Водорастворимые комплексы фуллерена с гомо- и сополимерами n-винилкапролактама и способ получения этих комплексов

Описаны водорастворимые комплексы фуллерена С₆₀ с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама общей формулы A_n или A_n-B_m, где A_n - гомополимер N-винилкапролактама, A_n-B_m - сополимеры, где А - звенья N-винилкапролактама, а В - звенья из ряда, включающего звенья N-винилпирролидона, N-метил-N-винилацетамида; N-изопропилакриламида, с n=10-90 мол.% m=10-90 мол.%; при этом для гомо- и сополимеров N-винилкапролактама молекулярная масса (ММ) составляет 70000-170000 Да, при содержании фуллерена С₆₀ 0,75-3,3 масс.%. Способ получения водорастворимых комплексов фуллерена С₆₀ с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама заключается во взаимодействии полимера с фуллереном в органических растворителях, с последующим удалением растворителей и растворением сухого остатка в воде, при этом смешивают растворы фуллерена С₆₀ и гомо- и сополимеров N-винилкапролактама при концентрации полимера 3,33-5,80 масс.%, концентрации фуллерена С₆₀ - 0,09-0,31 масс.% при соотношении в масс.% фуллерен:полимер =0,8-4,0; в качестве сополимеров N-винилкапролактама берут соединение из ряда, содержащего звенья N-винилпирролидона (ВП), N-винил-N-метилацетамида (ВМАА); N-изопропилакриламида (изо-ПАА), молекулярная масса (ММ) гомо- и сополимеров N-винилкапролактама составляет 70000-170000 Да. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к химии полимеров, точнее к комплексам гомо- и сополимеров N-винилкапролактама с фуллереном С₆₀, а также к способу получения этих комплексов.

Необычность пространственной и электронной структуры фуллеренов обеспечивает возможность использования их в различных областях науки, техники, медицины.

Во многих случаях перспективно применение фуллеренов как компонента полимерных систем, среди которых особый интерес представляют комплексы "полимер - фуллерен". Именно в этом случае в отличие от ковалентного присоединения нативная электронная структура и, следовательно, свойства фуллереновых молекул искажаются в наименьшей мере. В области медицины и биологии использование фуллеренов затруднено из-за их практически полной нерастворимости в водных растворах. Это препятствие преодолевается созданием водорастворимых комплексов фуллеренов с водорастворимыми полимерами, например, с поли-N-винилпирролидоном (1. Л.Б.Пиотровский, К.Н.Козелецкая, Н.А.Медведева, М.А.Думпис, Л.Н.Позднякова, О.И.Киселев // Вопросы вирусологии, 2001. - №3. - С.38; 2. Z. Zhn, D.J.Schuster, M.E.Tuckerman / Исследование методом молекулярной динамики связывания фуллеренсодержащих ингибиторов протеазой вируса иммунодефицита человека // Biochemistry, 2003. - v/42. - Р/1326 - 1333; 3. Фуллерены восстанавливают память / Химия и жизнь, 2003. - №2. - С.4).

Повышение содержания фуллерена в полимерном комплексе может увеличить удельную активность терапевтического препарата. Изменение химической природы водорастворимого полимера в комплексе, несомненно, позволило бы регулировать прочность связывания фуллереновых молекул и таким образом влиять на транспортную функцию водорастворимых комплексов при направленной доставке их к органу - мишени (Кирш Ю.Э. / Поли-N-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды // M., Наука, 1998. - С.4). Введение в водорастворимый сополимер функциональных групп позволило бы получать комплексы фуллерена С₆₀ полимерами носителями, к которым ковалентными, электрохимическими или водородными связями были бы присоединены низкомолекулярные лекарственные вещества. Изобретение может быть использовано при создании водорастворимых лекарственных форм, содержащих фуллерен в форме, близкой к нативной. Изобретение может также использоваться для получения из водных растворов полимерных фуллеренсодержащих пленок, которые могут найти применение в качестве фотоактивных элементов оптических устройств различного назначения.

Известны водорастворимые комплексы фуллерена С₆₀ с поли-N-винилпирролидоном и способ их получения (Y.N.Yamakoshi, N.Yagami, К.Fukuhara, S.Sueyoshi, N.Miata / Solubilization of Fullerenes into Water with Polyvinylpyrrolidone Applicable to Biological Tests // J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994. - P.517-518). Способ реализуется следующей совокупностью существенных признаков:

1. Раствор 0,8 мг фуллерена С₆₀ в 1 мл толуола (концентрация 0,093 масс.%) добавляют к 2 мл хлороформа, содержащего 100 мг поли-N-винилпирролидона с ММ 42000 Да (концентрация 3,33 масс.%).

2. Полученную смесь перемешивают, растворители удаляют в вакууме.

3. Остаток растворяют в 2 мл воды при действии ультразвука и получают прозрачный раствор.

Основной недостаток известных водорастворимых комплексов и способа их получения состоит в том, что они содержат малые количества фуллерена, не превышающие 0,5-0,8% от массы взятого полимера. При этом невозможно регулирование прочности связывания фуллерена с полимером в комплексе. Задачей заявленного изобретения является получение водорастворимых полимерных комплексов фуллерена С₆₀ с высоким содержанием фуллерена и с возможностью регулирования прочности связывания фуллерена с полимером. Кроме того, задачей настоящего изобретения было расширение ассортимента полимеров-носителей, включающих в свой состав фуллерен и имеющих также функциональные группы.

Эта задача была решена, во-первых, водорастворимыми комплексами фуллерена С₆₀ с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама общей формулы A_n или A_n-В_m, где A_n - гомополимер N-винилкапролактама, A_n-В_m - сополимеры, где А - звенья N-винилкаролактама, а В - звенья из ряда, включающего N-винилпирролидон (ВП), N-винил-N-метилацетамид (ВМАА); N-изопропилакриламид (i-ПАА), с n=10-90 мол.% m=10-90 мол. %; при этом для гомо- и сополимеров N-винилкапролактама ММ 70000-170000 Да.

Во-вторых, задача решалась способом получения таких водорастворимых комплексов, который характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:

1. К раствору гомо- или сополимера N-винилкаролактама в органическом растворителе прибавляют раствор фуллерена С₆₀ в ароматическом растворителе, полученную смесь перемешивают до полной гомогенизации.

2. При этом берут концентрацию гомо- и сополимеров N-винилкапролактама 3,33-5,80 масс.%, концентрацию фуллерена С₆₀ - 0,09-0,31 масс.% при соотношении в масс.% фуллерен: полимер =0,8-4,0.

3. В качестве сополимеров N-винилкапролактама берут соединение из ряда, содержащего звенья N-винилпирролидона (ВП), N-винил-N-метилацетамида (ВМАА); N-изопропилакриламида (i-ПАА), с ММ 70000-170000 Да.

4. Из полученной смеси в вакууме при нагревании от 35 до 60°С отгоняют растворители.

5. К остатку добавляют воду и перемещают, фильтрат упаривают в вакууме при 30-60°С досуха.

Гомо- и сополимеры N-винилкапролактама были получены известным путем - свободнорадикальной полимеризацией в растворе в присутствии инициатора - динитрил-азоизомасляной кислоты при 60°С (4. стр.95-96).

Мономеры имеют следующую структуру:

Выход по фуллерену в заявленных комплексах гомо- и сополимеров N-винилкапролактама от 25 до 100% при содержании фуллерена в полимерном водорастворимом комплексе от 0,75 до 3,3 масс.%.

При этом комплексы могут содержать различные функциональные - нереакционноспособные группы, которые меняют гидрофильно-гидрофобный баланс.

Анализ научно-технического уровня не позволил найти решение, совпадающее по совокупности существенных признаков с заявленным решением. Это свидетельствует о соответствии предлагаемого изобретения такому условию патентоспособности как новизна. Отличие от решения-прототипа состоит в использовании в качестве полимера при получении водорастворимых комплексов с фуллереном С₆₀ гомо- и сополимеров N-винилкапролактама. Из известных свойств гомо- и сополимеров N-винилкапролактама нельзя было с очевидностью сделать вывод о том, что их использование позволит получать комплексы, содержащие свыше 3 масс.% фуллерена С₆₀.

Комплексы заявленного строения были получены впервые. Это позволяет утверждать о соответствии заявленного решения такому условию патентоспособности, как изобретательский уровень.

Структура полученных комплексов подтверждена схемой синтеза, а также спектрофотометрическими и люминесцентными методами. Содержание фуллерена С₆₀ в полученных комплексах с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама определяют специально разработанным методом, основанном на полном разрушении комплекса, выделении содержавшегося в комплексе фуллерена С₆₀ в виде толуольного раствора и количественном определении его методом спектрофотометрии.

Для доказательства соответствия заявленного решения условию патентоспособности "промышленная применимость" и для лучшего понимания сущности изобретения приводим примеры его конкретной реализации, которые не исчерпывают сущности решения.

Пример 3.

К раствору 100 мг поли-N-винилкапролактама с молекулярной массой (ММ) 90000 Да в 2 мл хлороформа (концентрация раствора 3,33 масс.%) при комнатной температуре добавляют раствор 0,8 мг фуллерена С₆₀ в 1 мл толуола (концентрация раствора 0,093 масс.%). Смесь перемешивают до полной гомогенизации. Затем органические растворители полностью отгоняют в вакууме при температуре бани 35°С. К сухому остатку прибавляют 2 мл воды и перемешивают в течение 20 часов. Фильтрат досуха упаривают в вакууме при температуре бани 35°С. Полученный водорастворимый фуллеренсодержащий комплекс сушат до постоянного веса в вакуум-эксикаторе с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом. Все характеристики комплекса ПВК - фуллерен С₆₀ приведены в Таблице.

Пример 4.

К раствору 100 мг поли-N-винилкапролактама с ММ 120000 Да в 2 мл толуола (концентрация раствора 5,80 масс.%) при комнатной температуре добавляют раствор 2 мг фуллерена С₆₀ в 1 мл толуола (концентрация раствора 0,23 масс.%). После перемешивания объединенного раствора толуол полностью отгоняют в вакууме при температуре бани 35°С. К сухому остатку добавляют 10 мл воды и перемешивают 20 часов. От фильтрата в вакууме при температуре бани 35°С отгоняют воду. Полученный комплекс сушат в вакуум-эксикаторе с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом, до постоянного веса. Все характеристики полученного комплекса приведены в Таблице.

Пример 7.

К раствору 100 мг сополимера, содержащего 50% звеньев N-винилкапролактама и 50% звеньев N-винилпирролидона, с ММ 75000 Да, в 2 мл орто-дихлорбензола (концентрация раствора 3,85 масс.%) при комнатной температуре добавляют раствор 4,0 мг фуллерена С₆₀ в 1 мл орто-дихлорбензола (концентрация раствора 0,31 масс.%). После перемешивания орто-дихлорбензол полностью отгоняют в вакууме при постепенном подъеме температуры бани от 35 до 60°С. К сухому остатку добавляют 35 мл воды и перемешивают 20 часов. От фильтрата в вакууме при температуре бани 35°С отгоняют воду. Полученный комплекс сушат до постоянного веса в вакуум-эксикаторе с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом. Все характеристики полученного комплекса приведены в Таблице. Примеры 5, 6, 8 выполнены в условиях примера 7. Все данные приведены в Таблице.

Таблица.
№№ примеров	полимер	ММ в Да	[η] дл/г (СН3ОН, 25°)	растворитель	С60°, С60 к в масс.% выход по фуллерену в %
1	ПВМАА	80000	0,35	хлф:тол 2:1	0,8 0,28
					35
2	ПВП	40000	-	хлф:тол 2:1	0,8 0,61
					76,25
3	ПВК	90000	0,30	хлф:тол 2:1	0,8 0,8
					100
4	ПВК	120000	0,36	толуол	2,0 1,9
					95
5	ПВК	72000	0,26	ОДХБ	3,0 2,9
					96,7
6	ПВК	120000	0,36	ОДХБ	4,0 2,7
					67,5
7	П (ВК:ВП)	75000	0,48	ОДХБ	4,0 3,3
	50:50				82,5
8	П (ВК:МАА)	170000	0,45	ОДХБ	4,0 2,3
	90:10				57,5
9	П (ВК:i-ПАА)	71QOO	0,38	хлф:одхб	3,0 0,75
	10:90			2:1	25
10	ПВП	67000	0,32	хлф:одхб	3,0 2,7
				2:1	90

Примечание: ПВМАА - поли-N-винил-N-метилацетамид; ПВК - поли-N-винилкапролактам; ВК - N-винилкапролактам; ПВП - поли-N-винилпирролидон; ВП - N-винилпирролидон; ВМАА - N-винил-N-метилацетамид; i-ПАА - N-изопропилакриламид; ОДХБ - орто-дихлорбензол; хлф - хлороформ; тол - толуол; С₆₀ ⁰ - исходное массовое отношение фуллерен:полимер; С₆₀ ^к - массовое отношение фуллерен:полимер в полученном комплексе.

Данные примеров конкретного выполнения подтверждают решение заявленной задачи. Примеры подтверждают возможность получения водорастворимых комплексов фуллерена С₆₀ с гомо - и сополимерами N-винилкапролактама, имеющими различную структуру и состав, в широком интервале ММ.

1. Водорастворимые комплексы фуллерена С₆₀ с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама общей формулы A_n или А_n-В_m, где A_n - гомополимер N-винилкапролактама, A_n-B_m - сополимеры, где А - звенья N-винилкапролактама, а В - звенья из ряда, включающего звенья N-винилпирролидона, N-метил-N-винилацетамида; N-изопропилакриламида, с n=10-90 мол.%, m=10-90 мол.%, при этом для гомо- и сополимеров N-винилкапролактама молекулярная масса (ММ) составляет 70000-170000 Да, при содержании фуллерена С₆₀ 0,75-3,3 мас.%.

2. Способ получения водорастворимых комплексов фуллерена С₆₀, с гомо- и сополимерами N-винилкапролактама по п.1 путем взаимодействия полимера с фуллереном в органических растворителях, с последующим удалением растворителей и растворением сухого остатка в воде, отличающийся тем, что смешивают растворы фуллерена С₆₀ и гомо- и сополимеров N-винилкапролактама при концентрации полимера 3,33-5,80 мас.%, концентрации фуллерена С₆₀ 0,09-0,31 мас.% при соотношении, мас.%, фуллерен : полимер =0,8-4,0; в качестве сополимеров N-винилкапролактама берут соединение из ряда, содержащего звенья N-винилпирролидона (ВП), N-винил-N-метилацетамида (ВМАА); N-изопропилакриламида (изо-ПАА), молекулярная масса (ММ) гомо- и сополимеров N-винилкапролактама составляет 70000-170000 Да.