Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2021, T. 500, № 1, стр. 8-12

Металлополимеры являются интенсивно исследуемым классом полимеров. Интерес к ним обусловлен уникальным сочетанием в одной макромолекуле свойств органических и неорганических компонентов, что обеспечивает им широкий спектр разнообразных свойств. На их основе созданы высокоэффективные катализаторы, сенсорные системы, электрооптические устройства и др. [1]. Они являются объектом изучения в медицинской и фармацевтической химии. Среди них найдены вещества, проявляющие антимикробную, противовирусную, противоопухолевую активность, разрабатываются препараты для фотодинамической терапии, радиотерапии и средства неинвазивной биовизуализации, полимерные транспортные системы с целевым транспортом и регулируемым выделением лекарственного вещества [2, 3].

В настоящее время синтезировано и описано большое число металлополимеров, в структуру которых включено около 30 различных металлов. Наибольшее число исследований касается нескольких элементов: Ag, Au, Fe, Pt, Pd. При этом публикаций, посвященных полимерам, содержащим ванадий, имеется только ограниченное количество. Синтез ванадийсодержащих полимеров, в частности, водорастворимых, изучение их структуры и свойств представляет несомненный научный и практический интерес. Ванадийсодержащие соединения, согласно литературным данным, используются при лечении сахарного диабета, онкологических заболеваний, для кардиозащиты, они используются для борьбы с вирусами, бактериями и паразитами [4–6]. При этом требуются ультрамалые концентрации ванадия С = 1 × × 10^–7 М, сравнимые с его концентрацией в тканях млекопитающих. Ионы ванадия VO²⁺ и VO$_{2}^{ + }$ образуют стабильные соединения в биологических средах при физиологическом значении рН 7, причем в организме человека ванадий находится только в виде комплексных или координационных соединений с комплементарными молекулярными хелаторами или лигандами.

Ванадиевый анион подобен фосфатному аниону и может взаимодействовать с различными физиологическими рецепторами, которые в противном случае функционализированы фосфатом. Установлено, что ванадийорганические комплексы (2-е поколение медицинских препаратов) обладают более высокой биоэффективностью, чем простые неорганические соли ванадия (1-е поколение) как in vitro, так и in vivo [7, 8].

Целью данной работы являются разработка методов синтеза новых водорастворимых нанокомпозитов на основе ванадиевых комплексов и сополимеров винилфосфоновой кислоты (ВФК) c 2‑диметиламиноэтилметакрилатом (ДМАЭМ) и акриламидом (АА); установление их состава и строения.

Комплекс ванадия тетракалий бис[(μ₂-цитрато)-оксованадий (IV)] тетрагидрат K₄[(VO)₂(С₆Н₄О₇)₂] · · 4H₂O в настоящей работе был получен по модифицированной нами методике [9]. К водному раствору V₂O₅ (0.6 г, 3.33 ммоль) добавляли твердый KОН (0.81 г, 14.4 ммоль), полученную смесь нагревали до 90°С. После гомогенизации в реакционную массу добавляли моногидрат лимонной кислоты (2.41 г, 11.5 ммоль), раствор охлаждали до комнатной температуры и подщелачивали 12 мл 1 М KОН до pH ≈ 5.5, затем добавляли 50 мл этанола. После выдерживания при 2–4°С в течение недели из раствора выпадали кристаллы синего цвета, которые отфильтровывали, промывали спиртом и сушили на воздухе. Выход 97%. УФ-спектр (H₂O): λ = 300 нм.

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что комплекс состоит из биядерного аниона [(VO)₂(С₆Н₄О₇)₂]^4–, четырех внешнесферных катионов калия и четырех сольватных молекул воды. Структура комплексных катионов представляет собой два катиона оксованадия (IV), связанных между собой двумя остатками лимонной кислоты. Причем каждый остаток лимонной кислоты в нейтральной или слабощелочной средах тридентатно связывает попарно фрагменты V=O (рис. 1).

Рис. 1.

Структурная формула цитратного комплекса ванадия и схема перехода в активное состояние.

Сополимеры ВФК получали методом свободно-радикальной сополимеризации в запаянных стеклянных ампулах в атмосфере аргона при 60°С в течение 24 ч. Сополимеризацию ВФК с ДМАЭМ проводили в водном растворе, инициатор – 2,2'-азобис-(2-метилпропионамидин) дигидрохлорид, а сополимеризацию ВФК с АА в растворе метанола, инициатор – 2,2'-азобис-изобутиронитрил. Соотношение мономеров составляло 75 : 25 мол. %, концентрация мономеров 20 мас. %, инициатора – 2 мас. % от суммы масс мономеров. Для очистки от низкомолекулярных примесей сополимеры подвергали диализу в воде. Использовали диализные мембраны Spectra/Por 7 фирмы Spectrum Laboratories, Inc. (США), позволяющие отделять вещества с молекулярной массой ниже 1000. Затем полимеры выделяли методом лиофильной сушки. Выход составил 80%. Состав и структуру сополимеров устанавливали на основании данных ¹Н и ³¹Р ЯМР-спектроскопии. Спектры снимали в растворе D₂О на спектрометре Bruker Avance 400 (Германия). В качестве внешнего стандарта при определении состава использовали 2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолин (МЭФХ). Молекулярные массы (М_SD) определяли методом седиментации и диффузии. Сополимер ВФК : ДМАЭМ содержал 9 мол. % звеньев кислоты, его M_SD = 303 × 10³, а сополимер ВФК : АА – 12 мол. % звеньев ВФК, М_SD = 40 × 10³.

Синтез нанокомпозитов проводили в слабокислом водном растворе (рН 6) при 60°С в течение 24 ч в запаянных продутых аргоном ампулах. Мольное соотношение ион-комплекс : звено ВФК в сополимере составляло от 1 : 4 до 10 : 1. Очистку от низкомолекулярных примесей также проводили методом диализа против воды. Нанокомпозиты выделяли методом лиофильной сушки. В результате получены водорастворимые нанокомпозиты голубого цвета.

Исследование полученных композитов ограничено небольшим числом методов ввиду наличия парамагнитных ванадиевых центров V(IV). Однако результаты ИК-спектрометрии, УФ-спектроскопии и элементного анализа достоверно указывают на сохраняющийся остов биядерного ванадиевого комплекса с присоединением к полимеру по фосфатной группе в композите. На УФ-спектре присутствует пик с максимумом 280 нм, что указывает на присутствие в продукте устойчивых металлоцентров V⁴⁺=О [10]. Сопоставление ИК-спектров исходных полимеров и всех конечных нанокомпозитов показало в последних отсутствие пиков, соответствующих O=P–OH (1170 см^–1), и появление характерных пиков, соответствующих колебаниям группы P–O–V (1050 см^–1). При этом сохраняются полосы, соответствующие  колебаниям групп V=O (940–960 см^–1), Р=O (1140 см^–1), очень интенсивная полоса, соответствующая С=О (1650 см^–1) [11] (рис. 2).

Рис. 2.

ИК-спектр нанокомпозита с ванадиевым комплексом ВФК : АА (V–ВФК : АА) и спектр исходного ВФК : АА. Отнесения приведены для основных линий.

Нанокомпозиты в эквимолярных соотношениях полимер/комплекс, а также полимер/избыток комплекса исследовали гидродинамическими методами в водном растворе с 0.1 М NaCl.

Характеристическую вязкость [η] образцов измеряли по стандартной методике капиллярным вискозиметром Оствальда при температуре 21°С.

Коэффициенты поступательной диффузии D определяли методом дисперсии границы раствор–растворитель на поляризационном диффузометре Цветкова [12, 13] при температуре 24°С.

Коэффициенты седиментации s макромолекул измерены на ультрацентрифуге фирмы МОМ 3180 (Венгрия), оборудованной поляризационно-интерферометрической приставкой [12, 13], при скорости вращения ротора 40 × 10³ об. мин^–1 при температуре 24°С. Рабочий интервал концентраций составлял 0.85–0.04 г дл^–1, что соответствует области разбавленных растворов, в которой межмолекулярными взаимодействиями можно пренебречь.

В случае эквимолярного соотношения комплекс ванадия/полимер гидродинамические параметры оставались практически равными исходному полимеру. Однако введение избытка комплекса ванадия в состав сополимера вызывало слабую опалесценцию раствора, которая визуально ослабевала при его разбавлении. По сравнению с исходным сополимером (ВФК : АА) размеры молекулярных комплексов с ванадием имеют меньшие размеры, что проявилось в снижении значения характеристической вязкости от 0.38 до 0.35 дл г^–1 и уменьшении гидродинамического радиуса от 5.2 до 4.3 нм, однако этот процесс практически не сопровождался изменением молекулярной массы. Изменившийся инкремент показателя преломления для металлополимерного комплекса подтвердил появление в составе сополимера компонента с другим показателем преломления. Таким образом, можно предположить, что в комплексах с ванадием реализуются внутримолекулярные взаимодействия, приводящие к уменьшению общих размеров макромолекул (рис. 3).

Рис. 3.

Предполагаемое строение полимерного нанокомпозита с внутримолекулярной сшивкой при избытке комплекса ванадия.

На основании проведенного анализа можно предположить, что полученные нанокомпозиты имеют строение с чередующимися линейным и сшитым внутримолекулярным связыванием (рис. 3). Причем возможен внутренний переход протона по цепи к азотсодержащему радикалу, что позволяет сохранять постоянный pH около 7, образуя, по сути, в растворе буферную систему, что указывает на безопасность применения этих нанокомпозитов в биологических системах.