Модификация биологически активными системами синтетического полиизопрена

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.


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

Необходимость совершенствования свойств синтетического полиизопрена требует поиска путей его модификации. Одним из актуальных направлений является получение синтетического аналога натурального каучука. Очевидно, что получение аналога НК не равнозначно получению идентичного углеводорода. В комплексной структуре природного полиизопрена важная роль принадлежит некаучуковым веществам, большую часть которых составляют липиды, связанный и несвязанный белок, оказывающие влияние на весь комплекс свойств натурального каучука.

В настоящее время в зарубежных странах проводятся исследования по изучению механизма биосинтеза НК в растениях с целью моделирования данного процесса в промышленности с целью получения синтетического аналога натурального каучука [14].Также проводятся работы по выделению биокаталитических систем с применением биотехнологических приемов[15]. Эти исследования имеют большую теоретическую ценность, однако, ввиду их необычайной сложности, носят поисковый характер.

В нашей стране также проводились исследования биосинтеза каучука в культуре клеток и тканей растений-каучуконосов [16]. Полученное вещество содержало незначительную часть полиизопрена. В целом, получено низкомолекулярное окисленное соединение [17].

Одним из путей решения задачи совершенствования синтетического полиизопрена, сближения с НК, может служить химическая модификация СКИ-3. Правомерность такой задачи подтверждается наличием функциональных групп в молекулярных цепях НК, положительное влияние которых на свойства каучука известно [18,19,20]. Физическая модификация – совмещение эластомера с химически инертными веществами – не может считаться перспективной для повышения общего комплекса свойств таких материалов, поскольку при этом улучшение одних свойств, как правило, приводит к ухудшению других. Наилучшего эффекта можно добиться совместным применением химической и физической модификаций.

Особый интерес в этом отношении представляет собой химическая модификация каучука на стадии его изготовления за счет введения в полимерные цепи реакционоспособных функциональных групп.

Для выбора наиболее рациональных путей химической модификации проводились исследования по выявлению общих закономерностей влияния функциональных групп различного типа на структуру и свойства резин и влиянию факторов, ответственных за улучшения ряда характеристик резиновых смесей и вулканизаторов. При этом специфика действия модифицирующих функциональных групп практически не зависит от молекулярной основы полимера [21], а определяется главным образом их природой, которая оказывает влияние на характер химического и физико-химического взаимодействия между компонентами резиновой смеси, определяющего технологические и эксплуатационные свойства резин: межфазное взаимодействие эластомера с наполнителем, энергетический спектр вулканизационных связей, скорость и степень сшивания, стабильность эластомерных композиций при переработке и эксплуатации.

Наиболее перспективным представляется введение групп, обладающих полифункциональным действием, обеспечивающих положительное влияние на все факторы. Получены положительные результаты по модификации СПИ бинарным системам функциональных групп (аминоароматических и ангидридных), обеспечивающих повышение когезии смесей, приближающейся к уровню НК, модуля упругости резин, их адгезии к корду, усталостной выносливости [22].

Особенно важно взаимодействие модифицированного эластомера с техническим углеродом, так как это играет важную роль в усилении резин, которое обусловлено образованием как физических, так и химических связей, количество и соотношение которых может меняться в зависимости от свойств взаимодействующих компонентов. Введение в полимерную структуру амидных, аминоэфирных, нитроаминоароматических и ангидридных групп усиливает взаимодействие эластомера с техническим углеродом, а сложноэфирные группы не оказывают подобного влияния [21].

Одним из таких путей модификации синтетического полиизопрена может быть введение в эластомерную матрицу белковых фрагментов, которые присутствуют в НК, или в простейшем случае, аминокислот входящих в состав белков НК. Попытки модифицировать синтетический полиизопрен белками и аминокислотами предпринимаются давно, однако, эти опыты не выходят за стадию лабораторных испытаний [23].

Во ВНИИСКе совместно с НИИШПом были проведены исследования образцов СКИ-3, модифицированных разными типами белковых фрагментов при различных условиях их введения: при синтезе на стадии выделения из раствора [24]. Повышенное содержание азота, обнаруженное после экстракции ацетоном и водой, свидетельствует о присоединении белковых фрагментов к каучуку.

Ведение в каучук белковых веществ позволило несколько повысить когезионные свойства, модуль упругости, сопротивление раздиру [25]. Однако, для большинства образцов при различных условиях введения белковых фрагментов наблюдалось повышение структурирования каучуков, что приводило к ухудшению технологических свойств[24].

Эффективным способом модификации синтетического цис-1,4 полиизопрена может являться химическая иммобилизация на эластомерной матрице белковых фрагментов [26].

Белки могут вступать в реакцию радикальной полимеризации с мономерами типа стирола, метилметакрилата, акрилонитрила и другими [27]. Известна привитая сополимеризация кератина с винильными соединениями [28]. Данные примеры совместной полимеризации относятся к типу привитой сополимеризации мономеров на белки.

Однако непосредственное химическое взаимодействие полиизопрена с аминокислотами и белка осуществить не удается, вследствие отсутствия реакционноспособности относительно друг друга. Подобного рода взаимодействия могут быть реализованы различными косвенными путями [29].

  • активированием молекул белка и аминокислот введением в их состав функциональных групп, реакционноспособных по отношению к макромолекулам полиизопрена [22]. Для усиления реакционной способности белков их предварительно можно обработать галогенами или диазосоединениями [30];

  • активированием полиизопреновой матрицы введением в ее структуру функциональных групп, реакционноспособных по отношению к белкам и аминокислотам. Этот вариант представляет наибольший интерес, так как он, очевидно, реализуется в процессе биосинтеза НК и обеспечивает фиксацию белковых фрагментов на полиизопреновой матрице. В структуре НК обнаружены различные функциональные группы, в частности альдегидные и эпоксидные [22], реакционноспособные по отношению к белкам и аминокислотам, что, очевидно, и делает возможным протекание данного процесса;

  • использованием соединений, активирующих процессы взаимодействия между белками, аминокислотами и полиизопреном, например, окислительно-востановительных систем, инициирующих процессы прививки фрагментов белка на молекулу полиизопрена [31];

  • использованием аминокислот и белков с функциональными группами, способными в специфических условиях переработки, например, при латексной технологии, взаимодействовать с макромолекулами полиизопрена [32].

С целью поиска оптимальных условий проведения процесса была предпринята попытка систематического исследования указанных выше возможных способов иммобилизации белков и аминокислот.

При модификации синтетического полиизопрена аминокислотами и белками эффективно предварительное активирование эластомерной матрицы введением в нее ангидридных групп за счет взаимодействия с малеиновым ангидридом. Это обусловлено тем, что способы иммобилизации ряда белков и ферментов на данных функциональных группах широко известны и детально исследованы [33,34]. Выше были описаны свойства модифицированных этими функциональными группами эластомеров, резиновых смесей и вулканизатов на их основе.

При разработке промышленно-перспективных способов модификации СКИ-3 белками и аминокислотами необходимо выбирать такие соединения, которые обеспечивают введение в эластомерную матрицу небольших количеств функциональных групп, не ухудшая ее свойств. Примером таких групп являются эпоксидные группы [35]. Изучение взаимодействия полиизопрена, содержащего эпоксидные группы, с аминокислотами представляет интерес потому, что в работах, посвященных исследованию биосинтеза НК в растениях, теоретически рассматривается этап, заключающийся во взаимодействии эпоксидных групп НК с белковыми компонентами клеток [23].

Увеличение реакционной способности некоторых специфических аминокислот в составе белковой фракции НК, к числу которых относятся, в частности цистин, может происходить в латексе.

Среди функциональных групп аминокислот особое внимание привлекают сульфгидрильная, или тиоловая SH-группа цистеина и дисульфидная S-S-группа цистина. Это связано с высокой химической реакционной способностью этих групп, легко вступающих в разнообразные реакции со многими типами соединений, и может объясняться большим значением SH- и S-S-групп для специфических функций ряда ферментов (как, например Ко-фермента) и других биологически активных белков.

Использование серосодержащих аминокислот, таких как цистин, в промышленном масштабе сопряжено с трудностями экономического характера. В настоящее время проводятся изыскания технологий получения биологически активных веществ, получаемых из отходов мясомолочной промышленности [36]. Поиск более дешевых и доступных модификаторов привел к изучению возможности использования в качестве модифицирующей добавки гидролизата кератинового белка (ГКБ) [37]. Содержания в нем серосодержащих аминокислот доходит до 11%. Исследования модификации вводной дисперсии СКИ-3 ГКБ показали, что в результате модификации происходит взаимодействие кератинового белка с полиизопреновой дисперсией. Значительно улучшаются физико-механические свойства пленок из модифицированного ДСКИ-3.

Механическое введение белка в матрицу синтетического полиизопрена оказывает незначительное влияние на свойства смесей на его основе. Введение 1,6% мас. белка (количества, близкого к содержанию его в НК) вызывает изменение структуры синтетического каучука, приближая ее к структуре матрицы НК. Однако, последняя термодинамически более стабильная, чем структура системы СКИ-3 – несвязанный белок.

В товарном НК белок можно разделить на три вида: белок, связанный с молекулой каучука через пирофосфат в процессе синтеза, или продукт ферментативного гидролиза белка, образующийся в процессе обработки НК; белок, окружающий каучуковую глобулу и связанный с каучуком через посредник – молекулу фосфолипида; белок серума, осажденный вместе с каучуком в процессе коагуляции латекса, но химически с ним не связанный.

Первый вид белка смоделировать трудно, однако можно получить второй вид белка, связанного с каучуком через молекулу фосфолипида. Источником подобных комплексов могут стать микроорганизмы, содержащие подобные комплексы (напрмер, липопротеины) в своих мембраннах, или синтетический комплекс, причем вместо фосфолипидов могут выступать некоторые другие ПАВ [38].

Известны работы [39] по иммобилизации липидов и их аналогов на полимеры, при этом следует отметить возможность адсорбционной иммобилизации липидов.

В работах проведенных в МИТХТ совместно с НИИШП было показано, что добавки природных биополимеров в СКИ-3 придают последнему физико-механические свойства, приближающиеся к свойствам НК [39].

На первом этапе работы был выполнен качественный анализ по веществам, присутствие которых в латексе НК было достоверно установлено и строение которых достаточно достоверно доказано. В качестве таких веществ были выбраны: гидрофобный белок из латекса гевеи, растворимые белки серума того же латекса, лецитины разного происхождения, синтетические олигопренолфосфаты и пирофосфаты, а также гидрофобные белки и липидно-белковые смеси микробиологического и животного происхождения. Депротеинизацию торговых сортов НК (исходных, не подвергавшихся пластификации) проводили в разбавленных растворах (растворители – гексан, толуол) путем обработки активными добавками с последующим отделением белковой компоненты методом препаративного ультрицентрифугирования, затем депротеинизированный каучук выделяли сушкой под вакуумом в мягких условиях [40]. О содержании белка судили по определению азота с использованием прибора Кельдаля и анализу ИК-спектров.

Изомеризацию осуществляли в растворе толуола и в блоке путем обработки каучука оксидом серы, варьируя длительность и температуру. Об изменениях микроструктутры судили по появлению сигналов, соответствующих поглощению протонов trans – конфигурации звена изопренов в спектрах ЯМР, прибор Bruker – 500, ММР характеризовали методом ГПХ.

Кинетика кристаллизации является более медленной для фракции с низким содержанием белка по сравнению с нефракционированными образцами [41]. Однако основное влияние на кинетику статической кристаллизации (полупериод кристаллизации) оказывает не содержание белка, а содержание карбоновых кислот.

Изучение кристаллизации показало, что депротеинизированные образцы демонстрируют ориентационные эффекты при гораздо большем относительном удлинении (500 – 700 % ) вместо 200 – 300 %для исходных, однако температура плавления кристаллической фазы депротеинизированных образцов в опытах по статической кристаллизации при этом практически не изменяется и составляет Тпл = 10-12оС.

Кинетика кристаллизации образцов с меньшим содержанием белка является более медленной, однако увеличение содержания белка выше 2–3 % масс. почти не влияет в дальнейшем на кинетику кристаллизации.


3. Объекты исследования


Натуральный каучук