Журнал прикладной химии. 2023. Т. 96. Вып. 12

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

УДК 544.777+615.32

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЛЮБИЛИЗАЦИИ ГОССИПОЛА

ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНОМ

Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека,

100174, Республика Узбекистан, г. Ташкент, Вузгородок

Е-mail: mmuхamediev@mail.ru

Поступила в Редакцию 14 июня 2023 г.

После доработки 29 декабря 2023 г.

Принята к публикации 29 декабря 2023 г.

Изучены физико-химические особенности процесса солюбилизации госсипола (ГС) поливинилпирролидо-

ном (ПВП). Показано, что продукт солюбилизации в отличие от исходного полифенола представляет

собой растворимый в воде супрамолекулярный комплекс. ИК-спектроскопическими исследованиями

установлено, что комплексообразование ПВП с ГС осуществляется за счет возникновения водородных

связей между кислородом карбонильной группы пирролидонового цикла полимера и протоном гидрок-

сильной группы полифенола. Зависимость относительной вязкости водных растворов супрамолеку-

лярного комплекса зависит от его состава и проходит через минимум с наименьшим значением при

соотношении ПВП:ГС, близком к 2:1, что свидетельствует о наибольшей компактизации структуры

данного комплекса в водной среде при данном соотношении исходных компонентов. Установлено,

что исследуемую солюбилизацию ГС с ПВП можно представить как процесс адсорбции полифенола

полимером и описать его с помощью теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.

Ключевые слова: госсипол; поливинилпирролидон; солюбилизация; физико-химические свойства; ком-

плексообразование, адсорбция

DOI: 10.31857/S0044461823120058; EDN: LOQZLO

Известно, что полимеры широко используются

терферон индуцирующей активностью против ряда

для модификации биологически активных веществ

миксо- и герпес-вирусов. Однако ГС практически

(БАВ). Такая модификация позволяет уменьшить

не растворяется в воде, поэтому его применяют в

токсичность, улучшить водорастворимость и тера-

клинике для лечения некоторых заболеваний вирус-

певтическое воздействие БАВ [1]. Госсипол (ГС) —

ной этиологии только в виде 3%-ного линимента [2].

2,2-ди-(1,6,7-триокси-3-метил-5-изопропил-8-аль-

Одним из путей гидрофилизации и уменьшения ток-

дегидонафтил) — соединение полифенольного

сичности гидрофобных лекарственных веществ, к

характера с собственной физиологической актив-

которым относится ГС, является солюбилизация их

ностью. Этот полифенол содержится во всех частях

водорастворимыми и малотоксичными полимерами.

хлопкового растения, но в основном накапливается в

Наиболее широко известным продуктом солюбилиза-

ядре семян и корнях, и получать его можно из отходов

ции ГС полимерами является препарат Кагоцел, ши-

хлопководства и побочных продуктов масложиро-

роко использующийся для профилактики и лечения

вой промышленности. Госсипол и его производные

гриппа [3]. Хорошо растворимый в воде, малотоксич-

обладают ярко выраженной противовирусной и ин-

ный препарат, обладающий ярко выраженным проти-

974

Исследование процесса солюбилизации госсипола поливинилпирролидоном

975

вовирусным свойством, также получен путем солю-

адсорбции ГС ПВП, диализ спиртового раствора ГС

билизации ГС поливинилпирролидоном (ПВП) [4].

вели сначала против спирта, затем против спиртового

Как известно, ПВП проявляет четко выраженные ги-

раствора полимера. Разница между концентрациями

дрофильные свойства: хорошая растворимость в воде

ГС, проникшими через мембрану против раствора

и большинстве органических растворителей, высокая

полимера и против чистого спирта, давала количество

склонность к солюбилизации различных веществ, в

ГС, адсорбированного полимером. Концентрацию ГС

том числе лекарственных препаратов, токсинов. При

в процессе диализа определяли по величине оптиче-

этом показано, что механизм солюбилизации в ос-

ской плотности исследуемой среды при длине волны

новном зависит от природы связываемого ПВП ком-

374 нм. Обработку полученных данных проводили

понента [5]. Следует отметить, однако, что работа [4]

уравнением Ленгмюра-Клотца [6]:

в основном посвящена изучению фармакологических

свойств полученного препарата, а физико-химические

особенности и механизм процесса солюбилизации ГС

ПВП практически не изучены.

где Г — количество молей полифенола, сорбирован-

Цель исследования — изучение физико-хими-

ных на один основа/моль ПВП; n — число связанных

ческих особенностей и выявление механизма про-

участков; с — молярная концентрация свободного

цесса солюбилизации госсипола поливинилпирро-

ГС в период равновесия; K — константа связывания.

лидоном.

Произведение nK = K₁ дает термодинамическое зна-

чение первой константы равновесия.

Экспериментальная часть

Обсуждение результатов

Характеристика использованных реактивов.

Поливинилпирролидон — производства ООО «АК

Солюбилизация ПВП ГС приводит к образованию

СИНТВИТА» ФСП 42 0345436703 (Россия), мол.

супрамолекулярных комплексов, которые в отличие

масса 8000. Перед использованием его очищали пе-

от исходного полифенола при содержании последнего

реосаждением из этилового спирта в диэтиловый

15 мас% и меньше хорошо растворимы в воде.

эфир; выпавший осадок отфильтровывали и сушили

Анализ ИК-спектров (рис. 1) полученных ком-

в вакууме до постоянной массы.

плексов показывает, что наряду с полосой погло-

Госсипол произведен в Институте биоорганиче-

щения в области 1670 см^-1, характерной для карбо-

ской химии АН РУз — Ts03535693-36:2020. Его очи-

нильной группы амидной связи исходного полимера,

щали перекристаллизацией из диэтилового эфира,

появляется небольшая полоса поглощения в области

чистоту контролировали с помощью тонкослойной

1730-1760 см^-1, что является признаком амидной

хроматографии.

карбонильной группы, связанной водородной связью

Супрамолекулярные комплексы ГС с ПВП раз-

[7]. При этом наблюдается небольшое уширение по-

личного составa получали следующим образом. Для

лосы поглощения при 3427 см^-1, соответствующей

получения комплекса состава ПВП : ГС = 10 : 1 ПВП

OH-группе ГС, свидетельствующее об участии этих

(0.01 моль, 11 г) растворяли в 9 г (11.2 мл) этилового

групп в образовании водородных связей последнего

спирта и добавляли 0.518 г (0.001 моль) ГС, раство-

с поливинилпирролидоном. Следует отметить, что

ренного в 9 г этилового спирта. Целевой продукт,

полоса поглощения при 1711 см^-1, соответствую-

представляющий собой аморфный порошок свет-

щая карбонильной группе ГС, остается неизменной.

ло-желтого цвета, выделяли лиофилизацией.

Комплексообразование ПВП с малыми молекулами

ИК-спектры образцов регистрировали на спектро-

в растворах исследовано с различных точек зрения.

метре Specord IR-75 в таблетках KBr, УФ-спектры —

Найдено, что процесс связывания малых молекул

на спектрофотометре Specord M-40 UV-VIS. Вязкость

полимерами может осуществляться за счет электро-

растворов комплексов ПВП с ГС изучали в вискози-

статического притяжения, гидрофобного взаимодей-

метре Уббелоде при температуре 298 K.

ствия, образования комплексов с переносом заряда,

Процесс адсорбции ГС ПВП изучали методом рав-

водородными связами и различными силами Ван-дер-

новесного диализа. Для этого использовали двухка-

Ваальса [8].

мерный диализатор, камеры которого изготовлены из

В случае фенолов ассоциация осуществляется

политетрафторэтилена и отделены друг от друга по-

в основном за счет образования водородных свя-

лупроницаемой мембраной из диацетата целлюлозы.

зей между карбонильной группой ПВП и протоном

Для изучения равновесия, наблюдаемого в процессе

гидроксила [9]. Учитывая это и основываясь на

976

Мухамедиев М. Г. и др.

Рис. 1. ИК-спектры поливинилпирролидона (1), комплекса поливинилпирролидона с госсиполом (2) и госсипола (3).

ИК-спектроскопических данных, с уверенностью

по своему характеру близок к обычным процессам

можно сказать, что образование супрамолекуляр-

физической сорбции.

ного комплекса между ПВП и ГС в процессе солю-

В табл. 1 приведены значения K и n в уравне-

билизации осуществляется за счет возникновения

ния Ленгмюра-Клотца для изучаемой системы. Для

водородных связей между кислородом карбонильной

сравнения также приведены значения этих величин,

группы пирролидонового цикла полимера и протоном

найденные при взаимодействии ПВП с паразамещен-

гидроксильной группы полифенола.

ными фенолами, взятые из работы [6], откуда видно,

С физико-химической точки зрения изучаемый

что 100 пирролидоновых звеньев полимера могут

процесс солюбилизации можно рассматривать как

адсорбировать 50 ± 10 молекул ГС, в то время как для

адсорбцию молекул ГС на активные центры ПВП.

паразамещенных производных фенола образуются

Такой подход позволяет описать его в виде изотерм

комплексы эквимолярного состава.

и, используя мономолекулярную теорию адсорбции

Значение n для ПВП-ГС коррелирует с данными,

Ленгмюра, рассчитать термодинамические параме-

показывающими изменение η_отн растворов комплек-

тры процесса адсорбции ГС ПВП.

са в зависимости от соотношения ГС/ПВП (рис. 3).

Зависимость 1/Г от 1/с (рис. 2) прямолинейна, и

Уменьшение η_отн раствора ПВП при добавлении ГС

с увеличением температуры сорбция уменьшается.

свидетельствует о сворачивании полимерных клубков

Прямолинейный характер данной зависимости сви-

ПВП, происходящих за счет взаимодействия между

детельствует о том, что процесс солюбилизации ГС

функциональными группами полимера и низкомоле-

ПВП описывается уравнением Ленгмюра-Клотца и

кулярного реагента. Таким образом, увеличение рас-

Таблица 1

Значения K и n для систем поливинилпирролидон-

пара-замещенные фенолы и поливинилпирролидон-

госсипол

Соединение

1/n

K, л·моль^-1

Метоксифенол

2.50

Этилфенол

3.85

Метилфенол

5.88

Фенол

4.00

Хлорфенол

10.0

Бромфенол

9.1

Рис. 2. Зависимость 1/Г от 1/с для системы ПВП-ГС

Нитрофенол

10.0

([ПВП] = 2∙10^-3 основа-моль·л^-1) при температурах (K):

Госсипол

2 ± 0.3

61.0

308 (1), 298 (2) и 288 (3).

Исследование процесса солюбилизации госсипола поливинилпирролидоном

977

Рис. 4. Полулогарифмическая зависимость изменения

Рис. 3. Зависимость относительной вязкости раствора

первой константы связывания от 1/Т для системы по-

комплекса поливинилпирролидон-госсипол от соотно-

ливинилпирролидон-госсипол.

шения ГС/ПВП ([ПВП] = 0.5 г·дл^-1]).

Из данных табл. 2 видно, что процесс протекает

творимости в воде ГС при его солюбилизации ПВП

с уменьшением свободной энергии, энтальпии и эн-

обусловлено нахождением гидрофобных молекул

тропии системы.

госсипола внутри клубков гидрофильных макромо-

Отрицательное значение изменения энтропии в

лекул ПВП.

системе свидетельствует о компактизации системы в

На рис. 4 приведена полулогарифмическая за-

процессе комплексообразования. При исследовании

висимость первой константы равновесия адсорб-

комплексообразования ПВП с фенолом калориме-

ции ГС ПВП от обратной температуры. Уменьшение

трическим методом [10] наблюдалось значительное

значения K₁ с ростом температуры свидетельствует

выделение тепла (т. е. уменьшение энтальпии си-

о превалирующем характере водородных связей в

стемы) и отрицательное изменение энтропии. Таким

стабилизации комплекса. Данные, приведенные на

образом, строение супрамолекулярного комплекса

рис. 4, позволили рассчитать величины термодина-

ПВП с ГС можно представить следующими наиболее

мических параметров процесса адсорбции молекул

вероятными схемами:

ГС на поверхности макромолекул ПВП.

978

Мухамедиев М. Г. и др.

Таблица 2

Термодинамические параметры связывания поливинилпирролидона с госсиполом

Температура, K

K₁, л·моль^-1

∆G, Дж·моль^-1

∆H, Дж·моль^-1

∆S, Дж·моль^-1∙град^-1

288

40.10

-8864.3

-49.0

298

30.51

-8516.0

-22990

–48.6

308

20.00

-7724.4

-49.6

Таблица 3

Условия образования нерастворимых комплексов ряда фенолов с поливинилпирродоном

([ПВП] = 0.6%; растворитель — смесь вода:этанол = 60:40)

Соединение

Фенол

Гидрохинон

Пирогаллол

Формальдегид

Госсипол

Минимальная концентрация фенолов, %

3.47

5.33

9.09

0.03

0.70

Как было отмечено выше, при соотношениях,

ми, возникающими между карбонильной группой

близких к эквимолярным, идет образование нерас-

поливинилпирролидона и гидроксильной группой

творимых в воде комплексов ПВП с фенолами [6].

госсипола.

Учитывая обратимый характер образования этих

Исследование физико-химических особенностей

комплексов, в работе [9] предложено оценивать их

процесса солюбилизации госсипола поливинилпир-

устойчивость по величине минимальной концентра-

ролидоном показало, что данный процесс можно опи-

ции фенола, при которой наблюдается образование

сать с помощью мономолекулярной теории адсорб-

осадка. В качестве протонодонорных компонентов

ции Ленгмюра. Гидродинамические исследования

были использованы фенолы с различными содер-

водных растворов полученного супрамолекулярного

жанием гидроксильных групп [фенол, гидрохинон,

комплекса и найденные термодинамические пара-

пирогаллол и продукт поликонденсации фенола с

метры образования системы позволили установить

формальдегидом (ФФ)].

причину увеличение растворимости в воде госсипола

Из условий образования нерастворимых комплек-

при его солюбилизации поливинилпирролидоном,

сов были сделаны следующие выводы: 1) в комплек-

обусловленную обволакиванием гидрофобных мо-

сообразовании участвует одна ОH-группа фенола

лекул госсипола гидрофильными макромолекулами

одного бензольного кольца; 2) процесс связывания

полимера.

молекул ФФ осуществляется как полимер-полимер-

ное кооперативное взаимодействие. ГС по своей ком-

Финансирование работы

плексообразующей способности занимает среднее

положение между мономерными фенолами и ФФ

Работа выполнена при финансовой поддержке

(табл. 3).

Министерства высшего образования, науки и инно-

Если принять во внимание, что ГС можно рассма-

вационного развития республики Узбекистан (грант

тривать как димер, то большую комплексообразую-

AL-562101242).

щую способность ГС по сравнению с мономерными

фенолами можно объяснить не наличием большого

Конфликт интересов

количества CH-групп, а следствием небольшого по-

лимерного эффекта [11].

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

Выводы

Информация о вкладе авторов

Изучены физико-химические особенности процес-

са солюбилизации природного полифенола госсипола

М. Г. Мухамедиев предложил изучить физико-хи-

малотоксичным водорастворимым полимером — по-

мические особенности процесса солюбилизации гос-

ливинилпирролидоном. Установлено, что в процес-

сипола поливинилпирролидоном, проводил расчеты

се солюбилизации образуются супрамолекулярные

термодинамических параметров процесса сорбции;

комплексы, стабилизованные водородными связя-

Д. Ж. Бекчанов осуществлял синтез солюбилизиро-

Исследование процесса солюбилизации госсипола поливинилпирролидоном

979

ванного поливинилпирролидоном госсипола, изучал

complexes of gossypol and their antiviral activity //

кинетику и изотермы процесса сорбции госсипола

Pharm. Chem. J. 1986. V. 20. P. 276-278.

поливинилпирролидоном; Д. А. Гафурова определяла

https://doi.org/10.1007/BF00758817

[5]

Липковская Н. А., Барвинченко В. Н., Федянина Т. В.

растворимость полученных полимерных комплексов

Зависимость растворимости природных флавоно-

госсипола и определяла вязкость этих комплексов;

идов в воде от концентрации мирамистина, поли-

Д. Н. Шахидова проводила эксперименты по нара-

винилпирролидона и сывороточного альбумина

ботке образцов и изучению их состава спектрофо-

человека // Журн. физ. химии. 2014. T. 88. № 5.

тометрическим методом; Т. Х. Рахимов проводил

С. 882-886.

исследование полученных образцов методами ИК-

https://doi.org/ 10.7868/S0044453714050185

спектроскопии и равновесного диализа.

[6]

Masami Inoue, Takayuki Otsu. Interaction of several

polymers with p-substituted phenols in aqueous

solution //J. Polym. Sci.: Polym. Chem. Ed. 2003.

Информация об авторах

V. 14. N 8. P. 1939-1944.

Мухамедиев Мухтаржан Ганиевич, д.х.н., проф.

https://doi.org/10.1002/pol.1976.170140811

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8065-9651

[7]

Syromyatnikov V., Zheltonozhskaya T., Guenet J.-M.,

Гафурова Дилфуза Анваровна, д.х.н., проф.

Rakovich I., Demchenko O., Strilchuk N.,

Permyakova N. Compacting of poly(acrylamide)-

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8129-0705

poly(vinyl alcohol) grafted copolymers in

Бекчанов Давронбек Жумазарович, д.х.н., проф.

aqueous solution of phenol and its effect in

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3233-5572

the copolymers films structure // Macromol.

Рахимов Тохир Хакимович, д.х.н., доцент

Symp. 2001. V. 166. P. 237-242. https://doi.

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5755-5918

org/10.1002/1521-3900(200103)166:1<237::AID-

Шахидова Дилбар Нематовна, д-р философии по

MASY237>3.0.CO;2-R

химии, доцент

[8]

Федянина Т. В., Барвинченко В. Н., Липковская Н. А.,

ORCID: https://orcid.org/0009-0000-1305-8437

Погорелый В. К. Влияние комплексообразования

с биополимерами на адсорбцию кверцетина на

кремнеземе // Коллоид. журн. 2008. T. 70. № 2.

Список литературы

С. 240-246 [Fedyanina T. V., Barvinchenko V. N.,

[1] Pasut G., Veronese F. M. Polymerdrug conjugation,

Lipkovskaya N. A., Pogorelyi V. K. The effect of

recent achievements and general strategies // Prog.

complexation with biopolymers on the adsorption of

Polym. Sci. 2007. V. 32. P. 933-961.

quercetin on silica // Colloid J. 2008. V. 70. N 2. P. 215-

https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.05.008

220. https://doi.org/10.1007/s10595-008-2015-9

[2] Keshmiri-Neghab H., Goliaei B. Therapeutic potential

https://www.elibrary.ru/XKETML].

of gossypol: An overview // Pharmaceutical Biology.

[9]

Philipp M., Sudhe V. The interaction aromatic

2014. V. 52. N 1. P. 124-128.

compounds with poly(vinylpirrolidone) in aqueous

https://doi.org/10.3109/13880209.2013.832776

solution // J. Chem. Soc. Faradey Trans. 1996. V. 82.

[3] Сологуб Т. В., Цветков В. В. Кагоцел в терапии грип-

P. 291-317. https://doi.org/10.1039/F19868200291

па и острых респираторных вирусных инфекций:

[10]

Кошелев К. К., Орлов И. Т. Термодинамика об-

анализ и систематизация данных по результатам

разования комплексов поли-N-винилпирролидо-

доклинических и клинических исследований //

на с фенолами // Изв. АН СССР. Cер. хим. 1977.

Терапевтический архив. 2017. Т. 89. № 8. С. 113-119

№ 8. С. 1781-1786 [Koshelev K. K., Orlov I. G. The

[Sologub T. V., Tsvetkov V. V. Kagocel in the therapy

complexing of poly-N-vinylpyrrolidone with phenol

of influenza and acute respiratory viral infections:

in various solvents // Russ. Chem. Bull. 1977. V. 26.

Data analysis and systematization from the results of

P. 1641-1643. https://doi.org/10.1007/BF00925166].

preclinical and clinical trials // Terapevticheskii arkhiv.

[11]

Supramolecular chemistry in corrosion and biofouling

2017. V. 89. N 8. P. 113-119 (in Russian).

protection / Ed. by Viswanathan S. Saji. First Ed.

https://doi.org/10.17116/terarkh2017898113-119].

Ch. 3. Supramolecular Polymers. Boca Raton: CRC

[4] Mukhamediev M. G., Auelbekov S. A., Sharipova Z. T.,

Press, 2022. P. 41-62.

Babaev T. M., Aslanov Kh. A., Musaev U. N. Polymer

https://doi.org/10.1201/9781003169130

Научное редактирование проведено научным редактором журнала «Нефтехимия» к.х.н. Н. В. Шелеминой.