diplom (Модификация биологически активными системами синтетического полиизопрена)

100

Федеральное агентство по образованию по Российской Федерации

Московская Государственная Академия

Тонкой Химической Технологии

им. М.В. Ломоносова

Факультет: Химии, физики и технологии переработки

полимеров.

Специальность: 071000 "Материаловедение и технология

новых материалов"

Кафедра: Химия, физика полимеров и полимерных материалов

им. Б. А. Догаткина.

На правах рукописи

Квалификационная работа

Модификация биологически активными системами синтетического полиизопрена.

Заведующий кафедрой ХФП и ПМ, проф., д.х.н. Шершнев В.А.

Руководитель к.х.н. Гончарова Ю.Э.

Консультанты:

по охране труда и промышленной ст. преп. Вареник О.Н.

экологии,

по экономической части, доцент к.т.н. Аристов O.В.

Студентка гр. ПС-64 Киркина О.В.

МОСКВА 2005 г.

Содержание

1. Введение………………………………………………………..…………….3

2. Литературный обзор………………………………………..………………..4

2.1. Строение и состав НК………………………………………..….…………4

2.2. Структура латекса гевеи.……………………………………......…………6

2.3. Роль липидной компоненты в структуре и свойствах натурального каучука………………………………………………………………………….8

2.4. Модификация синтетических каучуков биологически активными не каучуковыми компонентами НК и их аналогами…………………………...10

3. Объекты исследования………………………………………………..……..17

4. Методы исследования…………………………………………….…………26

5. Экспериментальная часть…………………………………………………...30

5.1. Влияние липидов на свойства СКИ-3 и резиновых смесей на их основе………………………………………………………….………………...30

5.2. Исследование свойств резиновых смесей на основе СКИ-3, содержащих соевый белок…………………………………………………………….…36

5.3. Изучение влияния соевой муки на свойства резиновых смесей на основе СКИ-3…………………………………..…………………………………..40

6. Обсуждение результатов…………………………………………………….44

7. Охрана труда…………………………………………………..……………..50

8. Промышленная экология……………………………………………………71

9. Экономическая часть………………………………………………………...81

10. Выводы………………………………………………………………………92

11. Список литературы…………………………………………………………94

1. Введение

В настоящее время в резиновой промышленности применяют широкий спектр каучуков, однако большую часть промышленного потребления составляют натуральный и синтетический полиизопрены. До сих пор натуральный каучук (НК) остается эталоном каучука общего назначения, обладающим комплексом свойств. Высокий уровень свойств изделий из НК в значительной степени обусловлен наличием в его составе белковых веществ.

По ряду технических параметров, таких, как когезионная прочность, термомеханическая стабильность, устойчивость к раздиру и др., НК по-прежнему не имеет аналогов, и для обеспечения потребностей многих областей техники и медицины, наша страна вынуждена приобретать за рубежом натуральный каучук и латекс натурального каучука.

Основными потребителями НК сегодня являются шинная промышленность, авиация, медицина и медицинская промышленность.

Отсутствие на территории нашей страны климатических зон, пригодных для произрастания каучуконосных растений, делает наиболее перспективным поиск путей направленной модификации синтетических каучукоподобных полимеров с целью получения материала, могущего заменить НК по технически важным физико-химическим параметрам

Модификация синтетического каучука должна обеспечивать улучшение свойств смесей и резин по целому ряду показателей: когезионных свойств смесей, упруго-гистерезисных, адгезионных и усталостных свойств резин. Поэтому, модификация СПИ белковыми фрагментами, представляется, одним из наиболее перспективных способов улучшения потребительских свойств СПИ. Это подтверждается имеющимися, пока недостаточными для практической реализации попытками модификации.

Целью нашего исследования, было изучение влияния липидов и белковых фрагментов на свойства СПИ и полученных эластомерных композиций на его основе.

2. Литературный обзор

1. . Строение и состав НК

Натуральный каучук (НК) – биополимер изопреноидной природы, типичный представитель широкого класса изопреноидов растительного происхождения, он вырабатывается в растениях, произрастающих в разных регионах мира (бразильская гевея, американская гваюла, среднеазиатский кок-сагыз) [1], представляет собой на 98 – 100% стереорегулярный циз-полиизопрен. По данным Танаки [2] строение природного НК может быть представлено в виде следующей формулы:

w – конец молекулы весьма высокого молекулярного веса представлен аллильным и тремя транс-изопреновыми звеньями, далее идет протяжный цис-полиизопреновый участок цепи, молекула заканчивается аллильной спиртовой группой на -конце, которая в ходе биосинтеза связана с пирофосфатной группой, отщепляемой при присоединении следующего циc-изопренового звена или после окончания биосинтеза.[3,4]

В природных латексах из гевеи и гваюлы всегда, кроме того, присутствуют пирофосфаты мономеров и олигомеров пренолов – предшественники полиизопрена [5,6].

ДМАПФ ИППФ

Морапренол пирофосфат

Биосинтез каучука в растительных клетках связан с мембранами, которые в основном построены из липидов и белков. Основным компонентом мембранных липидов в растительных клетках является лецитин (фосфатидилхолин):

R,R – нормальная цепь С₁₅ – С₁₇ разной степени не насыщенности.

Из белков, присутствующих в латексе НК, наибольшее внимание исследователей привлекает полимераза каучука – фермент, ведущий полимеризацию, который присутствует как в связанном с каучуком состоянии, так и в растворе. Связь с полиизопреновой цепочкой осуществляется предположительно через пирофосфат на конце растущей цепи или по α-звену через присоединение на двойную связь [7]. В патенте США [8] описаны выделение и очистка этого фермента, его молекулярная масса оказалась порядка 44-36 кДж. Вероятнее всего, именно наличие в НК связанного белка и составляет тот остаточный белок в количестве 1 %, который обнаруживается в НК марки RSS, например.

О структуре других компонентов НК практически ничего достоверного на молекулярном уровне не известно.

1. . Структура латекса гевеи

Как известно, биосинтез НК происходит в латексе каучуконосных растений, причем полимеризация мономера ИППФ протекает на поверхности мелких структур, окруженных мембраной, состоящей из белков и липидов [9]. Предполагается, что растущая гидрофобная цепь каучука проникает внутрь мембранной структуры, а гидрофильный α-конец обращен наружу в серум где происходит взаимодействие с ИИПФ с помощью расположенного в мембране белкового катализатора – фермента полимеразы каучука. По мере накопления каучука внутри мембранных структур они увеличиваются в размере и превращаются в большие каучуковые глобулы [10]. Окружая каучуковую глобулу, вещества мембраны (липиды, белки) выполняют дополнительную функцию стабилизации латекса, предотвращают слипание глобул (коагуляцию латекса). Показано, что большинство липидов, содержащихся в латексе НК, связаны с глобулами каучука [9].

Другой аспект заключается в том, что фосфолипиды могут быть важнейшими факторами для каучуковой полимеразы при ее функционировании в процессе роста частиц, и фосфолипиды могут присутствовать в составе латексных частиц в качестве составной части аппарата биосинтеза каучука[11,12]. В связи с этим интересно, что для выделения частиц, ведущих активный биосинтез каучука из латекса гваюлы успешно использовали гель-фильтрацию, как первый шаг очистки при выделении каучук - синтезирующих глобул латекса [7].

В специфическом строении каучуковых глобул, предшествующих формированию коагулированного латекса НК, заложен, по-видимому, ключ к объяснению его уникальных физико-механических параметров как материала для шинных резин [13].

Попадая внутрь НК и будучи равномерно распределенными, по объему каучука, вещества мембран не могут не оказывать определенного влияния на различные параметры этого уникального природного материала. Правильно подобрать состав добавок, их природу и степень диспергирования в полиизопрене – вот задача, которую, на наш взгляд, следовало ставить в ходе разработки метода модификации синтетического полиизопрена с целью приближения свойств, к свойствам НК.

2.3. Роль липидной компоненты в структуре и свойствах

натурального каучука

Липиды представляют собой большую группу природных соединений, они находятся в составе клеточных структур всех живых организмов. Липиды свежего латекса натурального каучука состоят из жиров, триглициридов, восков, стиролов и их эфиров, фосфолипидов и др. Липиды не растворяются в воде, частично растворяются в ацетоне или спирте, а некоторые только в смеси хлороформ-метанол. Общее содержание липидов натурального латекса около 0,9%, большинство из которых составляют фосфолипиды – 0,6%.

Молекула любого фосфолипида состоит из двух частей: гидрофильной “головы”, образованной полярными остатками жирной кислоты и азотистого основания или спирта, и гидрофильного “хвоста”, образованного длинными алифатическими цепями остатков жирных кислот (так как в основании фосфолипидов лежат многоатомные спирты, то таких “хвостов” обычно два), благодаря чему фосфолипиды хорошо растворимы во многих органических растворителях и в тоже время наличие полярных групп придает фосфолипидам сродство к воде, в которой они образуют коллоидные растворы и мицеллярные структуры. Фосфолипиды обладают поверхностно-активными свойствами (легко создают пленочные структуры и монослой на границе раздела фаз), Являются хорошими эмульгаторами и легко образуют комплексы с различными соединениями, в частности с белками.

Фосфолипиды – эффективные посредники, связывающие белок и каучук. Большая часть фосфолипида в латексе Hevea ассоциирована с частицами каучука [13], ему обычно приписывается роль коллоидного стабилизатора, однако он может оказывать значительное влияние на процесс синтеза натурального каучука.

Современные биохимические представления о структуре клеточных органелл и данные о составе поверхностных структур латексных частиц позволяют сделать предположение о мембранном строении оболочек латекса.

Биологические мембраны включают, в среднем, 60% белков и 40% липидов, хотя возможны и значительные колебания в их составе. Белки, входящие в состав мембран, различаются по своим функциям. Внешние – структурные белки вместе с мостиками металлов (Ca и Mg) способствуют сохранению целостности липидного слоя, внутренние – интегральные белки входят в гидрофильную часть липидного слоя и являются ферментами, переносчиками веществ, могут выполнять и другие функции.

Мембранные структуры не содержат ковалентных связей, но обладают определенной механической устойчивостью за счет ионных, водородных, гидрофобных связей и своей комплементарности.

Туторский И.А. с сотрудниками на основании исследования образования упорядоченных структур в НК установил, что в процессе получения и хранения пленок из натурального латекса липиды образуют отдельную фазу, а молекулы белка или их фрагменты, ковалентно связанные с полиизопреном, ассоциируются с формированием белково-полиизопренового комплекса. Высокое сопротивление раздиру пленок натурального латекса обусловлено образованием специфической структуры, стабильность которой обеспечена белково-липидной оболочкой.

Большой вклад в формирование свойств НК вносят связанные белки, в то время как свободные белковые фрагменты играют роль активного наполнителя, обеспечивающего опосредованную связь с функциональными группами связанных белков и макромолекул НК.