Министерство образования и науки Российской Федерации Федеративное государственное

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеративное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Челябинский государственный педагогический университет» (ФГБОУ ВПО «ЧГПУ» ) Органические полимерные носители Дегтярёва А. Ю студентка 465 -6 группы Челябинск, 2012

Природные носители полисахариды • Целлюлоза отличается высокой степенью гидрофильности. • А наличие большого числа гидроксильных групп дает возможность ее легко модифицировать путем введения различных заместителей. • Недостатком целлюлозы как носителя можно считать ее неустойчивость к воздействию сильных кислот, щелочей и окислителей. Целлюлоза

• Хитин - природный аминополисахарид. Для переведения в реакционную форму он может быть модифицирован глутаровым альдегидом, а также солями тяжелых металлов • Обработка хитина растворами щелочей (конц) приводит к образованию хитозана. • Используется для ковалентной иммобилизации ферментов за счет свободных аминогрупп. • Препараты иммобилизованных ферментов обладают высокой каталитической активностью и устойчивостью к микробному воздействию, также наблюдается повышение термостабильности белков, иммобилизованных на хитозане

• Гепарин представляет собой кислый полисахарид, содержащий чередующиеся звенья сульфированной Dглюкуроновой кислоты и сульфированного глюкозамина. • Гепарин успешно применяется для получения водорастворимых препаратов иммобилизованных ферментов, используемых в медицине для введения in vivo.

Белки • Важным свойством этих носителей являются высокая вместимость, по отношению к ферментам и способность к биодеградации. • Иммобилизацию на белковых носителях можно проводить как в отсутствие, так и в присутствии сшивающих агентов. • К недостаткам белков как носителей медицинских препаратов следует отнести высокую иммуногенность (исключением являются коллаген и фибрин)

• Коллаген- фибриллярный белок группы склеропротеидов. • Особенностью этого белка является его высокая гидрофильность. • Легкость выделения коллагена из ряда биологических источников в сочетании со свойственным белкам наличием большого числа групп – участков для связывания ферментов – привлекает внимание к коллагену как к носителю для иммобилизации ферментов

• Наиболее часто коллаген употребляется в азидной форме. • Для этого карбоксильные группы коллагена этерифицируют с последующей обработкой гидразином и азотистой кислотой ( - носитель ): • Продуктом переработки коллагена является желатина. • Ценность этого носителя, обладающего гелевой структурой, заключается в его не токсичности, легкости биодеградации, что позволяет применять желатину в фармацевтической и пищевой промышленностях.

• Кератин - фибриллярный белок группы склеропротеидов. • Достоинством кератина как носителя можно считать его доступность в больших колличествах, за счет низкой стоимости исходных продуктов. • Существуют две формы кератина – α и β. Микроскопическое изображение нитей кератина внутри клетки

Синтетические полимерные носители Полимеры на основе стирола • Для сорбционной иммобилизации применяются микропористые и макропористые материалы. • Сополимеры стирола в виде сферических частиц с различными сшивающими агентами можно получить гранульной полимеризацией. • Наиболее часто для сшивающего агента используется дивинилбензол Структурный фрагмент с дивинилбензолом.

• Широкие возможности для разработки новых видов носителей открывает введение реакционноспособных ангидридных групп в состав синтетических полимеров. • Такие носители обладают довольно высокой вместимостью по отношению к белкам, могут применяться как для нековалентной, так и кавалентной иммобилизации ферментов. • В этой связи отметили новый тип носителя, полученного сополимеризацией эквимолярных количеств стирола и малеинового ангидрида:

Полимеры на основе производных акриловой кислоты • Одним из многочисленных производных акриловой кислоты, широко применяющихся для получения полимерных гидрофильных носителей, является акриламид: CH 2=CHC(O)NH 2

• Для целей ковалентной иммобилизации ферментов полиамидный носитель активируют одним из способом: либо в готовый полимер вводят функциональные группы методом химической модификации, либо полимеризуют соответствующее функциональное производное мономера. • Примером может являться реакция сополимеризации акриламида и n-нитрофенилакрилата: • Способ полимеризации соединений, содержащих реакционноспособные группы, более удобен, так как позволяет избежать нежелательного изменения свойств (набухаемости, проницаемости) геля, возможного при модификации готового полимера.

• Другое производное акриловой кислоты, применяемое для получения полимерных носителей – хлорангидрид метакриловой кислоты. • При взаимодействии с ванилином образуется мономер, дающий при полимеризации соединение с высокореакционноспособными альдегидными группами – «ванакрил»

• Большинство полимеров на основе акриловой кислоты не отличаются устойчивостью к воздействию многих химических реагентов, а также сильно набухают в воде и органических растворителях. Поэтому неоходимы полимеры с жесткой структурой:

Полиамидные носители • Это группа различных гетероцепных полимеров с повторяющейся амидной группой –C(O) –NH– • Один из способов получения основан на гомополиконденсации аминокарбоновых кислот, например аминокапроновой кислоты или ее лактама (найлон-6, капрон):

• Для использования в качестве носителей полиамиды активируют, частично гидролизуя, с последующей обработкой, например глутаровым альдегидом: • Главным достоинством носителей этого типа является то, что они могут быть созданы в различной физической форме: в виде гранул, порошков, волокон, мембран, трубок и т. д.

Носители на основе поливинилового спирта • Эти носители, предложеные Г. Манеке и Г. Фогтом, обладают высокой реакционной способностью. • Определенная обработка позволяет вводить в них различные функциональные группы. • К достоинствам носителей на основе поливинилового спирта следует относить, как высокое содержание реакционноспособных групп, так и большую вместимость по отношению к белкам. • Для получения гидрофильных гелей носители могут быть сшиты глутаровым альдегидом в кислой среде, а в щелочной – эпихлоргидрином или ксилилендихлоридом

Где Н - носитель

Полиуретаны • Гидрофильные полиуретановые полимеры, содержащие группировку , достаточно удобные материалы для включения ферментов в гель. • Процесс иммобилизации в этом случае заключается в простом смешении компонентов. • Полиуретаны образуются при взаимодействии изоцианатов с полиолами.

• Структуру одного из полимеров для получения полиуретанового геля можно представить в следующем виде: • При полимеризации может происходить частичный гидролиз изоцианатных групп с выделением диоксида углерода, образующиеся аминогруппы взаимодействуют с изоцианатными группами, поперечно сшивая полимер:

Активация полимерных носителей Активация гидроксильных и аминогрупп носителя • Под активацией матрицы понимают проведение химической реакции с активатором, в результате которой на ее поверхности образуются электрофильные группы, обладающие высокой реакционной способностью по отношению к нуклеофильным группам на белке (например, амино- и SH-группам)

Имидокарбонаты • Получение этих производных основанно на реакции полимеров с циангалогенами. • Образование ативного имидокарбоната и неактивного карбамата

Соединения с активированными двойными связями • В полимеры, содержащие гидроксильные или аминогруппы, можно ввести винилсульфонильные группы. Для этого матрицу обрабатывают дивинилсульфоном в сильнощелочной среде: • Очень эффективным и агентами для активации полисахаридов оказались ароматические хиноны, в том числе и бензохинон:

Соединения с активным атомом галогена. Хлортриазины. • Например, цианухлорид легко реагирует с гидроксильной и аминогруппой полимера в щелочной водно-органической среде:

Аминогруппы • Введение этих групп (с последующим диазотированием) в носители, содержащие ОН-группы, может осуществляться различными способами. • Полисахариды, как правило, обрабатывают хлорангидридом нитробензойной кислоты, далее NO 2 - группы восстанавливают до NH 2 -групп

• ОН-группы поливинилового спирта активирут взаимодействием с 2 -(м-аминофенил)-1, 3 -диоксолоном (а) или п-нитрофенилхлорметаном (б):

Активация карбоксильных групп носителя • Чаще всего используют карбоксильные производные полисахаридов – целлюлозы, декстрана. • Модифицированный препарат этерифицируют, переводят в гидразид, а затем в азид:

• Эффективный метод активации носителей, содержащих карбоксильные группы, является ацилирование в присутствии реактива Вудворда (N-этил-5 -фенилоксазолий-3’-сульфоната): • Этот процесс характеризуется такими положительными качествами, как быстрота, мягкие условия протекания, возможность легко контролировать количество введенных активированных групп.

Модификация амидных групп (на примере полиакриламида) • Первая стадия активации полимера, содержащего амидную группу – это проведение реакции переамидирования: • Образовавшаяся функциональная группа требует дополнительного активирования. Один из различных путей – это формирование стабильного диоксипроизводного с последующим окислением до альдегида, непосредственно перед взаимодействием с ферментом:

• Другой путь последующей активации полиакриламида – это введение диазогруппы:

Модификация бензольного ядра (на примере полистирола) • Хлорметилирование может быть проведено различными способами, например под действием монозлордиметилового эфира в присутствии Sn. Cl 4: • Хлорметильное производное может быть промодифицировано дальше избытком амина по отношению к хлорметильным группам (для предотвращения сшивания полистирольных цепей):

• Схема процесса нитрования с последующим восстановлением нитрогруппы:

• Используют также и другие способы модификации бензольного ядра полимера, например такие, как введение альдегидных и карбонильных групп:

Биодеградация полимерных носителей • Полимеры, имеющие высокую молекулярную массу, могут накапливаться в организме, поэтому возникает необходимость создания таких синтетических полимеров, которые будут расщепляться с образованием нетоксичных продуктов обмена. • В этом отношении предпочтение отдается природным полимерам, которые гидролизуются в организме ферментами • Химическая модицикация природных полимеров может значительно снизить скорость их деструкции. • Важную роль играет молекулярно-массовое распределение; повышение неоднородности по молекулярной массе приводит к увеличению токсичности.