авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Кинетика и механизм реакции поликонденсации аминокислот

-- [ Страница 1 ] --

Дата размещения: 12 – 11 – 2009

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

ТОДИНОВА АННА ВЯЧЕСЛАВОВНА


КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ АМИНОКИСЛОТ

02.00.04 – физическая химия, 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Химические науки

Диссертационный совет Д 002.039.01

Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

119334 г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Тел. +7 (495) 939 74 00

e-mail:ibcp@ sky.chph.ras.ru

Предполагаемая дата защиты: 16 декабря 2009 г.

Автореферат Тодиновой А.В.

На правах рукописи

ТОДИНОВА АННА ВЯЧЕСЛАВОВНА

«Кинетика и механизм реакции поликонденсации аминокислот»

02.00.04 – физическая химия

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

МОСКВА – 2009г.

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

Научные руководители: доктор химических наук,

профессор

член-корреспондент РАН

С.Д. Варфоломеев

доктор химических наук,

профессор

В.М. Гольдберг

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

Т.Д. Некипелова

доктор химических наук,

профессор

В.В. Иванов

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт синтетических полимерных материалов

им. Н. С. Ениколопова РАН

Защита диссертации состоится «16» декабря 2009 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.039.01. при Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН по адресу: 119334, г. Москва, Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Pоссийской академии наук Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН.

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.039.01 М. А. Смотряева

кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа посвящена изучению кинетики и механизма процесса твердофазной поликонденсации (ТФП) аминокислот на примере следующих аминокислот: L-аспарагиновой кислоты, L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты.

Аминокислоты – структурные единицы белков. Пептидная связь в белке образуется при поликонденсации природных аминокислот с выделением побочного продукта – воды. Эти аминокислоты могут быть использованы, и это уже реализовано в промышленности, для синтеза, например, полипептидов, полиимидов, полиамидов, а также соответствующих сополимеров и блок-сополимеров.

Полимеры аминокислот можно получать в растворе, расплаве, твердофазным синтезом Меррифилда (синтез полипептидов на твердой подложке), твердофазной поликонденсацией преполимеров -аминокислот. Все эти процессы достаточно хорошо изучены и широко используются на практике.



Настоящая работа посвящена исследованию механизма и кинетических закономерностей сравнительно малоизученного метода ТФП аминокислот в кристаллическом состоянии. ТФП кристаллических аминокислот экологичнее и экономичнее, чем другие процессы, поскольку не требует применения растворителя.

L-аспарагиновая кислота (АСП) используется для получения полимеров на основе природных аминокислот, в том числе и методом ТФП без применения катализаторов. Продукт поликонденсации АСП, полисукцинимид, затем может быть модифицирован в полиамид (соль полиаспарагиновой кислоты). Полимеры на основе АСП уже производятся в промышленных масштабах, как путем твердофазной поликонденсации, так и другими способами. Основная ценность таких полимеров заключается в том, что они биоразложимы и биосовместимы. На этих свойствах основано их применение в различных отраслях химической промышленности, сельского хозяйства, наномедицине, дизайне лекарств, трансплантатов.

Кинетике и механизму ТФП этой природной аминокислоты должного внимания до настоящего времени не уделялось, несмотря на большое количество публикаций, посвященных синтезу полимеров на основе АСП и изучению их физико-химических свойств.

В то же время, очевидно, что понимание кинетических закономерностей и механизма полимеризации природных кристаллических аминокислот позволит контролировать процесс ТФП, оптимизировать производство полимеров на их основе, и будет определенным вкладом в фундаментальные знания о твердофазных превращениях аминокислот.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение кинетики и механизма термоиндуцированной твердофазной полимеризации L-аспарагиновой кислоты, а также некоторых ее структурных аналогов. В работе были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Изучить молекулярный и кинетический механизмы процесса твердофазной поликонденсации AСП различными физико-химическими методами, в том числе in situ.
  2. Создать кинетическую модель твердофазной поликонденсации АСП.
  3. Изучить поликонденсацию сходных по строению аминокислот: L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты с целью оценки влияния структуры на реакционную способность молекул.
  4. Изучить возможности сознательного управления ходом ТФП

Научная новизна. Твердофазная поликонденсация АСП была изучена различными физико-химическими методами. Получены количественные данные по кинетике процесса. На основе экспериментальных данных предложена кинетическая модель и показано ее соответствие данным, полученным различными методами.

Влияние агрегатного состояния матрицы на кинетику поликонденсации определяется в модели в виде существования в матрице двух пространственных областей, в каждой из которых две химические стадии общего процесса проходят с различными скоростями. Эта модель позволила описать кинетические данные по твердофазной поликонденсации АСП. Модель разработана на количественном кинетическом уровне.

Для выявления влияния особенностей структуры на реакционную способность молекул была изучена поликонденсация схожих с АСП по строению аминокислот: L-глутаминовой кислоты и L-аспарагина.

Научно-практическая значимость. В работе предложена кинетическая модель, описывающая поликонденсацию АСП в твердой фазе на количественном уровне. Выдвинута гипотеза о наличии двух пространственных областей протекания реакции в кристаллической фазе АСП – «потенциальной» и «динамической». Представлены доказательства ее справедливости, получены количественные кинетические параметры, описывающие поликонденсацию L-аспарагиновой кислоты в обеих реакционных зонах твердой фазы.

Результаты диссертационной работы представляют интерес не только для науки, но и могут иметь определенное практическое значение. Так, понимание механизма поликонденсации L-аспарагиновой кислоты дает возможность сознательного регулирования и оптимизации условий синтеза полимера по выходу и качеству.

Результаты работы были использованы при создании принципиально нового способа получения полимерного покрытия на поверхности частиц и выдаче на него патента РФ на изобретение № 2007142696, приоритет от 21.11.2007 (авторы: Варфоломеев С.Д., Гольдберг В.М., Щеголихин А.Н., Кузнецов А.А.). На международное патентование этого способа подана заявка: Varfolomeev S.D., et al. «Method for Preparing the Polymer Coating on Particle Surface», Int. Appl. No. PCT/RU2008/000703; Filling date 11 Nov. 2008; Priority date 21 Nov. 2007, Publication date 06 Aug 2009, Publication No/ WO 2009/067046.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Методами колебательной спектроскопии, электронной микроскопии, рентгеновского рассеяния изучена динамика структуры аспарагиновой кислоты в ходе ее твердофазной поликонденсации. Построены трехмерные диаграммы изменения ИК- и КР-спектров во времени. Визуализация динамики спектров показала, что реакция проходит с автоускорением в две ступени. Спектральные характеристики могут быть использованы для количественных измерений содержания в реакционной смеси исходного мономера и конечного продукта.
  2. Показано, что практически единственными продуктами твердофазной поликонденсации аспарагиновой кислоты являются полисукцинимид и вода, а процесс протекает по автокаталитическому механизму.
  3. По результатам изучения кинетики реакции методами ТГА и ДСК предложена и количественно подтверждена аналитическим и компьютерным расчетом модель твердофазной поликонденсации аспарагиновой кислоты как процесса, протекающего одновременно в двух зонах матрицы: « потенциальной» («быстрой») и «динамической» («медленной»). Величины энергий активации и предэкспонент – аномально велики, что характерно для большинства твердофазных процессов. Аррениусовские параметры отдельных стадий общего процесса, полученные для трех различных температурно-временных режимов в обоих методах аппроксимируются двумя прямыми компенсационного эффекта. Бимолекулярная реакция роста цепи в «быстрой» зоне протекает, по-видимому, по мономолекулярному закону вследствие пространственной близости реагирующих групп. Эта же реакция в «медленной» зоне проходит заметно медленнее.
  4. Получены кинетические кривые расходования исходного мономера и накопления конечного продукта поликонденсации аспарагиновой кислоты – полисукцинимида. Рассчитана кинетика поведения промежуточного продукта реакции. Результаты расчета подтверждены экспериментальными данными.
  5. Методом гель-проникающей хроматографии измерены функции молекулярно-массового распределения полисукцинимида в динамике процесса твердофазной поликонденсации АСП и аспарагина.
  6. Изучена кинетика поликонденсации родственных по химическому строению аспарагиновой кислоте аминокислот – L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты.
  7. Показана возможность управления ходом твердофазной поликонденсации. Изменением размера и дефектности кристаллов аспарагиновой кислоты можно влиять на соотношение «быстрой» и «медленной» зон матрицы изменением размера и дефектности кристаллов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва 2007), VI Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва 2007), VII Ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика» (Москва 2007), 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва—Долгопрудный, 2007), Пятом Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009), 2nd ESF/UB European Summer School in Nanomedicine (Лиссабон, 2009).

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работ (2 статья, 6 тезисов докладов на научных конференциях).

Личный вклад автора. Диссертационная работа была выполнена во время обучения автора в аспирантуре ГОУ ВПО «МФТИ (ГУ)» в учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, а также во время стажировки в Институте полимерных исследований (научно-исследовательский центр GKSS, Германия 2008). Все изложенные в диссертации новые результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, включающего 105 наименований. Диссертация иллюстрирована 60 рисунками и 4 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, указаны цель и основные задачи исследования. Определена новизна, научная и практическая ценность полученных результатов.





В первой главе приводится обзор литературных данных по исследованиям полимеров на основе природных аминокислот, в частности АСП и ее производных.

В первой части обзора описаны основные методы синтеза таких полимеров. Приведена также существующая к настоящему времени информация о механизме и кинетике реакций поликонденсации аминокислот.

В следующей части приведены современные воззрения на механизм протекания твердофазных реакций, соответствующие модели для количественного описания их кинетики.

В последней части анализируются опубликованные данные по поликонденсации АСП, в том числе и ее твердофазной поликонденсации.

Принятая в настоящее время схема, по которой проходит поликонденсации аспарагиновой кислоты, показана на рис.1.

 Схема превращения АСП в-0

Рис. 1. Схема превращения АСП в полисукцинимид в результате ТФП

В соответствии с этой схемой реакция поликонденсации проходит через две последовательные реакции: собственно образование полимера (1) – полиаспарагиновой кислоты – и (2) дальнейшего полимераналогичного превращения – ее дегидратации с замыканием сукцинимидного цикла и превращения в полисукцинимид.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования.

В первой части описаны основные объекты исследования, в качестве которых были использованы:

1. кристаллическая L-аспарагиновая кислота (АСП) (Panreac, 98.5%);

2. L-аспарагин моногидрат (АСН) (Sigma, 98%);

3. L-глутаминовая кислота (Panreac, 98,5%);

4. Полимеры L-аспарагиновой кислоты: полисукцинимид (ПСИ) и полиаспартат натрия (ПАСП Na).

Соединения 13 использовали в качестве исходных мономеров при изучении процессов термоиндуцированной твердофазной поликонденсации.

Конечный продукт поликонденсации АСП, ПСИ, получали независимо двумя методами:

(1) – нагреванием измельченной кристаллической АСП в диапазоне температур 190-220°С,

(2) – синтезом из раствора АСП в смеси растворителей мезитилен/сульфолан (7/3) при 160°С в присутствии о-фосфорной кислоты в качестве катализатора.

Для анализа структуры продукта (ПСИ) методом ИК-спектроскопии в обоих случаях получаемый полимер растворяли в диметилформамиде (ДМФ), переосаждали метиловым спиртом и высушивали при 60°С. ПАСП Na получали гидролизом ПСИ в 5%-ном водном растворе NaОН, взятом в эквивалентном количестве.

Во второй части второй главы приводится описание основных методов исследования и соответствующих приборов:

1. термогравиметрический анализ (ТГА) (анализатор TGA-7 (Perkin-Elmer)) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) (прибор DSC-7 (Perkin-Elmer));

2. колебательная спектроскопия, ИК-спектрометры Vertex-70 (Bruker), FTIR-1720 (Perkin-Elmer) и КР-микроскоп Senterra (Bruker) с лазерным возбуждением 785 нм;

3. рентгеновская дифрактометрия (РД) (дифрактометр HZG4, излучение CuK, схема Брэгга-Брентано);

4. гель-проникающая хроматография (ГПХ) (мобильная фаза диметиламин (ДМА) с добавлением 0,2% LiCl, стандарт полистирол),

5. потенциометрическое титрование (pH-метр Mettler-Toledo);

6. электронная микроскопия (электронный микроскоп Quanta 200 (FEI));

Компьютерный расчет проводили с помощью программного обеспечения для моделирования термохимических процессов Netzsch Thermokinetics.

В третьей части второй главы представлены и обсуждаются измеренные экспериментально характеристики основных объектов исследования. В частности, методом рентгеновской дифрактометрии (РД) показано, что исходная АСП является кристаллическим соединением, тогда как продукт ТФП, ПСИ, является абсолютно аморфным веществом. Установлено также, что в модельных смесях АСП/ПСИ разного состава интенсивность наиболее интенсивных пиков в спектрах РД линейно зависела от содержания АСП. На этом основании сделан вывод о том, что спектры РД кристаллической АСП можно использовать для количественного анализа содержания АСП по ходу поликонденсации. На рис. 2 представлены РД спектр АСП и полосы РД спектра, рассчитанные по параметрам элементарной ячейки кристалла АСП и известные по литературным данным.

 (1) – спектр рентгеновского-2

Рис. 2. (1) – спектр рентгеновского дифракционного рассеяния (РД) АСП и расчет углов по известным параметрам элементарной ячейки АСП; (2) – зависимость интенсивности одного из пиков спектра РД от содержания модельной смеси АСП/ПСИ

Были измерены и проанализированы полные (ИК + КР) колебательные спектры исходного мономера и конечного продукта реакции ТФП (рис. 3). Как видно из рис. 3.1, исходная АСП имеет весьма сложный колебательный спектр тогда как спектр полимера ПСИ (рис.3.2) заметно проще. Наиболее важные характеристические полосы в спектрах ПСИ принадлежат асимметричному и симметричному валентным колебаниям сукцинимидного фрагмента (–C(O)–N–(O)C–) с частотами соответственно 1791 см-1 (ИК) и 1802 см–1 (КР), а также внеплоскостному деформационному колебанию того же фрагмента в спектре КР при 636 см-1.

 Полные колебательные-3

 Полные колебательные-5

Рис. 3. Полные колебательные спектры (ИК- и КР-) (1) – АСП; (2) ПСИ

Основные колебания исходной кристаллической АСП проявляются в спектрах ИК и КР при 3160 и 3078 см–1 (NH3+), 3020 (OH), 1608 и 1402 см–1 (CO2–), 1691 см–1 (C=O), 1081 (C–N), 991 и 899 см–1 (С–С). Аминогруппа и карбоксильные группы в кристалле АСП связаны системой водородных связей, которые влияют на интенсивность и положение полос соответствующих колебаний. В спектрах ИК и КР исходной АСП присутствуют т.н. «кристаллические полосы» и полосы, обусловленные ферми-резонансом некоторых колебаний в кристаллической решетке. Методом поляризационной КР-спектроскопии было установлено, что монокристаллы исходной АСП обладают заметной дихроичностью. В спектрах ИК и КР аморфного ПСИ ферми-резонанс проявляться не может.

Было установлено, что в процессе реакции поликонденсации менялись и параметры колебательных полос такие как ширина, положение максимума и симметрия. В этой связи, строго количественная регистрация кинетики изменения концентрации молекулярных фрагментов АСП и ПСИ по ходу реакции поликонденсации методами ИК- или КР-спектроскопии требовала тщательного учета многих факторов и соответствующей корректировки измеряемых интенсивностей полос. Поэтому в данной работе ИК- и КР-спектроскопию использовали не только для получения информации о молекулярном механизме ТФП, но и для полуколичественного анализа динамики процесса ТФП в различных температурных режимах.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.