Коллоидный журнал, 2022, T. 84, № 6, стр. 761-767

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время дизайн самоорганизующихся супрамолекулярных систем является одним из современных направлений получения функциональных материалов с контролируемыми и настраиваемыми свойствами. Макроциклические амфифилы способны к формированию в растворе различных само- и соассоциатов, морфологию которых можно изменить путем изменения состава раствора (концентрация, ионная сила, рН среды) или внешних условий (температура, облучение и т.д.) [1]. Как и традиционные поверхностно-активные соединения, амфифильные макроциклы имеют в своей структуре четко разделенные гидрофильные и гидрофобные части, при этом они обладают замечательной способностью к образованию комплексов гость-хозяин [1–5]. Это обуславливает интерес к изучению супрамолекулярных систем с участием амфифильных макроциклов для создания нанопереносчиков, потенциальных систем доставки лекарств, биосенсорных систем, катализаторов и т.д.

Данная работа посвящена исследованию супрамолекулярной системы, образуемой в коллоидных растворах катионного амфифильного кавитанда (Кв), структура которого представлена на рис. 1, и анионного полиэлектролита ПАК. Кавитанд Кв является производным каликс [4]метилрезорцина, в котором гидроксо-группы соединены метиленовыми мостиками. На верхнем ободе ароматической платформы кавитанд несет четыре триэтиламмонийные группы, что приводит к его растворимости в водных средах, четыре пентильных заместителя на нижнем ободе обуславливают его амфифильные свойства. Ранее было показано, что Кв формирует в растворе вода/ДМСО (5 об. % ДМСО) самоассоциаты при концентрации 1.20 × 10^–3 моль/л (метод кондуктометрии). Кв проявляет цитотоксические свойства в отношении раковых клеток M-HeLa (IC₅₀ 43 ± 3.5 × × 10^–6 моль/л) и способен понижать мембранный потенциал митохондрий раковых клеток [6]. Для успешного применения потенциальных терапевтических свойств кавитанда возможно проведение его супрамолекулярной модификации, например, с помощью образования соассоциатов с полиэлектролитом противоположного знака.

Рис. 1.

Структурная формула кавитанда Кв.

Благодаря интересу к супрамолекулярным системам полиэлектролитов с ионными ПАВ описаны основные закономерности их ассоциации [7]. Известно, что в растворе постепенное увеличение концентрации ионного ПАВ в присутствии полиэлектролита противоположного знака приводит к изменению свойств системы с четырьмя характеристичными концентрациями (как правило, выражающимися изломами на изотерме поверхностного натяжения, электропроводности или вязкости), которые соответствуют образованию комплекса мономер ПАВ – полиэлектролит (С_к), критической концентрации ассоциации (ККА), критической концентрации насыщения (С_нас) и критической концентрации мицеллообразования (ККМ) [7, 8]. Вблизи концентрации С_к происходит адсорбция мономеров ПАВ на поверхность полимера, и по мере увеличения концентрации ПАВ наблюдается вытеснение противоионов полиэлектролита за счет электростатического взаимодействия заряженных групп ПАВ и полимера и стабилизации комплекса посредством гидрофобных взаимодействий между алкильными хвостами молекул ПАВ; с ростом содержания ПАВ это приводит к нейтрализации заряда полимера и может привести к выпадению осадка (в растворе часто при этом наблюдается помутнение). Дальнейший рост концентрации ПАВ приводит к насыщению молекул полимера мономерами ПАВ (С_нас), и затем к появлению “свободных” мицелл ПАВ в растворе (ККМ). Причем понижение величины ККМ ПАВ в присутствии полиэлектролита означает преобладание электростатического взаимодействия в растворе между заряженными группами ПАВ и полимера над гидрофобным взаимодействием внутри мицелл ПАВ, что приводит к образованию мицелл при сравнительно более низкой концентрации, чем в индивидуальном растворе ПАВ [7].

Как и традиционные ионные ПАВ, ионные амфифильные макроциклы образуют с полиэлектролитами противоположного знака супрамолекулярные системы, в которых формируются полимерные комплексы с мономерами и самоассоциатами амфифила, что приводит к изменению размеров и рецепторных свойств супрамолекулярных систем [6, 9–15]. Так, в работе [10] было показано, что самоассоциаты амфифильного сульфокаликс[4]арена связываются поливиниловым спиртом, модифицированным виологеновыми фрагментами, за счет электростатического взаимодействия и образования комплекса включения между молекулами макроцикла и катионными группами полимера. Исследование ряда амфифильных карбокси-каликс[4]резорцинов в растворах разветвленного полиэтиленимина (ПЭИ) показало снижение их критических концентраций самоассоциации (ККА) в 10–40 раз в зависимости от концентрации ПЭИ (метод флуориметрии), при этом связывание самоассоциатов макроциклов молекулами ПЭИ приводило к усилению связывающих свойств супрамолекулярных систем в результате формирования общих гидрофобных областей [15].

Данная работа посвящена исследованию свойств супрамолекулярной системы Кв–ПАК в растворе вода/ДМСО (5 об. % ДМСО) при варьировании концентрации кавитанда. С привлечением комплекса физико-химических методов (кондуктометрия, флуориметрия пирена, динамическое рассеяние света и измерение электрокинетического потенциала) предпринята попытка осуществить детальное исследование системы амфифильный макроцикл – полиэлектролит и выявить закономерности изменения свойств и состава полимерных комплексов Кв−ПАК при варьировании концентрации кавитанда.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2,8,14,20-Тетрапентил-5,11,17,23-тетракис((триэтиламмоний)метил)-(4,23),(6,10),(12,16),(18,22)-тетракис(метиленбис(окси))-каликс[4]резорцина тетрабромид (Кв) синтезирован согласно [6]. Структура соединения подтверждена ¹Н ЯМР спектром в ДМСО-d₆ (Bruker AVANCE(III)-500). Использовалась полиакриловая кислота фирмы Aesar с M_w 240000, 25% водный раствор. Все исследования проводили в растворе ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО). Молярная концентрация ПАК в растворах рассчитывалась, исходя из молекулярной массы мономера, и соответствовала количеству молей мономерного фрагмента на 1000 мл раствора. Растворы готовили, исходя из начального раствора Кв в ДМСО (5 ммоль/л), добавляя аликвоту в водный раствор таким образом, чтобы общая концентрация ДМСО в растворе составляла 5 об. %. Серии растворов кавитанда в ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) в отсутствии и в присутствии ПАК (1 × 10^–3 моль/л) готовили последовательным разбавлением смесью ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) либо раствором ПАК (1 × 10^–3 моль/л) в ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО), соответственно, при перемешивании со скоростью 360 об./мин в течение 10 мин. Образцы для исследования методом динамического рассеяния света готовили без фильтрования добавлением к раствору ПАК в ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) аликвоты раствора Кв в ДМСО с перемешиванием со скоростью 360 об./мин в течение 30 мин. Получили 4 раствора с постоянной концентрацией ПАК 1 × 10^–3 моль/л и концентрациями Кв 5 × 10^–5, 1.5 × 10^–4 , 5 × 10^–4 и 1 × 10^–3 моль/л.

Электропроводность растворов измеряли на кондуктометре Toledo FE-30. Электропроводность ПАК (1 × 10^–3 моль/л) в ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) составила 43 мкСм/см. Флуоресцентные спектры пирена регистрировали на спектрометре Hitachi F-7100, в 1 см кварцевой кювете, при концентрации пирена 1 × 10^–6 моль/л, λ_ex 333 нм, диапазон 345–500 нм. Измерения гидродинамического диаметра и дзета-потенциала частиц проводили на фотонном корреляционном спектрометре динамического рассеяния света Zetasizer Nano-ZS (MALVERN) с источником лазерного излучения – He-Ne газовым лазером мощностью 10 мВт и длиной волны 633 нм. Угол рассеяния света составлял 173°. Анализ сигналов осуществляли одноплатным многоканальным коррелятором, сопряженным с IBM PC совместимым компьютером. Время накопления импульсов – 5–7 мин. Анализ корреляционной функции проводили с помощью программы DynaLS. рН растворов регистрировали на рН-метре Thermo pH-meter (Thermo Electron). Все эксперименты осуществляли при 25°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что в коллоидных растворах полиэлектролитов и амфифильных соединений противоположного знака в результате электростатического взаимодействия заряженных групп компонентов и гидрофобных взаимодействий в самоассоциатах амфифилов параметры самоассоциации последних меняются [7, 8]. Исследование взаимодействия Кв с ПАК было начато с измерения электропроводности растворов кавитанда при постоянной концентрации ПАК (1 × 10^–3 моль/л). Ранее было показано, что в среде ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) кривая электропроводности Кв содержит два излома при 1.2 × 10^–3 (ККА₁) и 3.34 × 10^–3 моль/л (ККА₂), которые отражают формирование самоассоциатов кавитанда в растворе и их структурную перестройку, соответственно [6].

Как показано на рис. 2, в присутствии ПАК кривая электропроводности Кв имеет три изгиба. Величины критических концентраций составили 7.80 × 10^–5 (С_к), 2.15 × 10^–4 (ККА_к) и 7.37 × × 10^–4 моль/л (ККА). Рассматривая полученные перегибы на кривой электропроводности, можно предположить, что рост концентрации Кв до С_к означает сорбцию мономерных молекул кавитанда на полимерную цепь, точка ККА_к достигается при формировании на ПАК самоассоциатов кавитанда, а ККА означает формирование в растворе “свободных” самоассоциатов кавитанда. Можно отметить, что концентрации, при которых начинается формирование самоассоциатов Кв на ПАК (ККА_к) и “свободных” самоассоциатов Кв (ККА) ниже, чем величина его ККА₁ (1.2 × 10^–3 моль/л), что, согласно литературным данным [7, 8], свидетельствует о сильном взаимодействии компонентов в растворе и сильное электростатическое взаимодействие “свободных” самоассоциатов кавитанда с поверхностью ПАК, соответственно.

Рис. 2.

Кривые электропроводности Кв в растворе ДМСО-вода (5 об. % ДМСО) в отсутствие и в присутствие ПАК (1 × 10^–3 моль/л). Области I–IV приписаны отрезкам на кривой Кв + ПАК, ограниченным критическими концентрациями.

Для дальнейшего изучения процессов ассоциации в системе Кв−ПАК был применен метод флуориметрии пирена. Как известно, отношение первой и третьей эмиссионных полос пирена является мерой гидрофобности микроокружения флуоресцентного зонда в растворе, и анализ зависимости I₁/I₃(lg C_Кв) позволяет получить величину критической концентрации самоассоциации (мицеллообразования) амфифильных соединений. Как можно видеть из рис. 3, кривая зависимости I₁/I₃ пирена от логарифма концентрации кавитанда носит не обычный сигмоидальный характер, а имеет более сложный вид. После падения величины I₁/I₃ до 1.62 (lg C_Кв = –3.82) наблюдается ее рост с выходом на небольшое плато (I₁/I₃ = 1.70–1.71) и вновь уменьшение, причем на этом отрезке значения I₁/I₃ близки к таковым для растворов кавитанда в отсутствие ПАК (рис. 3). Критические концентрации ассоциации, при которых наблюдается резкое изменение I₁/I₃ пирена, отмечены на рис. 3 и приведены в табл. 1. Перегиб в точке С₁ на кривой I₁/I₃(lg C_Кв) может означать начало формирования общих гидрофобных зон при сорбции кавитанда на молекулы ПАК, которое заканчивается при концентрации, обозначенной как ККА_к с минимумом I₁/I₃, равным 1.62, и новым ростом гидрофильности микроокружения пирена до С₂, где значения I₁/I₃ выходят на плато (1.70–1.71) вплоть до точки С_нас – концентрации, при которой происходит насыщение полимера молекулами кавитанда. Такой вывод можно сделать из сравнения кривых I₁/I₃(lg C_Кв) на рис. 3 для кавитанда в отсутствие и присутствии ПАК, где видно, что при концентрациях выше С_нас изменение величин I₁/I₃ соответствует попаданию молекул пирена в “свободные” самоассоциаты кавитанда.

Рис. 3.

Зависимость I₁/I₃ пирена от концентрации Кв в отсутствие и присутствии ПАК (1 × 10^–3 моль/л). Области I–IV соответствуют концентрационным областям, полученным методом кондуктометрии.

Концентрационные пределы (области I–IV), найденные методом кондуктометрии, отмечены на кривой I₁/I₃(lg C_Кв) для системы кавитанд + ПАК. Можно видеть, что область I в обоих случаях можно интерпретировать как сорбцию молекул кавитанда на молекулы ПАК, область II, где возможно формирование самоассоциатов кавитандов, связанных с полимерной цепью, соответствует нижней части отрезка с резким падением величины I₁/I₃ пирена. Середина данного отрезка дает величину С_к – образование комплекса между мономерными молекулами кавитанда и ПАК, которая немного ниже значения С_к, полученного методом кондуктометрии (табл. 1). Область II включает точку ККА_к, а область III – соответствует участку между С₂ и С_нас, где значение I₁/I₃ пирена увеличивается и вновь уменьшается, вероятно, являясь средней величиной при распределении пирена в самоассоциатах кавитанда как связанных с ПАК, так и “свободных”. И область IV в обоих случаях соответствует формированию в растворе достаточного количества “свободных” самоассоциатов кавитанда, гидрофобность внутренней зоны которых более благоприятна для солюбилизации пирена, чем в ассоциатах кавитанд−ПАК. Величины критических концентраций ассоциации в системе Кв−ПАК, полученные методом флуориметрии пирена, всегда ниже, чем полученные методом кондуктометрии, что, по-видимому, связано с усилением самоассоциации молекул кавитанда при солюбилизации гидрофобного пирена.

Были проанализированы данные по размеру и дзета-потенциалу коллоидных частиц в растворах каждой из областей I–IV (рис. 4). Следует отметить, что дзета-потенциал частиц кавитанда в растворе составляет +18.3 ± 0.1 мВ (С = 1 × 10^–3 моль/л, рН 5.11), при этом отмечается высокая полидисперсность частиц в растворе (ПДИ 0.49 ± 0.05). Частицы ПАК (1 × 10^–3 моль/л) имеют дзета-потенциал –29.90 ± 0.05 мВ и средний гидродинамический диаметр (d_h) 342 ± 12 нм (ПДИ 0.366 ± 0.011). Раствор ПАК в ДМСО-H₂O (5 об. % ДМСО) имеет спонтанный рН 4.52, то есть около 50% карбокси-групп в молекулах ПАК депротонировано (в водном растворе рКа ПАК составляет 4.5 [16]). В этих условиях размеры частиц ПАК будут определяться как наличием внутри- и межмолекулярных водородных связей, так и отталкиванием одноименнозаряженных групп в молекулах. Добавление катионного кавитанда в раствор ПАК может приводить как к компенсации заряда анионных групп полимера, так и дополнительному депротонированию карбокси-групп. По данным ДРС, депротонирование молекул ПАК (при добавлении NaOH, рН 11) приводит к уменьшению размеров частиц ПАК до 164 ± 20 нм (ПДИ 0.57 ± 0.105), будучи в нейтральной форме размеры частиц ПАК составляют 220 ± 20 и 18 ± 5 нм (ПДИ 0.719 ± 0.09) (в присутствии HCl, рН 2.4). Вероятно, в обоих случаях уменьшение размеров частиц полиэлектролита можно связать с уменьшением самоассоциации его молекул, вызванным в присутствии щелочи отталкиванием одноименнозаряженных групп, а в присутствии кислоты – уменьшением внутри- и межмолекулярных водородных связей. Величина рН растворов Кв + ПАК при добавлении кавитанда постепенно уменьшается до 3.49, что может быть вызвано избытком ионов гидроксония в растворе из-за присутствия кавитанда либо из-за депротонирования части карбоксильных групп ПАК. При малых концентрациях кавитанда (область I) d_h ПАК уменьшается до 190 ± 2 нм (ПДИ 0.194 ± 0.03), при этом ξ-потенциал составляет –21.6 ± 0.01 мВ (рН 4.1), что свидетельствует о частичной компенсации заряда ПАК; уменьшение размеров частиц можно связать с уменьшением самоассоциации молекул ПАК в результате уменьшения межмолекулярного водородного связывания при взаимодействии карбокси-групп полимера с аммонийными группами кавитанда. В области II d_h немного растет (220 ± 1 нм, ПДИ 0.242 ± 0.020), что можно объяснить более сильной компенсацией заряда полимерных частиц: ξ-потенциал +17.1 ± 0.3 мВ (рН 4.05), и в растворе через несколько часов наблюдается выпадение осадка. Можно предположить, что в этом случае самоассоциаты кавитанда, адсорбируясь на поверхности ПАК, могут связывать различные участки как на одной, так и на разных молекулах ПАК. При этом общая гидрофобность системы увеличивается, и размеры частиц растут. Дальнейший рост концентрации кавитанда приводит к уменьшению размера частиц почти в два раза (область III – d_h = = 122 ± 1.5 нм, ПДИ 0.262 ± 0.006, область IV – d_h = = 106 ± 1 нм, ПДИ 0.275 ± 0.003), при этом ξ-потенциал частиц +29 ± 0.1...+30 ± 0.03 мВ. Возможно, что в области III состав комплекса ПАК-кавитад уже полностью сформировался и в растворе существует достаточное количество свободных молекул кавитанда, которые в области IV начинают образовывать самоассоциаты, электростатически связанные с полимерными частицами. Присутствие одноименнозаряженных частиц, как на поверхности полимерных молекул, так и в растворе приводит к уменьшению размеров частиц комплекса. Предположительная схема ассоциации кавитанда с ПАК при возрастающей концентрации кавитанда приведена на рис. 5.

Рис. 4.

Кривые распределения по размерам (а–д) и ξ-потенциалам (а'–д') частиц ПАК (а, а') и частиц комплексов Кв-ПАК(б–д, б'–д'): (б, б') С_Кв = 5 × 10^–5 моль/л (область I), (в, в') С_Кв = 1.5 × 10^–4 моль/л (область II), (г, г') С_Кв = 5 × × 10^–4 (область III), (д, д') С_Кв = 1 × 10^–3 моль/л (область IV). Области I–IV соответствуют концентрационным областям, полученным методом кондуктометрии.

Рис. 5.

Схема взаимодействия ПАК–Кв при росте концентрации кавитанда в растворе.

В табл. 2 приведены размеры частиц в растворах Кв−ПАК, хранившихся в течение трех недель при комнатной температуре без перемешивания. Можно видеть, что частицы в растворах III и IV подвержены более медленному укрупнению, что связано с их более высокими значениями поверхностного потенциала частиц, и приводит к их относительной стабильности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами кондуктометрии, флуориметрии пирена, динамического рассеяния света, измерения электрокинетического потенциала проанализированы процессы ассоциации, идущие в коллоидном растворе ПАК при возрастающей концентрации катионного амфифильного кавитанда. Показано, что выбор концентрационных условий влияет на размер, заряд и гидрофильно-гидрофобный баланс в системе кавитанд−ПАК. С ростом концентрации кавитанда в растворе система проходит стадии: 1) комплекса ПАК с мономерными молекулами кавитанда, 2) комплекса ПАК с самоассоциатами кавитанда, 3) область насыщения ПАК мономерными молекулами и самоассоциатами кавитанда, 4) область существования самоассоциатов кавитанда, связанных и не связанных с ПАК. Полученные данные могут быть использованы для интерпретации данных систем полиэлектролит – амфифильный макроцикл и подбора супрамолекулярных систем с определенными характеристиками заряда и размера.