Анализ стереоконфигураций полипропиленгликолей с различной молекулярной массой методами КР-спектроскопии и квантово-химического моделирования

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 543.424.2                                     

ППГ применяется во многих разделах промышленности, а также жизнедеятельности человека, связанной с косметическими, фармацевтическими и химическими областями. Важным для практических применений является то, что низкомолекулярные ППГ растворяются в воде и являются хорошими растворителями для различных классов соединений. Эти биосовместимые и биодеградируемые вещества не токсичны при попадании в организм в малых концентрациях. ППГ и его химические модификации обладают широким потенциалом использования в фармацевтике и косметической промышленности. Наиболее инновационным и перспективным применением ППГ является использование блок-сополимеров ППГ с полиэтиленгликолем при создании систем пролонгированного действия с контролируемой скоростью высвобождения активного вещества, в системах целевой доставки лекарственных веществ к поражённым органам и тканям, для использования в тканевой инженерии [1].

Использование блок-сополимеров позволяет значительно увеличить эффективность действия лекарства и снизить побочные эффекты. Пегилированые формы уже используются для лечения различных видов гепатита, некоторых онкологических заболеваний, помогают в борьбе с хроническим заболеванием почек. Свойства ППГ сильно зависят от стереорегулярности его цепей. В зависимости от условий синтеза мономеры в молекуле ППГ могут соединяться разными способами, в частности, при соединении по типу «голова к хвосту» могут образовываться стереорегулярные изотактическая и синдиотактическая конфигурации [2].

На практике часто встречается нестереорегулярный атактический ППГ, в молекулах которого заместители расположены беспорядочно по обе стороны основной полимерной цепи. Стереорегулярность открывает дополнительные возможности при создании новых перспективных материалов с заданным набором свойств. Помимо способа соединения мономера в цепь свойства свойства ППГ (агрегатное состояние, вязкость, растворимость в воде, токсичность, способность проникать в кожу, УФ- и термостабильность, конформационный состав, способ упаковки молекул и другие) и, как следствие, возможные области применения этих веществ зависят от молекулярной массы. Для олигомеров ППГ выражена характерная зависимость свойств от молекулярной массы образца.

Сравнительный анализ структуры и колебательных спектров олигомеров ППГ с различным числом мономеров в цепи и при различных вариантах их соединения важен как для фундаментального изучения колебательных спектров структурных изомеров и гомологических серий органических молекул, так и для практических применений, например, для определения содержания, изомерного и конформационный состава, молекулярно-массового распределения молекул этих веществ как в чистом виде, так и в различных смесях, композитах и химических модификациях, включая пегилированные формы. В жидком или газообразном состоянии молекулы ППГ могут находиться в разных конформациях. Для развития методов спектроскопии КР очень важна информация о зависимости спектров от конформационного состава молекул. Во-первых, по характеристическим линиям КР возможно рассчитывать относительные содержания молекул в различных конформациях. Во-вторых, при изменении температуры, окружения молекулы (например, при приготовлении смеси), при химической модификации конформационный состав молекул может значительно изменяться. Поскольку спектры КР молекул в разных конформациях различны, то способ расчета содержания определенного вещества в смеси должен включать учет возможных изменений в конформационном составе молекул этого вещества

Важным преимуществом исследования низкомолекулярного ППГ, является то, что для этого соединения можно рассчитать оптимизированные геометрии, энергии (относительные содержания) и спектры КР для всех стабильных конформаций, и, таким образом, достаточно точно смоделировать конформационный состав и спектры КР при различных температурах. Информация о структуре и спектрах этих веществ может быть использована для интерпретации спектров КР более сложных соединений, например, высокомолекулярных ППГ, для которых число стабильных конформаций очень велико.

Спектроскопия КР является высокоинформативным и неразрушающим методом молекулярной спектроскопии, который позволяет определить химический состав вещества, конфигурационный и конформационный состав молекул, фазовый состав (в том числе, степень кристалличности), содержание различных химических групп и другие важные структурные характеристики веществ. Наиболее важным преимуществом методов колебательной спектроскопии является высокая информативность не только по отношению к кристаллическим областям, но и по отношению к некристаллической фазе. Так же спектроскопия КР является одним из наиболее удобным в использовании методом, так как не требует никакой предварительной подготовки проб и не имеет ограничений на форму образца, позволяет зарегистрировать спектры КР в идентичных условиях для образцов, как в жидком, так и в твердом состоянии, позволяет проводить диагностику с микронным пространственным разрешением и в режиме реального времени (что важно для применений на производстве).

Для определения влияния расположения метильных групп в молекулах ППГ на спектры КР в данной работе были произведены квантово-химические расчёты.

Опубликованных работ в области спектроскопии КР ППГ практически нет. Как следствие, для этих веществ также не существует полного отнесения линий КР и количественных методов анализа структуры по спектрам КР. Среди наиболее важных можно отметить работу [3] в которой приведены деполяризационные отношения линий КР, отвечающих валентным колебаниям СН 2 и СН 3 групп, в зависимости от молекулярной массы ППГ, и сделана попытка выявить изменения в структуре этих веществ с увеличением молекулярной массы. В работе [4] приведены экспериментальные и рассчитанные с помощью метода молекулярной динамики низкочастотные спектры КР ППГ для четырех значений молекулярной массы.

Материал и методы исследования

Экспериментальная установка включала лазер Sapphire SP 532 (Coherent Inc., США) с длиной волны излучения 532 нм и выходной мощностью 150 мВт, двойной монохроматор U1000 (Jobin Yvon, Франция), охлаждаемый ФЭУ, работающий в режиме счета фотонов. Спектры КР ПГ и ППГ были записаны при рассеянии на 90˚ со спектральным разрешением 5 см-1. Диаметр лазерного пучка на поверхности образца составлял 2 мм. Все спектры КР регистрировались при комнатной температуре.

Расчет структуры и спектров КР различных конформаций молекулы ППГ был осуществлен при помощи МФП на базе программного обеспечения PRIRODA [5, 6].

Результаты и обсуждение

На Рисунках 1 и 2 представлены экспериментальные спектры КР атактических ППГ с молекулярной массой от 425 до 2000 Да в диапазонах от 100 до 1800 см-1 и от 2600 до 3100 см-1, соответственно. Один образец являлся смесью ППГ с молекулярной массой 150 Да и ППГ с молекулярной массой 450 Да в соотношении 60% и 40%. Для сравнения на рисунках приведен спектр 1,2-ПГ, который является первым членом гомологического ряда ППГ. Все образцы были жидкими при комнатной температуре.

Рисунок 1. Экспериментальные спектры КР 1,2-ПГ и ППГ с различной молекулярной массой в диапазоне от 100 до 1800 см-1. Для наглядности сравнения все спектры нормированы на пиковую интенсивность самой интенсивной линии в спектре

Рисунок 2 . Экспериментальные спектры КР 1,2-ПГ и ППГ с различной молекулярной массой в диапазоне от 2600 до 3100 см^-1. Для наглядности сравнения все спектры нормированы на пиковую интенсивность самой интенсивной линии в спектре

В диапазоне от 100 до 1800 см-1 (Рисунок 1) экспериментальные спектры КР атактического ППГ с различной молекулярной массой оказались очень похожи. Спектр КР

• 1,2- ПГ и спектры ППГ имеют явно выраженные общие спектральные особенности около 500. 800, 1100 и 1450 см^-1. В диапазоне от 2600 до 3100 см^-1 (Рисунок 2) спектры всех исследуемых ППГ и 1,2-ПГ практически совпали. Далее для ППГ с молекулярной массой 425 Да (ППГ 425) были проведены квантово-химические расчеты структуры и спектров КР. Молекулярной массе 425 Да соответствует ППГ с 7 мономерными звеньями. Модельная структура с 7 мономерными звеньями далее обозначена как ППГ-7 (Рисунок 3). Экспериментальный образец ППГ 425 являлся атактическим. Для 7 мономерных звеньев атактическую конфигурацию можно смоделировать разными способами, поэтому были рассчитаны структуры четырех различных атактических конфигураций.

Рисунок 3. Оптимизированные структуры ППГ-7 с 7 мономерными звеньями. Обозначения: Ата – атактическая структура, Изо – изотактическая структура, атомы углерода – бордовый цвет, атомы кислорода – красный цвет, атомы водорода – серый цвет. Для атактических структур цифры обозначают число CH3 групп, последовательно расположенных с одной стороны цепи

Рисунок 4 . Теоретические спектры молекул ППГ-7 в различных конфигурациях и экспериментальный спектр ППГ 7 Z,Z+X (истинно неполяризованный)

Для каждой приведённой конфигурации были рассчитаны спектры КР (Рисунок 4). Для сравнения теоретических и экспериментальных спектров были смоделированы теоретические спектры с учетом реальных значений ширины линий, которые были оценены из экспериментальных спектров. При моделировании теоретических спектров значения ширины линий составляли 15 см-1 для диапазона 50-1600 см-1 и 135 см-1 для диапазона 25004000 см-1.

Полученные спектры для различных атактических конфигураций полностью совпали друг с другом. Спектр КР изотактической конфигурации ППГ-7 также оказался очень похож на спектры атактических структур. Таким образом, показано, что для ППГ-7 различные атактические и изотактические конфигурации неразличимы в спектрах КР. В будущем планируется провести расчет для синдиотактической конфигурации ППГ-7 и более длинных молекул ППГ-7, которые могут образовывать стереорегулярные структуры, в том числе, кристаллизоваться.

Заключение

В данной работе экспериментально исследованы спектры комбинационного рассеяния (КР) полипропиленгликолей (ППГ) с различной молекулярной массой, а также 1,2-пропиленгликоля как низкомолекулярного аналога. Показано, что в диапазонах 100–1800 см-1 и 2600–3100 см-1 спектральные профили всех образцов практически идентичны. Независимо от молекулярной массы ППГ сохраняются характерные полосы, присущие пропиленгликольному фрагменту, что свидетельствует о слабой зависимости спектров КР от длины цепи в исследованном диапазоне молекулярных масс. Для образца ППГ с молекулярной массой 425 Да были проведены квантово-химические расчёты структур и спектров КР модели ППГ-7. Рассмотрены несколько атактических конфигураций и изотактический вариант. Полученные теоретические спектры оказались практически неразличимыми как между собой, так и по сравнению с экспериментальными данными. Это указывает на то, что расположение метильных групп в коротких цепях ППГ не оказывают существенного влияния на спектральные характеристики. Результаты подтверждают, что для коротких ППГ спектры КР обладают высокой структурной устойчивостью, а различия в конформации и тактичности не проявляются в спектральных особенностях. В дальнейшем планируется исследовать синдиотактические формы и более длинные цепи, способные к стереорегулярной упаковке и кристаллизации