научный консультант: доктор химических наук, профессор Буркеев М.Ж Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Асаубеков М.А. доктор химических наук, профессор Маймаков Т.П. доктор химических наук, профессор Кудайбергенов С. Ведущая организация: Алматинский технологический университет Защита состоится «_1_» июня 2007г. в 1100 ч. на заседании Диссертационного совета ОД 14.07.01 при Карагандинском государственном университете им. Е.А.Букетова по адресу: 010028, г. Караганда, ул. Университетская, 28, актовый зал химического факультета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Карагандинского государственного университета им. Е.А. Букетова Автореферат разослан «____» апреля 2007г. Ученый секретарь Диссертационного совета ОД 14.07.01 доктор химических наук, профессор Ш.К. Амерханова 2 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Одной из важных задач современной науки, обозначенной в лекции главой нашего государства Н.А. Назарбаевым, является получение материалов с заданными свойствами. Свой вклад в развитие отечественной науки в этом направлении могут внести ученые, работающие над созданием «интеллектуальных материалов», т.е. материальных объектов, способных адекватно реагировать на изменения внешних условий. Из полимерных материалов к «интеллектуальным» можно отнести набухшие в воде сетчатые полимеры - гидрогели, способные в десятки и сотни раз изменять степень набухания, а, следовательно, и внешний размер при незначительных колебаниях температуры, рН среды, электрического или магнитного полей, присутствия низкомолекулярных соединений в окружающем растворе. Эти свойства полимерных гелей особенно актуальны для таких областей, как робототехника, нефтепереработка, биотехнология, медицина и др. Структурообразующими агентами, сшивающими макромолекулы и придающими сетчатую структуру полимерам, наиболее часто являются бифункциональные мономеры с равнозначными по активности двойными связями. Как правило, роль сшивающего агента при этом ограничивается структурообразующим действием, его доля не превышает 1,5 мол.%, а функциональные группы не оказывают влияния на поведение полимера. Более перспективным для синтеза «интеллектуальных» полимеров является использование мультифункциональных сшивающих агентов нового поколения с неравнозначными по активности двойными связями, позволяющими управлять структурой полимера на стадии синтеза, и функциональными группами, восприимчивыми к внешнему воздействию. Интерес в качестве структурообразующего агента и сомономера для получения сетчатых полимеров представляет новый дивиниловый мономер - винилоксиэтиламид акриловой кислоты, полученный на кафедре органической химии и полимеров Карагандинского государственного университета им. Е.А. Букетова под руководством д.х.н., профессора О.Ш. Курманалиева. Ранее детально исследована радикальная гомо- и сополимеризации винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами, показана возможность образования полимеров линейной и сетчатой структуры. При этом установлено, что двойные связи при акриламидной группировке и при эфирной группе не равнозначны по активности в реакции радикальной полимеризации. Мультифункциональность мономера делает его интересным объектом для дальнейших исследований радикальной со- и терполимеризации, интерполимерных реакциях, поиске эффективных факторов управления физико-химическими свойствами полимеров. Низкая токсичность полимеров на основе β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты и наличие гидролизующейся группы позволяет надеяться на положительный результат применения этих высокомолекулярных соединений в качестве носителей лекарственных препаратов. Получение ультрадисперсных частиц катализаторов с использованием полимеров на основе β3 винилоксиэтиламида акриловой кислоты является другим возможным направлением применения полимерных сеток. Степень разработанности проблемы. В управлении физико-химическими свойствами полимеров ученые пользовались разными подходами. Теоретическое описание коллапса полимерных сеток, данное в 1968 году Dusek и Pаtterson, получило экспериментальное подтверждение в работе профессора Tanaka и стало отправной точкой исследований над созданием «восприимчивых» полимерных гелей. Опираясь на экспериментальные данные, дальнейшее развитие теории и практики гидрогелей получило в работах ученых: Ilavsky M., Katchalsky A., Osada Y., Хохлова А.Р., Василевской В.В., Филипповой О.Е., Стародубцева С.Г., Френкеля С.Я., Будтовой Т.В., Жубанова Б.А., Ергожина Е.Е., Бектурова Е.А., Шайхутдинова Е.М. и других. В 70-х годах 20-го века появились работы по исследованию интерполимерных реакций, изучению свойств и структуры интерполимерных комплексов (Микаэльс А., Кабанов В.А., Френкель С.Я., Зезин А.Б., Tsuchida E. B. и др.). Фундаментальное описание этих процессов отражено в монографии Бектурова Е.А. и Бимендиной Л.А. «Интерполимерные комплексы» (Алма-Ата, 1977). Исследования в этом направлении в настоящее время находят продолжение в работах многих отечественных и зарубежных ученых. Менее изученными остаются реакции терполимеризации, несмотря на то, что первые работы по этой теме датируются 50-ми годами прошлого столетия. Экспериментальные данные по терполимеризации, их теоретическая интерпретация представлены в более поздних работах Рзаева З.М., Зильбермана Е.Н., Кучанова С.И., Кучер Р.В., Barb W.G., Wagner G.N., Florjanczuk Z. и др. Несмотря на значительное число работ в направлении создания и управления свойствами сетчатых полимеров, терполимеров и интерполимерных комплексов многие теоретические вопросы остаются дискуссионными и требуют дальнейших исследований. В литературе практически отсутствуют данные по исследованию физико-химических свойств полимеров на основе мультифункциональных дивиниловых мономеров с двумя неравнозначными двойными углерод-углеродными связями. Связь работы с планом государственных научных программ. Диссертационная работа выполнена в рамках РЦНТП (Ц0075 на 1997-2001гг.) «Разработка и внедрение в промышленное производство фитопрепаратов и обеспечение отечественными лекарственными средствами медицинские учреждения и население Республики Казахстан» на тему «Подбор полимерных материалов для пролонгации и придания лекарственных форм противоопухолевому препарату «Арглабин» и по программе фундаментальных исследований (ПФИ Ф.0354 на 2006-2008 гг.) «Разработка научных основ и технологий создания новых перспективных материалов различного функционального назначения» задание 3.8.4 «Новые биологически активные вещества из эндемичного растительного сырья и их синтетические аналоги» на тему «Синтез биологически активных производных эфиров амидофосфористой кислоты и фенолтерпеноидов. Разработка полимерных лекарственных форм на основе природных соединений». 4 Цель исследования. Создание научных основ управления физикохимическими свойствами гомо-, со- и терполимеров β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - исследование полиамфолитных свойств полимера β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты; - изучение межмолекулярных взаимодействий гомополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой, полиметакриловой кислотами; - выявление основных закономерностей бинарной и тройной полимеризации -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами; - получение и исследование «восприимчивых» полимерных гелей на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами кислотного и основного ряда; - испытание (со)полимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты в качестве носителей лекарственных препаратов и матриц для получения нанокатализаторов. Научная новизна. Впервые показана возможность управления свойствами сетчатых сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты посредством изменения внешних факторов: рН среды, температуры, присутствия органических растворителей и низкомолекулярных неорганических солей. Установлен полиамфолитный характер поведения гомополимера винилоксиэтиламида акриловой кислоты в результате гидролиза кетоимидной связи. Показано образование полимерных комплексов между гомополимером -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и полимерами некоторых ненасыщенных кислот в воде и органических растворителях, установлены факторы, стабилизирующие и дестабилизирующие интерполимерные комплексы. Получены новые со- и терполимеры -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами, установлены константы бинарной и тройной сополимеризации, исследованы свойства полученных продуктов. Практическая значимость. Представленные в работе возможности управления физико-химическими свойствами полимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты позволяют создавать новые материалы с заранее заданной программой поведения. Получены экспериментальные трансдермальные лекарственные формы препаратов на основе растительного сырья. Исследовано связывание и высвобождение биологически-активных веществ (арглабина и ледокаина) из полимерной матрицы, показано эффективное антибактериальное и ранозаживляющее действие испытуемых препаратов на полимерной основе. Рассмотрена возможность получения биодеградируемых полимеров. Разработан способ получения ультрамелких частиц катализатора (никеля) в объеме полимерного геля. 5 Основные положения, выносимые на защиту: - установление полиамфолитного характера поведения гомополимера винилоксиэтиламида акриловой кислоты; - разработка способов управления свойствами полимеров путем совместной полимеризации -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с виниловыми мономерами; - исследование интерполимерных комплексов -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой и полиметакриловой кислотами; - создание экспериментальных мазевых и аппликационных полимерных форм лекарственных препаратов; - способ получения ультрамелких частиц никеля с использованием полимерного гидрогеля. Личный вклад автора заключается в выборе темы, постановке цели, непосредственном участии в выполнении экспериментальной части работы на всех ее этапах, интерпретации и обсуждении полученных результатов, их анализе и сопоставлении с известными литературными данными, обобщении и написании заключения и выводов диссертации. Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 49 работ, из них в изданиях, рекомендованных КНАСОН, - 16 статей, 6 моностатей. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Молодежной научной школе-конференции по органической химии (2002, Екатеринбург), I-ой, II-ой и III-ей Международных научно-практических конференциях по теоретической и экспериментальной химии (2002, 2004, 2006, Караганда), Международных научно-практических конференциях «Состояние и перспективы направления развития углехимии» (2004, Караганда), «Физикохимические процессы в газовых и жидких средах» (2005, Караганда), «Е.А. Букетов - ученый, педагог, мыслитель», посвященной 80-летию Е.А. Букетова (2005, Караганда), IV Международной научно-практической конференции «Динамика научных исследований» (2005, Днепропетровск), IV-ой Всероссийской научно-практической конференции «Отечественные противоопухолевые препараты» (2006, Москва.), Международной научной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006» (2006, Москва.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы органического синтеза, электрохимии и катализа» (2006, Караганда), Международном семинаре «Полимеры специального назначения для охраны окружающей среды, биотехнологии, медицины и нанотехнологии» (2006, Семей), IV-ой Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (2007, Москва) и других. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников из 252 наименований и приложения. Работа изложена на 250 страницах, включает 72 рисунка и 33 таблицы. 6 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР В литературном обзоре описаны современные представления о трехмерной радикальной полимеризации, рассмотрено конструирование структуры сетчатых полимеров, проведен анализ работ о влиянии внешних факторов на поведение гидрогелей, обсуждено комплексообразование между комплементарными синтетическими полимерами, показаны возможности и особенности терполимеризации, приведены примеры практического использования «интеллектуальных» материалов в различных областях. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Описан синтез мономеров, гомо-, со- и терполимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты и полимеризация некоторых бинарных систем. Представлены использованные в работе методы потенциометрического титрования, вискозиметрии, калориметрии, колориметрии, элементного анализа, сканирующей электронной микроскопии, УФ- и ИК-спектроскопии. Приведены методы получения и исследования комплексов полимеров с биологически-активными веществами. Описан способ получения ультрамелких частиц никеля в объеме полимерного геля. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 Полиамфолитные свойства -винилоксиэтиламида акриловой кислоты Неотъемлемым условием получения полимерных материалов с заданными свойствами является наличие возможности управления их физико-химическими характеристиками посредством внешнего воздействия. Один из возможных путей решения поставленной задачи заключается во включении в состав макромолекул молекулярных групп, адекватно реагирующих на внешние стимулы. Эти группы могут быть ионогенными и неионогенными. Наличие в субцепях фрагментов тех и других групп расширяет спектр параметров воздействия на структуру ВМС, а, следовательно, и на свойства полимера. Одним из перспективных мономеров для получения полимеров с заданными свойствами является -винилоксиэтиламид акриловой кислоты (-ВОЭА АК): CH2=CH CH=CH2 O-CH2-CH2-NH-C O Наличие различных функциональных групп в структуре мономерных звеньев может придавать макроцепям определенную заряженность. Замечено, что при погружении поли--винилоксиэтиламида акриловой кислоты (п-ВОЭА АК) в воду с течением времени рН среды изменяется. С целью установления природы заряженных групп в полимере исследовано влияние рН среды на конформацию макромолекул гомополимера 7 -ВОЭА АК. Конформационные изменения макромолекул фиксировали по изменению вязкости () и мутности () растворов (рисунок 1). Рисунок 1 - Зависимость вязкости (отн) и мутности () раствора п--ВОЭА АК от рН среды На кривых зависимости этих показателей от рН обнаруживается ИЭТ (при рН=6). Известно, что изоэлектрическое состояние характерно только для полиамфолитов, т.е. макроцепь должна одновременно содержать положительно и отрицательно заряженные звенья. Сильно заряженных групп в структуре исследуемого объекта нет, в связи с этим сделано предположение о возможности образования противоположно заряженных групп в результате гидролиза кетоимидной связи: Н 2О –СО-NH-СООН + NH2В этом случае источниками заряженных групп в субцепях могут быть продукты гидролиза амидной связи -ВОЭА АК. При этом установлено, что гидролиз протекает медленно, и в подобную реакцию вступает относительно небольшое число соответствующих групп. Найдено, что степень гидролиза СО–NH- связи в макромолекулах -ВОЭА АК в водной среде при нормальных условиях достигает предельного значения через 5 часов и соответствует 2,3% от общего числа амидных связей. Однако больший интерес для практики представляют полимерные системы с более заряженными звеньями. Это расширяет перспективы управления свойствами посредством воздействия на соответствующие группы. В связи с этим нами получены со-, терполимеры и интерполимерные комплексы ВОЭА АК с мономерами кислотного и основного ряда, исследованы их свойства. 3.2 Интерполимерные комплексы гомополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и поли(мет)акриловой кислоты. Одним из способов модификации традиционных полимеров является полимер-полимерные комплексы. Большой интерес исследователей вызывают интерполимерные комплексы с полимерами на основе ненасыщенных 8 карбоновых кислот, поскольку последние хорошо изучены, обладают ценными, присущими только им, свойствами, а образованный в результате интерполимерных взаимодействий новый материал может расширить спектр их применения. С целью поиска возможности направленного регулирования свойств полимеров исследованы межмолекулярные взаимодействия гомополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой, полиметакриловой кислотами. При смешении водного раствора п--ВОЭА АК с растворами поликислот с концентрациями 0,01г/мл наблюдается выпадение осадка. Элементный анализ выделенной твердой фазы показал, что осадок является результатом образования интерполимерного комплекса (ИПК) и содержит 3 моля звеньев ВОЭА АК на 1 моль звена кислоты. При титровании водного раствора гомополимера -ВОЭА АК меньшей концентрации (0,005 г/мл) раствором полиакриловой кислоты (ПАК) обнаруживается экстремальная зависимость (рисунок 2). пр 103, Рисунок 2 - Кривая м3/кг вискозиметрического 12 титрования п--ВОЭА АК 10 раствором ПАК в воде. 8 6 4 2 0 0 2 4 6 ПАК, мас.% С увеличением содержания ПАК до определенного соотношения полимеров в смеси наблюдается резкое падение вязкости системы. Столь значительное изменение гидродинамики раствора свидетельствует об конформационных переходах макросистемы. Это может происходить при ассоциации макромолекул п--ВОЭА АК и ПАК, сопровождающейся уменьшением плотности зарядов на ПАК, и, как следствие этого, образование компактных частиц поликомплекса. При определенном соотношении полимеров приведенная вязкость системы становится минимальной, что соответствует оптимуму комплексообразования, а соотношение гомополимеров является достаточно достоверной характеристикой состава комплекса. После прохождения экстремума вязкость исследуемого раствора возрастает. Наблюдаемое явление может быть 9 объяснено тем обстоятельством, что увеличение содержания одного из компонентов (в данном случае ПАК) выше соотношения, оптимального для образования ИПК, что приводит к накоплению в системе несвязанных в поликомплекс макромолекул. В отличие от системы п--ВОЭА АК - ПАК при смешение водных растворов полимера на основе дивинилового мономера с полиметакриловой кислоты (ПМАК), даже в условиях малых концентраций (менее 0,005 г/мл), наблюдается обильное выпадение осадка. Одним из факторов, способных влиять на образование интерполимерных комплексов, является растворитель, его природа и соотношение с водой. В связи с этим рассмотрено влияние органических растворителей на процесс комплексообразования исследуемых полимеров. Измерение вязкости при титровании раствора п--ВОЭА АК раствором ПАК при включении в состав растворителя этанола в соотношении органический растворитель - вода 2:1 (по объему) и более показало, что в этой системе не происходит образования поликомплексов, о чем свидетельствуют кривые титрования, не имеющие особых (экстремальных) точек. В отличие от полиакриловой кислоты при титровании водно-органического раствора п--ВОЭА АК аналогичным раствором полиметакриловой кислоты на зависимости «свойство-состав» наблюдался выраженный экстремум, не подчиняющийся правилу аддитивности. В случае с ПМАК имели место интерполимерные взаимодействия даже при подавляющем содержании в системе этанола (десятикратное количество по отношению к объему воды). Одной из наиболее вероятных причин различий в поведении поликислот является дополнительная стабилизация органическим растворителем лиофобных взаимодействий нерастворимых частей реагирующих макромолекул п--ВОЭА АК и ПМАК. Следовало ожидать, что в чистом этаноле образование поликомплекса п-βВОЭА АК – ПАК невозможно, но, судя по изменению вязкости и поверхностному натяжению (σ) (который был использован в качестве критерия комплексообразования), при смешении растворов полимеров образование ассоциатов имеет место (рисунок 3а). Необходимо отметить, что излом на изотерме поверхностного натяжения совпадает с экстремумом на кривой вязкости, что подтверждает данные об образовании ИПК в этаноле. Поликомплекс в органическом растворителе практически не отличается от состава ИПК, образованного в воде. По аналогии нами рассмотрена возможность образования ИПК п--ВОЭА АК - ПМАК(рисунок 3б). Обращает на себя внимание тот факт, что ИПК п--ВОЭА АК - ПМАК, образованный в этаноле, в сравнении с водно-органической средой обогащен поликислотой. В продолжение исследования влияния органических растворителей на образование ИПК смешение дивинилового полимера с поликислотами проводили в диметилформамиде (ДМФА). Кривые вискозиметрического титрования показали, что при соотношении полимеров п--ВОЭА АК и ПАК 10 ηпр·10 3, м3/кг σ∙103 н/м 28 27 а) ηпр·10 3, м3/кг σ∙103 н/м 30 25,2 б) 25 24 26,6 20 25 15 20 26,2 10 24,8 5 16 25,8 1 3 5 7 ПАК,мас.% 0 1 5 2 5 3 4 5 5мас.% ПМАК, Рисунок 3 - Зависимость приведеной вязкости (ηпр) и поверхностного натяжения (σ) растворов смеси п-β-ВОЭА АК - ПАК(а), ПМАК(б) от доли полкислоты 66 : 34 мас.% образуется наиболее устойчивый поликомплекс. Значительное повышение участия в образовании ИПК полиакриловой кислоты при смешении полимеров в растворе ДМФА, по сравнению с макромолекулярными ассоциатами в водных и водно-органических средах, может быть обусловлено специфическим влиянием амидного растворителя на комплексообразование. Рядом исследователей отмечается, что амидные растворители разрушают третичную (глобулярную) структуру поликомплексов. Известно также, что макромолекулы ПАК сильно ассоциированы между собой, что может ограничивать доступ к карбоксильным группам фрагментов макромолекул второго полимера, участвующего во взаимодействии. Введение ДМФА, возможно, оказывает подавляющее действие на образование комплексов типа ПАК-ПАК, что стимулирует участие во взаимодействии макромолекул протонодонорной поликислоты с макромолекулами протоноакцепторного п-ВОЭА АК. При смешении в растворе ДМФА дивинилового полимера с ПМАК наблюдается образование ИПК, соответствующего соотношению полимеров 85,5:14,5 мас.%, соответственно. Изменение состава комплекса полимерполимер по сравнению с поликомплексом, образованным в водноорганической среде, может быть вызвано, прежде всего, участием ДМФА в конкурирующей реакции полимер-растворитель. В литературе приводятся довольно противоречивые данные о влиянии ионной силы раствора на процесс комплексообразования, между тем, это важный параметр, способный оказывать определяющее воздействие на 11 свойства полимеров. Как показали экспериментальные данные, введение в водно-органическую среду неорганической соли КВr не препятствует образованию ИПК между п--ВОЭА АК и поликислотами. По-видимому, повышение ионной силы раствора приводит к ухудшению термодинамического качества растворителя по отношению к полимерам, подавляет взаимодействие полимер-растворитель, что в целом благоприятствует комплексообразованию между полимерами. Следует также отметить, что при смешении растворов полимеров п--ВОЭА АК и ПАК в растворе этанола в присутствии КВr наблюдается заметная опалесценция. При повышении концентрации полимеров выше 0,005 г/мл образующийся поликомплекс теряет способность растворяться в водно-органической среде и выпадает в осадок. Содержание углерода в осадке составляет 57,9%, что свидетельствует об обогащении ИПК звеньями п--ВОЭА АК. С этой целью установления природы интерполимерных контактов сняты УФ- и ИК-спектры растворов гомополимеров и их смесей в этаноле, водноорганических средах и присутствии низкомолекулярной соли. Участие макромолекул п--ВОЭА АК и поликислот в интерполимерной ассоциации на УФ-спектрах проявляется в заметном увеличении оптической плотности смесей по сравнению с исходными компонентами. Кроме того, при определенном соотношении компонентов на спектрах наблюдается батохромный сдвиг при тех же весовых соотношениях полимеров, что и экстремальные значения вязкости и поверхностного натяжения. Это может свидетельствовать в пользу образования ИПК в данной системе за счет межмолекулярных водородных связей. На ИК-спектрах исследуемых гомополимеров и их комплексов обнаружено смещение полос поглощения ОН-связи в сторону меньших частот (20 см-1 до 50 см-1). Наиболее вероятной причиной смещения полос поглощения в полимерах и их смесях является образование межмолекулярных водородных связей между полимерами. Таким образом, полученные результаты демонстрируют возможность образования интерполимерных комплексов поли-β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой и полиметакриловой кислотами. Ассоциаты п--ВОЭА АК с поликислотами аналогично биополимерам стабилизированы водородными связями. Полученные закономерности образования ИПК существенны при прогнозе поведения дивинилового полимера в биологических средах и указывают на принципиальные возможности управления процессами комплексообразования между макромолекулами в живых организмах. 3.3. Со- и терполимеризация β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами Обнаруженный полиамфолитный характер поведения гомополимера βвинилоксиэтиламида акриловой кислоты и его способность образовывать комплексы с другими полимерами являются важным инструментом для управления его свойствами. Однако не всегда достаточно двух мономеров для 12 создания полимерного материала с нужными свойствами. В этом случае возникает необходимость введения в мономерную смесь третьего компонента. Для исследования выбраны следующие пары тройных систем: βвинилоксиэтиламид акриловой кислоты - натриевая соль метакриловой кислоты (NаМАК), - моновиниловый эфир моноэтаноламина (МВЭМЭА) (I); βвинилоксиэтиламид акриловой кислоты – калиевая соль кротоновой кислоты (ККК) - N-винилпирролидон (N-ВП) (II). На основании констант бинарных сополимеризаций r12 и r21, r13 и r31, r23 и r32 по уравнению Алфрея и Голдфингера можно теоретически рассчитать составы исследуемых терполимеров, а, сопоставив их с экспериментальными составами, сделать вывод о процессах, протекающих в полимеризационных средах в присутствии трех мономеров. Поскольку из бинарных систем ранее исследовалась лишь одна сополимеризация β-ВОЭА АК с натриевой солью метакриловой кислоты, в данной работе, основываясь на результаты экспериментальных данных по интегральному уравнению Майо-Льюиса, найдены константы сополимеризации соответствующих пар мономеров (таблица-1). Таблица 1 – Константы и параметры сополимеризации бинарных систем М1 М2 r1 r2 r1 ∙ r2 1/ r1 1/ r2 Q1 e1 Q2 e2 ВОЭААК ВЭМЭА 3,60 0,15 0,54 0,27 6,66 1,27 0,39 0,48 1,18 NaМАК ВЭМЭА 3,10 0,15 0,62 0,32 5,00 2,50 0,34 0,48 1,18 ВОЭААК N-ВП 1,35 0,19 0,26 0,74 5,26 1,27 0,39 0,60 -0,77 ВОЭААК ККК 1,50 0,15 0,23 0,66 6,66 1,27 0,39 1,34 1,60 N-ВП ККК 3,7 0,17 0,63 0,27 5,88 0,60 -0,77 1,34 1,60 Найденные данные по сополимеризации каждой пары сомономеров М1/М2, М2/М3, М1/М3 в отдельности дают возможность для предсказания их поведения в терполимеризации М1/М2/М3. Подставляя значения r в соответствующее уравнение, рассчитаны составы тройных сополимеров. Вычисленные данные сопоставлены с экспериментальными составами терполимеров соответствующих систем. Наглядно отклонение расчетных данных от экспериментальных демонстрирует треугольник составов Гиббса-Розебома (рисунок 4). Полученные данные свидетельствуют о том, что реакционная способность мономеров отличаются от их активности в соответствующих бинарных системах. Причиной отклонения экспериментального состава терполимера от расчетного может являться наличие в реакционной смеси мономеров компонентов, склонных к образованию различного рода ассоциатов. Так, образование ассоциатов между β-ВОЭА АК и моновиниловым эфиром моноэтаноламина посредством водородных связей может способствовать повышению эффективных взаимодействий этих двух мономеров в реакционной среде и увеличивает долю их звеньев в терполимере (I). Значительно от расчетного отличается и состав терполимера (II). Если экстраполировать кривую экспериментального состава (2') далее, то она пересечет прямую смеси сомономеров. Наличие точки пересечения свидетельствует о возможности 13 образования азеотропного состава терполимера β-ВОЭА АК : N-ВП : ККК – 0,15:0,77:0,08 мол.долей, соответственно. М1 0,2 0,8 0,4 0,6 0,4 0,6 0,8 0,8 0,6 о 1' 0,2 0,6 о о 0,8 2' М2 3 0,2 о о 0,2 0,4 о 0,4 о 0,6 2 о 0,8 1 М3 Рисунок 4 - Зависимость вычисленного (1) и найденного экспериментально (2) состава терполимера (I), вычисленной (1') и найденного экспериментально (2') состава терполимера (II) от состава мономерной смеси (3) Химическая структура терполимера, расположение и чередуемость звеньев непосредственно отразились на свойствах терполимеров. В результате исследования конформации макромолекул терполимеров в ответ на изменение рН среды обнаружена их полиамфолитная природа. Наличие изоэлектрической точки характерно для обоих терполимеров и лежит в области слабокислых рН. Следует заметить, что при терполимеризации системы (I) при одном из соотношений сополимеров, как и при бинарной сополимеризации β-ВОЭА АКN-ВП, наблюдается образование полимера сетчатой структуры с высокой сорбционной емкостью(α=127,57г/г). Сетчатые полимеры взывают в последнее время особый интерес. В связи с этим представлялось важным получить сетчатые полимеры β-ВОЭА АК и исследовать их физико-химические свойства. 3.4 «Восприимчивые» полимерные сетки на основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты 3.4.1 Гидрогели на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами Полимеры сетчатой структуры дают неограниченные возможности для управления их свойствами посредством включения в состав макросеток 14 функциональных групп адекватно реагирующих на изменения внешних стимулов. Наличие в сетках тех или иных функциональных групп, определяет их восприимчивость или устойчивость к определенным внешним воздействиям. Наиболее востребованы в настоящее время слабо-сшитые полимеры, содержащие кислотные и(или) основные функциональные группы. С целью поиска перспективных возможностей управления свойствами полимеров получены сополимеры β-ВОЭААК с виниловыми мономерами кислотного и основного ряда. В качестве сомономеров кислотного типа испытаны акриловая и метакриловая кислоты; в качестве сомономеров, содержащих основные группы, выбраны акриламид (АА) и N-винилпирролидон. Анализ экспериментальных данных показал, что мономерный состав сополимера существенно влияет на параметры полимерной сетки и сорбционную емкость геля. С увеличением частоты сшивок при повышенном содержании в сополимере звеньев β-ВОЭА АК расстояние между макромолекулами цепи сокращается и уменьшается количество удерживаемой гидрогелем жидкости. При увеличении мольного содержания β-ВОЭА АК в сополимере выше определенного значения доля дивинилового мономера в смеси перестает оказывать значительное влияние на указанный параметр. При содержании же β-ВОЭА АК в исходной смеси мономеров менее 5 мол.% сополимеры не образуют сетчатую структуру. Равновесное водосодержание гидрогелей, а, следовательно, и их консистенция очень сильно зависят от суммарной концентрации мономеров в условиях синтеза. 3.4.2 Влияние рН среды на набухание гидрогелей Одним из наиболее важных внешних факторов, способным значительно влиять на физико-химическое поведение полимерных гелей, является рН среды. Ниже приведены результаты исследования влияния рН среды на поведение гидрогелей сополимеров β-ВОЭААК с АК, МАК, АА и N-ВП. О степени деформационных изменений макромолекул судили по увеличению внешнего размера геля относительно сухого образца сополимера. Гидрогели сополимеров -ВОЭА АК с акриловой и метакриловой кислотами при низких значениях рН (до 3,2) находятся в максимально сколлапсированном состоянии (рисунок 5). Повышение рН среды приводит к значительному росту способности сополимера к влагопоглощению, и, как следствие, внешние размеры гидрогелей резко увеличиваются. Дальнейшее смещение рН в щелочную область значительного действия на конформацию макромолекул набухшего в воде сетчатого полимера не оказывает. Таким образом, гидрогели сополимеров -ВОЭА АК с АК и МАК ведут себя как типичные полиэлектролиты, содержащие ионизированные кислотные группы, ковалентно присоединенные к основной цепи. Основополагающим фактором, определяющим набухание исследуемых гелей, является электростатическое отталкивание одноименно заряженных СОО -- групп. Гидрогели сополимеров -ВОЭА АК с метакриловой кислотой при благоприятных для набухания значениях рН среды способны сорбировать больше воды нежели сополимеры с акриловой кислотой. Более того, 15 сополимеры, полученные при исходном содержании МАК более 75 мол.%, значительно набухают, но не растворяются во многих органических растворителях, однако в воде при рН>4 переходят в раствор. а б V/V0 V/V0 16 0 1 120 2 12 80 1 2 8 40 4 0 1 3 5 7 9 0 рН 0 3 6 9 12 рН Рисунок 5 - Влияние рН среды на размер полимерных гидрогелей на основе сополимеров -ВОЭА АК с АК(2а, 9,8:90,2 мол. %), МАК(1а,13,2:86,8 мол. %), АА (1б, состава 17:83 мол.%), N-ВП (2б, 23:77 мол.%) Также следует отметить, что переход гидрогеля из сколлапсированного состояния в набухшее более выражен для сополимера с МАК. Одной из наиболее вероятных причин обнаруженных различий в поведении исследуемых полиэлектролитных гелей может быть более плотная структура сополимеров на основе -ВОЭА АК с АК. Это предположение наглядно демонстрируют снимки сополимеров -ВОЭА АК с АК и МАК, полученные методом электронной сканирующей микроскопии (рисунок 6). а) б) Рисунок 6 - Электронно-микроскопические снимки сополимеров -ВОЭА АК с АК (а) и МАК (б) Несколько иная картина набухания наблюдается при погружении в различные среды сополимеров -ВОЭА АК с акриламидом и Nвинилпирролидоном. Зависимость степени набухания от рН среды носит экстремальный характер (рисунок 5). Учитывая, что в состав этих гидрогелей 16 включены звенья сомономеров только с основными функциональными группами, следовало ожидать образования полиэлектролитных гидрогелей, макромолекулы которых заряжены одноименно. Однако согласно экспериментальным данным исследуемые гидрогели как при подщелачивании среды, так и при подкислении набухают, а при промежуточных значениях рН подвергаются контракции. Такое поведение гелей указывает на их полиамфолитный характер, т.е. наличие кислотных и основных групп в цепи. Источник разноименно заряженных групп в макромолекулах следует искать лишь в звеньях -винилоксиэтиламида акриловой кислоты. Несмотря на то, что лишь небольшая доля амидных звеньев -ВОЭА АК подвергается гидролизу, а его содержание в сополимерах невелико, именно присутствие звеньев дивинилового мономера в бинарных полимерах с сомономерами, имеющими основные функциональные группы, определяет поведение их гидрогелей при изменении рН среды. Наряду с доминирующим действием звеньев -ВОЭА АК природа основного сомономера влияет на глубину экстремума и степень набухания сополимеров. Гидрогели с N-ВП более чувствительны к изменениям рН среды, чем акриламидные. При переходах гидрогеля -ВОЭА АК - N-ВП из набухшего состояния в сколлапсированное и обратно их внешние размеры изменяются более чем в 3 раза, тогда как акриламидные гели способны претерпевать объемные изменения менее чем в 2 раза. Следует учесть, что большее содержание звеньев дивинилового мономера в сополимере с N-ВП по сравнению с составом второго сополимера, может также определять высокую чувствительность гидрогелей к изменению кислотности среды. Обращает на себя внимание тот факт, что изоэлектрическая точка гидрогелей относительно ИЭТ гомополимера -ВОЭА АК сдвинута в случае сополимера -ВОЭА АК - АА в щелочную область, а в случае сополимера ВОЭА АК - N-ВП в кислую. Следовательно, функциональные группы сомономера оказывают влияние на баланс положительно и отрицательных зарядов в макроцепях. В работе также показано влияние содержания звеньев сомономера в макроцепи на сорбционную емкость исследуемых полимерных сеток. Так, в щелочной среде в зависимости от природы и содержания в сополимерах карбоксильных звеньев гели способны увеличивать свои объемы по сравнению с их же размерами в кислой области рН от 15 до 35 раз. С увеличением доли АК в составе сополимера коллапс наступает при более низких значениях рН среды. Используя эту закономерность, можно, изменяя состав сополимера, смещать рН индуцируемый переход гидрогелей в заданную область. Повышение содержания звеньев АА и N-ВП в сополимерах с -ВОЭА АК смещает ИЭТ гидрогелей в противоположенных направлениях. Так, чем больше в сополимерах звеньев АА, тем ближе критическая точка рН к щелочной области, а увеличение содержания N-ВП в сополимерах смещает минимальное значение степени набухания в более кислую область рН. Рост числа звеньев -ВОЭА АК в составе как одного, так и другого сополимера 17 ведет к тому, что область рН, соответствующая сколлапсированному состоянию полимерной сетки, приближается к рН изоэлектрической точки гомополимера -ВОЭА АК. Сопоставление влияния рН на набухание в воде сополимеров -ВОЭА АК с кислотными и основными мономерами показывает, что доминирующее влияние на поведение гидрогелей дивинилового мономера с акриловыми кислотами оказывает второй сомономер, а полиамфолитный характер набухания гидрогелей с основными мономерами определяется, прежде всего, звеньями -ВОЭА АК. Таким образом, показано что одним из внешних факторов, способных эффективно влиять на физико-химические свойства сополимеров -ВОЭА АК с виниловыми мономерами, является рН среды. Направление изменения рНтропных переходов сорбционной емкости может регулироваться на стадии синтеза путем включения в состав исходной мономерной смеси -ВОЭА АК и виниловых мономеров с кислотными или основными функциональными группами. 3.4.3. Термочувствительные полимерные гели на основе -ВОЭА АК Температура является одним из внешних условий, позволяющих шире использовать потенциал гидрогелей на практике. Исследование влияния температуры на набухание сополимеров -ВОЭА АК с АК, МАК, АА, N-ВП показало, что природа сомономеров определяет характер кривых зависимости набухания от температуры (рисунок 7). Сополимеры -ВОЭА АК с кислотными сомономерами (АК, МАК) мало подвержены воздействию температуры. По-видимому, это связано с тем, что макроцепи сополимеров обогащены кислотными группами, придающими звеньям отрицательный заряд, в результате гидрофобное притяжение, усиливающееся с повышением температуры, не способно преодолеть силы электростатического отталкивания одноименно заряженных групп. Гидрогели сополимеров -ВОЭА АК с N-ВП при повышении температуры сжимаются. Существенное влияние на контракцию геля оказывает соотношение звеньев -ВОЭА АК и N-ВП. Помимо сдвига температуры фазового перехода изменяется характер перехода, он становится более резким, а его амплитуда возрастает (рисунок 7). Наблюдаемый в системе коллапс геля свидетельствует о преимущественном влиянии на взаимодействие между звеньями макроцепей сил притяжения. Для системы -ВОЭА АК - АА наблюдался возвратный переход степени набухания от температуры типа набухание-коллапс-набухание. Это свидетельствует о том, что за поведение гидрогеля ответственны несколько типов взаимодействия. Силами, вызывающими коллапс геля, могут быть взаимодействия гидрофобных фрагментов макроцепей, сопровождающиеся вытеснением молекул воды, структурированных у поверхности этих групп гидрофобных фрагментов. 18 V/V0 40 30 1 20 3 4 10 2 25 35 45 T, C Рисунок 7. Влияние температуры на набухание гидрогелей на основе сополимера -ВОЭА АК c N-ВП состава 6:94 мол.% (1), 23:77 мол.% (2) и с АА состава 12:88 мол.% (3), 17:83 мол.% (4), соответственно. На поведение гидрогелей в данной системе влияют звенья, способные гидролизоваться в водных растворах. При этом гидролизу могут подвергаться СО-NН связь в звеньях -ВОЭА АК, в результате чего образуются разноименно заряженные функциональные группы, а также гидролизоваться способны NH2 группа акриламидных звеньев, что приводит к возникновению одноименных зарядов в макроцепях. Экспериментальные данные по исследованию зависимости гидролиза гомополимеров -ВОЭА АК и АА от температуры показали, что можно предположить два режима набухания бинарного сополимера -ВОЭААК-АА при изменении температуры. Так, до определенной температуры поведение гелей подчиняется полиамфолитному режиму, поскольку с повышением температуры степень гидролиза звеньев ВОЭА АК растет. Дальнейшее набухание с увеличением температуры протекает согласно полиэлектролитному режиму, т.к. контролируется гидролизом амидной связи звеньев АА. В последнем случае возникает избыток –СООН групп, и, следовательно, нарушается баланс между суммарными положительными и отрицательными зарядами. Наряду с тем следует учесть, что на жесткость полимерной сетки способны оказывать влияние и межмолекулярные водородные связи, действие которых носит кооперативный характер. Таким образом, найден еще один внешний стимул – температура, с помощью которого можно управлять свойствами полимерного геля. 3.4.4 Влияние низкомолекулярных солей на набухание гидрогелей 19 При проектировании полимерных материалов с заданными свойствами необходимо учитывать влияние низкомолекулярных соединений, в частности, солей. В большей степени это относится к гелям с высоким содержанием ионизированных групп. Результаты представленных выше исследований показали, что сополимеры -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами проявляют полиэлектролитные и полиамфолитные свойства. Это предполагает восприимчивость исследуемых гелей к ионам низкомолекулярных солей (НМС). Нами рассмотрено влияние моновалентной соли NaCl на набухание сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с АК, МАК, АА, N-ВП (рисунок 8). Как видно из рисунка, присутствие НМС оказывает влияние на набухание всех исследуемых систем. Вид кривых зависимости степени набухания от концентрации соли для гидрогелей сополимеров -ВОЭА АК с кислотными и основными сомономерами значительно различается. V/V0 120 100 80 60 40 20 0 -4 -3 -2 -1 0 1 lg C, моль/л Рисунок 8 - Влияние концентрации NaCl на набухание гелей на основе сополимера -ВОЭА АК с АК (1) 9,8:90,2 мол. %, МАК (2) 13,2:86,8 мол. %, АА (3) 12:88 мол.%, N-ВП (4) 6:94 мол.%. Набухшие в воде образцы сополимеры -ВОЭА АК с АК и МАК при определенной концентрации соли (~10-2 моль/л) претерпевают скачкообразное сжатие, напоминающее объемно фазовый переход первого рода. Критическая концентрация НМС эквивалентна содержанию карбоксильных групп в сополимере. Причиной наблюдаемого коллапса полимерного геля является подавление полиэлектролитного эффекта в результате экранирования заряженных ионов макроцепи низкомолекулярными ионами соли. Полиамфолитный характер поведения гидрогелей сополимера винилоксиэтиламида акриловой кислоты с N-ВП подтверждается и в присутствии НМС. В результате гидролиза кетоимидной связи -ВОЭА АК в макроцепях появляются разноименно заряженные группы. Добавление в раствор электролита, в данном случае NaCl, приводит к экранированию 20 электростатического притяжения разноименно заряженных групп субцепей, что способствует набуханию гидрогеля. Поведение сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с АА в солевом растворе трудно отнести к полиамфолитному или полиэлектролитному режиму. Начальный участок кривой зависимости степени набухания от концентрации соли напоминает полиэлектролитный режим, а второй – полиамфолитный. Это явление характерно для случаев, когда в макромолекулярной сетке одновременно наряду с разноименно заряженными группами присутствует избыток одного из зарядов. Источником разноименно заряженных групп служит кетоимидная связь звеньев -ВОЭААК, а одноименно заряженные группы возникают в результате частичного гидролиза звеньев акриламида в макроцепях. Введение низкомолекулярной соли на начальном этапе способствует контракции полимерной сетки вследствие того, что одноименно заряженные участки цепи, обусловленные гидролизом акриламидных звеньев, оказываются заэкранированными, и силы отталкивания между этими участками ослабевают. На следующем этапе большинство эффективных участков цепи, определяющие полиэлектролитное поведение геля, оказываются заэкранированными и поведение геля в растворе вступает в следующую фазу. Находящаяся внутри геля соль экранирует притяжение разноименно заряженных звеньев -NH3+ и -COO- и под действием распирающего осмотического давления противоионов ведет к дополнительному набуханию гидрогеля. На восприимчивость полимерных гелей к присутствию НМС существенно влияет соотношение мономерных звеньев в сополимерах. С увеличением в сополимерах доли кислот увеличивается чувствительность гелей к добавкам низкомолекулярной соли. Это может быть обусловленно как повышением содержания карбоксильных групп в макроцепи, так и снижением плотности полимерной сетки в результате уменьшения доли сшивающего агента - -ВОЭА АК. Следует отметить, что переход гидрогелей из набухшего состояния в сколлапсированное для сополимеров, содержащих звенья МАК, наблюдается при меньшей концентрации НМС, чем для сополимеров с АК. Для сополимера -ВОЭА АК с N-ВП можно заметить, что образец, содержащий 23 мол.% дивинилового мономера, более чувствителен к присутствию NaCl, чем образец аналогичного сополимера с меньшей долей ВОЭА АК (6 мол.%). Это подтверждает суждение об определяющем влиянии на поведение гидрогеля сополимера -ВОЭА АК - N-ВП звеньев дивинилового мономера, точнее образовавшихся в результате гидролиза кетоимидной связи функциональных групп. При содержании в сополимере звеньев -ВОЭА АК, равном 53 мол.%, гидрогель практически теряет восприимчивость к действию низкомолекулярной соли. Также исследовано влияние на поведение полиэлектролитных и полиамфолитных гидрогелей бивалентной соли CaCl2. С увеличением в системе мольного содержания бивалентной соли наблюдается изменение степени набухания сополимеров. При этом контракция полиэлектролитных гелей при 21 добавлении бивалентной соли происходит при гораздо меньшей концентрации соли, чем в случае моновалентной соли. Таким образом, изменяя природу сомономера, можно получать гидрогели способные набухать или коллапсировать в присутствии низкомолекулярных солей, а варьируя соотношение звеньев сомономеров, можно регулировать интервалы набухания и сжатия полимерных сеток. 3.4.5 Влияние органических растворителей на набухание полимерных гелей Чувствительность гидрогелей к природе окружающего растворителя инициировала исследования влияния состава бинарной смеси водноорганических растворителей на объемные характеристики гелей на основе сополимеров -ВОЭА АК с АК, МАК, N-ВП, АА. В качестве органической компоненты смеси выбраны растворители различной природы: этанол, диметилформамид (ДМФА), диметилсульфоксид (ДМСО), ацетон, диоксан. Наблюдение за набуханием сополимеров в индивидуальных растворителях показало, что из спектра исследуемых низкомолекулярных сред наиболее благоприятной для набухания сополимеров β-ВОЭА АК является вода. При прибавлении в среду, представляющую собой набухший в воде полимер, органического растворителя наблюдается сокращение размеров образцов гидрогелей. В зависимости от природы сомономеров и состава сополимеров контракция носит вид дискретного или непрерывного перехода. Первый характерен для сополимеров β-ВОЭА АК с ненасыщенными кислотами. При добавлении в окружающую эти гидрогели среду менее полярного растворителя степень диссоциации карбоксильных групп, обеспечивающих электростатическое отталкивание субцепей друг от друга, снижается. Когда содержание органического растворителя в смеси преодолевает некоторое критическое значение, наступает коллапс сетки. Замена более полярных ДМСО и ДМФА менее полярными ацетоном и диоксаном обостряет зависимость константы набухания от доли органического растворителя и приводит к появлению скачка. Следовательно, контракция гелей от непрерывного к дискретному при замене органических растворителей изменяется в том же направлении, что и их полярность. Сополимеры -ВОЭА АК с АА и N-ВП так же, как и кислотные, набухают лучше воде, чем в органических растворителях. Следует заметить, что в отличие от сополимеров дивинилового мономера с ненасыщенными кислотами сополимеры с АА и N-ВП значительно набухают в органических растворителях. Особенно это относится к N-ВП, что, возможно, обусловлено структурой последнего. Экспериментально также установлено, что при ухудшении качества растворителя гидрогели сополимеров становятся менее чувствительными к изменениям температуры. Основной причиной, надо полагать, является общее снижение степени набухания сополимеров в неполярных средах. В описанном выше эксперименте испытаниям подвергался набухший в воде образец сополимера, который последовательно погружали в водно22 органические смеси с заданным соотношением компонентов. При погружении сухого образца полимера в водно-органическую смесь картина несколько отличается. Так, уже при минимальной доле органического растворителя гидрогель подвергается контракции, при этом процесс носил непрерывный характер. Различия в поведении сухого и набухшего образцов полимера могут быть объяснены процессами сольватации полимеров в геле. При набухании полимеров часть растворителя прочно удерживается макромолекулами в виде сольватного слоя, что обеспечивает относительную стабильность гидрогелей при увеличении концентрации органического растворителя до определенного критического значения. Таким образом, исследуемые гидрогели проявляют высокую чувствительность к качеству растворителя, при этом их набухающее поведение зависит от исходного состояния полимера. Восприимчивость испытуемых гидрогелей к составу водно-органической смеси зависит также и от рН окружающей среды. 3.4.6 Энтальпия набухания сетчато-сшитых сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты в воде и этаноле Термодинамика набухания полимеров позволяет получить информацию о термодинамическом сродстве растворителя к полимеру, выявить причины энергетических взаимодействий, оценить термодинамическую устойчивость бинарных систем полимер-растворитель и зависимость ее от температуры, предсказать возможность распада при охлаждении или нагревании и связать термодинамические параметры набухания с основными элементами структуры самих полимеров. В связи с этим нами проведено термохимическое исследование набухания сополимеров -ВОЭА АК с АА и N-ВП при 278 К в воде и этиловом спирте. Экспериментальные данные показали, что набухание сополимеров в воде характеризуется большими отрицательными значениями энтальпии набухания. Экзотермический эффект набухания сополимеров в воде может быть обусловлен образованием сольватированных комплексов полимер-вода. Величина энтальпии набухания сополимера -ВОЭА АК - АА существенно зависит от концентрации полимера в системе, повышение доли которого ведет к росту удельной энтальпии этого процесса. Набухание сополимеров -ВОЭА АК с N-ВП сопровождается большим выделением тепла, нежели чем с акриламидом, что соответствует с представленным выше данным относительно степени набухания этих сополимеров в воде. При этом обращает на себя внимание тот факт, что сополимер -ВОЭА АК - N-ВП, содержащий большее число звеньев сшивающего сомономера -ВОЭА АК, при набухании имеет более высокий экзотермический эффект по сравнению с менее сшитым аналогом. Учитывая мультифункциональность звеньев -ВОЭА АК, в качестве объяснения можно предположить, что сольватация молекулами воды звеньев ВОЭА АК приводит к большему выигрышу энергии, нежели сольватация звеньев N-ВП. 23 Высокие величины энтальпии набухания свидетельствуют о значительной степени сродства воды к исследуемым полимерам. Поскольку набухание сополимеров -ВОЭА АК в воде сопровождается значительным экзотермическим эффектом, становится более понятным, что при повышении температуры энтальпийная составляющая общей свободной энергии процесса будет способствовать смещению равновесия в сторону, противоположную набуханию гидрогеля. Наряду с экзотермическим эффектом набухания сополимеров столь значительное уменьшение объема гидрогеля с повышением температуры может быть обусловлено усилением гидрофобного притяжения. Следовательно, дискретный переход из набухшего в сколлапсированное состояние гидрогелей сополимеров -ВОЭА АК с -ВП при повышении температуры обуславливается как энтальпийной, так и энтропийной составляющими общей свободной энергии процесса. С целью получения дополнительной информации о термодинамическом сродстве этанола к полимерам нами экспериментально найдены энтальпии набухания сополимеров -ВОЭА АК с АА и N-ВП в последнем. Показано, что набухание сополимеров в этаноле сопровождается значительным эндотермическим эффектом. Следует полагать, что образование сольватированных комплексов полимер-этанол энергетически невыгодно. Этанол, являясь менее полярным растворителем, чем вода, в меньшей степени способствует диссоциации и образованию заряженных фрагментов в макроцепи. Оба приведенных обстоятельства в совокупности оказывают подавляющее влияние на набухание исследуемых гидрогелей. Эндотермический эффект набухания сополимера -ВОЭА АК с АА менее выражен, чем для полимерной системы -ВОЭА АК - N-ВП. Величина энтальпии набухания сополимеров в этаноле зависит от соотношения компонентов в системе полимер-растворитель. Таким образом, термодинамические характеристики набухания сополимеров -ВОЭА АК с АА и N-ВП в исследуемых растворителях показали большее термодинамическое сродство к полимерам воды, чем этанола. Величина энтальпии набухания сополимеров хорошо коррелирует с описанными ранее результатами и дает дополнительную информацию о влиянии температуры и природы растворителя на устойчивость бинарных систем полимеррастворитель. 3.5. Некоторые перспективные области применения полимеров Несмотря на отсутствие общей теории набухания, «интеллектуальные» полимеры, способные заранее запрограммированным образом реагировать на небольшие изменения во внешней среде, находят все большее применение в таких областях, как робототехника, нефтепереработка, биотехнология, медицина и др. На основе со- и терполимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловыми кислотами получены гидрогели, обладающие достаточной осмотической активностью для приготовления на их основе ранозаживляющих 24 мазей. Разработанные на гидрофильной основе экспериментальные мази, имеющие в составе в качестве активного начала эфирные масла полыни гладкой Artemisia glabella Kar. et Kir. (ЭМПг) и аянии кустарничковой Ajania fruticulosa (Ledeb.) Pojak (Ак) (ЭМАк)*, показали выраженную антибактериальную и ранозаживляющую активности, а также отсутствие местных реакций на кожных покровах. Экспериментально найдены компонентный состав (включены эмульгаторы, пластификаторы и др.) и рецептура экспериментальных мазей. Исследована биодоступность эфирного масла из полимерной матрицы. Эти результаты могут лечь в основу создания трансдермальных-терапевтических системы (ТТС) с программированным высвобождением биологически-активного вещества (БАВ). Испытания ранозаживляющих свойств выявило способность сополимеров дивинилового мономера с метакриловой кислотой образовывать пленку на поверхности кожи. Это свойство сополимера использовано в дальнейшем для получения лекарственных пленок. Экспериментально установлено, что наилучшими пленкообразующими свойствами обладает сополимер β-ВОЭА АК с МАК состава 13,2 : 86,8 мол.%. В пленочную массу в качестве биологически активной составляющей, обеспечивающей антибактериальные и противовоспалительные свойства ТТС, включены ЭМПг и ЭМАк. Высокая степень липофильности эфирных масел потребовала для их иммобилизации в гидрофильную основу введения ПАВ, а для большей гомогенизации раствора и хорошего проникновения БАВ через биологические мембраны органического растворителя - ДМСО. Оценка качества полученных пленок складывается из ряда основных показателей: внешний вид, влагопоглощение, адгезия, время потери прочности, рН водной вытяжки и другие. По этим показателям испытуемый материал не уступал, а зачастую превосходил известные аналоги. Близкие к нейтральному значения водной вытяжки (рН~7,1-7,5) положительно характеризуют лекарственную форму, предназначенную для аппликаций на раны, при этом слабо щелочная среда, которую создает фитопленка, будет препятствовать росту некоторых микробов. Биодоступность эфирных масел из экспериментальных пленок исследовали методом диализа, с использованием для количественного анализа БАВ спектрофотомерии и кондуктометрии. Концентрация БАВ в растворах находится выше нижней границы эффективных концентраций и ниже нижней границы токсических концентраций эфирных масел. Для управления процессом высвобождения и создания систем с заданной скоростью дозирования изучали влияние наиболее значимых факторов: концентрации БАВ, температуры, рН среды. На базе полученных экспериментальных данных рассчитали константы высвобождения, по значениям которых испытуемые фитопленки с эфирными маслами могут быть отнесены к лекарственным формам с пролонгированным действием БАВ. *Эфирные масла полыни гладкой и аянии кустарничковой предоставлены АО «НПЦ «Фитохимия» МОН РК 25 На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что, воздействуя на факторы, влияющие на процесс набухания и растворения полимера, можно создать лекарственные пленки с регулированной подачей БАВ в орган-мишень. При создании лекарственных форм на основе новых полимеров, прогнозировании высвобождения и пролонгированного действия лекарственного вещества (ЛВ) необходимо иметь представления о природе взаимодействия БАВ с полимерной матрицей. В качестве модельных лекарственных веществ испытаны местно-анестезирующий препарат – диэтиламино-2,6-диметилацетанилид гидрохлорид (лидокаина гидрохлорид) и отечественный противоопухолевый препарат "Арглабин" (Arglabinium), разработанным НПЦ «Фитохимия» МОН РК на основе сесквитерпенового лактона из полыни гладкой (Artemisia glabella Kar. et Kir.). В качестве полимерного комплексона испытаны сополимеры β-ВОЭА АК с АК, N-ВП с КК, N-ВП с ККК и терполимер β-ВОЭА АК- N-ВП-ККК. В качестве количественных критериев комплексообразования полимерлекарство рассматривались результаты потенциометрического, турбидиметрического, вискозиметрического титрования. Как демонстрируют экспериментальные данные, с увеличением содержания в сополимерах анионных составляющих степень связывания ВМС с лидокаином растет. Набольшее количество ЛВ сорбирует сетчатый сополимер -ВОЭА АК - АК. Ввиду большего вхождения в сополимер звеньев ККК (48,5 мол.%), этот полимер также способен иметь значительную степень связывания с лекарством. Несколько менее выражены комплексообразующие свойства у сополимера NВП-КК. В то время как терполимер -ВОЭААК-N-ВП-ККК, имея в составе всего 13,5 мол.% анионного компонента, способен связывать 22,5% ЛВ. В случае терполимера (II) образование комплексов полимер-ЛВ возможно не только в результате электростатичеких взаимодействий, но и межмолекулярные контакты могут определяться водородными связями, гидрофобными взаимодействиями и др. По мере увеличения концентрации Арглабина в растворе, содержащем набухший в воде сополимер β-ВОЭА АК – АК, рН среды уменьшается, что свидетельствует о протекании реакции комплексообразования между полимером и лекарственным веществом по гидрохлоридной компоненте ЛВ и карбоксильной группе полимера. Можно было наблюдать сокращение размеров образца сополимера в присутствии ЛВ, что также указывает на образование комплекса полимер-лекарство. Согласно полученным в работе данным, степень связывания сополимера с Арглабином составила порядка 50 вес. %, а степень высвобождения при температуре 37 0С – более 80 вес. %. Комплексы полимеров с лекарственными веществами идентифицированы методом ИК-спектроскопии. На примере местноанестезирующего препарата лидокаина гидрохлорида и отечественного противоопухолевого препарата "Арглабин" показана принципиальная возможность связывания растворимых полимеров и 26 гидрогелей на основе -ВОЭА АК с лекарственным веществом, что является важным фактом в практическом применении синтезированных полимеров в качестве носителей лекарственных веществ. Новым направлением исследований в области разработки полимерных материалов и изделий медицинского назначения является создание биодеструктирующихся полимеров, особое место среди которых занимают ферментативно-расщепляемые ВМС. В качестве объекта исследования выбран синтетический полимер – поли--винилоксиэтиламид акриловой кислоты, который имеет с своей структуре гидролизуемую кетоимидную связь -СО-NН. В качестве модельного деструктирующего ферментного агента в работе нами использован протеолитический ферментный комплекс из Bacillus subtilis НИ-1 (щелочные и кислые протеазы), предоставленный Институтом фармацевтической биотехнологии МОН РК. Чтобы получить более подробные сведения о связи между структурой полимеров на основе -ВОЭА АК и их биодеградируемостью, было исследовано расщепление разветвленного терполимера -ВОЭА АК с моновиниловым эфиром моноэтаноламина и натриевой солью метакриловой кислоты различных составов. Деструктирующую способность ферментов по отношению с терполимеру определяли методом, основанным на измерении вязкости растворов. Результаты вискозиметрического титрования растворов терполимеров растворами ферментов показали наличие экстремальных участков на кривой зависимости. Излом на этой кривой соответствует концентрации фермента, способной расщепить максимальное количество СОNН связей. Определение содержания освободившихся карбоксильных групп в исследуемой системе позволило рассчитать степень гидролиза СО-NН связи в полимере под действием ферментативного комплекса НИ-1. Найдено, что под действием комплекса щелочных и нейтральных протеаз в терполимере -ВОЭА АК–МВЭМЭА–Na-МАК способны гидролизоваться до 84% кетоимидных связей звеньев -ВОЭА АК. Включение биодеградируемых звеньев -винилоксиэтиламида акриловой кислоты в состав полимерных носителей лекарственных препаратов является перспективным не только в плане биодеградации и вывода высокомолекулярного соединения из организма, но и может послужить основой для создания нацеливающего устройства, восприимчивого к определенным ферментам. Таким образом, возникает перспектива создания системы целенаправленного транспорта. В настоящее время широкое распространение получили нанотехнологии. В этой связи актуальным является вопрос получения гель–иммобилизованных малых частиц металла. Важным с практической точки зрения свойством данных композиций является стабилизирующее действие полимерной матрицы, предохраняющей частицы металла от агрегации и окисления в течение длительного времени, простота отделения катализатора от продуктов реакции, возможность контролирования процесса катализа, управляя набуханием полимера. 27 Нами разработан способ получения полимер-металлических композиций путем восстановления Ni (II) в среде набухшего в воде сополимера винилоксиэтиламида акриловой кислоты. Результаты проведенного эксперимента показывают, что реакция восстановления соли Ni (II) в объеме полимера протекает медленнее, чем при проведении реакции в свободном состоянии. Сделано предположение, что самой медленной стадией, лимитирующей скорость процесса, является скорость диффузии реагентов вглубь полимера. Частицы металлического никеля сферической формы, относительно равномерно диспергированны вдоль поперечного сечения полимера, их размер находится в пределах 400-800 нм. Используя найденные ранее закономерности влияния внешних факторов, в частности рН среды, на набухание исследуемых гидрогелей нами рассмотрена возможность контролирования диффузии металла во внешний раствор. Таким образом, полученные в работе закономерности позволяют получать перспективные в практическом отношении материалы и композиции с заданными свойствами. Заключение В результате проведенных исследований установлены возможности направленного управления физико-химическими свойствами гомо-, со- и терполимеров β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты. Сделаны следующие выводы: 1. Показано, что гомополимер β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты в воде проявляет полиамфолитные свойства, причина которых заключается в гидролизе имеющихся кетоимидных связей. Установлено, что гидролиз СО–NH- связи протекает медленно, и в подобную реакцию вступает относительно небольшое число соответствующих групп. 2. Макромолекулы гомополимера β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты в воде и некоторых органических растворителях способны вступать в интерполимерные реакции с макромолекулами полиакриловой и полиметакриловой кислот. Установлено, что на возможность образования поликомплексов и их состав значительно влияют природа растворителя и ионная сила раствора. Методами ИК- и УФ-спектроскопии доказано, что ассоциаты гомополимера β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с поликислотами стабилизированы водородными связями. 3. Исследованы основные закономерности бинарной и тройной сополимеризации -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами. На основании констант бинарных сополимеризаций теоретически рассчитаны составы терполимеров βвинилоксиэтиламид акриловой кислоты - натриевая соль метакриловой кислоты - моновиниловый эфир моноэтаноламина и β-винилоксиэтиламид акриловой кислоты – калиевая соль кротоновой кислоты - Nвинилпирролидон. Экспериментально найденные составы обоих терполимеров отклоняются от предсказанных расчетом, что свидетельствует 28 4. 5. 6. 7. об отличии реакционной способности мономеров в терполимеризации от их активности в соответствующих бинарных системах. Исследованы стимулчувствительные гидрогели на основе βвинилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами кислотного и основного ряда. Установлено, что гидрогели сополимеров β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с кислотными и основными мономерами восприимчивы к рН среды. Образцы сополимеров с акриловой и метакриловой кислотами при определенных рН резко увеличивают свой объем, а сополимеры с акриламидом и Nвинилпирролидоном претерпевают возвратный переход типа: набуханиеколлапс-набухание. Основополагающими факторами, определяющими набухание исследуемых гелей, являются электростатическое отталкивание одноименно заряженных карбоксильных групп и возникновение противоположенных зарядов на макроцепях в результате гидролиза кетоимидных связей в звеньях β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты. Показано, что гидрогели β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с (мет)акриловой кислотой мало восприимчивы к воздействию температуры, а сополимер с N-винилпирролидоном при повышении температуры посредством гидрофобных взаимодействий макромолекул подвергается контракции, зависимость степени набухания сополимера с акриламидом от температуры носит экстремальный характер. Установлена восприимчивость сополимеров к присутствию низкомолекулярных солей. Показано, что кислотные гели дискретно сжимаются, если концентрация неорганической соли в окружающем их растворе выше содержания карбоксильных групп в образце; гидрогели с N-винилпирролидоном при добавлении соли набухают; гидролиз кетоимидной и амидной связи в звеньях сополимеров βвинилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриламидом обуславливает смешанный режим их поведения в присутствии соли. Установлено, что при прибавлении к среде, представляющей собой набухший в воде полимер, органического растворителя (этанол, ДМФА, ДМСО, ацетон, диоксан) наблюдается сокращение размеров образцов гидрогелей. Установлено, что при добавлении органических растворителей коллапс кислотных гелей осуществляется как фазовый переход первого рода, а сополимеры с акриламидом и N-винилпирролидоном подвергаются непрерывной контракции. Подавляющее действие органических растворителей на набухание сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты объясняется с позиции полярности растворителей. Установлено, что набухание в воде сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриламидом и N-винилпирролидоном характеризуется большими отрицательными значениями энтальпии набухания. Термодинамические данные позволили установить, что переход гидрогелей сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с Nвинилпирролидоном из набухшего состояния в сколлапсированное при повышении температуры обуславливается как энтальпийной, так и энтропийной составляющими общей свободной энергии процесса. Показано, 29 что набухание сополимеров в этаноле сопровождается значительным эндотермическим эффектом. 8. На основе со- и терполимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты рассмотрена возможность создания мягких, аппликационных и других лекарственных форм ранозаживляющих препаратов. Разработаны рецептуры и методики приготовления новых лекарственных форм, испытаны их качественные характеристики, устойчивость комплексов полимер-лекарство и биодоступность лекарственного вещества из полимерной матрицы. Установлено противовоспалительное действие, выраженная антибактериальная и ранозаживляющая активность экспериментальных лекарственных форм на гидрофильной гелевой основе, иммобилизированных эфирными маслами полыни гладкой и аянии кустарничковой. Предложен принцип создания полимера-носителя лекарственных веществ, деградирующего под действием ферментов. Разработан способ получения ультрадисперсных частиц никеля в объеме полимерного геля. Оценка полноты решения поставленной задачи. Полнота поставленных задач достигнута путем установления научных основ управления физикохимическими свойствами гомо-, со- и терполимеров β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты. Найдены полиамфолитные свойства полимера βвинилоксиэтиламида акриловой кислоты, исследованы межмолекулярные взаимодействия гомополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой, полиметакриловой кислотами. Определены основные закономерностей бинарной и тройной сополимеризации винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами. Установлена восприимчивость к внешним стимулам полимерных гелей на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами кислотного и основного ряда. Полимеры на основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты испытаны в качестве носителей лекарственных препаратов и матриц для получения нанокатализаторов. Рекомендации по конкретному использованию результатов исследований. способность полимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты образовывать интерполимерные комплексы с поликислотами может быть использована при моделировании поведения полимера в биологических средах, а восприимчивость ИПК к внешним стимулам делает его перспективным при создании полимера-носителя; разработки по созданию мазевой композиции и пленочной формы на гелевой основе из со- и терполимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты являются предпосылками для получения новой лекарственной формы препаратов растительного происхождения; результаты исследования комплексообразования полимер-лекарство могут лечь в основу создания терапевтических систем с программируемым высвобождением лекарственных веществ; 30 способ получения ультрадисперсных частиц никеля представляет интерес при создании наноструктур эффективных катализаторов с развитой металлической поверхностью, а найденные закономерности поведения полимерных гелей, используемых в качестве матрицы для иммобилизации металла, делают возможным регулирование дисперсности и активности катализатора. Технико-экономический уровень в сравнении с лучшими достижениями в этой области. Исследованы основные закономерности интерполимерных реакций, со- и терполимеризации нового дивинилового мономера - -винилоксиэтиламида акриловой кислоты, полученного из дешевого и доступного сырья. Найдены фундаментальные характеристики поведения полимерных гелей в различных средах. Испытания ранозаживляющих свойств мазей, приготовленных на гидрофильной полимерной основе, проведенные в лаборатории лекарственных форм и фармакологии фитопрепаратов АО «НПЦ «Фитохимия» на модели гнойных ран белых беспородных крыс показали, что полимерные комплексы с эфирным маслом полыни гладкой достоверно ускоряют заживление ран на 7-8 суток по сравнению с лекарственным препаратом «Левосин». Тестируемые полимерные комплексы на первых двух фазах раневого процесса проявили выраженные противовоспалительные и противомикробные свойства и обладают определенным потенциалом ранозаживляющей активности. Фитопленки на полимерной основе с эфирным маслом аянии кустарничковой превосходят по большинству качественных характеристик известные аналоги, обладают широким спектром антимикробной активности и бактерицидным действием. Способ получения ультрадисперсных частиц никеля в объеме полимерной матрицы позволяет получать регулярные металлические наноструктуры с развитой поверхностью, а, изменяя степень набуханием полимерной сетки, можно контролировать процессом диффузии металла во внешний раствор и таким образом управлять процессом катализа. Основные результаты изложены в следующих публикациях: 1 Курманалиев О.Ш., Буркеев М.Ж., Тажбаев Е.М. Полимерные гидрогели чувствительные к изменению рН среды. //Материалы рег. пауч.-практ. конф. посвящ. 60-летию М.Ш. Шарипова «Физико-химические проблемы в химии и металлургии». – Караганда, 2002. – 128 с. 2 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Термочувствительные гидрогели на основе сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и -винилпирролидона. //Материалы междунар. науч.практ. конф., посвященной 30-летию КарГУ им. Е.А. Букетова «Теоретическая и экспериментальная химия». - Караганда, 2002.- 236 с. 3 Кажмуратова А.Т., Буркеев М.Ж., Тажбаев Е.М., Курманалиев О.Ш. Полимеры, чувствительные к изменению рН среды. //Материалы междунар. науч.-практ. конф., посв. 30-летию КарГУ им. Е.А. Букетова «Теоретическая и экспериментальная химия». - Караганда, 2002. -236 с. 31 4 Жумагалиева Т.С., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Радикальная сополимеризация натриевой соли метакриловой кислоты с моновиниловым эфиром моноэтаноламина. //Материалы междунар. науч.практ. конф., посв. 30-летию КарГУ им. Е.А. Букетова «Теоретическая и экспериментальная химия». - Караганда, 2002. -236 с. 5 Жумагалиева Т.С., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Радикальная сополимеризация -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с моновиниловым эфиром моноэтаноламина. //Материалы междунар. науч.практ. конф., посв. 30-летию КарГУ им. Е.А. Букетова «Теоретическая и экспериментальная химия». - Караганда, 2002. -236 с. 6 Кажмуратова А.Т., Жакупбекова Э.Ж., Жумагалиева Т.С., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. Новые полиэлектролиты на основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты. //Тезисы докл. V Молодежной науч. школы-конф. по органической химии. - Екатеринбург, 2002. -535 с. 7 Мотузов Д.А., Черкасов Д.Ю., Кажмуратова А.Т., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. рН-Зависимые гидрогели на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловой кислотой. //Тезисы докл. V Молодежной науч. школы-конф. по органической химии. - Екатеринбург, 2002. -535 с. 8 Каримова А.Б., Жумашева У.Р., Агапова А., Тажбаев Е.М. Синтез новых интерполимерных комплексов. //Тезисы докл. межвуз. научн.-практ. конф. студ. и аспирантов экологические проблемы Республики Казахстан и пути их решения. - Караганда, 2001. –130 с. 9 Жакупбекова Э.Ж., Мотузов Д.А., Тажбаев Е.М. Исследование полиамфолитных свойств сополимеров основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты. //Материалы II межвуз. науч.-практ. конф. студентов и аспирантов «Экологические проблемы Республики Казахстан и пути их решения». - Караганда, 2002. -125 с. 10 Женушилова А.К., Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Курманалиев О.Ш., Буркеев М.Ж. Влияние природы растворителя на набухание сополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты и N-винилпирролидона //Синтез, превращения и свойства синтетических, природных органических соединений и полимеров: сб. науч. тр. КарГУ им. Е.А. Букетова.- Караганда, 2002. -С.98-101. 11 Кочнева Н.В., Кажмуратова А.Т., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Влияние внешних факторов на поведение полимерного геля на основе сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловой кислотой //Синтез, превращения и свойства синтетических, природных органических соединений и полимеров: сб. науч. тр. КарГУ им. Е.А. Букетова.Караганда, 2002. -С.33-36. 12 Жумагалиева Т.С., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Интерполимерные комплексы в воде и водно-органических средах //Синтез, превращения и свойства синтетических, природных органических соединений и полимеров: сб. науч. тр. КарГУ им. Е.А. Букетова. -Караганда, 2002. -С.26-29. 32 13 Жумагалиева Т.С., Буркеев М.Ж., Тажбаев Е.М., Курманалиев О.Ш. Терполимеризация -винилоксиэтиламида акриловой кислоты //Вестник КарГУ. Серия естествен. наук. -2002. -№3(27). -С.26-29. 14 Тажбаев Е.М., Кажмуратова А.Т., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. "Восприимчивые" гели на основе сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловой кислотой //Вестник КарГУ. Серия химия. 2003. -№1(29) . -С.37-42. 15 Тажбаев Е.М., Жумагалиева Т.С., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Интерполимерные комплексы на основе поли--винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиметакриловой кислотой //Вестник КарГУ. Серия химия. -2003. -№1(29). -С.9-14. 16 Тажбаев Е.М., Жакупбекова Э.Ж., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Влияние качества растворителя на набухание и коллапс полимерных сеток сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и акриламида // Вестник КазНУ им. аль-Фараби. Серия химическая. -2003. -№2(30). -С.118-120. 17 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Новые рН-чувствительные гели на основе сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и акриламида //Известия высших учебных заведений. Серия химия и химическая технология. -2003. -Т.46, Вып.7. -С. 62-63. 18 Кажмуратова А.Т., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. Влияние низкомолекулярной соли на поведение гелей на основе сополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты //Известия высших учебных заведений. Серия химия и химическая технология. -2004. -Т.47, Вып.2. -С. 4849. 19 Жумагалиева Т., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Радикальная сополимеризация -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с Nвинилпирролидоном и калиевой солью кротоновой кислоты //Вестник КазНУ им. аль-Фараби Серия химическая. -2004. -№1(33). -С.117-121. 20 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Влияние рН среды на набухание гидрогелей на основе сополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты с некоторыми виниловыми мономерами //Вестник КарГУ. Серия химия. -2004. -№1(33). -С.47-50. 21 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Тульбай Ш.С., Курманалиев О.Ш. Исследование полимеризации дивиниловых мономеров. //Материалы II-ой междунар. науч.-практ. конф. «Теоретическая и экспериментальная химия».Караганда, 2004. -295 с. 22 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Термочувствительные полимерные сетки на основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и акриламида //Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева. -2004. -№1. -С.192-198. 23 Кажмуратова А.Т., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. Новые гидрогели на основе сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с метакриловой кислотой //Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева. -2004. -№2. -С.226-229. 33 24 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Набухание сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с Nвинилпирролидоном в водно-органических средах. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективные направления развития углехимии». -Караганда, 2004. -234 с. 25 Тажбаев Е.М., Кажмуратова А.Т., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Поведение гидрогелей сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловой кислотой в присутствии неорганической соли. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективные направления развития углехимии». -Караганда, 2004. -234 с. 26 Жумагалиева Т.С., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Радикальная сополимеризация N-винилпирролидона с калиевой солью кротоновой кислоты. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективные направления развития углехимии». -Караганда, 2004. -234 с. 27 Тажбаев Е.М. Гидрогели на основе β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты //Вестник КарГУ. Серия химия. – 2004. -№2(34). –С.18-20. 28 Жумагалиева Т.С., Буркеев М.Ж., Тажбаев Е.М., Омашева А. В., Курманалиев О.Ш. Интерполимерные комплексы на основе поли-винилоксиэтиламида акриловой кислоты с полиакриловой кислотой// Известия высших учебных заведений. Серия химия и химическая технология. -2004. Т.47, Вып.9. -С.62-63. 29 Жакупбекова Э.Ж., Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Набухание и коллапс полиамфолитных сеток сополимера винилоксиэтиламида акриловой кислоты и N-винилпирролидона //Высокомол. соед. -2005. -Т.В.47, № 4. -С.684-689. 30 Zhakupbekova E. Zh., Tazhbaev E. M., Burkeev M. Zh., Kurmanaliev O. Sh. Swelling and collapse of polyampholytic networks of a -vinyloxyethylamide of acrylic acid copolymer with N-vinylpyrrolidone //Polymer Sci.- 2005. - Vol.47, №34. -P.104-108. 31 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. Новые «Интеллектуальные» полимеры на основе дивиниловых мономеров. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Физико-химические процессы в газовых и жидких средах». –Караганда, 2005. –387 с. 32 Тажбаев Е.М., Жумагалиева Т.С., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Исследование комплексов со- и терполимеров с лидокаина гидрохлоридом. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Физико-химические процессы в газовых и жидких средах». –Караганда, 2005. - 387 с. 33 Тажбаев Е.М., Кажмуратова А.Т., Буркеев М.Ж. рН-Чувствительные гели на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты с акриловой кислотой. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Физико-химические процессы в газовых и жидких средах».- Караганда, 2005.-387 с. 34 Тажбаев Е.М., Жакупбекова Э.Ж., Буркеев М.Ж., Курманалиев О.Ш. Ион-чувствительные гидрогели. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. 34 «Физико-химические процессы в газовых и жидких средах». -Караганда, 2005. 387 с. 35 Тажбаев Е.М. «Восприимчивые» полимерные гидрогели на основе винил-оксиэтиламида акриловой кислоты. //Материалы междунар. науч.-практ. конф. посвещ. 80-тилетию Е.А. Букетова «Е.А. Букетов ученый, педагог, мыслитель». –Караганда, 2005. –948 с. 36 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. Ион-чувствительные гидрогели на основе винилоксиэтиламида акриловой кислоты. //Материалы IV междунар. научн.практ. конф. «Динамика научных исследований». -Днепропетровск, 2005. -47 с. 37 Тажбаев Е.М., Мустафин Е.С., Буркеев М.Ж., Касенов Б.К. Энтальпия набухания сетчато-сшитых сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты в воде и этаноле //Журнал физической химии. – 2006. -Т.80, №8. С.1477-1481. 38 Tazhbaev E.M., Mustafin E.S., Burkeev M.Zh., Kasenov B. K. Enthalpy of swelling of crosslinked copolymers of acrylic acid β-vinyloxyethylamide in water and ethanol //Russian Journal of Physical Chemistry. -2006. -Vol.80, №8. -P.13001304. 39 Тажбаев Е.М. Полимерные гидрогели на основе -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и перспективы их использования //Новости науки Казахстана. -2006. –Вып.1. -С.39-44. 40 Тажбаев Е.М., Тихонова Е.В., Буркеев М.Ж., Адекенов С.М. Перспективы применения полимеров для создания новых лекарственных форм «Арглабина» //Российский биотерапевтический журнал. – 2006. –№1. -С 46. 41 Тажбаев Е.М., Кажмуратова А.Т., Ряскова У., Буркеев М.Ж. Стимулчувствительные гели на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты. //Материалы междунар. научн.-конф. «Ломоносов – 2006». –Москва, 2006. -225 с. 42 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Жумагалиева Т.С., Кажмуратова А.Т., Жапарова Л.Ж. Новые полиэлектролитные гели на основе сополимеров винилоксиэтиламида акриловой кислоты. //Материалы междунар. научн.-конф. «Современные проблемы органического синтеза, электрохимии и катализа». – Караганда, 2006. – 376 с. 43 Тажбаев Е.М. Аппликационные лекарственные формы на основе новых гидрофильных полимеров //Новости науки Казахстана. -2006. -№4. -С.53-56. 44 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж., Кажмуратова А.Т. Полимер-металлические композиции сополимера -винилоксиэтиламида акриловой кислоты и акриловой кислоты с никелем. //Материалы III междунар. конф. «Теоретическая и экспериментальная химия». –Караганда, 2006. –354 с. 45 Тажбаев Е.М. Интерполимерные комплексы поли--винилоксиэтиламида акриловой кислоты с поликарбоновыми кислотами. //Материалы III междунар. конф. «Теоретическая и экспериментальная химия». –Караганда, 2006. –354 с. 46 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. «Интеллектуальные» полимеры и перспективы их использования // Индустрия Казахстана. – 2006. -№9. -С.22-24. 35 47 Тажбаев Е.М., Буркеев М.Ж. «Интеллектуальные» гидрогели на основе сополимеров -винилоксиэтиламида акриловой кислоты //Вестник СГУ им. Шакарима. -2006. -№4. -С.103-109. 48 Тажбаев Е.М. Особенности набухания полимерных гидрогелей на основе β-винилоксиэтиламида акриловой кислоты // Тезисы докл. 4-ой Всероссийской Каргинской конф. «Наука о полимерах 21-му веку». –Москва, 2007. -450с. 49 Заявка на патент РК №2006/0646.1 от 06.05.06. Способ получения ультрадисперстных частиц никеля/ Тажбаев Е.М. Буркеев М.Ж., Кажмуратова А.Т. 36 Тажбаев Еркеблан Мұратович АКРИЛ ҚЫШҚЫЛЫНЫҢ β-ВИНИЛОКСИЭТИЛАМИДІНІҢ СО- ЖӘНЕ ТЕРПОЛИМЕРЛЕРІНІҢ ФИЗИКО-ХИМИЯЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІН БАСҚАРУ 02.00.06-жоғары молекулалық қосылыстар мамандығы бойынша химия ғылымдарының докторы ғылыми дәрежесін алу үшін дайындалған диссертация авторефератына ТҮЙІН Зерттеу нысандары: акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді, оның гомополимері, моноэтаноламиннің моновинилді эфирімен, кротон қышқылының калий тұзымен, N-винилпирролидонмен, акриламидпен, акрил қышқылымен, метакрил қышқылымен сополимерлері; сонымен қатар, метакрил қышқылының натрий тұзының моноэтаноламиннің моновинилді эфирімен, Nвинилпирролидонның кротон қышқылының калий тұзымен сополимерлері, акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді - метакрил қышқылының натрий тұзы - моноэтаноламиннің моновинилді эфирі, акрил қышқылының βвинилоксиэтиламиді - кротон қышқылының калий тұзы - N-винилпирролидон терполимерлері, полиакрил және полиметакрил қышқылдары. Жұмыстың мақсаты: Акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді гомо-, сожәне терполимерлерінің физико-химиялық қасиеттерін басқарудың ғылыми негіздерін құру. Қойылған мақсатқа сәйкес келесі мәселелер шешілді: акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді полимерінің полиамфолиттік қасиеттерін зерттеу, оның гомополимерінің полиакрил және полиметакрил қышқылдарымен молекулаішілік әрекеттесулерін зерттеу, акрил қышқылының β-винилоксиэтиламидінің кейбір винилді мономерлермен бинарлы және үштік полимерленуінің негізгі заңдылықтарын зерттеу, акрил қышқылының βвинилоксиэтиламидінің қышқылдық және негіздік қатарының кейбір винилді мономерлерімен сополимерлерінің негізіндегі «сезімтал» полимерлік гельдерді алу және зерттеу, полимерлерді дәрілік заттардың тасымалдаушылары және нанокатализаторларды алу үшін матрицалар ретінде тексеру. Жұмысты жүргізу әдістері: ИҚ- және УК-спектроскопия, сканирлеуші электрондық микроскопия, калориметрия, колориметрия, кондуктометрия, вискозиметрия, потенциометрия, сталагмометрия, элементтік анализ, полимерлердің сорбциялық сыйымдылығын және дәрілік үлдірлердің сапалық сипаттамаларын анықтау әдістері. Жұмыстың нәтижелері: акрил қышқылының β-винилоксиэтиламидінің гомо-, со- және терполимерлерінің физико-химиялық қасиеттерін бағытты түрде басқару мүмкіндіктері анықталды. Акрил қышқылының βвинилоксиэтиламидінің гомополимері суда полиамфолитті қасиеттер көрсететіні, акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді гомополимерінің макромолекулалары суда және кейбір органикалық еріткіштерде полиакрил және полиметакрил қышқылдарының макромолекулаларымен интерполимерлік 37 реакцияларға түсе алатыны көрсетілді. Акрил қышқылының βвинилоксиэтиламидінің кейбір винилді мономерлермен бинарлы және үштік полимерленуінің негізгі заңдылықтары зерттелді. Акрил қышқылының βвинилоксиэтиламидінің қышқылды және негізді қатардың кейбір винилді мономерлерінің негізіндегі сыртқы әсерлерге сезімтал гидрогельдер зерттелді. Акрил қышқылының β-винилоксиэтиламидінің со- және терполимерлерінің негізінде жұмсақ, аппликациялық және басқа да жара жазғыш препараттардың дәрілік үлгілерін құру мүмкіндігі қарастырылды. Ферменттердің әсерінен деградацияға ұшырайтын дәрілік заттардың полимерлік тасымалдаушыларын құрудың принципі ұсынылды. Полимерлік гель көлеміндегі никельдің ультрадисперсті бөлшектерін алудың әдісі жасап шығарылды. Қолданылу аймағы: медицина, фармацевтикалық өндіріс, химиялық технология. Ендіруге нұсқаулар: ● акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді полимерінің полиқышқылдармен интерполимерлі комплекстер түзу қабілеті полимердің биологиялық орталарда өзін-өзі көрсетуін үлгілеу кезінде пайдаланылуы мүмкін, ал интерполимерлі комплекстердің сыртқы орта әсеріне сезімталдығы оны полимертасымалдаушыларды құруда перспективті етеді; ● акрил қышқылының β-винилоксиэтиламиді со- және терполимерлерінен жасалған гельдердің негізінде үлдірлі үлгілер мен май композицияларын құру өсімдіктекті препараттардың жаңа дәрілік үлгілерін алу үшін алғышарт болып табылады; ● полимер-дәрілік зат комплекс түзуін зерттеу нәтижелері дәрілік заттарды бақыланған түрде бөліп шығаратын терапевтік жүйелерді құруға негіз бола алады; ● никельдің ультрадисперсті бөлшектерін алу әдісі металдық беті дамыған тиімді катализаторлардың наноқұрылымдарын құруда қызығушылық тудырады, ал металды иммобилизациялауға арналған матрица ретінде пайдаланылатын полимерлік гельдердің өзін-өзі көрсетуінің анықталған заңдылықтары катализатордың дисперстілігі мен белсенділігін реттеуге мүмкіндік береді. 38 SUMMARY The Doctor of Chemistry applicant’s thesis 02.00.06 – High Molecular Compounds Tazhbaev Erkeblan Muratovich THE GOVERNMENT OF PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF CO- AND TERPOLYMERS OF β-VINYLOXYETHYLAMIDE OF ACRYLIC ACID Objects of investigation: β-vinyloxyethylamide of acrylic acid, its homopolymer, its copolymers with monovinyl ether of monoethanolamine, potassium salt of crotonic acid, N-vinylpyrrolidone, acrylamide, acrylic acid, metacrylic acid; and also copolymers of sodium salt of metacrylic acid with monovinyl ether of monoethanolamine, N-vinylpyrrolidone with potassium salt of crotonic acid, terpolymers of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid - sodium salt of metacrylic acid - monovinyl ether of monoethanolamine, β-vinyloxyethylamide of acrylic acid potassium salt of crotonic acid - N-vinylpyrrolidone, polyacrylic and polymetacrylic acids. Aim of work: The creation of scientific bases of governing the physico-chemical properties of homo-, co- and terpolymers of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid. According to this aim there were solved the following tasks here: the investigation of polyampholytic properties of polymer of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid, the investigation of intermolecular interaction of its homopolymer with polyacrylic and polymetacrylic acids, the investigation of basic laws of bynar- and triple polymerization of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid with some vinyl monomers, obtaining and investigation of “susceptible” polymeric gels based on copolymers of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid with some vinyl monomers of acidic and basic nature, testing the polymers as a carriers of drugs and matrix for obtaining nanocatalysts. Methods of investigation: IR-, UV-spectroscopy, scanning electron microscopy, calorimetry, colorimetry, conductivitymeter, viscosimetry, potentiometry, stalagmometry, element analysis, the methods of determining sorbtion volume of polymers and qualitative characteristics of medicine film materials. Results of work: the possibilities of directed governing physico-chemical properties of homo-, co- and terpolymers β-vinyloxyethylamide of acrylic acid were established. There was shown that homopolymer of β- vinyloxyethylamide of acrylic acid shows polyampholytic properties in water, the macromolecules of homopolymer of βvinyloxyethylamide of acrylic acid are able to enter the interpolymer reactions with macromolecules of polyacrylic and polymetacrylic acids in water and in some organic solvents there. The basic regularities of bynar- and triple polymerization of β-vinyloxyethylamide of acrylic acid with some vinyl monomers were investigated. Stimulsensitive hydrogels based on β- vinyloxyethylamide of acrylic acid wirh some vinyl monomers of acidic and basic nature were investigated. The was considered the possibility of creating soft, appliquéd and other medicinal forms of wound closing preparations on the base of the co- and terpolymers of β-vinyloxyethylamide of 39 acrylic acid. The principle of creating polymer carrier of drugs degrading under the enzyme action was offered. The method of obtaining ultradispersable particles of nickel in the gel volume was worked out. Fields of application: medicine, pharmaceutical industry, chemical technology. Recommendations of introduction: • the capacity of polymers of β- vinyloxyethylamide of acrylic acid with polyacids to form the interpolymer complex can be used at modeling the behaviour of polymer in biological mediums, and the susceptibility of interpolymer complex to outer stimuls makes it perspective at creating the polymer – carrier; • the development of creating oinment composition and film form on gel base made of co- and terpolymers of β- vinyloxyethylamide of acrylic acid are the prerequisites for obtaining new medicinal form of plant originated preparations; • the results of investigation of polymer – drug complex formation can be base for creating therapeutical systems with programmed release of drugs; • the method of obtaining ultradispersable particles of nickel is interesting at creating nanostructures of effective catalysts with developed metallic surface and found out regularities of behaviour of polymer gels which used as a matrix for immobilization of metall make it possible to regulate the dispersity and activity of catalyst. 40
