Высокомолекулярные соединения (серия Б), 2022, T. 64, № 6, стр. 459-470

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к созданию полимерных форм лекарственных веществ, использующихся в качестве активных фармацевтических ингредиентов в составе лекарственных средств, не угасает на протяжении нескольких десятилетий. Данное направление выделилось в самостоятельную область на стыке химии высокомолекулярных соединений, медицины и биологии. Обычно идею совмещения уникальных свойств полимеров и низкомолекулярных лекарственных веществ связывают с именами H. Ringsdorf [1, 2] и J. Kopeček [3, 4], относя зарождение целенаправленного использования полимеров для улучшения характеристик лекарственных веществ к 70-м годам XX в. Однако впервые это направление было сформулировано С.Н. Ушаковым на десятилетия ранее [5]. Действенность такого подхода обусловлена пролонгированием действия лекарственных веществ, связанных тем или иным способом с полимерной матрицей, что обеспечивает терапевтическую концентрацию в крови в течение долгого периода времени (до суток), избавляет от передозировок, характерных при приеме низкомолекулярных форм лекарственных веществ, часто снижает токсический эффект и открывает возможности для направленного транспорта лекарственных веществ в определенные органы или ткани [6]. В качестве матриц для создания таких водорастворимых систем известны сополимеры N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта [7]. Новые синтетические возможности для решения разнообразных задач, в том числе для создания полимеров медико-биологического назначения определенной архитектуры и с заданными молекулярно-массовыми характеристиками, открылись с разработкой методов контролируемой радикальной полимеризации, в частности полимеризации с обратимой передачей цепи по механизму присоединения‒фрагментации (ОПЦ-полимеризация). Механизм, особенности и возникающие на пути реализации трудности ОПЦ-полимеризации в полной мере описаны в обзорах G. Moad, E. Rizzardo и S.H. Thang [8, 9] и двух монографиях [10, 11]. Применительно к сополимерам N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта, прекурсором которых являются сополимеры N-винилсукцинимида (ВСИ) с винилацетатом (ВА), ОПЦ-полимеризация представляет особый интерес, так как позволяет решить одновременно несколько проблем. Прежде всего это вопрос композиционной неоднородности, характерной для сополимеров, получающихся из разноактивных мономеров, к которым относятся ВСИ и ВА. Другим достоинством является возможность синтеза полимеров с заданной величиной молекулярной массы и узким молекулярно-массовым распределением, что является ключевым требованием для прохождения гистогематического барьера организма [12]. При применении полимеров в составе лекарственных средств их постепенное, но полное выведение из организма обеспечивается ограничением по молекулярной массе, которая не должна превышать нескольких десятков тысяч [7], например 25 × 10³ для гиалуроновой кислоты [13], однако пороговые значения могут достигать и (30–50) × 10³ в зависимости от гибкости и архитектуры цепи [12]. Кроме того, применение ОПЦ-полимеризации позволяет избежать ряд технологических трудностей. При проведении гомо- и сополимеризации ВСИ в массе мономера кинетика является неконтролируемой, характеризуется ярко выраженным гель-эффектом и часто является причиной получения сшитых, не растворимых ни в одном из растворителей продуктов [14, 15]. Аналогичная проблема существует и в радикальной полимеризации ВА, осложняющаяся еще реакцией передачи цепи на мономер [16, 17]. Эффективный контроль, обеспечиваемый агентом ОПЦ, снижает или даже подавляет гель-эффект, уменьшает роль процессов передачи цепи на полимер, являющихся причиной сшивки [18]. Отдельный вопрос ‒ выбор агента ОПЦ. В настоящей работе в этом качестве использован дибензилтритиокарбонат (БТК), проявивший себя эффективным ОПЦ-агентом в полимеризации широкого ряда винильных мономеров и, в частности, в гомополимеризации ВСИ [19]. Другим важным его достоинством является доступность и относительная простота получения.

Цель настоящей работы – изучение сополимеризации N-винилсукцинимида с винилацетатом в присутствии БТК в условиях обратимой передачи цепи по механизму присоединение‒фрагментация с целью получения на их основе водорастворимых сополимеров N-виниламидоянтарной кислоты с виниловым спиртом, способных к связыванию низкомолекулярных лекарственных веществ, использующихся в качестве активных фармацевтических ингредиентов в составе лекарственных средств.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

N-винилсукцинимид синтезировали по методике, описанной в работе [20], очистку проводили путем трехкратной перекристаллизации из раствора в изопропиловом спирте (T_пл = 48.5°С, $n_{D}^{{50}}$ = 1.5020), выход 46%. ЯМР ¹H (400.13 Гц, ДМСО-d₆): δ = 2.66 (4H, с), 5.02 (1H, д, J = 9.78 Гц), 5.95 (1H, д, J = 16.38 Гц), 6.64 (1H, дд, J = 16.38, 9.78 Гц). Винилацетат перед полимеризацией дважды перегоняли (T_кип = 72°С): ЯМР ¹H (400.13 Гц, ДМСО-d₆): δ = 2.13 (3H, s), 4.64 (1H, дд, J = 6.32, 1.47 Гц), 4.89 (1H, дд, J = 13.94, 1.47 Гц), 7.21 (1H, дд, J = 13.94, 6.32 Гц). Дибензилтритиокарбонат синтезировали по методике [21]. Выход БТК, представляющего собой кристаллическое вещество желтого цвета, составлял 83.6%. Идентификация по спектру ЯМР ¹H (400.13 МГц, 25°C, CDCl₃) δ, м.д.: 4.69 (4H CH₂, с), 7.28‒7.42 (10H, Ar, м). ДАК дважды перекристаллизовывали из этанола при 50 ± 2°C, и сушили в вакууме при 20°C (T_пл = 104°C). ДМФА и ДМСО (оба – х.ч., Акционерное общество “Вектон”) перед использованием перегоняли в вакууме. NaOH (98%), ч.д.а., KOH (86%), х.ч. (оба – Общество с ограниченной ответственностью “НеваРеактив”), диэтиловый эфир (ч.д.а., Общество с ограниченной ответственностью “Кузбасоргхим”), дейтерированный диметилсульфоксид и дейтерированный хлороформ, 99.5% (оба – Cambridge Isotope Laboratories), LiBr, ≥ 99% (“Sigma Aldrich”, номер продукта 73036), катионит КУ-2-8, H⁺-форма (Общество с ограниченной ответственностью Производственное объединение “ТОКЕМ”), ремантадина хлоргидрат и тримекаина хлоргидрат (оба – Акционерное общество “Oлайнфарм”), сухой питательный агар (ГРМ-АГАР, Aкционерное общество “ЛенРеактив”, код товара 013057) использовали без дополнительной подготовки. Дистиллированную воду получали на бидистилляторе “Steuergerat purator-bi” (“Kombinat Technisches Glas”, Ilmenau).

Контролируемый синтез сополимеров ВСИ с ВА при содержании ВСИ 25 мол. % в мономерной смеси и разной концентрации агента ОПЦ проводили в массе мономеров при 70°С в течение 72 ч в стеклянных ампулах объемом 10 см³, где создавали инертную атмосферу Ar путем проведения трехкратного цикла замораживание–вакуумирование–размораживание–заполнение Ar. Использовали следующие загрузки: ВСИ 1.50 г, ВА 3.19 г, БТК 0.0025 г (1.8 × 10^–3 моль/л), ДАК 0.0007 г (8.6 × 10^–4 моль/л), выход сополимера 67%, содержание звеньев ВСИ 34.8 мол. %; ВСИ 1.50 г, ВА 3.22 г, БТК 0.0065 г (4.5 × 10^–3 моль/л), ДАК 0.0007 г (8.6 × 10^–4 моль/л), выход сополимера 50%, содержание звеньев ВСИ 45.8 мол. %; ВСИ 1.50 г, ВА 3.22 г, БТК 0.0127 г (8.8 × 10^–3 моль/л), ДАК 0.0007 г (8.6 × 10^–4 моль/л), выход сополимера 35%, содержание звеньев ВСИ 50.6 мол. %. По окончании полимеризации реакционную массу растворяли в 1,4-диоксане и дважды осаждали в воду, сушили в вакууме при 60°С до постоянной массы.

Классическую сополимеризацию ВСИ с ВА в ДМСО ([ДАК] = 2.0 × 10^–2 моль/л) при разном составе мономерной смеси проводили в стеклянных ампулах, как описано выше, при 70°С в течение 72 ч. Использовали следующие загрузки: для исходной смеси мономеров состава ВСИ : ВА = = 25 : 75 мол. %, ВСИ 0.161 г, ВА 0.355 г, ДАК 0.0026 г, ДМСО 0.280 г (выход сополимера 41%, содержание звеньев ВСИ 29.0 мол. %); для эквимолярного состава брали ВСИ 0.296 г, ВА 0.209 г, ДАК 0.0033 г, ДМСО 0.5552 г (выход сополимера 51%, содержание звеньев ВСИ 49.3 мол. %); для состава 75 : 25, ВСИ 0.408 г, ВА 0.108 г, ДАК 0.0039 г, ДМСО 0.7625 г (выход сополимера 58%, содержание звеньев ВСИ 59.7 мол. %). По окончании полимеризации сополимер дважды переосаждали из раствора в ДМСО в воду, сушили в вакууме при 80°С до постоянной массы.

Контролируемый синтез сополимеров ВСИ с ВА при разном составе мономерной смеси проводили в стеклянных ампулах, как описано выше, в массе мономеров при 70°С ([ДАК] = 1 × 10^–3 моль/л, [БТК] = 5 × 10^–3 моль/л) в течение 1, 2.5 и 4 ч. Использовали следующие загрузки: для исходной смеси мономеров состава ВСИ : ВА = 25 : 75 мол. %, ВСИ 2.96 г, ВА 6.12 г, БТК 0.0126 г, ДАК 0.0015 г; для состава 50 : 50, ВСИ 5.92 г, ВА 4.08 г, БТК 0.0145 г, ДАК 0.0018 г; для состава 75 : 25, ВСИ 8.88 г, ВА 2.05 г, БТК 0.0162 г, ДАК 0.0018 г. По окончании полимеризации реакционную массу растворяли в диоксане и дважды осаждали в воду, сушили в вакууме при 60°С до постоянной массы.

Спектры ЯМР ¹H регистрировали на спектрометре “Bruker Avance III” с рабочей частотой на ядрах ¹Н 400 МГц. Мониторинг сополимеризации ВСИ и ВА проводили при 70°С в специальной ампуле для ЯМР, предназначенной для дегазации/вакуумирования производства WILMAD. В ампуле создавали атмосферу Ar. За начало полимеризации принимали момент через 4 мин после опускания ампулы в нагретую измерительную ячейку. Использовали следующие загрузки: для мономерной смеси, содержащей 50 мол. % ВСИ: ВСИ 0.045 г, ВА 0.031 г, БТК 0.0012 г, ДАК – 0.1 мл раствора ДАК (0.0012 г) в 1 мл ДМСО-d₆; для смеси, содержащей 62.5 мол. % ВСИ: ВСИ 0.105 г, ВА 0.043 г, БТК 0.0020 г, ДАК – 0.2 мл раствора ДАК (0.0012 г) в 1 мл ДМСО-d₆; для смеси, содержащей 75 мол. % ВСИ: ВСИ 0.131 г, ВА 0.030 г, БТК 0.0020 г, ДАК – 0.2 мл раствора ДАК (0.0012 г) в 1 мл ДМСО-d₆.

Для расчета текущих концентраций ВСИ, ВА и БТК производили интегрирование всего спектра от 7.6 до 0 м.д., и этот интеграл нормировали на единичную площадь. Далее по изменению интенсивностей сигналов винильных протонов мономеров и бензильных протонов БТК по отношению к интенсивностям в исходном спектре до начала реакции определяли конверсию мономеров и БТК. Для перехода к мольным концентрациям учитывали изменение объема реакционной смеси в ходе полимеризации. Это делали с использованием коэффициентов контракции мономеров при температуре синтеза. При этом упрощенно предполагали, что объем реакционной смеси является простой суммой объемов ее компонентов (мономеры, передатчик цепи и растворитель – ДМСО-d₆, вкладом инициатора пренебрегали). Объем каждого мономера при его конверсии q приближенно описывается линейной функцией

Здесь V₀ – объем мономера в исходной смеси, q – его конверсия, k – коэффициент контракции, определяемый на основании значений плотности мономера и полимера (k = (1/ρ_м ‒ 1/ρ_п)/(1/ρ_м)), где ρ_м и ρ_п – плотность мономера и полимера соответственно. Были использованы следующие значения k: 0.104 для ВСИ и 0.215 для ВА.

Сополимер N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта получали гидролизом сополимера-прекурсора 5%-ным водным раствором NaOH в течение 48 ч при комнатной температуре. От избытка щелочи сополимер очищали диализом, используя мешок с размером ячейки 1 кДа, затем лиофильно сушили. Полученную солевую форму сополимера N-виниламидоянтарная кислота(Na)‒виниловый спирт переводили в кислотную форму на ионообменной смоле КУ-2-8, взятой в количестве 10%-ного избытка к максимальному расчетному количеству звеньев N-виниламидоянтарной кислоты(Na). Сополимер N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта подвергали диализу и лиофильно сушили.

Бактерицидную активность сополимеров N-виниламидоянтарной кислоты с N-винилпирролидоном в виде водных растворов концентрацией 0.1, 0.01, 0.001 мг/мг H₂O исследовали классическим методом колодцев [22]. Для анализа бактерицидной активности использовали три суточные тест-культуры бактерий: грамотрицательные бактерии Escherichia coli и грамположительные бактерии Staphylococcus aureus и Bacillus cereus. Чистые культуры получали из музея культур кафедры технологии микробиологического синтеза Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) и выращивали в течение 1 суток на среде сухого питательного агара при 30°С. Суточные культуры засевали газоном на поверхность среды сухого питательного агара в чашки Петри, после чего в этой агаризованной среде делали колодцы стерильным сверлом. Затем колодцы полностью заполняли исследуемыми растворами полимеров. Опыт повторяли два раза для каждой концентрации сополимеров. Чашки, не переворачивая, помещали в термостат при 30°С на трое суток для роста тест-культур. Анализ бактерицидной активности проводили визуально по наличию (отсутствию) роста тест-культур на поверхности сухого питательного агара вокруг колодцев с исследуемыми сополимерами.

Получение ремантадина-основания и тримекаина-основания проводили из соответствующих хлоргидратов. Хлоргидрат суспендировали в дистиллированной воде и при перемешивании добавляли 1 М NaOH. При этом выделяли активный фармацевтический ингредиент-основание, система расслаивалась на нижний водно-щелочной слой и верхний органический. Целевой продукт экстрагировали диэтиловым эфиром, сушили от следов воды сухим KOH и выделяли отгонкой эфира при вакууме водоструйного насоса. Ремантадин перегоняли в вакууме при 100°С/2 мм. рт. ст. Тримекаин в виде плотного порошка сушили при 20°С/5 мм. рт. ст.

Состав сополимеров ВСИ с ВА определяли на основании данных о содержании в образцах азота. Элементный анализ осуществляли на автоматическом анализаторе марки Vario EL CHNOS Elementar Analyzer (“Elementar Analysensysteme GmbH”, ФРГ). Определяли содержание углерода, водорода, азота и серы. Проводили не менее трех определений для каждого образца. О погрешности определений судили по воспроизводимости результатов, которая составила ±0.1%.

Молекулярно-массовые характеристики сополимеров ВСИ и ВА, полученных полимеризацией в массе мономерной смеси, содержащей 25 мол. % ВСИ, при разной концентрации БТК и сополимеров ВСИ‒ВА, полученных классической сополимеризацией в ДМСО при разном составе мономерной смеси изучали методом ГПХ на хроматографе “Shimadzu” с рефрактометрическим детектированием с применением узкодисперсных полиметилметакрилатных стандартов (диапазон масс (1‒400) × 10³). Условия проведения: мобильная фаза – ДМФА с добавлением 0.1% LiBr, 40°C, скорость потока 0.7 мл/мин, предколонка Agilent PLgel 5 μm Guard 50 × 7.5 мм и 2 колонки Agilent PLgel 5 μm MIXED-D, 300 × 7.5 мм, 2‒400 × 10³.

ММР сополимеров ВСИ‒ВА, полученных в присутствии БТК при разном составе мономерной смеси, исследовали с помощью высокоэффективной эксклюзионной жидкостной хроматографии на хроматографическом комплексе “Knauer” семейства “Smartline” с рефрактометрическим и спектрофотометрическим детекторами на основе диодной матрицы, с применением узкодисперсных полистирольных стандартов (диапазон масс (1.8‒3100) × 10³). Условия проведения: мобильная фаза – 0.5 М раствор LiBr в ДМФА, 30°C, скорость потока 0.3 мл/мин, колонка PL gel MiniMix-B.

ИК-спектры получали на фурье-ИК-спектрометре “Tensor 37” фирмы “Bruker” с помощью приставки НПВО MIRacle фирмы “Pike” с кристаллом ZnSe с алмазным напылением. Спектры регистрировали в диапазоне 4000‒600 см^–1 с разрешением 2 см^–1 и усреднением по 32 сканированиям.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При полимеризации винильных мономеров в присутствии ОПЦ-агентов, в частности симметричных тритиокарбонатов, контроль над ММ-характеристиками достигается за счет реализации равновесия

      (I)

В результате происходит постоянный обмен полимерными радикалами P_n, P_m, P_k в макромолекулах, количество которых задается концентрацией агента ОПЦ. Равновесие определяется соотношением констант скоростей реакций присоединения $k_{{ad}}^{{''}}$ макрорадикалов по связи C=S и их отщепления $k_{{fr}}^{{''}}$ от радикального интермедиата. Когда макрорадикалы находятся в свободном состоянии, они, присоединяясь к молекулам мономеров, участвуют в росте цепи. Чем меньшее число новых звеньев успевает присоединиться к радикалу роста до перехода в “спящее” состояние макромолекулы, тем эффективнее контроль. Если не происходит нежелательных побочных реакций, то в результате образуется полимер с узким ММР.

Пара ВСИ и ВА относится к случаю мономеров, сильно различающихся по реакционной способности. В классической радикальной полимеризации это приводит к получению полимеров с ярко выраженной конверсионной композиционной неоднородностью. Ее можно избежать, осуществляя полимеризацию в режиме постепенной загрузки более активного мономера в ходе реакции. Контролируемая радикальная полимеризация предлагает более простой в практическом плане способ избежать такого существенного недостатка. В данном случае состав макромолекул непрерывно меняется вдоль цепи в течение всего времени проведения реакции макромолекул, тогда как между собой они отличаются в наименьшей степени.

Относительная реакционная способность ВСИ и ВА зависит от природы среды, поэтому константы сополимеризации являются константами только для определенных условий проведения процесса (растворитель, концентрация мономеров, инициатор, температура). Так, при сополимеризации в массе с использованием перекиси бензоила в качестве инициатора r_ВСИ = 5.10, r_ВА = 0.17 (65°С) [23], r_ВСИ = 6.05, r_ВА = 0.18 (60°С) [24], в этаноле с тем же инициатором r_ВСИ = 5.62, r_ВА = = 0.17 (70°С), в ДМСО с инициатором ДАК r_ВСИ = = 2.78, r_ВА = 0.04 (70°С, ВСИ : ДМСО = 1 : 3), r_ВСИ = 0.02, r_ВА = 0.82 (70°С, ВСИ : ДМСО = 1 : 14) [25], в воде с инициирующей системой NH₄S₂O₈‒Na₂SO₃r_ВСИ = 1.16, r_ВА = 0.02 (25°С) [26] и с инициирующей системой трисацетилацетонат марганца‒уксусная кислота r_ВСИ = 1.13, r_ВА = 0.30 (25°С) [27]. За исключением случая полимеризации в разбавленном растворе в ДМСО, ВСИ всегда проявляет бóльшую активность.

Для достижения достаточного контроля над молекулярно-массовыми характеристиками приходится учитывать по крайней мере два фактора. С повышением концентрации агента ОПЦ улучшается контроль, но увеличивается вероятность замедления полимеризации (вплоть до полного ингибирования), понижения предельно достижимого выхода полимера и ограничения по величине достижимой ММ. Наоборот, при уменьшении концентрации агента ОПЦ теоретически достижимая степень полимеризации, равная отношению суммарной концентрации мономеров к концентрации агента ОПЦ [ВСИ + ВА]/[БТК], увеличивается, но в ущерб качеству контроля. Гомополимеризация ВА в присутствии БТК сопряжена с рядом трудностей [28], связанных с низким качеством контроля ММ характеристик и ингибированием полимеризации при попытке увеличить концентрацию агента ОПЦ. По отношению к ВСИ дибензилтритиокарбонат, напротив, проявляет себя достаточно эффективным агентом ОПЦ (C_tr = 19) [19]. В связи с этим в присутствии ВСИ следует ожидать удовлетворительного качества контроля, как это наблюдалось при сополимеризации ВА с более активным бутилакрилатом (r_ВА = 0.01 и r_{бутилакрилат} = 5.38), когда закономерности процесса были близки к гомополимеризации БА [29].

Сополимеризация ВСИ с ВА в присутствии БТК при “неблагоприятном” составе исходной мономерной смеси, содержащей 75 мол. % ВА, приводит к получению полимеров, характеризующихся более узким ММР по сравнению с традиционной радикальной полимеризацией и молекулярной массой, зависящей от концентрации БТК (рис. 1). С повышением концентрации БТК хроматограммы сдвигаются в область меньших ММ, причем только при [БТК] = 8.8 × 10^–3 моль/л молекулярно-массовое распределение становится узким и унимодальным.

Основным признаком ОПЦ-полимеризации является увеличение ММ с конверсией мономеров. При ОПЦ-сополимеризации ВСИ с ВА в массе хроматограммы образцов, полученных при различной продолжительности полимеризации (табл. 1), сдвигаются в область бóльших значений ММ с увеличением конверсии мономеров (рис. 2), что также подтверждается значениями ММ, полученными из спектров ЯМР ¹H полимеров при сравнении интегральных интенсивностей сигналов, относящихся к фенильным протонам концевых бензильных групп и остальным протонам мономерных звеньев. Хроматограммы в основном унимодальны.

Кинетика сополимеризации ВСИ и ВА изучена методом спектроскопии ЯМР ¹H. Понятно, что изучить сополимеризацию в массе мономеров таким способом не представлялось возможным, и мониторинг проводился в растворах концентрацией порядка 10% в ДМСО-d₆ (это достаточно точно соответствует соотношению ВСИ : ДМСО = = 1 : 14, для которого определены константы сополимеризации [25]). Следовательно, при интерпретации полученных данных надо учитывать зависимость относительных активностей мономеров от среды. Поскольку интерес представляет поведение системы в условиях эффективного контроля, концентрация БТК была достаточно высокой: 2 × 10^–2 моль/л и во всех экспериментах превышала концентрацию ДАК примерно в 25 раз.

С увеличением доли ВА в мономерной смеси брутто скорость сополимеризации и выходы полимера резко снижаются, так что при содержании ВА 50 мол. % достижение сколько-нибудь интересного с практической точки зрения выхода невозможно (рис. 3). Скорость расходования ВСИ и ВА меняется с ходом полимеризации. При содержании ВСИ 62.5 мол. % и более первоначально быстрое вхождение ВСИ в полимерные цепи приводит к снижению его концентрации так, что, начиная с определенного момента, скорость расходования ВА становится выше (рис. 4).

До определенной конверсии происходит обогащение цепей полимера звеньями ВСИ, но после изменения соотношения концентраций мономеров в сторону увеличения доли ВА содержание ВСИ в сополимере незначительно снижается (рис. 5). Скорость расходования БТК можно считать мерой его эффективности как передатчика цепи. В изученном диапазоне составов мономерной смеси БТК расходуется тем быстрее, чем выше содержание ВСИ, но независимо от состава смеси за 6 ч синтеза происходит почти полное исчерпание БТК (рис. 6).

На основании данных об изменении состава сополимера с ходом реакции при разном составе мономерной смеси возможна оценка констант сополимеризации. Методами Езриелева–Брохиной–Роскина [30] и Келена–Тюдоша [31, 32] были рассчитаны константы сополимеризации винилацетата и N-винилсукцинимида, которые составили: r_ВА < 0, r_ВСИ = 0.77 ± 0.09 (метод Езриелева–Брохиной–Роскина) и r_ВA < 0, r_ВСИ = 0.79 ± ± 0.09 (метод Келена–Тюдоша) при учете данных, полученных в диапазоне выхода сополимера до 10% и r_ВА < 0, r_ВСИ = 1.23 ± 0.17 (метод Езриелева–Брохиной–Роскина) и r_ВA < 0, r_ВСИ = 1.27 ± 0.24 (метод Келена–Тюдоша) при учете данных, полученных в диапазоне выходов сополимера до 35% (метод Келена–Тюдоша может применяться с достаточной точностью с использованием данных, полученных при конверсиях мономеров до 50% [32]). Отрицательное значение константы сополимеризации лишено физического смысла, однако может быть получено при формальном применении алгоритмов расчета. Такой результат можно интерпретировать как значение константы, близкое к нулю. Интересно, что в данном эксперименте, отличающемся от описанного ранее [25] тем, что в качестве растворителя использовали дейтерированный ДМСО, не наблюдалось инверсии активностей мономеров, и ВСИ проявлял заметно более высокую реакционную способность.

Знание констант сополимеризации предоставляет возможность оценки микроструктуры цепи сополимера. Для вероятностей образования диад M₁‒M₁ (f₁₁), M₁‒M₂ (f₁₂), M₂‒M₁ (f₂₁) и M₂‒M₂ (f₂₂) могут использоваться уравнения [33]

На основе этих уравнений были выведены функции распределения вероятностей образования структур, состоящих из n последовательно соединенных звеньев каждого типа F_1n для мономера M₁ и F_2n для мономера M₂ [34]:

Зная  f₁₁,  f₁₂,  f₂₁ и  f₂₂, можно вычислить среднюю длину блоков последовательно соединенных звеньев каждого типа [34]:

Данные параметры микроструктуры были определены для сополимеров ВA c ВСИ, исходя из значений констант сополимеризации r_ВA = 0.01, r_ВСИ = 0.79. Замена отрицательного значения r_ВA на любое число, близкое к нулю, приводит к одинаковым результатам для  f₁₁,  f₁₂(f₂₁),  f₂₂, F_1n, F_2n, $\overline {{{L}_{1}}} $ и $\overline {{{L}_{2}}} ~$ (табл. 2).

При интерпретации данных (табл. 2), полученных при высоком содержании ВСИ в мономерной смеси, не следует считать, что, например, при содержании ВСИ 90 мол. % в сополимере блоки преимущественно из 8 звеньев ВСИ чередуются с индивидуальными звеньями ВА. Распределение вероятностей образования последовательностей F_1n, F_2n широкое (рис. 7), и доля длинных блоков, содержащих десятки звеньев ВСИ, может быть существенной.

Поскольку в присутствии достаточного количества БТК сополимеризация ВСИ с ВА проходит в режиме “живых” цепей, результатом является получение градиентных сополимеров. Зная, как меняется состав мономерной смеси в ходе реакции, можно оценить изменение микроструктуры по длине цепи. Например, при сополимеризации мономерной смеси, содержащей 25 мол. % ВА, за 6 ч синтеза его доля возрастает до 57 мол. % благодаря быстрому расходованию ВСИ, что приводит к сокращению длины блоков ВСИ и увеличению содержания ВА на участках цепи, полученных на поздних стадиях процесса (рис. 8).

При комнатной температуре сополимеры ВСИ с ВА легко подвергаются щелочному гидролизу, давая сополимеры N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта после перевода полученных полимеров в кислотную форму:

 (II)

Протекание гидролиза и дальнейший переход сополимера из солевой формы в кислотную подтвержден анализом ИК-спектров сополимеров ВСИ‒ВА, N-виниламидоянтарная кислота(Na)‒ виниловый спирт и N-виниламидоянтарная кислота‒виниловый спирт (рис. 9). В спектре исходного сополимера ВСИ‒ВА имеются полосы поглощения, соответствующие симметричным ν_C=O = 1768 см^–1 (плечо на интенсивной полосе 1731 см^–1) и асимметричным ν_C=O = 1693 см^–1 валентным колебаниям связей C=O в сукцинимидном цикле, валентным колебаниям связи C=O винилацетатного звена ν_C=O = 1731 см^–1, валентным колебаниям C–N-связи ν_C–N = 1369 см^–1, валентным колебаниям связи C–O в составе сложноэфирной группы ν_C–O = 1229 см^–1. После гидролиза в спектре сополимера N-виниламидоянтарная кислота(Na)‒виниловый спирт появляются характеристические полосы валентных колебаний OH-связей ν_OH = 3267 см^–1 и NH-связи ν_NH = 3082 см^–1 (широкие сигналы в области 3000‒3600 см^–1). После раскрытия сукцинимидного цикла в спектре наблюдаются валентные колебания связи C=O в составе амидного фрагмента ν_C=O = 1637 см^–1 и в составе карбоксильной группы ν_C=O = 1562 см^–1. Интенсивная полоса δ_NCH = 1403 см^–1 относится к деформационным колебаниям амидного фрагмента. При переводе сополимера в кислотную форму положение полосы валентных колебаний связи C=O в составе амидного фрагмента практически не меняется ν_C=O = 1629 см^–1, а полоса валентных колебаний связи C=O карбоксильной группы сдвигается в область бóльших волновых чисел ν_C=O = 1714 см^–1. Полосы валентных колебаний групп OH и связи NH сохраняются в области 3000–3600 см^–1, но у полосы ν_OH = 3278 см^–1 появляется плечо около 3400 см^–1, что является следствием наложения полос, относящихся к OH карбоксильной группы и OH звена винилового спирта. Интенсивная полоса деформационных колебаний амидного фрагмента δ_NCH = 1405 см^–1 также практически не меняет своего положения.

Для подтверждения соответствия полученных матриц требованиям, предъявляемым к медицинским полимерам, было проведено исследование их биологической активности в средах, содержащих бактериальные культуры Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus. Вокруг колодцев, заполненных растворами концентрации 0.001–0.1 мг/мг H₂O сополимеров N-виниламидоянтарной кислоты с виниловым спиртом, содержащих 35–51 мол. % звеньев N-виниламидоянтарной кислоты, не наблюдали зон отсутствия роста тест-культур бактерий, что свидетельствует об отсутствии биологической активности сополимера по отношению к исследованным типам бактерий. А так как рассматриваемые образцы оказались биологически пассивными в отношении Escherichia-coli – бактерий нормальной микробиоты кишечника человека, с большой вероятностью они не окажут отрицательного воздействия и на полезную микрофлору кишечника человека.

Способность полученных водорастворимых полимеров N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта к иммобилизации низкомолекулярных лекарственных веществ-оснований изучена на примере ремантадина и тримекаина, имеющих в своем составе первичную и третичную аминогруппы соответственно. Для иммобилизации использовали образцы, полученные гидролизом сополимеров ВСИ‒ВА, синтезированных в массе в присутствии БТК из мономерной смеси ВСИ : ВА = 25 : 75, хроматограммы которых приведены на рис. 1. Сополимеры содержали 35, 46 и 51 мол. % звеньев N-виниламидоянтарной кислоты, что является разумным для количества якорных групп. Оба лекарственных вещества не растворяются в воде, но при совмещении их с водными растворами сополимеров N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта с концентрацией 0.01 осново-моль/л, взятых из расчета 10%-ного мольного избытка звеньев N-виниламидоянтарной кислоты по отношению к аминогруппам лекарственного вещества, происходит их растворение и переход в раствор, что связано с образованием ионной связи между лекарственным веществом-основанием и полимерной матрицей:

      (III)

      (IV)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение сополимеризации N-винилсукцинимида с винилацетатом в условиях обратимой передачи цепи по механизму присоединения-фрагментации в присутствии дибензилтритиокарбоната позволяет получить композиционно однородные узкодисперсные сополимеры с контролируемой молекулярной массой, удовлетворяющей требованиям, которые предъявляются к полимерам, применяемым в составе лекарственных средств. N-винилсукцинимид характеризуется бóльшей активностью, чем винилацетат, как при сополимеризации в массе мономеров, так и в растворе в дейтерированном диметилсульфоксиде.

Водорастворимые сополимеры N-виниламидоянтарной кислоты и винилового спирта, не проявляющие бактерицидной активности на моделях бактериальных культур Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, а также Escherichia-coli – родственной нормальной микрофлоре кишечника, получают щелочным гидролизом сополимеров N-винилсукцинимида с винилацетатом с последующим переводом в кислотную форму. На их основе могут быть получены водорастворимые формы маслорастворимых активных фармацевтических ингредиентов, например ремантадина и тримекаина.

Авторы выражают благодарность С.Г. Изотовой СПбГТИ(ТУ), за анализ данных ИК-спектроскопии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Госзадание 0785.00.Х6019).