Получение и свойства алифатических ионенов с заданными молекулярными характеристиками

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработан метод определения величин констант комплексообразования поликатионов с ДНК и другими полианионами, в основе которого лежит использование экспериментально определенного распределения поликатиона между полианионами — конкурентами. Продемонстрировано, что величины констант комплексообразования ионенов с ДНК и полиакрилатом натрия в расчете на моль солевых связей имеют близкие значения… Читать ещё >

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
- 2. 1. Синтез и свойства ионенов
  - 2. 1. 1. Синтез алифатических ионенов
  - 2. 1. 2. Фракционирование ионенов и определение их молекулярных характеристик
  - 2. 1. 3. Определение молекулярных характеристик ионенов и их концентрации в растворах
- 2. 2. Свойства ионенов в водных растворах
- 2. 3. Полиэлектролитные комплексы ионенов
  - 2. 3. 1. Закономерности образования полиэлектролитных комплексов
  - 2. 3. 2. Устойчивость полиэлектролитных комплексов к диссоциации
  - 2. 3. 3. Поликатионы — носители генетического материала для доставки в клетку
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТ
- 3. 1. Синтез, модификация и фракционирование ионенов
  - 3. 1. 1. Синтез и модификация 2,4-ионена
  - 3. 1. 2. Синтез и модификация 2, У- и Х, Х- ионенов
  - 3. 1. 3. Синтез дибромида >^,№,№-тетраметил-Г^,№-бис-(4-нитробензил)-этилен-1,2-диамина
  - 3. 1. 4. Фракционирование ионенов
  - 3. 1. 5. Определение степеней полимеризации алифатических ионенов
- 3. 2. Кондуктометрическое исследование свойств ионенов в водных растворов
- 3. 3. Полиэлектролитные комплексы ионенов
  - 3. 3. 1. Диссоциация ПЭК в водно-солевых средах
  - 3. 3. 2. Алифатические ионены — носители генетического материала для доставки в клетку
  - 3. 3. 3. Конкурентные реакции в растворах полиэлектролитов
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
- 4. 1. Синтез, модификация и фракционирование ионенов
  - 4. 1. 1. Синтез ионенов
  - 4. 1. 2. Аминирование концевых групп ионенов
  - 4. 1. 3. Модификация концевых групп нитробензилбромидом
БНТ)
- 4. 1. 4. Спектральные характеристики образцов, меченных БНТ
- 4. 1. 5. Фракционирование ионенов методом ионнообменной хроматографии
- 4. 1. 6. Определение средних молекулярных масс фракций ионенов
- 4. 2. Водные растворы ионенов
- 4. 3. Полиэлектролитные комплексы ионенов
- 4. 3. 1. Диссоциация ПЭК в водно-солевых растворах
- 4. 3. 2. Модель диссоциации ПЭК в водно-солевых растворах
- 4. 3. 3. Алифатические ионены — носители генетического материала
- 4. 3. 4. Конкурентные реакции в растворах полиэлектролитов
5. ВЫВОДЫ

Получение и свойства алифатических ионенов с заданными молекулярными характеристиками (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Полиэлектролитные комплексы (ПЭК) являются продуктами взаимодействия противоположно заряженных макромолекул. Материалы на основе ПЭК находят применение в различных областях фундаментальной и прикладной науки. Так, ПЭК с контролируемой растворимостью используются для разделения смесей белков и других биологических макромолекул. Послойная адсорбция полиионов позволяет модифицировать поверхности, придавая им знак и плотность заряда, необходимые для создания биосенсоров. Наконец, комплексы ДНК с поликатионами перспективны как носители для адресной доставки генетического материала в клетку. Поскольку эти и другие свойства ПЭК во многом определяются молекулярными характеристиками составляющих их полиэлектролитов, изучение влияния плотности зарядов и длин цепей полиионов на свойства ПЭК является актуальной задачей.

Алифатические ионены — это поликатионы с заряженными группами в основной цепи, строго чередующееся расстояние между которыми можно варьировать в широких пределах подбором исходных реагентов для синтеза. Это обусловливает привлекательность ионенов как наиболее удобных объектов для выявления влияния плотности зарядов и их расположения по цепи на свойства таких полимеров и их полиэлектролитных комплексов, что может иметь большое значение как для развития теорий растворов полиэлектролитов, так и для разработки путей практического применения ПЭК. Серьезным недостатком ионенов является их невысокая средняя молекулярная масса и широкое молекулярно-массовое распределение. Отсутствие эффективных методов фракционирования ионенов, а также удобных способов определения их молекулярных масс и концентрации в растворах препятствует широкому использованию этих уникальных поликатионов. Цель работы заключалась в разработке метода получения алифатических ионенов с заданной степенью полимеризации и плотностью заряда, исследовании влияния молекулярных характеристик получаемых образцов на свойства ионенов в их водных растворах и физико-химические и физиологические свойства комплексов ионенов с ДНК.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

2.1. Синтез и свойства ионенов.

Полиэлектролиты с положительно заряженными группами в основной полимерной цепи составляют особый класс поликатионов интегрального типаионены. Наиболее широко используемыми ионенами являются поликатионы с зарядом на четвертичном атоме азота с общей формулой, представленной на схеме 1:

СН3 СН3.

А" | А" I r}- n± r2- n+ n.

CH,.

Схема 1.

Уникальность ионенов обусловлена в первую очередь тем, что расстояние между заряженными группами на цепях таких поликатионов строго чередуется по цепи и задаются исключительно подбором исходных реагентов для синтеза полимера. Важно отметить, что реагенты для синтеза ионенов являются широкодоступными веществами, а сам синтез осуществляется по простой в экспериментальном исполнении реакции полиприсоединения. Благодаря мягким условиям синтеза в молекулы ионенов могут быть введены различные функциональные группы. Наиболее часто противоионами А" в ионенах являются галогенид-ионы, которые могут быть заменены на другие анионы.

Уникальность химического строения ионенов и простота их синтеза давно привлекали многих исследователей, занимающихся синтезом и изучением свойств полиэлектролитов в твердом и растворенном состояниях с целью их использования в прикладных исследованиях. В начале 30-х годов Littman с сотр.1 впервые провели синтез алифатических ионенов. В 1941 году Kern и Brenneisen2 описали синтез ионенов из третичных диаминов и дигалоид производных, который и на сегодняшний момент является основным способом о получения ионенов. В 1968 году КегпЬаиш е1 а1. опубликовали статью, положившую начало широкому исследованию ионенов, в которой описан синтез алифатических ионенов, результаты исследования механизмов и кинетики полимеризации, а также определения молекулярных масс полученных полимеров. Именно КешЬаит4 введен термин «ионен», который означает «ионный амин». С тех пор интерес к таким полимерам все возрастает, и в настоящее время в год публикуется более 50 статей и патентов, в которых исследуются или используются ионены.

Наряду с алифатическими ионенами (Ы^К^последовательность метиленовых групп) в литературе описаны ионены, содержащие в цепи г -2 ?1 П ксилольные группы, дипиридильные группы, ' пиперидиновые кольца.

Введение

в основную цепь ионенов оксиметиленовых последовательностей позволяет получать поликатионы с чрезвычайно низкой плотностью зарядов на о цепи, которые, тем не менее, хорошо растворимы в воде. Помимо ионенов, заряд которых обусловлен наличием кватернизованного атома азота, также известны полиэлектролиты с фосфониевыми9 и сульфониевыми10 катионами в полимерной цепи. Синтез олигомеров с концевыми М, Г^-диметиламиногруппами позволяет получать эластомерные ионены полиуретанового типа, 11 блоксополимеры ионенов с последовательностями политетрагидрофурана12 и др.

Поскольку основными объектами нашей работы являлись алифатические ионены, синтезу и свойствам именно этих объектов будет уделено основное внимание в приведенном ниже обзоре литературы.

5. ВЫВОДЫ.

1. В работе впервые предложен метод выделения фракций алифатических ионенов в широком интервале их молекулярных масс и плотностей зарядов. Предложенный подход включает модификацию концевых групп ионенов хромофорными группами, что позволяет изучать их водные растворы спектроскопическими методами анализа, что обусловливает осуществление фракционирования и определения степеней полимеризации фракций ионенов без выделения разбавленных водных растворов.

2. Методом кондуктометрии установлены закономерности конформационных переходов алифатических ионенов в водных бессолевых растворах в зависимости от их молекулярных характеристик. Обнаружено, что в широком интервале изменения количества метиленовых групп между зарядами на цепях ионенов электростатическая составляющая жесткости цепи ионена доминирует над структурной составляющей и обнаружено, что не только плотность зарядов, но и их расположение по цепи (симметричное или несимметричное) может оказывать значительное влияние на персистентную длину ионена.

3. Установлено, что с увеличением степени полимеризации ионенов плотность зарядов теряет определяющее значение в устойчивости их ДНК-содержащих комплексов в водно-солевых средах благодаря тому, что конформация диссоциирующихся цепей ионенов значительно компактизована, и эффективная плотность зарядов различных ионенов становится сопоставимой.

4. Обнаружена глубокая корреляция между физико-химическими и биологическими свойствами ДНК-содержащих ПЭК, в частности, устойчивости к диссоциации в водно-солевых средах и способности служить носителями генетического материала для доставки в клетку. Иными словами, одни и те же факторы (длина цепи, эффективная плотность зарядов) определяют устойчивость ПЭК к диссоциации и к действию нуклеазного фермента и эффективность их действия для доставки ДНК в клетку.

5. Разработан метод определения величин констант комплексообразования поликатионов с ДНК и другими полианионами, в основе которого лежит использование экспериментально определенного распределения поликатиона между полианионами — конкурентами. Продемонстрировано, что величины констант комплексообразования ионенов с ДНК и полиакрилатом натрия в расчете на моль солевых связей имеют близкие значения, что отражает единый тип взаимодействия этих полиэлектролитов, а именно электростатический. Показано, что соотношение констант комплексообразования ионена с ДНК и с ПА чувствительно к ионной силе раствора с тенденцией к взаимодействию ионена с ДНК при повышении концентрации хлористого натрия.

Показать весь текст

Список литературы

ttman, E.R.- Marvel, C.S. Cyclic quaternary ammonium salts from halogenated aliphatic tertiary amines. II J. Am. Chem. Soc., 1930,52, 287−294.
Kern, W.- Brenneisen, E. // J. Prakt. Chem., 1941,159, 193.
Rembaum, A.- Baumgartner, W.- Eisenberg, A. Aliphatic ionenes. // Polymer Letters, 1968, 6, 159−171.
Rembaum, A. Polyelectrolyte complexes. II J. Macromol. Sei., Chem. 1969, 3, 87−99.
Tsuchida, E.- Sanada, K.- Moribe, K. Polycation polymers of the integral type obtained from the reation of p-xylylenedichloride and a, co-tert-diamines. H Makromol. Chem., 1972,151, 207.
Factor, A.- Heinsohn, G.E. Polyviologens a novel class of cationic redox polymers. // Polymer Letters, 1971, 9, 289.
Tazuke, S.- Suzuki, Y. A hydrophobic polycation bearing pendant anthryl groups. // J. Polym. Sei., Polym. Lett. Ed., 1978,16, 223−228.
Tsutsui, T.- Tanaka. R.- Tanaka, T. II J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed., 1975,13, 2091.
Nohira, H.- Taniguchi, M.- Saito, Y. // Kobunshi Ronbunshu, Japan, 1975, 31, 391.
Pecherz. J.- Ciesielski, W.- Kryszewski, M. Synthesis and electrical conductivity of tenq complex salts with polycations containing sulfur atoms in the main chain. // Macromolecules, 1981, 14, 1139−1140.
Somoano, R.- Yen, S. P. S.- Rembaum, A. VI. Electronic conductivity of elastomeric ionenes. // Polym. Lett., 1970, 8, 467−479.
Takahashi, A.- Kawaguchi, M.- Kato, T.- Kuno, M- Matsumoto. S. // J. Macromol. Sei—Phys., 1980, B17, 747−767.
Menschutkin, N. // Z. Physik. Chemie, 1890,5, 589.
Rembaum, A.- Noguchi, H. Reactions of AWiV', yV'-tetramethyl-diaminoalkanes with aco-dihaloalkanes. II. x-y reactions II Macromolecules 1972, 75, 261−269.
Gibbs, C. F.- Marvel, C. S. Quaternary ammonium salts from bromopropyldialkylamines. v. conversion of cyclic ammonium salts to linear polymers. II J. Amer. Chem. Soc., 1935, 57, 11 371 139.
Yen, S. P. S.- Casson, D.- Rembaum, A. Water Soluble Polymers. (N. M. Bikales, Ed.), 1973, Plenum Press. New York, p. 291.
Donkai, N.- Inagaki, H. II Makromol. Chem., 1979,180, 65.
Knapick, E.G.- Hirsch, J.A.- Ander, P. Synthesis and viscosity studies of some novel ionene polymers. // Macromolecules, 1985,18, 1015−1021.
Wang, J.- Meyer, W.H.- Wegner, G. On the polymerization of N, N, N', N'-tetramethyl-oc, co-alkanediamines with dibromoalkanes an in-situ NMR study. // Macromol. Chem. Phys. 1994, 195, 1777−1795.
Tsutsui. T.- Tanaka, R.- Tanaka, T. II J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed., 1976,14, 2273.
Nagaya, J.- Minakata, A.- Tanioka, A. Effects of the charge density and counterion species on the conductance of ionene solutions. // Colloids and Surfaces 1999,148, 163−169.
Nagaya, J.- Minakata, A.- Tanioka, A. Conductance and counterion activity of ionene solutions. // Langmuir, 1999, 15, 4129−4134.
Soldi, V.- de Magalhaes Erismann, N.- Quina, F.H. Micelle-mimetic ionene polyelectrolytes. // Macromolecules, 1988,110, 5137−5143.
Reisinger, Т.- Meyer, W.H.- Wegner, G.- Haase, Т.- Schultes, K.- Wolf, В A. Influence of chain length on the molecular dynamics of aliphatic ionene. И Acta Polym., 1998, 49, 710−714.
Dubin, P.L.- Levy, I.J. Gel permeation chromatography of cationic polymers on PW gel columns И J. Chromatography, 1982, 235, 377−387.
Barlow, G.H.- Coen, L.J.- Kimura, E.T.- Keresztes-Nagy, S. Macromolecular properties ofhexadimethrine bromide, as antiheparin agent. //Proc. Soc Exp. Biol. Med., 1963,113, 884−886.
Гуляева, Ж.Г.- Зансохова, М.Ф.- Разводовский, Е.Ф.- Ефимов, B.C.- Зезин, А.Б.- Кабанов, В. А. Олигомерные ионены и их реакции с синтетическими поликислотами. // Высокомолек. Соед. 1983,25 (А), 1238−1243.
Yamazaki, S.- Muroga, Y.- Noda, I. Persistence length of ionenes in methanol. // Langmuir 1999, 15, 4147−4149.
Herrman, W.- Keller, В., Wenz, G. Kinetics and thermodynamics of the inclusion of ionene-6,10 in a-cyclodextrin in an aqueous colution. // Macromolecules 1997, 30, 4966−4972.
Beyer, P.- Nordmeier, E. Ultracentrifugation, viscosimetry, pH, and dynamic light scattering studies of the complexation of ionene with poly (acrylic acid) and poly (methacrylic acid). // Eur. Polym. J. 1999, 35, 1351−1365.
Гуляева, Ж.Г.- Зансохова, М.Ф.- Зезин, А.Б.- Кабанов, В. А. Состав и свойства полиэлектролитных комплексов на основе полимерных и олигомерных алифатических ионенов. II Высокомолек. Соед. 1985, 37, 426−429.
Ander, P.- Leung-Louie, L.- Silvestri, F. Polycations. 1. Sodium, Teopium, and sulfate ion diffusion coefficients in aqueous salt solutions containing ionene bromides. // Macromolecules1979.12, 1204−1207.
Casson, D.- Rembaum, A. Solution properties of novel polyelectrolytes. // Macromolecules 1972, 5, 75−81.
Arh, K.- Pohar, C.- Vlachy, V. Osmotic properties of aqueous ionene solutions. II J. Phys. Chem. В 2002,160, 9961−9913.
Пилипенко, A.T.- Куличенко, C.A., Запорожец, О.А., Доленко, С. А. Взаимодействие катионных полиэлектролитов с эозином в присутствии ПАВ полимерной природы. // Укр. Хим. Журн. 1990, 56, 40−43.
Toei, К.- Kohara, Т. A conductometric method for colloid titrations. I I Anal. Chem. Acta, 1976, 83, 59.
Horn, D.- Heuck, C.C. Charge determination of protein with polyelectrolyte titration. // J.Biol.Chem., 1983, 258, 1665.
Tsuchida, E.- Abe, K. Interaction between macromolecules in solution and intramolecular complexes. I I Adv. Polym. Set 1982, 45, 1−130.
Zhuomei, L.- Xuexin, Z.- Yuanpei, C.- Yuanzhen, Z. H Hydrophobic interaction of ionenes in aqueous solution. IIMacromolecules 1992, 25, 450−453.
Sonnessa, A.J.- Cullen, W.- Ander, P. A new class of cationic polysoaps. // Macromolecules1980.13, 195−196.
Manning, G.S. Limiting Laws and counterion condensation in polyelectrolyte solutions. 1. Colligative properties. II J. Chem. Phys. 1969, 51, 924−933.
Klein, J.W.- Ware, B.R. Direct observation of the transition to counterion condensation. // J. Chem. Phys. 1984,80, 1334−1339.
Hoagland, D.A.- Smisek, D.L.- Chen, D.Y. Gel and free solution electrophoresis of variable charged polymers. // Electrophoresis 1996,17, 1151−1160.45
Wandrey, С.- Hunkeler, D. Study of Polyion Counterion Interaction by Electrochemical Methods, in Handbook of Polyelectrolytes and Their Applications. Tripathy, S.K.- Kumar, J.- Nalwa, H.S.- Eds.- American Scientific Publishers: 2002, vol.2, p. 147.
Hoagland, D.A., Arvanitidou, E.- Welch, C. Capillary electrophoresis measurements of the free solution mobility for several model polyelectrolyte systems. // Macromolecules 1999, 32, 61 806 190.
Zhang, W.- Bond, J.P.- Anderson, C.F.- Lohman, T.M.- Record, M.T. Large electrostatic differences in the binding thermodynamics of a cationic peptide to oligomeric and polymeric DNA. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA 1996, 93, 2511−2516.
Kabanov, V.A. Basic properties of soluble interpolyelectrolyte complexes applied to bioengineering and cell transformation. // in Macromolecular Complexes in Chemistry and Biology, Dubin, P.L. Ed., Springer-Verlag: Berlin-Heidelberg 1994- p. 151−174.
Tsuchida, E., Abe, K. Polyelectrolyte complexes. // in «Developments in ionic polymers 2», A.D.Wilson, H.J.Prosser, Eds., Elsevier 1986, chapter 5, p.191.
Phillip, В.- Dautzenberg, H.- Linovv, K.-J.- Kotz, J.- Dawydoff, W. Polyelectrolyte complexes -recent developments and open problems. II Prog. Polym. Sci. 1989,14, 91−172.
Sato, M.- Abe, K.- Osada, Y.- Tsuchida, E. H J. Chem. Soc. Jap. 1974, 5, 977.
Tsuchida, E.- Osada, Y.- Ohno, H. Formation of interpolymer complexes. // J. Macromol. Sci. -Phys. 1980, B17, 683−714.
Dautzenberg, H. Polyelectrolyte complex formation in highly aggregating systems: methodical aspects and general tendencies. // in Physical Chemistry of Polyelectrolytes. Radeva T. Ed., Marcel Dekker, Inc. New York Basel 2001. p.743−792.
Schindler, Т.- Nordmeier, E. The stability of polyelectrolyte complexes of calf thymus DNA and synthetic polycations: theoretical and experimental investigations. // Macromol. Chem. Phys. 1997,198, 1943−1972.
Harada, A.- Kataoka, K. Chain length recognition: core-shell supramolecular assembly from oppositely charged block copolymers. II Science 1999, 283, 65−67.
Wolfert, M.A.- Schacht, E.H.- Toncheva, V.- Ulbrich, K- Nazarova, 0.- Seymour, L.W. Characterization of vectors for gene therapy formed by self-assembly of DNA with synthetic block co-polymers. // Human Gene Therapy 1996, 7, 2123−2133.
Tsuchida, E.- Osada, Y.- Sanada, K. Interaction of poly (styrene sulfonate) with polycations carrying charges in the chain backbone. // J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed., 1972,10,3397−4003.
Baranovsky, V.Yu.- Litmanovich, A.A.- Papisov, I.M.- Kabanov, V.A. Quantitative studies of interaction between complementary polymers and oligomers in solutions. II Eur. Polym. J. 1981, 17, 939−979.
Tsuchida, E.- Osada, Y.- Abe, K. Formation of polyion complexes between polycarboxylic acids and polycation carrying charges in the chain backbone. //Makromol. Chem. 1974, 175, 58 347

Заполнить форму текущей работой