Агрегация хитозана и его производных в разбавленных водных растворах, страница 2

Она состоит из четырех частей. Первая частьпосвящена обнаружению и доказательству существования агрегатов хитозана иГМ хитозана в разбавленных водных растворах, вторая – влиянию молекулярноймассы на агрегацию, третья – влиянию гидрофобных групп на агрегацию,четвертая – влиянию соли на агрегацию ГМ хитозана.I. Агрегаты хитозана и ГМ хитозана в разбавленных водных растворахС помощью метода динамического рассеяния света показано, что для всехисследуемых образцов хитозана и ГМ хитозана корреляционная функциярассеянного света g(1)(q,t) имеет бимодальный характер с быстрой и медленнойрелаксационными модами (рис.1):g ( 1 ) ( q ,t )  A fast exp( -6-t fast)  Aslow exp( t slow),где  fast и  slow - времена релаксации быстрой и медленной моды, соответственно, аAfast и Aslow - соответствующие амплитуды корреляционной функции электрическогополя.1.010.60.4(1)g (q,), A()0.80.220.01E-30.010.1110100мсРис.1.

Корреляционная функция (1) интенсивности рассеянного света g(1)(q,τ)и распределение частиц (2) по временам релаксации A(τ) на угле рассеяния θ=90°для водных растворов ГМ хитозана (ММ=70000 г/моль), содержащего 4 мол.% ндодецильных групп, концентрации 0,5 г/л в присутствии 0,3М уксусной кислоты и0,05M ацетата натрия.Для обеих мод зависимости скорости релаксации Γ (величины, обратнойвремени релаксации τ) от квадрата волнового вектора q2 представляют собойпрямые, проходящие через начало координат, что свидетельствует одиффузионном характере движения частиц в обоих случаях (рис.2).Из наклона зависимостей Γ (q2) определяли кажущийся коэффициентдиффузии частиц Dapp и аппроксимировали его к нулевой концентрации, определяятаким образом коэффициент диффузии при бесконечном разбавлении.

Из него поформуле Эйнштейна-Стокса рассчитывали гидродинамический радиус частиц RH.Значения RH представлены в табл.1.-7-108fastмс-1(а)64200,8(б)slowмс-10,60,40,20,00141x10142x102143x10144x10-2q,мРис.2. Скорость релаксации как функция квадрата волнового вектора q2 длябыстрой (а) и медленной (б) мод в водных растворах хитозана (ММ=70000 г/моль)концентрации 0,7 г/л, содержащих 0,3М уксусной кислоты и 0,05M ацетатанатрия.теорТабл.1.

Молекулярная масса, теоретически рассчитанный R uniиэкспэкспериментально полученный R uni гидродинамические радиусы одиночныхмакромолекул хитозана в водном растворе, содержащем 0,3М уксусной кислоты и0,05M ацетата натрия.ОбразецХитозан 55Хитозан 70Хитозан 125Muni* 104, г/моль5,57,012,5теор, нмR uniэксп, нмR uni13152013±215±218±2Гидродинамический радиус меньших частиц близок по значению ктеоретически рассчитанному гидродинамическому радиусу идеальной полимернойцепи хитозана при θ – условиях (табл.1).

Это позволяет сделать вывод о том, чтоменьшие частицы – это одиночные макромолекулы, а частицы бóльшего размера –агрегаты, состоящие из нескольких полимерных цепей. Аргументом в пользу этогоявляется тот факт, что если использовать в качестве растворителя аммониевыйбуфер, в котором агрегация подавляется, то после фильтрации через фильтр сразмерами пор 100 нм, в растворе присутствуют только одиночные-8-макромолекулы; и лишь спустя сутки в системе начинают образовыватьсяагрегаты. Предположение о том, что меньшие частицы представляют собойодиночные макромолекулы, подтверждается также тем фактом, что приразбавлении раствора динамическое равновесие между макромолекулами иагрегатами сдвигается в сторону макромолекул (рис.3). Это связано с тем, что приувеличении общего объема раствора ассоциация одиночных макромолекулстановится энергетически менее выгодной, поскольку это ведет к значительнымпотерям энтропии.4035Afast/Aslow30252015100,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1c, г/лРис.3.

Зависимость отношения амплитуд быстрой Afast и медленной Aslow модкорреляционной функции электрического поля от концентрации водного растворахитозана молекулярной массы 55000 г/моль (●) и 125000 г/моль (○) в присутствии0,3М уксусной кислоты и 0,05M ацетата натрия на угле рассеяния θ=90°.Таким образом, как хитозан, так и ГМ хитозан агрегируют в разбавленныхводных растворах. Если причина агрегации ГМ хитозана достаточно очевидна –гидрофобные взаимодействия н-алкильных боковых групп, то причины агрегациинемодифицированного хитозана пока недостаточно ясны. Можно полагать, что кагрегации хитозана может приводить образование кристаллитов, включающихучастки цепей разных макромолекул.

В пользу этого предположениясвидетельствуют следующие экспериментальные результаты, полученные нами.Во-первых, склонность к агрегации выше у образцов хитозана с меньшей степеньюацетилирования, а, значит, с большей склонностью к кристаллизации из-за-9-регулярности их строения. Во-вторых, агрегаты сохраняются в присутствии 7Ммочевины, известной своей способностью разрушать водородные связи, а такжеослаблять гидрофобные взаимодействия. Высказано предположение, что такоеповедение возможно только, если водородные связи “спрятаны” внутрикристаллитов.Таким образом, показано, что в разбавленных водных растворах хитозан и ГМхитозан образуют межмолекулярные агрегаты, которые сосуществуют вдинамическом равновесии с одиночными цепями.II.

Влияние молекулярной массы на агрегациюДля исследования влияния молекулярной массы на агрегацию былииспользованы образцы хитозана с молекулярными массами 55000 г/моль, 70000г/моль и 125000 г/моль.Методомдинамическогосветорассеяниябылиопределеныгидродинамический радиус и радиус инерции агрегатов (табл.2).Табл.2. Гидродинамический радиус RH agg, радиус инерции Rg agg и ихотношение для агрегатов хитозана в водном растворе, содержащем 0,3Муксусной кислоты и 0,05M ацетата натрия.ОбразецRH agg, нмRg agg, нм(Rg/RH) aggХитозан 55Хитозан 70Хитозан 125134±5135±8132±987±387±389±30,65±0,050,64±0,050,67±0,05Показано, что они не зависят от молекулярной массы хитозана.

Этот результатможет быть связан с присутствием неэкранированных зарядов на полимернойцепи, поскольку в исследуемых системах радиус Дебая rD в 2,5 раза большесреднего расстояния между зарядами на цепи хитозана (5,5 Ǻ). Наблюдаемоеповедение может быть обусловлено электростатической природой стабилизацииагрегатов. Так, в классической проблеме Рэлея о заряженной капле сферическаякапля, чей заряд превышает некоторое критическое значение, распадается нанесколько более маленьких капель определенного размера с зарядом нижекритического значения.

С другой стороны, независимость размера агрегата от-10-длины составляющих его макромолекул означает, что внутри него каждаяполимерная цепь имеет более двух «точек» связывания с другими цепями, врезультате чего память о длине исходных макромолекул теряется.Рассчитано среднее количество макромолекул, входящих в один агрегат. Дляэтого из результатов динамического светорассеяния определена массовая доляагрегатов xagg, а из диаграмм Зимма, полученных с помощью метода статическогосветорассеяния, определена кажущаяся средневесовая молекулярная масса Mw*,которая содержит вклады агрегатов Magg и отдельных макромолекул Muni: Mw*=(1xagg)Muni+ xMagg Рассчитанные молекулярные массы агрегатов, а такжеагрегационные числа, вычисленные из соотношения Magg/Muni, приведены в табл.3.Видно, что агрегационные числа падают с увеличением длины одиночныхмакромолекул.

Этот результат можно объяснить следующим образом. Энергияассоциации одного агрегата определяется количеством притягивающихся групп.Поскольку короткие полимеры содержат меньше таких групп, то для реализациинеобходимого вклада в энергию ассоциации требуется больше такихмакромолекул. Это предположение подтверждается тем фактом, что числомономерных звеньев в одном агрегате nagg, которое пропорционально числуассоциирующих групп, практически не меняется с изменением молекулярноймассы хитозана (табл.3).Табл.3.

Кажущаяся средневесовая молекулярная масса Mw*, определенная издиаграмм Зимма, молекулярная масса агрегатов Magg и их агрегационные числа вводных растворах хитозана, содержащих 0,3М уксусной кислоты и 0,05Mацетата натрия.ОбразецХитозан 55Хитозан 70Хитозан 125Mw* 105,г/моль1,25±0,051,5±0,12,2±0,2Magg 105,г/мольNagg anagg b11±111±112±120±316±310±26750±12506750±12507300±1450aЧисло полимерных цепей в одном агрегатеbЧисло мономерных звеньев в одном агрегатеСледует отметить, что угловые зависимости на диаграммах Зимма линейны(рис.4), что позволяет сделать вывод о том, что размер агрегатов не зависит отконцентрации полимера.-11--5Kc/R, моль/г2.4x10-52.0x10-51.6x10-51.2x10-68.0x10020004000260008000(q +10000*c), мкм10000 120002Рис.4.

Диаграмма Зимма для водных растворов хитозана с молекулярноймассой 55000 г/моль в диапазоне концентраций 0,25 – 1,14 г/л и углов от 350 до1500 при 250C в присутствии 0,3М уксусной кислоты и 0,05M ацетата натрия.Чтобы получить представление о строении агрегатов хитозана, анализировалиотношение (Rg/RH) agg (табл. 2). Видно, что оно лежит в диапазоне от 0,64 до 0,67,что ниже соответствующего отношения для твердой сферы (0,778). Такие низкиезначения могут наблюдаться, если рассеивающий объект имеет более плотное ядрои разреженную оболочку, в результате чего RH оказывается намного больше, чемдля твердой сферы с четко выраженной поверхностью. Поскольку объемная доляполимера φagg в таких агрегатах порядка 10-3, можно полагать, что онипредставляют собой наногели, набухшие в растворителе.Следует отметить, что все описанные закономерности влияния молекулярноймассы на агрегацию наблюдаются и для ГМ хитозана.Для визуализации агрегатов использовали метод просвечивающейэлектронной микроскопии (ПЭМ).