Высокомолекулярные соединения (серия А), 2021, T. 63, № 4, стр. 263-282

Статическое и динамическое рассеяние света

Эксперименты по статическому и динамическому рассеянию света проводили с помощью спектрометра “PhotoCor Complex” (“PhotoCor Instruments”, Россия), оснащенного гелий-неоновым лазером (λ = 633 нм, 10 мВт) в качестве источника света и псевдо-кросс-корреляционной системой счета фотонов, что позволило избежать искажений коррелограмм в результате послеимпульсов фотоумножителя при малых временах запаздывания и измерить значения R_h вплоть до ⁓1 нм. Коррелятор реального времени использовали в логарифмической конфигурации. Измерения проводили в разбавленных растворах в диапазоне углов рассеяния 30°–140°. Распределения по времени затухания τ и гидродинамическому радиусу получали с помощью метода обратного преобразования Лапласа с использованием регуляризации (CONTIN). В случаях, когда функция распределения описывалась суммой двух отдельных компонентов (быстрой и медленной моды), кажущиеся коэффициенты самодиффузии D определялись для каждой моды с помощью соотношения D = 1/τq², где τ – время релаксации, q = = (4πn/λ)sin(θ/2) – волновой вектор рассеяния, n – показатель преломления растворителя, θ – угол рассеяния. Соответствующие гидродинамические радиусы R_h рассчитывали по уравнению Стокса–Эйнштейна R_h = kT/6Dπη (k – постоянная Больцмана, η – вязкость растворителя). Радиус инерции агрегатов R_g находили согласно соотношениям Зимма или Гинье [31] из угловых зависимостей интенсивности рассеянного света, нормированных на относительный вклад медленной моды. Кажущуюся молярную массу M^app оценивали по тем же соотношениям, используя полную интенсивность рассеяния, полную концентрацию и значения dn/dc для ПВКЛ при разной температуре (0.181 при Т = 25°С и 0.232 при Т = 33 и 37°С) [15].

Точки помутнения T_cp термочувствительных полимеров определяли из температурных зависимостей рассеяния света по началу резкого роста интенсивности рассеянного света I. Эти кривые измеряли под углом рассеяния 90° с температурным интервалом 1°С при медленной скорости нагревания (0.3 град/мин). Для достижения равновесной температуры в измерительной ячейке и постоянного значения интенсивности измерения при каждой температуре проводили с задержкой в 10 мин, поэтому значения T_cp можно считать близкими к температурам фазового разделения или точкам бинодали.

Гидролиз НФП

Реакцию гидролиза НФП в присутствии сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ изучали путем измерения оптической плотности окрашенного продукта п-нитрофенола (408 нм) в интервале 25–45°С в зависимости от времени. Кинетические измерения проводили при концентрации НФП, равной 0.2 ммоль/л в 0.05 М буферном растворе трис(гидроксиметил)аминометана (ТРИС)/HCl при рН 7.4. Концентрация сополимера варьировалась от 0.29 до 1.38 ммоль/л относительно содержания имидазольных групп. Скорость реакции рассчитывали с использованием уравнения [22, 25]

RAFT/MADIX-полимеризация ВКЛ и ВИ

Сополимеры ПВКЛ–блок–ПВИ получены двустадийной RAFT/MADIX-сополимеризацией ВКЛ и ВИ. На первой стадии синтезировали ПВКЛ-ОПЦ-агенты полимеризацией ВКЛ в присутствии ДАК в качестве инициатора и ЭКЭБ в качестве низкомолекулярного ОПЦ-агента. ЭКЭБ был выбран по двум причинам. Во-первых, ранее было показано, что в присутствии ЭКЭБ полимеризация ВКЛ в массе, инициированная ДАК при мольном соотношении [ЭКЭБ] : [ДАК] = = 5 : 1, протекает контролируемым образом с образованием ПВКЛ, имеющего довольно узкое молекулярно-массовое распределение (Ð = 1.24) [23]. Во-вторых, ПНИПА-ОПЦ-агент с концевой 1-(O-этилксантил)этильной группой известен как эффективный макро-ОПЦ-агент при RAFT/MADIX-полимеризации ВИ [21].

RAFT/MADIX-полимеризацию ВКЛ

проводили в массе при 60°C. Концентрацию ДАК, составляющую 1 × 10^–2 моль/л, поддерживали постоянной. Концентрация ЭКЭБ варьировалась от 1.8 до 3.1 × 10^–2 моль/л, чтобы синтезировать ПВКЛ-ОПЦ-агенты с различной молярной массой. Изменение молярной массы (длины цепи) ПВКЛ-блока в диблок-сополимере может позволить, с одной стороны, контролировать температуру фазового перехода диблок-сополимера, а, с другой стороны, найти наиболее эффективный макро-ОПЦ-агент для RAFT/MADIX-полимеризации ВИ.

На рис. 1б показан ЯМР ¹H-спектр ПВКЛ₆₂. Сигналы с химическими сдвигами при 4.46–3.96 м.д. (1), 2.77–3.46 м.д. (4), 2.63–2.02 м.д. (3) и 1.90–1.17 м.д. (2, 5) относятся к одному протону группы –CH, двум протонам –COCH₂ группы, двум протонам–NCH₂ группы, шести протонам группы –NCCH₂CH₂CH₂ капролактамного кольца и двум протонам группы –CH₂ основной полимерной цепи. Сигналы пяти протонов фенильной группы ЭКЭБ находятся в диапазоне 7.31–6.82 (11). Таким образом, спектроскопия ЯМР ¹H продемонстрировала включение фрагментов ЭКЭБ в цепи поли-N-винилкапролактама. ЯМР ¹H использовали для определения M_n ПВКЛ по формуле (1) (табл. 1). Видно, что значения M_n(ЯМР) ПВКЛ близки к $M_{n}^{{{\text{th}}}}$. Эти значения используются в дальнейшем для описания длины блока в диблок-сополимере.

Молярные массы (M_w и M_n) и полидисперсность Ð = M_w/M_n полученных ПВКЛ определяли дополнительно методом ГПХ (табл. 1). Кривые молекулярно-массового распределения ПВКЛ-ОПЦ-агентов, синтезированных при мольном соотношении [ЭКЭБ] : [ДАК] = 1.8, 2.2 и 3.1, представлены на рис. 2. Как показано в табл. 1 и на рис. 2, все ПВКЛ характеризуются относительно низкими значениями полидисперсности (Ð = = 1.52–1.66, ГПХ) по сравнению с таковыми для ПВКЛ, полученного радикальной полимеризацией (Дополнительные материалы, табл. S1 ) в отсутствие ЭКЭБ, но M_n(ГПХ) ниже теоретических значений. Недооценка молярных масс, определенных с помощью ГПХ, была дополнительно подтверждена сравнением M_w(ГПХ) со значениями M_w, найденными с помощью метода статического рассеяния света (СРС) для нескольких образцов ПВКЛ, полученных радикальной полимеризацией (Дополнительные материалы, табл. S1 ). Тенденция к занижению M_n(ГПХ), определяемого с использованием ПС-стандартов, многократно отмечалась ранее для ПВКЛ и его блок-сополимеров [23, 32, 33].

Рис. 2.

Кривые молекулярно-массового распределения ПВКЛ₆₂ (1), ПВКЛ₂₀₉ (2) и ПВКЛ₂₅₅ (3), синтезированных при разной концентрации ЭКЭБ.

Как видно на рис. S3 (Дополнительные материалы), зависимость экспериментального M_n(ЯМР) ПВКЛ от отношения [ВКЛ] : [ЭКЭБ] при примерно одинаковой конверсии v ≈ 50% является линейной (коэффициент корреляции 0.95), как и прогнозируется теоретически в соответствии с формулой (2). Полученные данные позволяют предположить, что полимеризация ВКЛ с ЭКЭБ в качестве ОПЦ-агента протекает по механизму RAFT/MADIX-полимеризации.

Чтобы определить последовательность стадий синтеза диблок-сополимеров, был проведен ряд опытов по полимеризации ВКЛ с использованием ПВИ-ОПЦ-агента, полученного RAFT/MADIX-полимеризацией (ПВИ₃₅, табл. 1). Мы обнаружили, что полимеризация ВКЛ, инициированная ДАК, ингибируется ПВИ-ОПЦ-агентом. Неспособность ПВИ-ОПЦ-агента повторно инициировать полимеризацию ВКЛ, вероятно, связана с высокой стабильностью интермедиатов ПВИ к фрагментации [34]. Данное предположение согласуется с тем фактом, что, насколько нам известно, ПВИ никогда не использовался в предыдущих исследованиях в качестве макро-ОПЦ-агента для получения диблок-сополимеров с различными сомономерами, такими как N-изопропилакриламид [21] и стирол [35]. В связи с этим в настоящей работе мы использовали образцы ПВКЛ в качестве макро-ОПЦ-агентов для синтеза сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ.

Синтез сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ

Сополимеры ПВКЛ–блок–ПВИ синтезировали RAFT/MADIX-полимеризацией ВИ или смеси ВИ–ВКЛ в присутствии ДАК и ПВКЛ-ОПЦ-агентов разной молярной массы в ДМФА, ТГФ, воде и в смесях ТГФ–вода.

В табл. 2 и 3 показаны условия реакции и характеристики полученных продуктов.

Молекулярные характеристики диблок-сополимеров, синтезированных в ДМФА при 60°С, представленные в табл. 2, и кривые ММР (рис. 3) позволяют сделать вывод, что в выбранных условиях полимеризация ВИ с ПВКЛ₆₂ и ПВКЛ₂₀₉ в качестве ОПЦ-агентов протекает как псевдоживой процесс. Кажущиеся ММР продуктов полимеризации ВИ унимодальны и симметричны, но их максимумы лишь немного смещены в сторону более высоких молярных масс по сравнению с таковыми для макро-ОПЦ-агента. Поскольку кривые ГПХ базируются на гидродинамическом объеме макромолекул, на них влияют конформации цепи и качество растворителя. Если диблок-сополимеры имеет более компактную конформацию по сравнению с гомополимерами, мы можем получить заниженные кажущиеся значения ММ. Как видно из табл. 2 и 3, M_n(ГПХ) диблок-сополимеров существенно ниже, чем M_n(ЯМР), определенные, как описано ниже. Возможные причины компактизации исследуемых диблок-сополимеров будут обсуждаться в следующем разделе, посвященном самосборке под действием температуры.

Рис. 3.

Сравнение кривых молекулярно-массового распределения ПВКЛ-ОПЦ-агентов и полученных на их основе сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ. а: 1 – ПВКЛ₆₂, 2 – (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D; б: 1 – ПВКЛ₂₀₉, 2 – (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₀)_D.

В качестве примера на рис. 1а представлен спектр ЯМР ¹H образца ВКЛ₆₂ВИ₁₀. Сравнение с ЯМР ¹H-спектрами ПВКЛ (рис. 1б) и ПВИ (рис. 1в) показывает, что блоки ПВКЛ и ПВИ можно различать по сигналам, появляющимся при 4.46–3.96 (1) м.д. для исходного блока ПВКЛ и при 7.3–6.5 м.д. (8, 9, 10) для добавленного блока ПВИ. Состав диблок-сополимеров (мол. %) каждого мономера оценивали по величине интегралов протонов имидазольного цикла звеньев ВИ и протона –CH-группы ПВКЛ:

Полимеризация ВИ в присутствии ПВКЛ-ОПЦ-агента протекает со значительным индукционным периодом продолжительностью не менее 16 ч, что часто наблюдается в RAFT/MADIX-процессах [23]. Особенностью исследуемого синтеза диблок-сополимеров является ограниченная конверсия мономера. Максимальная конверсия ВИ, достигнутая за 24 ч при использовании ПВКЛ₆₂ в качестве макро-ОПЦ, составила 30–31% ((ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D и (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D). Более того, предельная конверсия ВИ снижалась с увеличением длины цепи макро-ОПЦ-агента, так что при использовании ПВКЛ₂₀₉ через 24 ч конверсия стала 23% (сополимер (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₃)_D). Как видно из сравнения сополимеров (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₃)_D и (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₀)_D, увеличение продолжительности полимеризации ВИ с 24 до 46 ч не влияет на конверсию мономера и, следовательно, на состав образующихся диблок-сополимеров. Дальнейшее повышение молярной массы макро-ОПЦ-агента M_n(ЯМР) до 35.5 × 10³ (ПВКЛ₂₅₅) привело к снижению конверсии ВИ до величины не более 1%. Полимеризацию ВИ в присутствии ПВКЛ₂₅₅ проводили при концентрациях ДАК от 1.5 до 2.0 × × 10^–2 моль/л в течение 3–24 ч. Во всех случаях содержание звеньев ВИ в продуктах реакции не превышало 1 мол. %. В табл. 2 в качестве примера показаны условия получения и характеристики сополимера (ВКЛ₂₅₅ВИ₃)_D.

Для сравнения мы провели серию полимеризаций ВИ с использованием ПВКЛ₂₀₉ в качестве макро-ОПЦ-агента в слабо полярном ТГФ (ε = = 7.4), в водной среде (ε = 81.0) и в смесях ТГФ : : вода (примерно 50 : 50 мол. %). Использование водных сред для получения полимеров вместо летучих органических растворителей считается предпочтительным с точки зрения защиты окружающей среды. Обнаружено, что природа реакционной среды практически не повлияла на состав ПВКЛ–блок–ПВИ сополимеров (табл. 3). Содержание звеньев ВИ в любом продукте оставалось равным 15 ± 2%.

Одной из возможных причин наблюдаемого замедления скорости полимеризации ВИ при повышении молярной массы ПВКЛ-ОПЦ-агентов, а также обнаруженного ограничения конверсии ВИ в каждом из использованных растворителей может быть ассоциативное поведение ПВКЛ-ОПЦ-агентов и сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ в среде полимеризации. Чтобы получить представление о возможных структурных превращениях в реакционных средах, была проведена серия модельных экспериментов методом динамического рассеяния света (ДРС). Разбавленные растворы (2 мг/мл) ПВКЛ и сополимеров (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₃)_T и (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D были приготовлены в растворителях, использованных для полимеризации ВИ, и проанализированы с помощью ДРС. В полярном органическом растворителе ДМФА мы наблюдали молекулярно-дисперсный раствор исходного ПВКЛ-ОПЦ-агента и частично агрегированные растворы сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ как при 25, так и при 55°C (Дополнительные материалы, рис. S5 ). Диблок-сополимеры оказались не растворимы как в ТГФ, так и в TГФ : H₂O (50 : 50 мол. %), т.е. в средах, которые являются нерастворителями также для ПВИ при комнатной и при повышенной температурах. ПВКЛ-ОПЦ-агент, напротив, молекулярно растворим в этих средах. В чистой воде ПВКЛ и сополимеры ПВКЛ–блок–ПВИ были частично агрегированы в разбавленных растворах при 25°C и подвергались фазовому разделению при температуре выше 40°C, как будет показано в следующем разделе. Таким образом, все использованные растворители приводят к той или иной негомогенности при переходе от исходного ПВКЛ к диблок-сополимеру, что свидетельствует в пользу предположения о микрогетерогенности реакционной системы. Понятно, что состав модельных растворов в экспериментах ДРС не идентичен средам полимеризации: концентрация полимеров при RAFT/MADIX-полимеризации ВИ была примерно на два порядка выше, дополнительно присутствовало некоторое количество мономера ВИ. В связи с этим анализ структуры реакционной массы и ее взаимосвязи с ограничениями процесса полимеризации должен стать предметом специального исследования.

Температурно-индуцированная самосборка в разбавленных водных растворах ПВКЛ и сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ. Исследование методом рассеяния света

В этом разделе мы рассмотрим температурно-индуцированную самосборку синтезированных выше ПВКЛ и диблок-сополимеров и природу их структурной перестройки. Температурно-чувствительное поведение ПВКЛ и диблок-сополимеров изучали в водных и водно-солевых буферных растворах с использованием метода СРС-ДРС.

Прежде всего проанализируем влияние длины блоков ПВКЛ и ПВИ, а также состава растворителя на температуру фазового перехода, которая оценивается по точке помутнения T_cp. Эти значения для ПВКЛ и приготовленных на их основе диблок-сополимеров приведены в табл. 4, примеры кривых интенсивности рассеяния показаны на рис. 4а и 5а. Значения T_cp как ПВКЛ, так и диблок-сополимеров уменьшаются с увеличением концентрации раствора, что характерно для левой ветви бинодали. Как видно из табл. 4, зависимость T_cp от молекулярной массы для ПВКЛ демонстрирует тенденцию к снижению при увеличении M_n в соответствии с закономерностями поведения систем с НКТС первого типа. Существенное снижение T_cp наблюдали при переходе от ПВКЛ₂₉ к ПВКЛ₆₂, дальнейшее увеличение длины цепи от ПВКЛ₆₂ до ПВКЛ₂₀₉ лишь незначительно изменяет T_cp. Ранее неоднократно отмечалось, что концевые группы, являющиеся фрагментами ОПЦ-агентов, могут оказывать влияние на термочувствительное поведение короткоцепных полимеров с НКТС [36–39]. Так, было показано, что высоко гидрофобные трифенилметильные, октадецильные или бензильные концевые группы приводят к обратной молекулярно-массовой зависимости T_cp (ее повышению при увеличении M_n) [37, 40, 41]. Видно, что гидрофобность концевых групп, возникших от использованного в нашей работе ЭКЭБ, не настолько велика, чтобы изменить нормальное направление молекулярно-массовой зависимости T_cp, но она может ослабить эту зависимость, снизив T_cp наиболее коротких цепей.

Рис. 4.

Температурные зависимости интенсивности рассеянного света (a) и гидродинамического радиуса рассеивающих частиц (агрегатов) (б) в растворах ПВКЛ₆₂ (1), (ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D (2), и ВКЛ₆₂П(ВКЛ–co–ВИ) (3) в 0.05 M ТРИС/HCl, pH 7.4, концентрация 1 мг/мл. Здесь и на рис. 5 на вставке показано изменение интенсивности рассеянного света в крупном масштабе.

Как видно из табл. 4 и рис. 4a, значения T_cp диблок-сополимеров на основе ПВКЛ₆₂ на 1–2 градуса выше по сравнению с ПВКЛ, из которых они были получены. В случае более длинного ПВКЛ-блока не обнаружено различия в T_cp между ПВКЛ и диблок-сополимером. Увеличение длины ПВИ блока в паре (ВКЛ₆₂-ВИ₂₀)_D и (ВКЛ₆₂-ВИ₁₀)_D не привело к изменению T_cp. Сравнение значений T_cp ряда диблок-сополимеров, определенных в разных растворителях, показывает, что эта температура зависит от состава растворителя, изменяясь в ряду вода ≥ ТРИС/HCl ≥ KH₂PO₄/Na₂HPO₄. Такое различие согласуется с литературными данными о дестабилизирующем действии солей на ПВКЛ-гидратный комплекс [42], где показано, что анион H₂P${\text{O}}_{4}^{ - }$ является наиболее сильным дестабилизирующим агентом.

Рассмотрим более подробно температурно-индуцированную самосборку в растворах ПВКЛ и диблок-сополимеров с использованием подхода СРС-ДРС. На вставках на рис. 4а, 5а видны двухступенчатые изменения интенсивности рассеяния, характерные для всех исследованных ПВКЛ и диблок-сополимеров (дополнительные примеры приведены на рис. S6 ). Первая стадия ограниченного роста интенсивности рассеяния ниже T_cp и выше θ-температуры ПВКЛ сопровождается ростом R_h рассеивающих частиц (рис. 4б, 5б). При концентрации c ≥ 1 мг/мл (рис. 4б) при всех температурах использовали значения R_h агрегатов, при более низкой концентрации, 0.25 мг/мл (рис. 5б), до первой стадии роста интенсивности агрегации не было обнаружено, и в этой области температур на графике используются R_h макромолекул. При температурах T_cp наблюдался резкий рост значений R_h, который сменялся их уменьшением (рис. 4б, 5б) одновременно с дальнейшим увеличением интенсивности рассеяния. Это уменьшение можно объяснить несколькими причинами: уплотнением агрегирующихся частиц и явлением множественного рассеяния света в опалесцирующих системах и/или постепенным осаждением более тяжелых частиц.

Рис. 5.

Температурные зависимости интенсивности рассеянного света (a) и гидродинамического радиуса рассеивающих частиц (б) в растворах (ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D (1) и (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D (2) в 0.05 М KH₂PO₄/Na₂HPO₄, рН 7.0, концентрация 0.25 мг/мл.

Распределения интенсивности рассеяния по размеру частиц, представленные на рис. 6 и 7, иллюстрируют структурные превращения в растворах при разной температуре: при 25°C; при температуре, соответствующей первой стадии структурного превращения ниже T_cp; и выше T_cp. При 25°C распределение по размерам бимодально и состоит из двух мод, относящихся к отдельным макромолекулам и их агрегатам, значения R_h которых различаются примерно в 10–30 раз. Значения R_h, соответствующие разным модам, и отношения интенсивностей рассеяния от макромолекул и агрегатов A^mol/A^agg показаны в табл. 5. (Распределение по размерам для ПВКЛ₂₉ при 25°C не может быть измерено из-за слишком низкой интенсивности рассеяния в растворах этого короткоцепного полимера.) Следует отметить, что, учитывая большую разницу в размерах макромолекул и агрегатов, массовая доля агрегатов w^agg, вклад которых в интенсивность рассеяния высок, может быть очень малой, поскольку интенсивность рассеянного света связана с размером частиц соотношением I ~ w × R^a, где 1 < a ≤ 3 в зависимости от структуры частиц.

Рис. 6.

Распределение по размерам рассеивающих частиц ПВКЛ₆₂ в 0.05 M ТРИС/HCl, pH 7.4, в зависимости от температуры: 1 – при 25°C; 2 – в области глобулярных агрегатов при 36°С; 3, 4 – вблизи температуры фазового расслоения 40 (3) и 44°C (4). Концентрация 1 мг/мл.

Рис. 7.

Распределение по размерам рассеивающих частиц диблок-сополимера (ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D в 0.05 M ТРИС/HCl, pH 7.4, в зависимости от температуры: 1 – при 25°С; 2 – в области глобулярных агрегатов при 36°С; 3, 4 – вблизи температуры фазового расслоения 40 (3) и 44°C (4). Концентрация 1 мг/мл.

Отметим, что тенденция к частичной агрегации в разбавленных растворах ПВKЛ, ПНИПА и других полимеров с НКТР и их блок-сополимеров при комнатной температуре не является уникальной особенностью наших объектов и часто наблюдалась ранее [39, 43–45]. Для довольно короткоцепных полимеров это объясняли влиянием гидрофобных концевых групп [39, 43]. Если мы сравним отношения A^mol/A^agg для образцов ПВКЛ с разной длиной цепи (ПВКЛ₆₂ и ПВКЛ₂₀₉, табл. 5), мы увидим, что в случае более длинной цепи ПВКЛ вклад агрегатов в рассеяние света меньше. Это позволяет предположить влияние этилбензольных групп от ЭКЭБ на гидрофобно-гидрофильный баланс макромолекул. Сравнивая агрегационное поведение ПВКЛ и диблок-сополимеров при комнатной температуре, мы видим, что для диблок-сополимеров радиусы $R_{h}^{{mol}}$ несколько меньше, чем для соответствующих ПВКЛ (табл. 5, ПВКЛ₆₂ и (ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D, ПВКЛ₂₀₉ и (ВКЛ₂₀₉ВИ₄₃)_T в ТРИС-буфере). Данная особенность может быть, предположительно, связана с термодинамической несовместимостью между двумя водорастворимыми блоками, что приводит к более компактной конформации блок-сополимера. Подобная интерпретация была предложена в работах [44, 46, 47], где изучалось поведение растворов двойных гидрофильных диблок-сополимеров ПЭО–блок–ПВКЛ.

На первой переходной ступени ниже точки помутнения резко уменьшается вклад макромолекул в рассеяние, уменьшаются также значения $R_{h}^{{mol}}$ по сравнению с комнатной температурой (табл. 5, рис. 6 и 7). В то же время мы наблюдаем увеличение $R_{h}^{{agg}}$. Все это указывает на сжатие частично дегидратированных цепей ПВКЛ в окрестности НКТС и дополнительную агрегацию коллапсированных цепей и агрегатов до достижения баланса между взаимным притяжением и стерической стабилизацией за счет гидрофильных сегментов, расположенных на внешней поверхности частиц. Подобные полимолекулярные объекты обычно называют мезоглобулами, и они сосуществуют в разбавленных растворах с коллапсированными молекулярными глобулами [11].

Для получения более подробной информации о структуре рассеивающих частиц и их конформационных превращениях для нескольких диблок-сополимеров были определены размеры агрегатов R_g, R_h, экстраполированные на нулевой угол, и фактор асимметрии R_g/R_h при выбранных температурах ниже температуры первого перехода (25°C) и на первой ступени роста интенсивности рассеяния ниже T_cp (табл. 5). Поскольку размер макромолекул с относительно низкой молярной массой слишком мал по сравнению с длиной волны света, невозможно оценить конформации макромолекул и их изменения с использованием значений R_g/R_h. В связи с этим при анализе происходящих в системе изменений, в основном, используются данные о различных размерных характеристиках супрамолекулярных частиц. В отличие от первичных агрегатов при 25°C в области переходных температур супрамолекулярные частицы характеризуются увеличенными размерами и более компактной структурой с коэффициентом асимметрии R_g/R_h ≤ 1. Кроме того, не обнаружено угловой зависимости кажущихся значений R_h, что характерно при больших размерах (R_g ≈ q^–1) только для сферических частиц. Полученные данные свидетельствуют о конформационной перестройке, приводящей к образованию более компактных мезоглобул, близких по характеристикам к твердой сфере. Этот процесс сопровождается дополнительной агрегацией, которая проявляется в увеличении размера частиц, росте значений кажущейся молярной массы ($M_{w}^{{app}}$, табл. 5) и в существенном уменьшении вклада макромолекул в рассеяние света. Этот процесс агрегации и структурной перестройки обратим, т.е., при охлаждении раствора его характеристики приближаются к исходным, но не совпадают полностью. Такая тенденция связана с известным влиянием кинетического фактора на образование и распад мезоглобул [11].

Определенные нами структурные характеристики мезоглобул диблок-сополимеров в переходной области температур ниже T_cp согласуются с ранее опубликованными В. Асеевым с соавторами [15]. Детальная структурная характеристика мезоглобул ПНИПА, ПВКЛ и поливинилметилового эфира была проведена методом СРС-ДРС. Было показано, что эти три полимера образуют аналогичные стабильные приблизительно сферические агрегаты с фактором асимметрии R_g/R_h около 0.77, которые характеризуются сложной пенообразной морфологией и фрактальной размерностью D_f = 2.7.

Явления перехода клубок–глобула в сильно разбавленных растворах высокомолекулярных ПНИПА и ПВКЛ вблизи θ-точки, предшествовавшее фазовому разделению [48–52], а также явление температурно-индуцированного образования мезоглобул в сильно разбавленных растворах термочувствительных полимеров и блок-сополимеров неоднократно наблюдались ранее [15, 21, 33, 53–55] и обосновывались теоретически [11–13]. А именно, двухступенчатое поведение термочувствительных блок-сополимеров на основе ПВКЛ и второго блока, состоящего из статистического сополимера с гидрофильным сомономером N-винилпирролидоном или N-метил-N-винилацетамидом, наблюдали методами рассеяния света и турбидиметрии в работах [53, 54]. Температура первого перехода в мицеллярный раствор T_cp1 была близка к T_cp блока ПВКЛ и выглядела как ступенчатое повышение интенсивности рассеяния и переход от частично агрегированного раствора с рыхлыми агрегатами к мицеллярным системам с более компактными частицами, а вторая точка помутнения T_cp2, которая проявлялась в виде резкой потери светопропускания, была близка к T_cp сополимера, из которого был приготовлен диблок-сополимер. Спектры ЯМР ¹H подтвердили частичную дегидратацию ПВКЛ блока выше T_cp1.

Основное отличие наших результатов от результатов цитируемых работ состоит в следующем: мы наблюдали двухступенчатый структурный переход не только для диблок-сополимеров, но и для растворов ПВКЛ, причем температура первого перехода в мезоглобулярный раствор во всех случаях была ниже T_cp ПВКЛ блока, но близка к θ-температуре ПВКЛ.

Поведение в растворах, сходное в главных чертах с обнаруженным нами, было описано в работе [44] для сополимера ПЭО₄₄ПНИПА₉₅, полученного ОПЦ-полимеризацией. При комнатной температуре разбавленные растворы диблок-сополимеров были частично агрегированы. Постепенное увеличение кажущейся величины M_w начиналось вблизи θ-температуры ПНИПА, оно сменялось резким ростом M_w при T_cp (42°C). На этой переходной стадии структурная перестройка сопровождалась резким уменьшением размеров агрегатов и постепенным уменьшением фактора асимметрии R_g/R_h, который в итоге выше T_cp достиг значений, характерных для сферических частиц. В качестве основного фактора, определяющего указанные особенности, авторы обсуждали несовместимость между блоками ПНИПА и ПЭО. Такая интерпретация согласуется с результатами, приведенными в работе [47], где сочетание флуоресцентной спектроскопии с пиреном в качестве зонда, малоуглового рассеяния нейтронов и ДРС было использовано для изучения диблок-сополимеров ПНИПА–блок–ПЭГ. Авторы пришли к выводу, что даже в области температур ниже НКТР блока ПНИПА вода начинает вести себя как селективный растворитель для блока ПЭГ, а перераспределение гидратирующей воды от блоков ПНИПА к блокам ПЭГ приводит к сжатию первых и микрофазовому разделению. В работе [46] ИК-фурье-спектроскопия в сочетании с корреляционным анализом привели к аналогичному выводу для сополимера ПЭО–блок–ПВКЛ: гидрофильная оболочка ПЭО играет роль водопоглощающего губчатого слоя и улавливает вытесненную воду из ядра ПВКЛ.

В некоторых публикациях ступенчатая самосборка диблок-сополимеров под действием температуры объяснялась влиянием концевых групп. Например, в работе [43], сополимер C12–ПЭО–блок–ПНИПА с довольно короткими блоками продемонстрировал две ступени на кривых интенсивности рассеяния света в противоположность диблок-сополимеру с длинным блоком ПНИПА из-за влияния C12-алкильной концевой группы. Такой вывод был подтвержден путем расщепления данной группы. С этой точки зрения, для исследованных в нашей работе полимеров, имеющих не очень высокую степень полимеризации, влияние концевых групп на их специфические структурные особенности представляется вполне реалистичным.

Об уникальном примере сложного влияния концевых групп термочувствительного α,ω-гидрофобно модифицированного ПНИПА недавно сообщалось в работе [40] по данным метода высокочувствительной ДСК. Было установлено, что в отличие от α,ω-ди-н-октадецил-ПНИПА растворы α,ω-гидрофобно модифицированного ПНИПА с полициклическими концевыми группами имеют бимодальные термограммы.

При рассмотрении поведения ПВКЛ и его производных полезно учитывать, что термочувствительное поведение ПВКЛ отличается большей сложностью по сравнению с ПНИПА из-за его неспособности к самоассоциации посредством водородных связей, а также его пониженной конформационной подвижности. Отличительной особенностью этого полимера является широкая температурная область фазового перехода по сравнению с ПНИПА, что хорошо известно из исследований методом ДСК. В работе [56] методом высокочувствительной ДСК выявлено непрерывное изменение гидратной структуры ПВКЛ в предпереходной области, которое было интерпретировано как некооперативное образование гидрофобного ядра макромолекул. Анализ методом ИК и двумерной корреляционной спектроскопии, выполненный в работе [57] привел к выводу, что мезоглобулы ПВКЛ могут образовывать “губчатую” структуру, которая при дальнейшем повышении температуры может непрерывно выталкивать молекулы воды. Своеобразный двухступенчатый характер фазового перехода наглядно проявился при изучении методом калориметрии баровозмущений (pressure perturbation calorimetry) [58]. Было показано, что коэффициент теплового расширения резко уменьшается в начале фазового перехода, затем проходит через максимум и далее непрерывно уменьшается с ростом температуры. Эти особенности ПВКЛ должны влиять на свойства его производных, в том числе диблок-сополимеров.

Резюмируя, можно сказать, что на наблюдаемые в нашей работе явления температурно-индуцированного перехода клубок–глобула и фазового расслоения ПВКЛ и его диблок-сополимеров, по-видимому, оказывают влияние все факторы молекулярного строения включая концевые группы, природу и длину разных блоков, а также условия внешней среды. Следовательно, эти явления интересны для дальнейшего исследования различными методами, такими как высокочувствительная ДСК и калориметрия баровозмущений.

Каталитические свойства сополимеров ПВКЛ–блок–ПВИ

Как было показано во многих предыдущих исследованиях, имидазолсодержащие полимеры способны катализировать реакции гидролиза сложных эфиров. Идея управления каталитической активностью сополимеров, содержащих имидазол, основана на способности термочувствительных полимеров и сополимеров изменять свои конформации в ответ на изменение температуры. Ранее [28] мы сообщали, что скорость гидролиза НФП

в водной среде в присутствии сополимеров ВКЛ₂₉ВИ₁₃ и ВКЛ₂₉ВИ₂₉ увеличивается с температурой и демонстрирует отклонение от графика Аррениуса вблизи температуры разделения фаз. Подобные отклонения наблюдались для сополимеров ПНИПА–блок–ПВИ в работе [21].

Обнаруженные с помощью СРС-ДРС термоиндуцированные структурные и конформационные перестройки синтезированных диблок-сополимеров позволили предположить повышение их каталитической активности в реакциях с участием амфифильных органических веществ в области температур, предшествующей фазовому разделению (область мезоглобул).

Скорость реакции гидролиза НФП изучали при различных концентрациях сополимеров (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D и (ВКЛ₆₂ВИ₁₀)_D в ТРИС-буфере pH 7.4 и сравнивали со скоростью реакции в отсутствие катализатора. Графики скорости в координатах Аррениуса показаны на рис. 8 и рис. S7 (Дополнительные материалы). Наблюдается резкое увеличение скорости реакции при температурах около 30–35°C, совпадающих с областью конформационных перестроек диблок-сополимеров, обнаруженных с помощью метода СРС-ДРС. Результаты линейной аппроксимации этих графиков с коэффициентами корреляции от 0.54 до 0.89 подтверждают нелинейный тип данной зависимости, тогда как холостой эксперимент без какого-либо катализатора показывает высокую корреляцию линейного графика (коэффициент корреляции 0.993).

Рис. 8.

Зависимость скорости гидролиза НФП от обратной температуры в отсутствие (1) и в присутствии сополимера (ВКЛ₆₂ВИ₂₀)_D при концентрации ВИ-звеньев 0.29 (2), 057 (3), 1.38 (4) моль/л в 0.05 ТРИС/HCl, рН 7.4.

Наблюдаемое в нашей работе резкое увеличение каталитической активности диблок-сополимеров в температурном диапазоне, предшествующем температуре фазового разделения, во многом аналогично особенностям, описанным ранее в работе [10], где каталитические свойства статистических сополимеров П(НИПА–ВИ) и П(ВКЛ–ВИ) в реакции гидролиза п-нитрофенилацетата были изучены в среде вода : 2-пропанол (9 : 1 по объему) при температурах, близких к НКТР сополимеров. Резкое увеличение скорости реакции и резкое отклонение от графика Аррениуса наблюдалось в области температур, которая характеризовалась образованием агрегатов радиусом R_h около 100–200 нм. Статистический анализ кривых скорости в соответствии с линейной моделью показал довольно низкую корреляцию (коэффициенты корреляции 0.94–0.95), тогда как и для 1-метилимидазола, и для ПВИ коэффициенты корреляции были близки к 0.99. Кроме того, в цитируемой работе был проведен анализ скорости реакции в зависимости от концентрации субстрата, и было обнаружено, что результаты успешно описываются кинетикой типа Михаэлиса–Ментен. Такой тип кинетики характерен для ферментативного катализа, который протекает с образованием комплекса катализатор–субстрат.

В нашей работе не исследовались зависимости от концентрации субстрата, но значительное увеличение каталитической активности одновременно с резким отклонением от графика Аррениуса в температурной области мезоглобул может указывать на пониженную энергию активации из-за специфической координации молекул поверхностно-активных субстратов на границе ядро–оболочка мономолекулярных или супрамолекулярных наночастиц диблок-сополимеров. Дополнительным фактором повышения каталитической активности является концентрирование поверхностно-активного субстрата вблизи высокоразвитой границы ядро-оболочка внутри частиц диблок-сополимера.