Радикальная полимеризация вторичных и третичных диаллиламинов и свойства полимеров на их основе

Проблема полимеризации аллильных мономеров.

Исследования процессов образования, физико-химических и прикладных свойств синтетических полиэлектролитов (ПЭ) представляют актуальное направление в современной химии высокомолекулярных соединений. Полиэлектролиты широко распространены в живой природе, синтетические и природные ПЭ находят большое применение в современных технологиях, медицине и т. д. Круг синтетических ПЭ весьма невелик, поэтому важен поиск новых структур, возможностей регулирования строения, молекулярных масс для получения необходимых функциональных свойств.

К широко востребованным катионным ПЭ относятся кватернизованные диаллилдиалкиламмониевые полимеры, механизм получения и свойства которых были исследованы ранее [1,2]. В то же время, отсутствие в звеньях четвертичных аммониевых структур функциональных групп ограничивает возможности модификации мономеров и полимеров на их основе. Кроме того, кватернизованные полиамины теряют свои свойства в щелочных растворах. Поэтому большой интерес представляют производные ряда диаллиламина (ДА А) в некватернизованной форме — сам ДА, А и алкилдиаллил амины. Наличие вторичных/третичных аминогрупп открывает возможности для химической модификации и позволяет варьировать свойства потенциальных полимеров в зависимости от рН среды от полисолей до полиоснований. Полимеры с некватернизованной структурой амина в звеньях весьма перспективны и актуальны для биомедицинских целей благодаря своей низкой токсичности.

Хорошо известны трудности синтеза полимеров из аллильных и диаллильных мономеров в некватернизованной форме, связанные с вырожденной передачей цепи на мономер и образованием аллильного радикала передачи с очень низкой реакционной способностью по отношению к двойным связям [3−14]. Реакция вырожденной передачи цепи в этом случае фактически контролирует процесс, приводя к драматическому падению скорости радикальной полимеризации и получению только низкомолекулярных олигомерных продуктов со степенью полимеризации, не превышающей 30 мономерных звеньев. Характерной особенностью этих процессов полимеризации является нулевой порядок по мономеру и первый по инициатору, что указывает на мономолекулярный характер обрыва цепей [5−14].

Первые работы по изучению радикальной полимеризации аллильных мономеров были сделаны Бартлеттом и Алтшулем в 1945 г. [5,6]. Изучая термически инициируемую радикальным инициатором полимеризацию аллилацетата, они показали, что при атаке мономера активным радикалом, наряду с реакцией присоединения к двойной связи — ростом цепи, с высокой вероятностью может произойти отрыв атома водорода от а-СН2-группы [5].

Это приводит к гибели исходного активного радикала и образованию резонансно стабилизированного аллильного радикала [15], активность которого по отношению к двойным связям существенно ниже чем у винильного [5, 16]. Поэтому отрыв а-протона растущим радикалом ведет к гибели как материальной, так и кинетической цепи, что и является проявлением деградации цепи в ходе передачи на мономер [5,6].

Последующие исследования были направлены на преодоление указанных трудностей полимеризации различных аллильных мономеров. Долматов и Полак показали, что продукты с более высокой молекулярной массой могут быть получены под действием больших доз излучений высокой энергии благодаря тому, что образующиеся при сравнительно малых дозах олигомеры способны при облучении к дальнейшей полимеризации за счет содержащихся в них концевых двойных связей [17]. Было установлено, что в некоторых случаях, наряду с деградационной передачей при полимеризации аллильных мономеров, имеет место также и эффективная передача цепи, когда образующиеся в результате акта передачи цепи радикалы способны присоединять молекулы мономера [9,10,14].

Сакурата и Такахаши предложили кинетическую схему, включающую в себя наряду с деградационной передачей цепи и эффективную, и вывели уравнение для количественной оценки доли деградационной передачи цепи [9]. В ряде работ [10,12,14,18] было показано, что при полимеризации аллиловых эфиров длина кинетической цепи несколько превышает среднюю степень полимеризации, т. е. в инициировании наряду с радикалами инициатора участвуют и радикалы передачи, образующиеся в ходе реакции.

Изучая аллильные системы при низких температурах, Дакин и Карпов установили, что аллильные радикалы передачи цепи, образующиеся в результате отрыва радикалом атома Н от аллильной группы мономера, представляют единственный или преобладающий стабилизированный радикальный продукт в области температур на 30−50° ниже температуры плавления (стеклования) мономера, а вблизи температуры плавления (стеклования) мономера эти радикалы рекомбинируют с образованием стабильных продуктов [19]. Тем самым было установлено, что в стандартных относительно мягких условиях радикальной полимеризации аллильные радикалы передачи цепи на мономер расходуются в основном путем рекомбинации.

Радикалы передачи могут с достаточно высокой скоростью присоединяться к двойной связи аллильного мономера лишь при температурах выше 300−400°С [11], или под давлением 3000−8000 атм [20]. Изучая полимеризацию аллильных мономеров при высоких давлениях, Шаров, Берлин и Ениколопян показали, что с увеличением давления общая скорость полимеризации увеличивается, а скорость обрыва цепи уменьшается, порядок по инициатору, равный 1 при давлении ниже 3000 атм., снижается и достигает 0.55 при 6500 атм. Однако средняя степень полимеризации возрастает слабо [20]. Получить высокомолекулярный полимер удалось только при давлении порядка 25 000 атм [21], или под действием больших доз излучений высокой энергии [17].

Такие подходы были связаны с преодолением определенных технических трудностей. Во многих работах исследовались подходы, использующие зависимость полимеризационной способности аллильных мономеров от их химического строения. В частности, введение электроноакцепторных заместителей у аллильных мономеров в [3- [22,23] и ос-положение [22,24−27] приводило к увеличению скорости полимеризации и ММ полимеров. Мацояном с сотрудниками было показано, что диаллиламин и алкилдиаллиламины в виде свободных оснований не полимеризуются [24]. Однако при введении в молекулу диаллиламина при атоме азота полярных заместителей, содержащих электроноакцепторные группы (СОСМ- 802), такие М-замещенные диаллиламины обнаруживают склонность к радикальной полимеризации в присутствии свободнорадикальных инициаторов. Авторы объясняли это тем, что при введении в молекулу мономера электроноакцепторных заместителей происходит перераспределение электронной плотности на двойных связях в молекуле диаллиламина, вследствие чего и повышается активность двойных связей [24]. Действие электроноакцепторных заместителей на полимеризационную способность аллильных мономеров рассматривалось и в рамках метода молекулярных орбиталей в приближении Хюккеля [26]. По данным расчетов, в ряду аллиламин — аллилацетамид — аллилсукцинимид заметной активации двойной связи не происходит, но с увеличением электроноакцепторных свойств заместителей закономерно уменьшается л-электронная плотность на атоме азота, что может влиять на прочность а-С-Н связи и, следовательно, приводить к уменьшению константы передачи цепи [26].

Значительно уменьшить конкурентную способность реакции деградационной передачи цепи удалось, используя протонные и апротонные кислоты [28−41]. Основной вклад в разработку этих идей был сделан в серии работ группы Кабанова и Зубова с сотрудниками [28−39].

Было обнаружено, что скорость полимеризации аллильных мономеров, инициируемая у-лучами и вещественным инициатором, существенно возрастает в присутствии комплексообразователей (КО) — кислот Льюиса (1ЛС1, ЪпСХ и т. д.) [28−34]. Показано, что увеличение скорости не связано с возрастанием скорости инициирования или упрочнением а-СН-связи мономера. На основании данных ИК-спектроскопии установлено, что КО взаимодействует только с функциональными группами аллильного мономера и его поляризующее влияние не распространяется на двойную связь [29,31,34].

Авторами [34,42] был предложен координационно-радикальный механизм полимеризации аллильных мономеров в присутствии КО. Было показано, что связывание в комплексы молекул мономера и радикалов приводит к увеличению абсолютных констант скорости как роста, так и передачи цепи на мономер. Образующийся в результате акта деградационной передачи цепи аллильный радикал в присутствии КО с достаточно высокой вероятностью присоединяется к двойной связи мономера, т. е. наблюдаются акты эффективной передачи цепи, в результате чего увеличивается кинетическая длина цепи. Первичная степень полимеризации, определяемая отношением констант скоростей роста и передачи цепи, в присутствии КО также возрастает, по мнению авторов, за счет преимущественного возрастания константы скорости ростав этом случае среднечисленная молекулярная масса олигомеров, полученных на ранних стадиях полимеризации, низка, хотя и несколько выше (в 2−3 раза), чем при полимеризации без КО. На высоких стадиях конверсии молекулярный вес возрастает в десятки раз, однако полученные полимеры характеризуется высокой полидисперсностью (~5) и разветвленностью. Было показано, что вторичные реакции разветвления, ответственные за рост молекулярного веса, происходят с участием концевых двойных связей, присутствующих в первоначально образующихся коротких цепях. Сохранение первого порядка реакции по инициатору при введении КО указывало на то, что в этих системах происходит мономолекулярный обрыв цепи, в результате отрыва атома а-водорода. Достаточная легкость этой реакции была доказана методом ЭПР [33].

Аналогичное увеличение скорости радикальной полимеризации и молекулярных масс полимеров при УФ и у-облучении наблюдалось при добавлении протонных кислот к аллильным мономерам [28,35−39]. Было установлено, что протонные кислоты практически не влияют на скорость инициирования и роста цепи [35]. Авторы предположили два возможных механизма влияния модификаторов. Во-первых, изменение поляризующего действия атома азота в результате протонирования или образования водородной связи может приводить к упрочнению а-СН-связи в мономере, а следовательно, к снижению константы скорости передачи цепи на мономер. Во-вторых, с использованием кислот возможно увеличение вероятности присоединения аллильного радикала передачи цепи к двойной связи, которая близка к нулю при полимеризации аллильных систем без кислот. Зависимость действия кислот от основности мономеров была исследована методом ЭПР при низких температурах: в случае аллильных мономеров с сильноосновными группами (аллиламины) в спектрах ЭПР появлялся сигнал радикалов роста и становилась возможной низкотемпературная постполимеризация [38,39]. Было обнаружено, что скорость полимеризации зависит от природы добавляемой кислоты и растет с увеличением силы кислоты (в ряду СНзСООН < НВг < НС1 < Н2804 < Н3Р04) [36,40], при этом важным параметром является соотношение мономер-кислота (наибольший эффект был достигнут в случае аллиламинов в присутствии избытка Н3Р04 (3:1) [36]. Было показано, что для некоторых систем аллиламин-кислота вероятность эффективного присоединения радикала передачи может достигать 80−90% [28,35,36]. В ходе такой эффективной передачи цепи через аллильные радикалы молекулы олигомеров содержали непредельные концевые группы, которые участвовали в следующей стадии полимеризации, ведущей к получению разветвленного полимера. В результате, как и в случае апротонных кислот, синтезированные полимеры характеризовались высокой поли дисперсностью и разветвленностью.

Идея использовать гидратные соли аллиламинов с протонными кислотами была реализована в ряде работ [40,41]. Полимеризация алкилдиаллиламмонийгалогенидов с использованием термоинициаторов и у-излучения в воде приводила к образованию продуктов со степенью полимеризации, не превышающей 10 [40]. Олигомерные продукты с низкой характеристической вязкостью на основе указанных мономеров были получены также при проведении реакции в диметилсульфоксиде [41].

Таким образом, накопленные к концу 80-х годов данные свидетельствовали о том, что аллильные мономеры в обычных условиях радикальной полимеризации либо не полимеризуются, либо образуют олигомерные продукты. Использование КО и протонных кислот позволило существенно увеличить скорость полимеризации, частично подавить реакцию деградационной передачи цепи и увеличить ММ олигомеров. Тем не менее, в этих условиях сохранялся мономолекулярный обрыв цепи и наблюдалось затухание процесса полимеризации. Получить достаточно высокомолекулярный разветвленный полимер с высокой полидисперсностью удалось только в результате взаимодействия олигомеров в присутствии больших количеств добавок под действием облучения высокой энергии.

В то же время, как отмечалось выше, мономеры ряда ДАА в кватернизованной форме — соли ТУ, тУ-диаллил-МЛ^-диалкил аммонияполимеризуются при сравнительно высоких скоростях под действием традиционных радикальных инициаторов, образуя линейные хорошо растворимые продукты — катионные полиэлектролиты с достаточно высокими значениями ММ.

Анализ литературных данных показывает, что до последнего времени были мало изучены механизмы ряда явлений, наблюдаемых в процессах полимеризации аллильных и диаллильных мономеров, роль протонирования аллиламинов и, особенно, кватернизации мономеров ряда ДАА в уменьшении конкурентной способности реакции отрыва атома водорода аллильной группы по сравнению с реакциями роста цепи. Оставались невыясненными причины увеличения скорости полимеризации в кислых средах, возможной частичной трансформации вырожденной передачи цепи на мономер в эффективную передачу в этих условиях.

Ценную информацию по этому вопросу может дать изучение методами теоретической химии реакций радикального присоединения к аллильной группе мономера и отрыва атома водорода группы а-СН2 радикалом. Расчеты реакций свободнорадикального присоединения к двойным связям широко представлены в теоретической литературе: природа реакций свободнорадикального присоединения рассматривалась в рамках теории возмущений (например, работы [43,44]), опубликованы полуэмпирические и неэмпирические расчеты, в том числе, модельных реакций радикальной димеризации этилена [45,46]. Однако до настоящей диссертационной работы не были представлены теоретические исследования, касающиеся присоединения радикалов к аллильным мономерам (реакций роста (ди)аллильных мономеров). Это относится и к реакциям передачи цепи на мономер путем отрыва подвижного протона аллильной группы, при этом реакции переноса протона радикалом в целом изучены меньше, чем радикальное присоединение к двойной связи (например, [46−48], также ссылки в монографии [48]). Модельные расчеты реакций, проведенные с учетом растворителя, представляют не только теоретический интерес, но могут содержать ключ к созданию необходимых условий для получения полимеров на основе аллиламинов и, в частности, мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме.

Оценка влияния растворителя на рассматриваемые процессы является необходимой частью исследования. Результаты работ по полимеризации аллильных мономеров в присутствии протонных кислот показали существенное влияние изменения среды на скорость радикальной полимеризации и конкурирующую способность реакций роста и передачи цепи, вызванное возможным образованием протонированных форм мономера и радикалов и их участием в полимеризации [28,35−40]. В то же время, появление ионов в реакционной системе изменяет и характер ее взаимодействия со средой. В. А. Кабанов и Д. А. Топчиев подчеркивали, что явления, наблюдаемые при радикальной полимеризации ионогенных мономеров, не могут быть объяснены только на основе классических представлений о радикальной полимеризации [49]. Диэлектрические и структурные свойства раствора обусловливают различные сольватационные эффекты, влияющие на реакции с участием полярных реагентов и/или ионов, в том числе и радикальные. В литературе приводятся данные, указывающие на существенное влияние структуры раствора на протекание процессов с участием ионов [50,51]. Элементарные реакции радикальной полимеризации ионогенных мономеров, как и аминов в присутствии кислот, не рассматривались и не изучались с этой точки зрения, будь то теоретически или экспериментально. Такой подход к исследованию ряда особенностей радикальной полимеризации полярных/ионогенных мономеров, включающий, прежде всего, исследования диэлектрических и структурных свойств исходных растворов мономеров, важен для понимания механизмов влияния среды на основные характеристики жидкофазных реакций, поскольку указанные свойства должны оказывать существенное влияние на реакционную способность мономеров, в частности аминов, в кислых средах. Поэтому развитие такого подхода, в том числе, к реакциям радикальной полимеризации (ди)аллиламинов весьма актуально.

Особый интерес вызывают свойства, которые могут проявлять вторичные/третичные протонированные пол идиалл ил амины. Четвертичные полидиаллилдиалкиламмониевые полимеры обладают широко применяемыми в различных областях сильными адсорбционными и абсорбционными свойствами [52,53], однако имеют низкую антимикробную активность в ряду известных кватернизованных гидрофобных полиаммониевых биоцидов [54]. Можно ожидать, что вторичные/третичные полидиаллиламины, содержащие в гидрофобных пирролидиновых звеньях гидрофильные аминогруппы, способные к образованию водородных связей, будут проявлять свойства, отличные от кватернизованных полимеров этого ряда. Нужно отметить, что в самое последнее время в зарубежной научной литературе формируется новое перспективное направление в синтезе биоцидных полимеров: это полиамины с первичной/вторичной/третичной структурой протонированного амина, проявляющие антимикробную активность, в отличие от их кватернизованных аналогов [55−59]. Новые биоцидные полиамины, сочетающие умеренную гидрофобность с гидрофильными протонированными аминогруппами, представляются перспективными для использования в биомедицинских целях благодаря своей значительно более низкой токсичности по отношению к живым системам, чем кватернизованные полимерные структуры [56−59].

Учитывая все сказанное выше, мы полагаем, что разработка подходов и путей получения новых достаточно высокомолекулярных полиаминов на основе аллиламинов и, в частности, мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме является весьма актуальной проблемой.

Общая характеристики работы.

Цель работы заключалась в решении проблемы полимеризационной способности (ди)аллиламинов, разработке подхода для осуществления полимеризации мономеров ряда диаллиламина в некватернизованной форме и методов их полимеризации, установлении закономерностей новых радикальных процессов полимеризации и механизмов влияния среды на эти процессы, изучении свойств новых полимеров — вторичных и третичных полидиаллиламинов в форме полисолей и полиоснований, наиболее важным из которых является обнаруженная высокая антимикробная активность.

Основными задачами работы были:

— теоретическое исследование методами квантовой химии механизмов и общих закономерностей элементарных реакций радикальной полимеризации мономеров ряда ДАА для выявления возможности получения полимеров из некватернизованных мономеров ряда ДАА;

— разработка методов получения новых мономеров — трифторацетатов вторичных/третичных диаллиламинов, и методов синтеза новых полимеров на их основе;

— исследование кинетических закономерностей новых полимеризационных процессов;

— исследование структурных и диэлектрических свойств исходных полимеризационных растворов солей диаллиламмония методами СВЧ диэлектрической спектроскопии и низкочастотной электропроводности;

— анализ теоретических и экспериментальных данных и оценка влияния структуры и диэлектрических свойств исходных растворов мономеров на кинетические параметры радикальной полимеризации мономеров ряда диаллиламмония;

— изучение свойств новых полимеров, в том числе обнаруженной высокой антимикробной активности широкого спектра, связи биологической активности со структурой и полиэлектролитными свойствами новых вторичных/третичных полиаминов.

Научная новизна. Все результаты работы получены впервые. Из них наиболее существенными являются следующие:

— Предложен и теоретически обоснован подход к получению полимеров из мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме, развитый в ходе систематического изучения методами квантовой химии закономерностей и механизмов элементарных реакций роста и передачи цепи на мономер с учетом среды-растворителя различной полярности. Главным его моментом является создание в полимеризационной среде подавляющего количества мономера в протонированной форме, что приводит к уменьшению конкурентной способности реакции передачи цепи и ее трансформации в эффективную передачу. Предложенный новый подход является общим и может быть применим ко всем мономерам ряда аллили диаллиламинов.

— В рамках предложенного общего подхода синтезированы новые мономерные системы — трифторацетатные соли вторичных и третичных диаллиламинов, разработаны методы их полимеризации под действием традиционного радикального инициатора в относительно мягких условиях.

— Впервые получены новые вторичные и третичные полидиаллиламины — полимерные соли (ПДААС) и полиоснования (ПДАА) с достаточно высокой молекулярной массой (ММ -65 000) — представители нового семейства полимеров.

— Развит применительно к радикальным реакциям катионогенных мономеров новый подход, рассматривающий влияние структуры раствора на протекание процессов с участием ионов. Впервые показано, с использованием методов СВЧ диэлектрической спектроскопии и низкочастотной электропроводности, влияние структуры и диэлектрических свойств исходного полимеризационного раствора на кинетические параметры радикальной полимеризациипоказано, что наличие «свободной» воды в исходных растворах диаллиламмониевых мономеров ответственно за характер концентрационного поведения констант скорости элементарных реакций роста и передачи цепи на мономер, бимолекулярного обрыва цепи.

— Получены новые антимикробные полимеры, не имеющие аналогов среди биоцидов. Впервые показано, что замена кватернизованной аминогруппы в пирролидиниевом звене на вторичную/третичную может кардинально изменить свойства полимеров, обеспечив ПДААС высокую антимикробную биоцидную активность широкого спектра действия. Показана важная роль гидрофильных свойств и способности к образованию водородных связей в биологической активности полимеров.

Научная значимость работы. Развитые в диссертации подход и методология полимеризации мономеров ряда ДАА в некватернизованной форме носят общий характер и применимы ко всем мономерам ряда аллиламинов. Данные исследования радикальных реакций диаллиламинов в различных средах важны для понимания механизмов свободнорадикальных взаимодействий и дополняют эту область знаний.

Полученные результаты открывают возможность для создания нового семейства полимеров, проявляющих свойства как полисолей, так и полиоснований в зависимости от рН среды — катионных ПЭ на основе аллил-/диаллиламинов с достаточно высокими ММ и возможностью для химической модификации благодаря наличию функциональных групп.

Выделенные новые полиоснования — вторичные/третичные полидиаллиламины обладают рядом отличительных свойств, включая способность к образованию водои спиртонабухающих гелей, и представляют отдельную перспективную область исследований.

Развитый в работе новый подход, рассматривающий влияние структуры и диэлектрических свойств раствора на кинетические параметры полимеризации диаллиламмониевых мономеров, носит общий характер и применим к другим процессам полимеризации ионогенных мономеров. Полученные данные относительно гидрофобной гидратации диаллиламмониевых мономеров расширяют круг катионов разного типа, для которых характерна гидрофобная гидратация.

Биологическая активность ПДААС ставит важную научную задачу, касающуюся механизма их противомикробного и, прежде всего, туберкулоцидного (т.е., убивающего микобактерию туберкулеза) действия, учитывая строение наружной оболочки микобактерий, делающее их непроницаемыми для большинства известных неспецифических биоцидов.

Практическая значимость работы. Одним из важных и практически значимых свойств новых полидиаллиламинов является высокая антимикробная биоцидная активность широкого спектра действия, включая активность против микобактерии туберкулеза. Совокупность этих проявлений выделяет ПДААС из ряда известных катионных биоцидов и, на сегодняшний день, делает их уникальными среди всех известных в мире катионных неспецифических биоцидов. Изученные антимикробные свойства полидиаллиламинов, а также полученные данные относительно поведения этих полимеров в различных условиях позволяют рассматривать их в качестве перспективных дезинфектантов высокого уровня для использования в медицинской практике. В целом, получение и исследование биоцидных полимеров с первичной/вторичной/третичной структурой амина представляет новое перспективное направление в области синтеза антимикробных полимеров.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на отечественных и международных конференциях, в том числе: на международных конгрессах и симпозиумах по расчетным методам в химии (Israel 1996, Москва 1996), радикальной полимеризации (Italy 1996), макромолекулам (Korea 1996, Prague 1999), химии растворов (Slovenia 2005, Суздаль 2007, Austria 2009) и диэлектрическим свойствам растворов (France 2008) — на Европейских полимерных конгрессах (Stockholm 2003, Москва 2005), Всероссийских Каргинских конференциях (Москва 2004, 2007 и 2010), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва 2007), X Всероссийской конференции по структуре и динамике молекулярных систем (Яльчик 2003), научных конференциях ИНХС РАН (Москва 1997, 1999, 2003 и 2009).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 48 научных публикациях, включая 18 статей в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 2 патента и 28 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях. Список публикаций автора приводится в конце диссертации (перед списком цитируемой в диссертации литературы).

В диссертации используются данные, полученные и опубликованные в соавторстве с Д. А. Топчиевым, H.A. Клещевой, Ю. А. Васильевой,.

Г. Л. Громовой], А. И. Мартыненко, М. П. Филатовой, Г. И. Тимофеевой, А. К. Лященко, A.C. Лилеевым, А. Ф. Мороз, Л. В. Диденко, Ю. А. Ермаковым и другими. Всем моим соавторам приношу искреннюю признательность за активное и плодотворное сотрудничество. Я благодарна д.х.н. профессору Д. А. Топчиеву, который стоял у истоков этого исследования. Приношу глубокую благодарность ближайшей коллеге по лаборатории химии полиэлектролитов и медико-биологических полимеров ИНХС РАН, старшему научному сотруднику, к.х.н. H.A. Клещевой за постоянное содействие в работе.

Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории химии полиэлектролитов и медико-биологических полимеров ИНХС РАН и заведующему лаборатории к.х.н. H.A. Сивову за поддержку и доброе отношение.

выводы.

1. Предложен и теоретически обоснован подход к получению полимеров из мономеров ряда аллили диаллиламинов в некватернизованной форме. Главным моментом является создание в полимеризационной среде подавляющего количества мономера в протонированной форме, что приводит к уменьшению конкурентной способности реакции передачи цепи на мономер и ее трансформации в эффективную передачу. Предложенный подход является общим и может быть применим ко всем мономерам ряда аллили диаллиламинов.

2. В рамках предложенного общего подхода разработаны методы получения и синтезированы новые мономерные системы — трифторацетатные соли вторичных и третичных диаллиламинов, показано, что в растворах этих солей мономеры ряда ДАА существуют в протонированной форме как в протонных, так и в апротонных инертных средах. Разработаны методы радикальной полимеризации новых мономерных солей ряда ДАА под действием традиционного радикального инициатора в относительно мягких условиях.

3. Впервые синтезированы вторичные и третичные полидиаллиламины, проявляющие свойства как полисолей (ПДААС), так и полиоснований (ПДАА) с достаточно высокой молекулярной массой ММ до -65 000 -представители нового семейства полимеров.

4. Установлены основные закономерности новых процессов полимеризации, в том числе, бимолекулярный обрыв цепи, трансформация (ди)аллильного радикала передачи цепи в радикал ростаопределены достаточно низкие константы передачи цепи, т. е. показано, что в рассмотренных процессах полностью преодолены явления, связанные с деградационной передачей цепи на мономер, присущие реакциям полимеризации мономеров (ди)аллильного ряда.

5. Развит применительно к радикальным реакциям катионогенных мономеров новый подход, рассматривающий влияние структуры раствора на протекание процессов с участием ионов. Впервые изучены структурные и диэлектрические свойства водных растворов солей ряда диаллиламмония с использованием методов СВЧ диэлектрической спектроскопии и низкочастотной электропроводности. Установлена гидрофобная гидратация этих солей. Установлены концентрационные границы существования «свободной» объемной воды в исходных полимеризационных растворах диаллиламмониевых мономеров.

6. Впервые показано влияние структуры полимеризационного раствора на протекание радикальных реакций с участием ионов. Показано, что наличие свободной объемной воды в исходных растворах ответственно за характер концентрационного поведения констант скорости элементарных реакций полимеризации катионогенных мономеров — роста и передачи цепи на мономер, бимолекулярного обрыва цепи.

7. Обнаружено, что вторичные/третичные ПДААС проявляют высокую антимикробную биоцидную активность, в отличие от близких по структуре кватернизованных полидиаллиламмониевых солей, не обладающих заметной антимикробной эффективностью. Широкий спектр активности ПДААС включает действие против микобактерий туберкулеза, что выделяет их из ряда известных катионных биоцидов. Показано, что решающим фактором биологической активности ПДААС является наличие в гидрофобных пирролидиновых звеньях вторичных/третичных аминогрупп, способных к образованию водородных связей.

Список работ автора по теме диссертации.

1. Тимофеева JIM., Васильева Ю. А., Клещева H.A., Топчиев Д. А. Механизм взаимодействия диаллилметиламина и его протонированной и кватернизованной форм с собственными радикалами в растворителе. //Изв. АН. Сер. хим. 1999. Т.48. № 5. С. 865−872.

2. L.M. Timofeeva, Y.A. Vasilieva, N.A. Kleshcheva, G.L. Gromova, D.A. Topchiev. Radical Polymerization of Diallylamine Compounds: from Quantum Chemical Modeling to Controllable Synthesis of High-Molecular Weight Polymers. I/Int. J. Quantum. Chem. 2002. V.88. № 5. P.531−541.

3. Тимофеева JIM. Полуэмпирический квантово-химический расчет модельных реакций роста в катионной полимеризации азиридина в растворе. //Химическая физика. 1991. Т. 10. № 10. С. 1397−1404.

4. Тимофеева JI.M. Количественный учет влияния ионных ассоциаций на энергетику реакций роста в катионной полимеризации азиридина в растворе. // Химическая физика. 1991. Т.10. № 12. С.1683−1686.

5. Тимофеева JIM., Громова Г. Л., Жук Д. С. Эффект инертного неполярного растворителя в кинетике катионной полимеризации этиленимина. // Кинетика и катализ. 1990. Т.31. № 2. С.337−343.

6. Тимофеева Л. М., Кабанова Е. Ю., Мартыненко А. И., Топчиев Д. А. Квантово-химическое исследование влияния специфической и электростатической сольватации на энергетику реакций роста в радикальной полимеризации N-винилпирролидона. // Химическая физика. 1994. Т.13. № 11. С.39−45.

7. JI.M. Тимофеева, Е. Ю. Кабанова, А. И. Мартыненко, Д. А. Топчиев. Влияние растворителя на энергетику реакций роста цепи при радикальной полимеризации N-винилпирролидона. // Высокомолек.соед. А. 1996. Т.38. № 6. С.933−939.

8. Д. А. Топчиев, А. И. Мартыненко, Е. Ю. Кабанова, JI.M. Тимофеева. О причине кинетических аномалий в радикальной полимеризации N-винилпирролидона. II Высокомолек.соед. А. 1997. Т.39 № 7. С.1129−1139.

9. Л. М. Тимофеева, Ю. А. Васильева, Н. А. Клещева, Д. А. Топчиев. Моделирование элементарных реакций в радикальной полимеризации диаллиламинов: реакции роста и передачи цепи на мономер. // Тезисы докладов научной конференции ИНХС РАН, Москва, ИНХС РАН. 1997. С. 58.

10. L.M.Timofeeva, Yu.A.Vasilieva and D.A.Topchiev. Theoretical Calculation of Propagation and Transfer Reactions in Radical Polymerization of Allylamines in Solvent. // Proceedings of the International Symposium «Computer Assistance to Chemical Research», Moscow, Russia. December 1996. P.95−96.

11. L. Timofeeva, Yu. Vasilieva, N. Klescheva, G. Gromova, D. Topchiev. Theoretical Aspects of Competitiveness of Propagation and Chain Transfer to Monomer Reactions in Diallylmethylamines Radical Polymerization in Solvent. //Proceedings of the 39-th International Microsymposium.

Advances in Polymerization Methods: Cotrolled Synthesis of Functionalized Polymers", Prague, Czech Republic. 12−15 July 1999. P.42.

12. L.M.Timofeeva, A.I.Martynenko, E.Yu.Kabanova, Yu.A.Vasilieva, D.A.Topchiev. Quantum-Chemical Study of Reactivity of Some Vinyl Monomers in Radical Polymerization Processes in Solvent. // Second International Symposium on Free Radical Polymerization: Kinetics and Mechanism, Santa Margherita Ligure, Italy. May 1996. Proceedings. P. 142 146.

13. L.M.Timofeeva, A.I.Martynenko, E.Yu.Kabanova, and D.A.Topchiev. Quantum-chemical calculations of radical additions reactions of N-vinylpyrrolidone monomer in solvent. // Fourth World Congress of Theoretically Oriented Chemists, Jerusalem, Israel. July 1996. Proceedings. P.50.

14. L.M.Timofeeva, A.I.Martynenko, E.Yu.Kabanova, and D.A.Topchiev. Theoretical treatment of solvent influence on propagation reaction in N-vinylpyrrolidone radical polymerization. // Proceedings of the International Symposium on Macromolecules, Seoul, Korea. August 1996. P.683.

15. Васильева Ю. А., Клещева H.A., Громова Г. Л., Ребров А. И., Филатова М. П., Крутько Е. Б., Тимофеева JI.M., Топчиев Д. А. Синтез высокомолекулярного полиамина при радикальной полимеризации N, N-диаллил-Ы-метиламина. IIИзв. АН. Сер. хим. 2000. Т.49. № 3. С.430−436.

16. L.M. Timofeeva, Y.A. Vasilieva, N.A. Kleshcheva, G.L. Gromova, G. I. Timofeeva, A. I. Rebrov, D.A. Topchiev. Synthesis of High-Molecular.

Weight Polymers Based on N, N-Diallyl-N-Methylamine. // Macromol. Chem. Phys. 2002. V.203. № 16. P.2296−2304. 17. Г. Л. Громова, Ю. А. Васильева, H.A. Клещева, Л. М. Тимофеева, В. Г. Березкин, Д. А. Топчиев. Метод газожидкостной хроматографии в исследовании механизмов реакций полимеризации. II Ж. физ. химии. 2002. Т.76. № 7. С.1277−1282.

18. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, Ю. А. Васильева, [Г.Л. Громова), Г. И. Тимофеева, М. П. Филатова. Механизм и кинетические особенности процессов получения новых полимеров на основе мономеров ряда диаллиламина. // Высокомолек. соед. 2005. Т.203. № 6. С.916−933.

19. Л. М. Тимофеева, Ю. А. Васильева, Н. А. Клещева, Д. А. Топчиев. Радикальная полимеризация Ы^-диаллил-Ы-метиламина — синтез высокомолекулярного полиамина, механизм элементарных взаимодействий. // Тезисы докладов научной конференции ИНХС РАН, Москва, ИНХС РАН. 1999. С. 67.

20. Yu. Vasilieva, N. Klescheva, G. Gromova, L. Timofeeva, D. Topchiev. The Possibility of Synthesis of High Molecular Weight Polyamine in Radical Polymerization of N, N-diallyl-N-methylamine. // Proc. 39-th International microsymposium «Advances in Polymerization Methods: Cotrolled Synthesis of Functionalized Polymers», Prague, Czech Republic. 12−15 July 1999. P.43.

21. Ю. А. Васильева, Н. А. Клещева, Л. М. Тимофеева, Д. А. Топчиев.

Радикальная полимеризация ^^диаллил-К-метиламина — возможность синтеза высокомолекулярного полиамина. // Тезисы докладов II Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов. Сентябрь 1999. С. 177.

22. JI.M. Тимофеева Н. А. Клещева, Ю. А. Васильева, Г. Л. Громова, Г. И. Тимофеева, М. П. Филатова, С. А. Купцов, Д. А. Топчиев. Радикальная полимеризация мономеров ряда диаллиламина: от компьютерного моделирования до контролируемого синтеза высокомолекулярных полимеров. // Тезисы докладов научной конференции ИНХС РАН, Москва, ИНХС РАН. 12−14 февраля 2003. С. 22.

23. L.M. Timofeeva, N.A. Kleshcheva, Y.A. Vasilieva, D.A. Topchiev. Synthesis of High-Molecular Weight Polymers Based on Diallylamine Compounds: Quantum Chemical Modeling, Kinetic Feature, Characteristics of Polymers. // International Polymer Congress «Europolymer 2003», Stockholm, Sweden. June 23−27, 2003. Book of Abstracts. Oral Presentations.

24. JI.M. Тимофеева, Н. А. Клещева, E.A. Кузьмина, О. С. Кондратьева. Новые полимеры на основе соединений диаллиламина и процессы их получения: квантово-химическое моделирование, кинетические особенности, характеристики полимеров. // Тезисы докладов III Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры -2004», Москва, МГУ. 2004. Т.1. С. 145.

25. JIM. Тимофеева, H.A. Клещева, М. П. Филатова, A.C. Лилеев. Процессы получения вторичных и третичных полидиаллиламинов: квантово-химическое моделирование, кинетические особенности, характеристики полимеров. //Материалы XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Москва. 2007. Т. 3. С. 446.

26. Л. М. Тимофеева, H.A. Клещева, Д. В. Логинова, A.C. Лилеев, А. К. Лященко. Влияние диэлектрических и структурных свойств растворов на полимеризационную способность мономеров ряда диаллиламмония. II ДАН, физическая химия 2006, Т.406, № 6, 780−783.

27. A. Lileev, D. Loginova, A. Lyashchenko, L. Timofeeva, N. Kleshcheva. The Hydrophobie Hydration in Aqueous Solutions of Allyl-Substituted Ammonium Salts. II J.Mol.Liquids. 2007. V. 131−132. № 1. P. 101−104.

28. Л. М. Тимофеева, H.A. Клещева, Д. В. Логинова, A.C. Лилеев, А. К. Лященко. Влияние диэлектрических свойств и строения водных растворов диаллиламмониевых солей на их реакционную способность в радикальной полимеризации. // Высокомолек. соед. Сер. А 2008, Т. 50, № 3, 434−445.

29. Л. М. Тимофеева, H.A. Клещева, О. С. Кондратьева, Е. А. Кузьмина, Д. В. Логинова, A.C. Лилеев, А. К. Лященко. Исследование влияния сольватационных эффектов на кинетику радикальной полимеризации мономеров ряда диаллиламина. // Тезисы докладов научной конференции ИНХС РАН, Москва, ИНХС РАН. 12−14 февраля 2003. С. 70.

30.. L. Timofeeva, N. Kleshcheva, D. Loginova, A. Lileev, A. Lyashchenko. Influence of dielectric and structural properties of medium on main polymerization characteristics of diallylammonium series monomers. //European Polymer Congress «Macro-2005», Moscow. 2005. Congress Proceedings. P.221. Ref.2526.

31. A. Lileev, D. Loginova, A. Lyashchenko, L. Timofeeva, N. Kleshcheva. The hydrophobic hydration in aqueous solutions of allyl-substituted ammonium salts. // 29-th International Conference on Solution Chemistry, Portoroz, Slovenia. 2005. Book of Abstracts. P.92.

32. JI.M. Тимофеева, Н. А. Клещева, A.C. Лилеев, A.K. Лященко. Процессы получения новых вторичных и третичных полидиаллиламинов: полимеризационная способность мономеров, влияние структуры растворов. // Тезисы докладов IV Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку», Москва, МГУ. 29 января-2 февраля 2007. Т.2. С. 353.

33. Timofeeva L.M., Kleshcheva N.A., Loginova D.V., Lileev A.S., Lyashchenko A.K. Effect of dielectric and structural properties of aqueous solutions on the free-radical polymerizability of cationogenic monomers. // Proceedings of X International Conference On The Problems Of Solvation And Complex Formation In Solutions, Suzdal, Russia. July 2007. V. 2. P. 5/S-549−550.

34. A. Lileev, A. Lyashchenko, L. Timofeeva, N. Kleshcheva. Microwave dielectric properties and conductivity of aqueous solutions of polydiallylmethylammonium and diallylmethylammonium trifluoroacetates. // Proceedings Of The 5th International Conference on Broadband Dielectric Spectroscopy and Its Applications (BDS2008), Lyon, France. 2008. Hal 264 318. V.l. P. 164.

35. Lileev, A.- Timofeeva, L.- Lyashenko, A.- Kleshcheva, N. Dielectric relaxation and conductivity of polydiallylmethylammonium trifluoroacetate aqueous solutions. // Proceedings of the 31-st International Conference on Solution Chemistry, Innsbruck, Austria. August 21−25 2009. P.215.

36. A.C. Лилеев, JI.M. Тимофеева, A.K. Лященко, H.A. Клещева. Диэлектрические свойства водных растворов вторичныхчетвертичных полидиаллиламмониевых солей и их влияние на структуру воды. // Материалы Всероссийской конференции «Каргинские чтения -2010», Москва. 21−25 июня 2010. С5−233.

37. Е. А. Кузьмина, О. С. Кондратьева, Н. А. Клещева, Л. М. Тимофеева, М. И. Штильман. Термофизические свойства новых синтезированных полимеров на основе диаллилметиламина. // Сборник «Успехи в химии и химической технологии». Москва: Мин. образ. России. 2003. Т. 17. № 5. С.86−90.

38. Е. А. Кузьмина, О. С. Кондратьева, Н. А. Клещева, Л. М. Тимофеева. Термофизические свойства новых синтезированных полиэлектролитов на основе мономеров ряда диаллиламина. // Сборник тезисов докладов и сообщений на X Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик. 30 июня-4 июля 2003. С. 165.

39. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева. Полидиаллиламины и содержащее их дезинфицирующее средство. Патент 2 272 045 РФ, 20 марта 2006 (приоритет от 28.09.2004).

40. L. М. Timofeeva, N. A. Kleshcheva, A. F. Moroz, L. V. Didenko. Secondary and Tertiary Polydiallylammonium Salts: Novel Polymers with High Antimicrobial Activity. // Biomacromolecules 2009. V. 10. № 11. 2976−2986.

41. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, A.C. Капрельянц, M.O. Шлеева. Полидиаллиламмониевые соли в качестве микобактерицидного и туберкулоцидного дезинфицирующего средства. Патент 2 415 679 РФ, 10 апреля 2011 (приоритет от 13.10.2009).

42. L. М. Timofeeva, N. A. Kleshcheva. Antimicrobial polymers: mechanism of action, factors of activity, and applications. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011. V.89. No.3. P.475−492.

43. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, А. Ф. Мороз, Л. В. Диденко. Вторичные и третичные полидиаллиламины — новые соединения с биоцидной активностью. // Тезисы докладов IV Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку», Москва, МГУ. 29 января-2 февраля 2007. Т.2. С. 431.

44. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, А. Ф. Мороз, Л. В. Диденко, О. А. Финогенова, Ю. А. Ермаков. Вторичные и третичные полидиаллиламины: мембранотропные свойства и биоцидная активность. // Материалы XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, Москва. 2007. Т. 4. С. 596.

45. O.A. Финогенова, JIM. Тимофеева, Ю. А. Ермаков. Электростатические эффекты при адсорбции и десорбции поликатионов на поверхности липидных мембран разного состава. // Материалы 3-ей Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике, Москва. 24−28 июня 2008. С. 29. ВР06.

46. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, А. Ф. Мороз, Л. В. Диденко. Вторичные и третичные полидиаллиламины — новые полимеры с высокой антимикробной активностью. // Тезисы докладов научной конференции ИНХС РАН, посвященной 75-летию Института, Москва, ИНХС. 6−8 апреля 2009. С. 55.

47. Л. М. Тимофеева, Н. А. Клещева, А. Ф. Мороз, Л. В. Диденко. Антимикробная активность и полиэлектролитные свойства вторичных и третичных полидиаллиламинов. // Материалы Всероссийской конференции «Каргинские чтения -2010», Москва, МГУ. 21−25 июня 2010. С. 150.

48. T.Y. Grankina, N.A. Klestcheva, L.M. Timofeeva, O.K.Krasilnikova. Water vapors adsorption by poly (diallylammonium) polymers. // Материалы XIV Всероссийского симпозиума с иностранными участниками «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности», Москва-Клязьма. 26−30 апреля 2010. С. 161.

Заключение

.

Замена кватернизованной аминогруппы в пирролидиниевом звене полимеров диалкилдиаллиламмониевого ряда на вторичную МН2+ или третичную СН3]Ч[Н+ аммониевые группы существенным образом повлияла на свойства синтезированных вторичных и третичных ПДААС в водных растворах, обусловив их высокую антимикробную активность. Активность ПДААС растет с М^ (Ру) полимеров (в рамках рассмотренных величин М^), сохраняется в растворах умеренной ионной силы, до 1<0.1М и в плазме крови, в отличие от (поли)кватернизованных биоцидов, пока сохраняется положительный заряд макроионаактивность ПДААС сохраняется и в водно-щелочных растворах, где, в частности, ПДААТФА существует в виде водорастворимого полиоснования ПДАА, что также отличает вторичный полиамин ПДААТФА от кватернизованных биоцидов, несовместимых со щелочными растворами.

На основании проведенных исследований можно заключить, что решающим фактором в биологической активности ПДААС/ПДАА является вторичная/третичная структура амина в звеньях, сочетающих значительную гидрофобность пирролидиниевых циклов с высокой гидрофильностью >ТчГН2+/>К1Ш+ групп, способных к образованию водородных связей. Это выявляет роль гидрофильно-гидрофобного баланса полимеров, варьирование которого существенно влияет на их антимикробные свойства.

Полученные результаты указывают на определяющую роль полимерной природы ПДААС в их антибактериальной эффективности. В то же время очевидно, что для проявления фунгицидной активности молекулярная масса (длина полимерной цепи) и гидрофобные свойства полимера не является столь существенными, как для бактерицидной эффективности, а важным фактором является структура пирролидиниевых циклов.

Синтезированные вторичные/третичные полидиаллиламины образуют группу новых биоцидных полимеров широкого спектра действия. Недавно было установлено, что ПДААС проявляют достаточно высокую биоцидную активность в отношении микобактерий, включая микобактерию туберкулеза.

Известно, что строение наружной оболочки микобактерий обеспечивает им непроницаемость для многих растворимых веществ, включая антибиотики.

205,207,208]. Все известные кватернизованные биоциды не активны в отношении микобактерий [205−209]. Поэтому обнаруженная микобактерицидная активность ПДААС вызывает особый интерес и представляет перспективную область дальнейших исследований.

Результаты исследований, описанных в разделе 4.2, опубликованы в работах [39−47 автора.

Глава 5 Экспериментальная часть.

В экспериментах использовали реагенты отечественного производства квалификации х.ч. за исключением 1Ч,]Ч-диаллиламина и персульфата аммония (ПСА) (Германия, «Merck», ч.д.а.), а также трифторуксусной кислоты (Германия, «Riedel-de Наёп AG», содержание основного вещества 99%).

5.1. Подготовка реагентов.

1. Аллилхлорид (А11С1) — сушили над СаС12, затем перегоняли над СаС12 в отсутствие влаги. Т^ = 44.9 °С.

2. Гексан — сушили над металлическим натрием, затем перегоняли в отсутствие влаги. Т^п = 68.7°С.

3. Диалл ил амин (ДАА) — сушили над NaOH, затем перегоняли над NaOH в токе Ar. Т^ = 110 °C. Спектр ЯМР (1.13 моль/л, Me2CO-d6):

5 = 3.20 (д, 4Н, J= 5.89 Гц, 2а-СН2) — 5.12 (м, 4Н, 2 уСН2) — 5.87 м.д. (м, 2Н, 2 (3-СН).

4. Диэтиловый эфир (Et20) — сушили над металлическим Na, добавляя свежие порции до прекращения выделения водорода. Перегоняли в отсутствие влаги над металлическим Na. Ткип = 34.5°С.

5. Метиламин (Ме]ЧН2) — использовали водный 25%-ный раствор марки «чистый» .

6. Метиловый спирт (МеОН) — абсолютировали по методике [227] с помощью и 12. Перегоняли в отсутствие влаги. Тищ = 64.5°С.

7. Р-Пиколин — сушили над КаОН, затем перегоняли в отсутствие влаги над КаОН. Т^ = 144.0°С.

8. Трифторуксусная кислота (ТФК) — использовали 99%-ную кислоту.

9. Этиловый спирт (ЕЮН) — хроматографически чистый, использовали во всех опытах одну и ту же партию.

ОН, №С1,1ЛС1 — отечественного производства марки «х.ч.». СМН4)28208 (ПСА) — Германия, марка «ос.ч.» .

5.2. Получение мономеров и мономерных солей.

1Ч, 1Ч-Диаллил-]Ч-метиламин (ДАМА) получали по известной методике [228] из МеЫН2 и А11С1. Хроматографически чистое соединение ДАМАимело.

Т^ = 108−110 °С, п019 = 1.4308. Спектр ЯМР! Н (1.13 моль/лМе2СО-ё6): 5 2.16 (с, 3 Н, СН3>1), 2.98 (д, 4 Н, 2 сс-СН2, 3= 5.89 Гц), 5.13 (м, 4 Н, 2 у-СН2), 5.78 м.д. (м, 2 Н, 2 р-СН).

Мономерные соли.

К^-Диаллил-^метиламмоний трифторацетат (ДАМАТФА) получали следующим образом. К раствору 29.64 г (0.26 моля) ТФК в 200 мл сухого гексана при -5−0°С в токе Аг в течение 1 ч при интенсивном перемешивании добавляли по каплям 28.86 г (0.26 моля) ДАМА. Выпавшую в виде слегка желтоватого масла соль ДАМАТФА дважды промывали гексаном. Остаток растворителя удаляли на роторном испарителе. Продукт очищали осаждением гексаном из раствора в МеОН. Выход 49.73 г (85%). Состав и структура подтверждены элементным анализом и спектром ЯМР1^ Найдено (%): С 47.75- Н 6.08- N 6.79- F 26.03. Для (C9H14N02F3) вычислено (%): С 48.00- Н 6.22- N 6.22- F 25.33.

ЯМР !Н (1.13 моль/лMe2CO-d6): 6 = 2.78 (с, 3 Н, CH3N), 3.80 (д, 4 Н, 2 а-СН2, J= 6.96 Гц), 5.53 (м, 4 Н, 2 у-СН2), 6.03 м.д. (м, 2 Н, 2 р-СН). Синтезированная соль ДАМАТФА представляет собой при комнатной температуре прозрачную маслянистую жидкость, что подтверждается термограммой ДСК (гл. 2, рис. 6а). Температура плавления 6.4°С.

1Ч,]-Диаллиламмоний трифторацетат (ДААТФА) получали по методике для ДАМАТФА, добавляя к 29.64 г (0.26 моля) ТФК 25.22 г (0.26 моля) ДАА. Выход 48.83 г (89%). Состав и структура подтверждены элементным анализом и спектром ЯМР Найдено (%): С 45.33- Н 5.51- N 6.64- F 27.27. Для (C8H12N02F3) (211.09) вычислено (%): С 45.52- Н 5.69- N 6.63- Б 26.99.

ЯМР ]Н (1.13 моль/л, Ме2СО-с16): 5=3.71 (д, 4Н, У= 6.43 Гц, 2а-СН2) — 5.47(м, 4Н, 2 уСН2) — 6.00 м.д. (м, 2Н, 2 (3-СН). Полученная соль представляет собой при комнатной температуре белые кристаллы. Термограмма ДСК представлена на рис. 6 б, Тпд = 57.5°С.

5.3. Получение полимеров.

Поли (^1Ч-диаллил-]Ч-метиламмоний трифторацетат) (ПДАМАТФА). Полимеризационный раствор из мономерной меси (ДАМА+ТФА) готовили следующим образом. В пикнометр, частично заполненный дистиллированной Н20, добавляли 22,71 г (0.2 моль) ТФК, 22.11 г (0.2 моль) ДАМА и 11.35×10″ 2 г (4.98×10'4 моля) инициатора ПСА, доводя до объема 100 мл.

Полимеризационный раствор из мономерной соли ДАМАТФА готовили так: в пикнометре объемом 100 мл к 45.0 г (0.2 моля) ДАМАТФА, добавляли 11.35×10'2 г (4.98×10″ 4 моля) ПСА и дистиллированную Н20 (рН раствора 2.5). Полученный раствор помещали в ампулу, 4−5 раз дегазировали на вакуумной установке (10″ 3 мм. рт ст) при замораживании жидким N2, запаивали и термостатировали. При фотоинициировании дегазированный раствор помещали в токе Аг в кварцевый реактор и облучали полным светом лампы ДРШ-250 (^ = 200−400 нм, А, тах = 240 нм, время облучения указано в табл. 11). Полимер осаждали в Е^О. Очищали переосаждением Е^О из раствора МеОН. Выход 3.78 г (8.4%). Структуру полимера устанавливали по данным элементного анализа и спектрам ЯМР! Н и 13С (гл. 2, рис. 7 б, в). Найдено, (%): С 47.00- Н 6.07- N 6.12- Б 25.03. Для (С9Н14М02Р3)п в, (%): С 48.00- Н 6.22- N 6.22- Б 25.33.

Полисоль ПДАМАТФА представляет собой желтоватое твердое вещество. ПДАМАТФА проявляет сильные гидрофильные свойства. Поли (1Ч,]Ч-диаллил-]Ч-метиламин) (ПДАМА). Приготовление исходных растворов и полимеризацию проводили по методикам, приведенным для синтеза ПДАМАТФА. Полученный полимер осаждали в 40%-ный водный раствор №ОН, охлажденный до 0 °C, тщательно промывали дистиллированной водой до нейтральной реакциипереосаждали Н20 из раствора в МеОН. Выход 2.34 г (5.2%). Структуру полимера устанавливали по данным элементного анализа и спектрам ЯМР! Н и 13С (гл. 2, рис. 7 а).Найдено, (%): С 73.53- Н 13.75- N 12.08. Для (С7Н13К)П вычислено, (%): С 75.68- Н 11.71- N 12.61.

Полиоснование ПДАМА представляет собой желтоватое твердое вещество.

Поли (1Ч,]Ч-диаллиламмоний трифторацетат) (ПДААТФА).

Приготовление исходных растворов и полимеризацию проводили по методикам, приведенным для синтеза ПДАМАТФА. Приготовление полимеризационного раствора из мономерной соли ДААТФА: к 42.2 г (0.2 моль) ДААТФА добавляли 1.68×10'1 г (7.4×10″ 4 моля) ПСА и дистиллированную. Затем содержимое переносили в пикнометр и доливали Н20 до объема 100 мл. Выход 9.15 г (21.7%). Найдено, (%): С 45.47- Н 5.57- N 6.61- Б 26.84. Для (С8Н12К02Р3)п вычислено, (%): С 45.52- Н 5.69- N 6.63- Б 26.99.

Полисоль ПДААТФА представляет собой желтоватое твердое вещество. Как и третичный ПДАМАТФА, ПДААТФА проявляет сильные гидрофильные свойства. Адсорбционная способность ПДААТФА (с Му, 62 ООО и 24 ООО) в присутствии паров воды была исследована в сравнении с адсорбционной способностью ПДАДМАХ с помощью весов Мак-Бена, выявлено различное поведение изотерм адсорбции вторичного и четвертичного полимеров, причем адсорбционная способность ПДААТФА значительно увеличивается с уменьшением М&bdquo- (работа 48] из «Списка работ автора»).

Поли (], 1Ч-диаллиламин) (ПДАА). Приготовление исходных растворов и полимеризацию проводили по методикам, приведенным для синтеза ПДАМАТФА и ПДААТФА. Полученный полимер осаждали в 40%-ный водный раствор №ОН, охлажденный до 0 °C. Очищали от мономера диализом и сушили под вакуумом над Р205. %). Структуру полимера устанавливали по данным элементного анализа и спектрам ЯМР *Н и 13С.

Полиоснование ПДАА представляет собой белое твердое вещество.

5.4. Методы анализа.

Спектры ЯМР! Н мономерных солей регистрировали на спектрометре MSL-300 («Bruker») (300 МГц) — хим. сдвиги в спектрах ЯМР! Н приведены относительно остаточных протонов растворителя. Спектр ЯМР 13С полиоснования ПДАМА регистрировали на спектрометре Bruker DRX 500, хим. сдвиги относительно ацетона (5с 31.45). Спектры ЯМР 13С полисолей ПДАМАТФА и ПДААТФА регистрировали на спектрометре Bruker AVANCE 600. Спектры ЯМР! Н полимерных солеи, в частности приведенного спектра ПДАМАТФА, и отнесение сигналов протонов макроцепи сделано с использованием двумерного спектра HSQC, Bruker AVANCE 600, хим. сдвиги в спектре! Н относительно внутреннего стандарта TSP (OH 0.0).

Содержание фтора определяли стандартным методом [229].

Фазовое поведение мономерных солей изучали на дифференциальном сканирующем калориметре «Mettler ТА-4000» с нагревательной ячейкой DSC 30 при скорости нагревания 10 град/мин в атмосфере Аг.

Термическую устойчивость полимеров изучали методом дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной термической гравиметрии (ДТГ) на дериватографе ОД-102 (фирма MOM, Венгрия) на воздухе и в токе Аг при скорости нагревания 2.5 град/мин от 20 до 500 °C. Эталон — А1203. Чувствительность по ДТА и ДТГ — 1/10.

Характеристическую вязкость полимерных солей определяли в вискозиметре Уббелоде в 1 N № 0 при 30 °C. Характеристическую вязкость полимерных оснований определяли в вискозиметре Уббелоде в абс. МеОН при 25 °C.

М^ полимеров находили с помощью седиментационного анализа по методу неустановившегося равновесия (метод Арчибальда) [230] на ультрацентрифуге МОМ 3180 (Венгрия). М^ полиоснования ПДАМА определяли в МеОН (Т = 20 °C, скорость вращения ротора 40 ООО об/мин), а полимерных солей в 1 N растворе №С1 (Т = 25 °C, скорость вращения 50 ООО об/мин).

Измерение начальной скорости полимеризации. Использовали метод ГЖХ-анализа. Способ количественной оценки расходования мономера был модифицирован нами применительно к описываемому процессу (работа [77] из «Списка работ автора»). Преимущество использования метода ГЖХ состоит в том, что он позволяет с достаточной степенью точности и воспроизводимостью результатов изучать кинетику процессов с относительно низкими скоростями расходования мономера, может быть применим как для низких, так и для высоких степеней конверсии [17].

Измерения проводили на хроматографе «Цвет-З» (интегратор ИЦ-26, пламенно-ионизационный детектор, стеклянная колонка (1 мхЗ мм), заполненная 5% 8Е-30 на Сгота1: оп 1ч[-А? (0.20−0.25 мм), газ-носитель — N2, расход 30 мл/миннагревание колонки от 70 до 150 °C со скоростью 12 град/минтемпература в испарителе 200°С). Содержание мономера в полимеризационной смеси определяли с помощью внутреннего стандарта (Р-пиколин + EtOH), время анализа не превышало 3 мин (рис. 23).

Для приготовления пробы процесс полимеризации останавливали.

2 «2 добавлением 94×10» г (2.35×10″ J моля) NaOH к 2 г полимеризационной л 7 смеси, затем добавляли 266×10″ г (5.79×10″ моля) гомогенизатора (EtOH) и.

3 3.

172×10 г (2.15×10″ моля) внутреннего стандарта (Р-пиколин) — мольное соотношение ДАМАТФА: NaOH: EtOH: р-пиколин = 1.00:1.52:3.74:1.39. Вторым внутренним стандартом был EtOH. Использование двух стандартов позволило уменьшить ошибку оценки расходования мономера, что особенно важно при низких степенях конверсии.

3-пиколин А.

ДАМАТФА.

— EtOH и и.

Рис. 23. Типичная хроматограмма.

Для определения каждого значения начальной скорости проводили две-три серии измерений конверсии (до расходования мономера). Точность измерений начальной скорости полимеризации 10%. [17].

5.5. Методы измерений и расчета диэлектрических параметров.

Измерения комплексной диэлектрической проницаемости водных растворов проводили при 288, 298 и 308 К, на частотах 7.5, 10.0, 13.0, 16.0, 18.9, 22.0 и 25.0 ГГц, соответствующих области максимальных диэлектрических потерь воды и водно-электролитных растворов. Для измерений комплексной диэлектрической проницаемости в сантиметровом диапазоне длины волн использовали метод «цилиндрического стерженька» в волноводе [231]. Более подробно аппаратура и методика измерений описаны в работе [232]. Значения относительной погрешности величин е' и е" составляли 1.5−2.0 и 2.0−2.5%, соответственно.

Удельную электропроводность растворов измеряли в том же интервале концентраций и температур в U-образной стеклянной ячейке с гладкими платиновыми электродами, используя цифровой измеритель Е 7−8 на частоте 1 кГц. Термостатирование ячейки осуществляли в термостате U-8 с точностью ±0.05 К. Погрешность измерения электропроводности не превышала ±0.5%. Полученные экспериментальные значения совпадают с имеющимися в литературе в пределах указанных погрешностей.

Комплексная диэлектрическая проницаемость е* равна [167, 168]: = ?'- 1-Е", где е' - высокочастотная диэлектрическая проницаемостье" - полные потери. Дипольные потери рассчитывались по формуле п — ¡-.и &bdquo-и Е, а — Е — Е.

Здесь е' - ионные потери, е' = к/(е0-со) [168] (к — удельная электропроводность раствора, со — круговая частота).

Релаксация молекул воды в растворе при всех изученных температурах описывается уравнением Коула-Коула [167] с симметричным распределением времени релаксации.

В этом выражении е8 — низкочастотный предел области дисперсии (статическая диэлектрическая постоянная), твремя диэлектрической релаксации, а — параметр распределения времен релаксации, -высокочастотный предел для рассматриваемой области дисперсии. Высокочастотный предел диэлектрической проницаемости £х для растворов был принят равным пяти. Его температурная и концентрационная зависимости не учитывались, так как в работах [169, 172] было показано, что изменения значений е5 и г, обусловленные небольшими отличиями е" от пяти, находятся в пределах погрешности определения е&и т.

На комплексной плоскости, расположив по оси действительных чисел ?•', а по оси мнимых е" а были построены круговые диаграммы. Найдены значения статической диэлектрической проницаемости и времени релаксации. Статическую диэлектрическую константу £в определяли по диаграммам Коула — Коула круговой экстраполяцией на нулевую частоту. Время диэлектрической релаксации г находили графически из частотной логарифмических координатах представляет собой прямую линию, точка пересечения которой с осью абсцисс отвечает частоте, соответствующей времени релаксации. Ошибка определения г составляла 5%.

5.6. Методы тестирования антимикробной активности.

Тестирование мономеров и полимеров. Анализировалась биоцидная (убивающая микроб) активность нефракционированных полимеров ПДААТФА и ПДАМАТФА, а также разветвленного ПЭИ (43 ООО) против микроорганизмов, полученных из Международной коллекции музейных штаммов Российского государственного научно-исследовательского института стандартизации и контроля биомедицинских препаратов им. Л. А. Тарасевича (ГИСК) (<тестирование на активность против микобактерий описано ниже). Тестирование проводилось в соответствии с принятыми стандартами [233]. Тестируемый образец полимера растворяли в дважды дистиллированной воде до начальной концентрации 1000 мкг/мл (-0.1 вес.%), при которой рН = 4.6 для ПДААТФА, рН = 4.8 для ПДАМАТФА. Методом двукратных серийных разведений приготовлено 10 пробирок, содержащих по 1 мл полимерного раствора различной зависимости функции которая в концентрации. Исследуемую музейную культуру выращивали на мясопептонном агаре в течение 24 ч при 37 °C, после этого отбирались колонии 8-типа и выращивались в таких же условиях. Полученные колонии о суспендировались в дважды дистиллированной воде до концентрации 5×10 колониеобразующих единиц (КОЕ)/мл в соответствии со стандартом оптической мутности № 10 ГИСК. Затем клеточную суспензию в количестве 0.1 мл (5×10 КОЕ) добавляли в каждую пробирку с раствором полимера (фосфатный буфер не использовался в соответствием с инструкцией [233] для кватернизованных аммониевых солей). Контрольная пробирка содержала 1 мл клеточной суспензии. После 1.5 ч обработки полимером, делались высевы (методом штрихов) платиновой петлей на соответствующую питательную среду в чашку Петри, разделенную на 10 секций. Чашку инкубировали 24 ч при 37 °C. После этого колонии в чашке Петри анализировались (подсчитывались) в световом ящике и определялись минимальные бактерицидные концентрации (МБК) полимера, при которых отсутствовал рост колоний. Все эксперименты проводились по меньшей мере 4 раза и оценена ошибка эксперимента. Нужно отметить, что величины рН всех тестируемых полимерных образцов увеличивались с разбавлением до значений рН 6.4−6.6, близких к нейтральным. Это позволило делать контроль при нейтральном рН. Значения рН растворов при МБК представлены в таблицах раздела 4.2.

Активность мономерных солей и ТФК исследовались аналогичным образом.

Тестирование ПЭИ. Активность ПЭИ исследовалась, как описано выше. Образец ПЭИ растовряли до исходной концентрации 1000 мкг/мл (0.1 вес.%, pH 9.8). Значения pH растворов ПЭИ уменьшались с разбавлением до значений pH 7.4−7.2, близких к нейтральным (даны в табл. 20).

Тестирование в сыворотке крови. Использовалась обычная лошадиная сыворотка из Ставропольского научно-исследовательского института эпидемиологи и микробиологии. Была приготовлена методом двукратного серийного разведения серия из 10 пробирок, каждая из которых содержала 1 мл водного раствора ПДААТФА (образец Р50, Mw = 24 000) различной концентрации и 0.6 мл сыворотки. После этого добавляли по 0.1 мл клеточной суспензии, приготовленной, как описано выше. Контрольная пробирка содержала 1 мл дважды дистиллированной воды, 0.6 мл сыворотки и 0.1 мл клеточной суспензии.

Тестирование в растворах KCl. Было приготовлено 0.01 М, 0.1 Ми 1 М водного раствора KCl (использовалась дважды дистиллированная вода). Образец Р50 растворяли в 0.01М (или 0.1 М/1М) растворе KCl до начальной концентрации 1000 мкг/мл. Методом двукратного разведения приготавливали 10 пробирок, содержащих каждая 1 мл раствора Р50 различной концентрации в 0.01М (или 0.1 М/1М) растворе KCl. После этого в каждую пробирку добавляли по 0.1 мл клеточной суспензии, приготовленной, как описано выше. Контрольная пробирка содержала 1 мл 0.01М (или 0.1 М/1М) водного раствора КС1 и 0.1 мл суспензии.

Тестирование смеси полимер+ИаОН. Приготавливали свежий раствор эквимольной смеси Р50+Ыа (ЭН, в которой полимер ПДААТФА существует в виде водорастворимого полиоснования ПДАА. Использовали свежеприготовленный раствор, чтобы избежать эффектов сшивки полиоснований, о которых говорилось в разделе 2.5. Поскольку в свежеприготовленном 0.1% растворе ПДААТФА скорость реакций межмолекулярной сшивки очень мала из-за низкой концентрации полимера, мы полагали, что образующееся в свежем растворе из образца Р50 (М^ 24 000) полиоснование ПДАА при биологическом тестировании имело 11 000 и /v~110. Полимер растворяли в воде, добавляли 0.1 М водный раствор ЫаОН (использовали дважды дистиллированную воду) для получения эквимольного соотношения полимера и щелочиисходная концентрация Р50 была 1000 мкг/мл, рН 10.5. После этого готовили 10 пробирок тестируемых образцов, как описано выше (отметим, что значения рН уменьшались с разбавлением до близких к нейтральным рН 7.4−7.2 при МБК (табл. 20)). Контрольная пробирка содержала 1 мл дважды дистиллированной воды и 0.1 мл клеточной суспензии. Эквимольная смесь ТФК+ЫаОН тестировалась также, как и смесь полимер+ИаОН. Начальная концентрация ТФК была 1000 мкг/мл, рН 7.4.

Тестирование в отношении микобактерий.

Антимикробную активность синтезированных мономеров и полимеров в отношении микобактерий исследовали при концентрации бактерий 7.6×105 КОЕ/мл (колониеобразующие единицы, КОЕ). Микобактерицидный (т.е., убивающий микроб) эффект подтверждается при высеве бактерий, обработанных при различных концентрациях полимеров/мономеров, на плотную среду с целью контроля за ростом обработанных бактерий и определения количества колониеобразующих единиц. Для этого исходное количество обработанных в течение трех суток (или в течении другого времени) бактериальных клеток разводят несколько раз в соотношении 1:10 и высевают по 100 мкл культуры из каждого разведения на чашку Петри с плотной питательной средой Сатона.

В результате определяли минимальные бактерицидные концентрации полимеров относительно микобактерий М. smegmatis и М. tuberculosis (табл. 18). После инкубирования клеток в жидкой среде в присутствии полимера, взятого при минимальной бактерицидной концентрации, в течение 1 месяца при 37 °C видимого роста микобактерий не наблюдали.

5.7. Исследование методом электронной микроскопии.

Биологическая активность полимеров исследовалась с помощью ТЭМ.

JEM-100 В, напряжение 80 кВ. Изучали действие ПДААТФА (Mw 24 ООО) на грамотрицательную бактерию E.coli. Клеточная суспензия была приготовлена как описано выше и добавлена в каждую из 2-х пробирок с.

174 раствором полимера бактерицидной (МБК=125 мкг/мл) и бактериостатической (65 мкг/мл) концентрацийконтрольная пробирка содержала культуру в дважды дистиллированной водеклеточная культура выдерживалась в растворах 1.5 ч, как это описано выше. После этого образцы для исследования ТЭМ приготавливали следующим образом. Бактериальная культура из каждой пробирки промывалась дважды дистиллированной водой, затем центрифугировалась при 6000 об/м (центрифуга Hettich ЕВА 20, о.

Германия) до концентрации 10 КОЕ/мл. Затем культуру фиксировали стандартным методом Ито-Карновски [234]: смесь водного раствора 3% параформальдегида и пикриновой кислоты (в присутствии IN NaOH) в 0.2 М какодилатном буфере (рН 7.2) и 25% раствора глутаральдегида. Постфиксация проводилась в 1% растворе 0s04 в 0.2 М какодилатном буфере (рН 7.2) с последующей фиксацией уранилацетатом: 1% водный раствор в 0.2 М малеатном буфере (рН 6.0). После чего бактериальные клетки дегидратировались в спиртовых растворах восходящей концентрации (от 50% к 70%, 96% и до 100%) и покрывались метакриловой смолой LR White в соответствии с известной методикой [235]. С помощью ультратома LKB 3 (LKB, Швеция) образец был нарезан стеклянным ножом на ультратонкие секции (толщиной 200−300 А). Секции помещали на 200 ячеечную никелевую решетку с формваровой подложкой (Polyscience, Ltd., Германия). Секции окрашивали по методу Рейнольдса [236] и анализировали в электронном микроскопе.