3.1. Классификация полимерных носителей
В настоящее время термином “полимерные носители” обозначается огромное количество высокомолекулярных соединений, различающихся:
а) по функциональному назначению,
б) по химической природе основных полимерных цепей и функциональных групп,
в) по структуре, а также по фазовым и агрегатным состояниям в активной форме.
В химической литературе для упрощения написания реакций, протекающих на полимерных носителях, для них приняты следующие обозначения:
В случае наиболее распространенных носителей на основе сополимеров стирола чаще используется такое обозначение:
где Х — функциональная группа, ковалентно связанная
с макромолекулярной цепью носителя.
Основной принцип функционирования полимерных носителей заключается в иммобилизации на них одного компонента смеси веществ за счет образования тех или иных связей (ионных, ковлентных, координационных, водородных и др.) и тем самым отделения его от других веществ, остающихся в растворе. Этот принцип может использоваться при разделении смеси веществ, при удалении побочных продуктов или избытка реагентов при проведении химических реакций и т.д. Отделение может осуществляться различными способами — простым фильтрованием в случае нерастворимых носителей, диализом или переосаждением в случае растворимых.
По функциональному назначению полимерные носители можно разделить на несколько больших групп. Первая группа — это носители для различных видов хроматографии. Они, в свою очередь, могут быть разделены на подгруппы — носители для гельпроникающей или эксклюзионной хроматографии, на которых разделение веществ осуществляется исключительно по размерам их молекул без эффектов сорбции, и носители для различных видов сорбционной хроматографии. Во второй подгруппе сорбция разделяемых веществ может иметь различную химическую природу — за счет слабых нековалентных взаимодействий (дисперсионных сил, диполь-дипольных и гидрофобных взаимодействий, водородных связей и т.д.), за счет образования ионных связей, а также за счет различных видов высокоспецифических взаимодействий типа фермент — субстрат, антиген — антитело и др. Взаимодействия последнего типа называются аффинными (affinity — сродство). Соответственно, и хроматография, основанная на таких взаимодействиях, и носители для нее называются аффинными.
Ко второй группе полимерных носителей можно отнести высокомолекулярные соединения, предназначенные для проведения с их участием химических реакций с образованием и разрушением ковалентных связей. Их, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы — собственно полимерные носители для реализации на них серии последовательных химических реакций, число которых может достигать нескольких сотен, и так называемые полимерные реагенты, используемые в органическом синтезе для проведения определенных химических реакций.
Третья группа — это полимерные носители для иммобили-зации на них различных катализаторов — от ионов металлов до сложнейших белковых молекул ферментов.
И, наконец, к четвертой по функциональному назначению группе можно отнести носители для иммобилизации на них биологически активных веществ от простейших до самых сложных. Существуют носители для иммобилизации на них живых клеток, осуществляющих различные биохимические реакции.
По химической природе полимерные носители могут быть разделены на три больших группы — неорганические, органические и комбинированные. Основу большинства неорганических носителей составляет поликремневая кислота и ее производные (силикагель, аэросил, различные типы пористых силикатных стекол). Комбинированные носители представляют собой неорганическую основу с привитыми на ее поверхность макромлекулами органических полимеров. К этой же группе носителей относятся и такие, на поверхности которых фаза органического полимера нанесена механически, без образования ковалентных связей между веществом органической и неорганической фаз. Неорганические и комбинированные носители в настоящем пособии не рассматриваются.
Самую обширную группу полимерных носителей составляют органические высокомолекулярные соединения. Химическая природа полимеров, используемых в качестве носителей, в значительной степени определяется функциональным назначением последних. Так, для работы в водных средах чаще используются гидрофильные полимеры, и, наоборот, для работы в малополярных средах предпочтительно использование гидрофобных полимеров. Следует отметить, что сродство полимера к тем или иным растворителям определяется не только природой макромолекул “базового” полимера, но и природой и количеством введенных в него функциональных групп.
Наиболее широко используемым полимером для создания носителей самого различного функционального назначения является сополимер стирола с дивинилбензолом (ДВБ)
Поэтому в дальнейшем изложении основные вопросы синтеза, формирования структуры, введения функциональных групп будут рассмотрены на примере этого сополимера. Кроме сополимера стирола с дивинилбензолом в качестве носителей используется огромное количество синтетических и натуральных полимеров. Исторически первым синтетическим полимерным носителем были феноло-формальдегидные смолы, которые после сульфирования могли использоваться как ионообменные смолы. Впоследствии наибольшее распространение в качестве синтетических носителей получили трехмерные сополимеры виниловых мономеров (акриловой и метакриловой кислот, акриламида и др.) с дивиниловыми. Из природных высокомолекулярных соединений наиболее часто используются в качестве носителей полисахариды — целлюлоза, декстран, агароза и некоторые другие. Путем химической модификации на их основе созданы носители самого разнообразного функционального назначения — для эксклюзионной и ионообменной хроматографии, для синтеза органических веществ сложной химической структуры (полипептидов, полинуклеотидов), для иммобилизации биологически активных веществ.
В очень большой степени назначение полимерного носителя определяет и химическую природу используемых в нем функциональных групп. Так, носители для эксклюзионной хроматографии или вообще не содержат функциональных групп, или содержат группы, неспособные к сорбционному взаимодействию с разделяемыми веществами в условиях хроматографии. Например, стирогель — сополимер стирола с дивинилбензолом — носитель, предназначенный для разделения макромолекул по размерам в малополярных растворителях, не содержит функциональных групп вообще. Сефадекс — декстран, сшитый эпихлоргидрином (формулу см. ниже), содержит гидроксильные группы, но в водной среде они не способны к сорбционному взаимодействию с молекулами разделяемых веществ. Однако эти группы могут быть использованы при применении сефадекса в других целях, например, для иммобилизации на нем биологически активных веществ с образованием ковалентных связей.
Полимерные носители, предназначенные для ионообмен-ной хроматографии (иониты), содержат ионогенные группы той или иной природы. По характеру ионных взаимодействий (заряд сорбируемого иона) иониты разделяются на катиониты, несущие отрицательно заряженные группы и сорбирующие катионы, аниониты, сорбирующие анионы, и амфолиты, способные к сорбции ионов обоих типов. Существуют сильно кислотные катиониты, которые содержат сульфокислотную
Фрагмент структуры сефадекса.
группу, и слабокислотные катиониты, содержащие, как правило, карбоксильные группы.
Аниониты бывают слабоосновные и сильноосновные, содержащие соответственно диалкиламиногруппы и группировки четвертичных аммониевых оснований.
Полимерные носители, предназначенные для проведения на них реакций органического синтеза и иммобилизации биологически активных и лекарственных веществ, могут содержать самые разнообразные функциональные группы в зависимости от характера синтетической задачи. Наиболее распространенными являются гидроксильные, карбоксильные, хлорметильные, сульфгидрильные, амино- и другие функциональные группы.
Существенно важным фактором в функционировании полимерных сорбентов и носителей является их структура и фазовое состояние областей, в которых реализуются сорбция или химические реакции образования или разрушенияковалентных связей. В принципе, все обсуждаемые объекты могут быть разделены на два класса — растворимые и нерастворимые. Последние представляют собой трехмерные полимерные сетки. Абсолютное большинство сорбентов и носителей относится к классу нерастворимых высокомолекулярных соединений, обладающих определенной структурой и морфологией. Обычно нерастворимые носители используются в форме мелких (от 0,01 до 1 мм) сферических частиц, получаемых в специальных процессах. Такие частицы называются “бусинки”, “бисер”.
Как правило, нерастворимые носители на основе органи- ческих полимеров, независимо от их функционального назначения, набухают в растворителях, имеющих сродство к полимеру, составляющему основу носителя. При этом чем более плотная сетка, чем чаще расположены узлы сшивки, тем меньше набухает носитель. Степень набухания является очень важным параметром, определяющим функциональные возможности носителя. Она может выражаться либо отношением объема набухшего геля к объему сухого носителя, либо как объем растворителя, поглощенный 1 г сухого полимера.
Другой важной характеристикой полимерных носителей для сорбционной хроматографии и для химического синтеза является емкость, т. е. содержание в носителе функциональных групп, которое обычно выражается в ммоль/г или ммоль/мл. Номинальная емкость носителей может быть рассчитана исходя из реального содержания в них функциональных групп. Реальная (эффективная) емкость определяется по сорбции ионов (в случае ионитов) или хемосорбции различных веществ с образованием ковалентных связей (в случае носителей для органического синтеза). Экспериментально емкость может быть определена как в статических, так и в динамических условиях. Существенно важным является тот факт, что значения эффективной емкости, определенные для сорбируемых молекул различного размера, могут различаться на порядки — чем крупнее сорбируемые молекулы, тем ниже емкость.
Носители для гельпроникающей хроматографии, как видно из их названия, функционируют в форме гелей — трехмерных макромолекулярных структур, представляющих собой гомогенную фазу. В гелях все фрагменты полимерных цепей сольватированы растворителем так же, как и в растворе, поверхность раздела фаз отсутствует. Система лишена подвижности только за счет сшивок макромолекул в единую трехмерную сетку. Такая сетка характеризуется величиной Мс — средней молекулярной массой фрагментов полимерных цепей, заключенных между узлами сетки.
Носители гелевого типа используются не только для эксклюзионной хроматографии, но и для хроматографии других типов, а также для проведения на них различных органических синтезов.
При определенных достоинствах, носители гелевого типа имеют и ряд недостатков — низкая механическая прочность, значительное изменение объема (а значит, и параметров сетки) при смене растворителя, приложении давления. Эти недостатки становятся особенно существенными при использовании гелей с малыми степенями сшивки. Для устранения этих недостатков разработаны носители на основе тех же базовых полимеров, но имеющих микрогетерогенную структуру. При взаимодействии таких носителей с растворителем они тоже набухают, но образовавшаяся в результате набухания структура не является гомогенной, как в случае гелей. В ней формируются области, практически не содержащие растворителя, и поры различного размера, заполненные растворителем.
В носителях с микрогетерогенной структурой существует развитая поверхность раздела фаз, величина которой является важной характеристикой таких носителей. Другой их важной характеристикой следует считать средний радиус и общий объем пор. Эти же величины характеризуют и ненабухающие неорганические носители типа силикагеля и пористых стекол. Они связаны между собой следующими формулами:
S = n 2 r и P = nr2,
где S — площадь поверхности пор, P — объем пор, n и — число и средняя длина пор соответственно (или n — эффективная общая длина пор).
(а) (б)
Рис. 17. Cхематическое изображение микроструктуры зерен носителей гелевого (а) и микрогетерогенного макропористого (б) типов
Для определения площади поверхности и объема пор применяются различные физико-химические методы — ртутная порометрия, метод с использованием изотерм адсорбции и десорбции азота (метод Брунауэра, Эммета, Теллера — сокращенно метод БЭТ).
Очень интересными носителями, имеющими жесткую пористую структуру, являются так называемые “поп-корн” носители. Они имеют развитую поверхность, обладают высокой механической прочностью, практически не изменяют свой объем, пропитываясь растворителями различной природы.
Способы формирования микроструктуры полимеров при получении носителей обсуждаются в следующем разделе.