synteza poli(kwasu asparaginowego)
Nowa metoda syntezy
poli(kwasu asparaginowego)
Jan Pielichowski*, Jolanta Polaczek*
W Katedrze Chemii i Technologii Tworzyw Sztucznych Politechniki Kra- kowskiej opracowano now¹, oryginaln¹ metodê syntezy poli(kwasu asparagi- nowego) (PKA) w warunkach promieniowania mikrofalowego. Zastosowanie techniki mikrofalowej umo¿liwi³o ca³kowite wyeliminowanie ze œrodowiska re- akcji toksycznego katalizatora oraz skrócenie czasu syntezy z 240 min do ok.
30-40 min. W syntezach wykorzystano dwa monomery: kwas asparaginowy oraz sól amonow¹ kwasu maleinowego.
PKA i jego pochodne by³y stosowane do modyfikacji polietylenu, jako pod³o¿a do hodowli komórek, katalizatory w procesach utleniania, dodatki do cementu oraz dodatki do nawozów sztucznych. Poniewa¿ poliasparaginiany otrzymane t¹ metod¹ charakteryzuj¹ siê wysok¹ czystoœci¹, mog¹ w przysz³oœci znaleŸæ zastosowanie w in¿ynierii biomateria³ów.
S³owa kluczowe: poli(kwas asparaginowy), polimeryzacja termiczna, promie- niowanie mikrofalowe
A new method of poly(aspartic acid) syn- thesis
In the Department of Chemistry and Technology of Polymers at the Cracow University of Technology a new original method of poly(aspartic acid) synthe- sis under microwave irradiation was developed. All the syntheses were carried out mainly without a catalyst by using two different monomers: aspartic acid and ammonium salt of maleic acid. The time of the process can be reduced (from 240 min to about 30-40 min) when L-Asp polymerization is realized under microwave irradiation. PAA and its derivatives were successfully applicated as modifiers of polyethylene, cell cullture scaffolds, on catalyst for oxidation pro- cesses, cement and fertilizers additives. PAA and its derivatives obtained via the described method are characterized by high purity and can be used for bioma- terial engineering.
Key words: poly(aspartic acid), thermal polymerization, microwave irradia- tion
1. Wstêp
Poli(kwas asparaginowy) (PKA) i jego pochodne nale¿¹ do grupy biodegradowalnych poliaminokwa- sów. Chocia¿ pierwsze doniesienia na temat tego poli- meru pojawi³y siê ju¿ pod koniec XIX w., to jednak dopiero w latach osiemdziesi¹tych ub. stulecia zainte- resowanie PKA gwa³townie wzros³o, kiedy poznano bli¿ej jego w³aœciwoœci i potencjalne zastosowania.
PKA jest polimerem nietoksycznym oraz biodegra- dowalnym, o wysokiej odpornoœci termicznej, rozpusz- czalnym w DMF i w DMSO, mo¿e te¿ byæ rozpusz- czalny w wodzie. Ca³kowita biodegradacja PKA zacho- dzi w ci¹gu 30 dni, a produkty rozk³adu (aminokwasy, dwutlenek wêgla, amoniak, zwi¹zki karbonylowe) s¹ nieszkodliwe dla œrodowiska naturalnego. PKA w swo- im makro³añcuchu zawiera jednostki imidowe,β- oraz
α-asparaginowe. Nale¿y do grupy kwaœnych poliami- dów, dlatego te¿ jego w³aœciwoœci chemiczne wynikaj¹ z obecnoœci grup karboksylowych oraz amidowych.
W zale¿noœci od rodzaju monomerów stosowanych do syntezy PKA, parametrów procesu polimeryzacji, a tak¿e sposobów modyfikacji polikwasów, otrzymuje siê poli(asparaginiany) o ró¿nej strukturze chemicznej i ciê¿arze cz¹steczkowym [1]. Poznanie sposobów syn- tezy, w³aœciwoœci chemicznych i mo¿liwoœci modyfi- kacji PKA zaowocowa³o zwiêkszonym zainteresowa- niem mo¿liwoœciami zastosowania tego polimeru w praktyce. Dziœ PKA i jego pochodne maj¹ ugrunto- wan¹ pozycjê w ró¿nych dziedzinach nauki i przemy- s³u, pocz¹wszy od zastosowañ w rolnictwie, chemii gospodarczej, przemyœle budowlanym, a skoñczywszy na farmacji i in¿ynierii biomateria³owej [2].
2. Synteza poli(kwasu asparagi- nowego)
Do chwili obecnej opracowano wiele metod synte- zy PKA, stosuj¹c ró¿norodne monomery i wykorzys-
3
* Politechnika Krakowska, Wydzia³ In¿ynierii i Technologii Chemicznej, Katedra Chemii i Technologii Tworzyw Sztucz- nych, Kraków
synteza poli(kwasu asparaginowego)
tuj¹c rozmaite rozwi¹zania technologiczne. Najczêœciej PKA otrzymywany jest na drodze polimeryzacji ter- micznej kwasu L-asparaginowego lub kwasu D-aspara- ginowego. W syntezie mo¿na stosowaæ ka¿d¹ z form osobno lub ich mieszaniny. W praktyce czêœciej do syn- tez u¿ywa siê kwasu L-asparaginowego, który w odró¿- nieniu od formy D-Asp, jest chemicznie czynny ze wzglêdu na obecnoœæ asymetrycznego atomu wêgla [3].
W czasie syntezy uk³ad ogrzewa siê dwustopnio- wo. W pierwszym etapie procesu, w temperaturze od 165 do 190 oC, nastêpuje przekszta³cenie L-Asp do bezwodnika kwasu aspraginowego.
Stopniowy wzrost temperatury do oko³o 230 oC i ogrzewanie substancji przez oko³o 5 godzin, a¿ do uzyskania co najmniej 80% konwersji w drugim etapie procesu, powoduje rozpad pierœcienia bezwodnika.
W wyniku tego powstaje postaæ liniowa (α−β)-PKA (rys. 2).
Powsta³a struktura (α−β)-PKA jest nietrwa³a w warunkach reakcji i podczas dalszego ogrzewania ule- ga cyklizacji z wydzieleniem cz¹steczki wody z PKA i przegrupowaniu do postaci cyklicznej – PSI (rys. 3) [4].
Znane s¹ dwa typy struktury poli(kwasu asparagi- nowego): cykliczna, czyli poliimid kwasu bursztyno- wego, oraz liniowa, powstaj¹ca podczas reakcji hydro- lizy poliimidu w œrodowisku zasadowym, z zastosowa- niem wodorotlenku potasu, sodu, magnezu, wapnia lub amonu, w wyniku czego powstaj¹ sole PKA. Budowa polikwasu i warunki syntezy daj¹ szerokie mo¿liwoœci modyfikacji tego polimeru w kierunku otrzymania np.
rozpuszczalnych w wodzie poliestrów lub te¿ kopoli- merów z kwasem 6-aminokapronowym, kwasem mle- kowym czy innymi aminokwasami. Interesuj¹ce tak¿e – ze wzglêdu na mo¿liwoœci aplikacyjne – wydaj¹ siê sole PKA, o du¿ej higroskopijnoœci, stosowane naj- czêœciej jako roztwory wodne.
3. Metody syntezy po- l i ( k w a s u a s p a r a g i n o- wego)
Poli(kwas asparaginowy) otrzymuje siê te¿ na dro- dze syntezy z N-karboksybezwodników odpowiednich α-aminokwasów oraz z bezwodnika maleinowego i amoniaku [5]. Znana jest równie¿ metoda biologiczna, polegaj¹ca na syntezie PKA za pomoc¹ fermentacji z udzia³em cyjanobakterii (np. Anabena cylindrica), w wyniku której powstaje poli(kwas α-arginyloaspar- ginowy), z którego po hydrolizie powstaj¹ homo- i ko- polimery PKA, o ciê¿arach cz¹steczkowych od 2 000 do 30 000, a nawet 100 000 [6].
W syntezach PKA wykorzystuje siê ró¿norodne rozwi¹zania technologiczne; reakcje prowadzone s¹ w roztworze, w masie lub w z³o¿u fluidalnym.
3.1. Synteza poli(kwasu aspara- ginowego) w roztworze
W czasie syntezy PKA w roztworze najlepsze re- zultaty daje stosowanie rozpuszczalników cyklicznych, takich jak: wêglan etylenu, wêglan propylenu, wêglan butylenu, gdy¿ w odró¿nieniu od DMF lub DMSO nie s¹ one tak toksyczne.
PKA mo¿na otrzymaæ przez ogrzewanie kwasu as- paraginowego w obecnoœci wody. Iloœæ wody stosowa- nej do reakcji mieœci siê w zakresie 0,5 – 20% wag. w stosunku do masy u¿ytego monomeru. Temperatura procesu wynosi od 150 – 250oC. Reakcjê prowadzi siê pod ciœnieniem 0,5 – 4 MPa. Ciê¿ar cz¹steczkowy poli- meru zawiera siê w przedziale 4 000 – 6 500. Podczas syntezy uzyskuje siê stopieñ konwersji 90 – 99% [7].
W innej metodzie polimeryzacji kwasu asparagino- wego wykorzystuje siê poli(glikole alkilenowe) jako fazê rozpraszaj¹c¹. Temperatura procesu wynosi od 120 do 300 oC i przebiega w atmosferze N2 lub pod zmniejszonym ciœnieniem. Otrzymuje siê polimery o ciê¿arze cz¹steczkowym w granicach 1000 – 15 000.
Metoda ta znalaz³a zastosowanie ze wzglêdu na mo¿li-
4
COOH COOH
H2N
O O
O H2N
n n
165 - 190 °C
+ H2O
O O
O NH2 n
2300C
NH CH CO CH2 COOH
NH CH2 CH CO
COOH
m q
jednostki jednostki
β-asparaginowe α- asparaginowe
- H2O
N O
O O
O
O H2N
n NH CH CO
CH2 COOH
NH CH2 CH CO COOH
m q
Rys. 2. Utworzenie postaci liniowej (α−β)-PKA Fig. 2. Formation of linear form (α−β)-PAA
Rys. 3. Utworzenie postaci cyklicznej poli(kwasu aspa- raginowego) (PSI)
Fig. 3. Formation of poly(aspartic acid) cyclic form Rys. 1. Przekszta³cenie L-Asp do bezwodnika kwasu asparaginowego
Fig. 1. Transformation of L-Asp into aspartic acid an- hydride
synteza poli(kwasu asparaginowego)
woœæ bezpoœredniego wykorzystania produktu, bez uprzedniego wyodrêbnienia PKA z glikolu (na przy- k³ad do produkcji detergentów).
3.2 Synteza PKA w masie
Proces syntezy PKA z L-Asp mo¿na przeprowa- dziæ mieszaj¹c monomer z 85-proc. kwasem ortofosfo- rowym w temperaturze pokojowej, w mieszarce, w cza- sie 15 minut. Dalsz¹ syntezê PKA prowadzi siê w reak- torze w temperaturze do 200 oC, w atmosferze N2, przez 6,5 godziny. Podczas procesu konwersja L-Asp mo¿e osi¹gaæ 99%, a œredni ciê¿ar cz¹steczkowy PKA wynosi 24 000. W tabeli 1 przedstawiono parametry syntezy z wykorzystaniem ró¿nych katalizatorów.
Tabela 1. Parametry syntezy PKA z L-Asp w masie, w reaktorze
Table 1. Synthesis parameters of PAA from L-Asp in mass, in reactor
Obecnoæ katalizatora,
% mas. (X)
Tempera- tura,oC
Stopieñ konwer- sji, %
redni ciê¿ar cz¹stecz- kowy (Mw) Bez katalizatora 200 41 7 400 Bez katalizatora 260 96 9 000
H SO"(5) 200 99 7 200
F-CH!C$H"SO!H (5) 200 99 7 800
F-CH!SO!H (5) 200 99 8 800
H!PO"(5) 200 98 19 000
H!PO"(10) 200 99 24 000
Zastosowanie katalizatorów kwasowych do synte- zy PKA pozwala osi¹gaæ wysoki stopieñ konwersji, po- wy¿ej 95%. Istotn¹ ró¿nic¹ przemawiaj¹c¹ za stosowa- niem kwasu fosforowego (V) jest mo¿liwoœæ osi¹gania wysokich stopni konwersji oraz du¿ych œrednich ciê¿a- rów cz¹steczkowych. Na w³aœciwoœci PKA wp³ywa równie¿ w znacz¹cy sposób iloœæ dodanego katalizato- ra, temperatura procesu, ciœnienie, rodzaj zastosowane- go monomeru [8].
Tabela 2. Parametry syntezy PKA z L-Asp w wyt³aczar- ce
Table 2. Synthesis parameters of PAA from L-Asp in extruder
Tempe- ratura,
oC
H3PO4,
% mas.
Szybkoæ zasilania, kg/h
Stopieñ konwersji,
%
Ciê¿ar cz¹stecz-
kowy
260 0 1,0 16
200 10 1,0 79 22 000
260 10 1,0 99 24 000
260 10 3,0 99 23 000
Obecnie prowadzone s¹ prace nad wykorzystaniem wyt³aczarki dwuœlimakowej do syntezy PKA w masie.
W tym celu miesza siê wstêpnie L-Asp z dodatkiem 85-proc. H3PO4przez 30 minut, w temperaturze poko- jowej, w atmosferze azotu. Nastêpnie w wyt³aczarce dwuœlimakowej prowadzi siê reakcjê polikondensacji.
Temperatura wynosi 260 oC, œlimak wykonuje 30 obr./min, a szybkoœæ zasilania reaktora wynosi 1 kg/h.
W tabeli 2 przedstawiono parametry syntezy PKA w wyt³aczarce dwuœlimakowej.
Jak wynika z tabeli 2, najwy¿sze stopnie konwersji (99%) i ciê¿ary cz¹steczkowe (24 000), uzyskiwano w obecnoœci katalizatora, w temperaturze 260oC oraz przy szybkoœci dozowania wynosz¹cej 1,0 kg/h. Obni-
¿enie temperatury lub zwiêkszenia szybkoœci dozowa- nia L-Asp powodowa³o spadek ciê¿aru cz¹steczkowe- go i stopnia konwersji [8].
3.3. Synteza PKA w z³o¿u flui- dalnym
Wiêksz¹ efektywnoœæ syntezy PKA uzyskuje siê u¿ywaj¹c reaktora ze z³o¿em fluidalnym. Pozwala to skróciæ czas syntezy bez obni¿enia stopnia konwersji.
Syntezê mo¿na prowadziæ pod zmniejszonym ciœnie- niem. Temperatura procesu wynosi oko³o 150oC. Pro- ces prowadzony jest w atmosferze gazu obojêtnego lub gazowego HCl, a tak¿e mieszaniny N2, gazowego HCl oraz gazowego SO2. T¹ metod¹ uzyskuje siê PKA o ciê¿arach cz¹steczkowych w granicach 800 – 100 000 [9].
4. Synteza PKA w warun- k a c h p ro m i e n i o w a n i a mikrofalowego
We wszystkich opisanych procesach syntezy po- li(kwasu asparaginowego) wymagane jest stosowanie du¿ych iloœci katalizatorów. Ponadto s¹ to reakcje d³u- gotrwa³e, przebiegaj¹ce w czasie od kilku do kilkunastu godzin, a w przypadku metody fermentacyjnej nawet kilkunastu dni. Najczêœciej stosuje siê katalizatory takie jak: kwas ortofosforowy, kwas p-toluenosulfonowy, kwas metanosulfonowy, kwas siarkowy (VI), kwas fos- forowy (III), kwas pirofosforowy, kwas benzenosulfo- nowy, kwas naftalenosulfonowy, kwas sulfinowy, chlo- rowodór, kwas chlorooctowy, kwas bromooctowy, kwas szczawiowy. Dodaje siê je w iloœci 5 – 20% ma- sowych w stosunku do monomeru. Zapewniaj¹ one skrócenie czasu reakcji, uzyskanie wiêkszego stopnia konwersji L-Asp (do 99%) i wy¿szych ciê¿arów cz¹s- teczkowych rzêdu 103 – 105 [10]. Brak katalizatora powoduje bardzo niski stopieñ konwersji i brak mo¿li- woœci oznaczenia ciê¿aru cz¹steczkowego, co najpraw- dopodobniej spowodowane jest obecnoœci¹ produktów oligomerycznych.
5
synteza poli(kwasu asparaginowego)
Jednak zastosowanie tego typu katalizatorów, w tak du¿ej iloœci, wyklucza mo¿liwoœæ wykorzystania PKA w dziedzinach, gdzie wymagane s¹ wysoka czys- toœæ i jednorodnoœæ polimeru, a mianowicie w: biomi- metyce, implantologii, farmacji, w stomatologii i oku- listyce.
Dlatego te¿ w Katedrze Chemii i Technologii Two- rzyw Sztucznych Politechniki Krakowskiej opracowa- no oryginaln¹, bezciœnieniow¹, metodê otrzymywania poli(kwasu asparaginowego) z wykorzystaniem techni- ki mikrofalowej, która pozwala na wyeliminowanie z reakcji katalizatora, a tak¿e na znaczne skrócenie czasu syntezy oraz zwiêkszenie wydajnoœci procesu [11, 12].
4.1. Czêœæ doœwiadczalna
Badania nad syntez¹ poli(kwasu asparaginowego) prowadzono w reaktorze mikrofalowym produkcji w³oskiej firmy „Milestone”, o mocy 1000 W, zaopa- trzonym w mieszad³o magnetyczne oraz nasadkê azeo- tropow¹.
Wykorzystanie tego typu reaktora do syntezy PKA i jego pochodnych pozwoli³o na zaprojektowanie ca³e- go procesu mikrofalowego oraz pe³ne monitorowanie reakcji polikondensacji, poniewa¿ mo¿liwe by³o za- programowanie takich parametrów, jak: ca³kowity czas trwania reakcji, temperatura, moc promieniowania mi- krofalowego, a tak¿e iloœæ poszczególnych cykli synte- zy. Syntezy prowadzono metod¹ bezciœnieniow¹, bez udzia³u katalizatora (kwasu fosforowego). Jako mono- mery stosowano: kwas asparaginowy (D, L) i (L) oraz sól amonow¹ bezwodnika maleinowego (SAM) uzys- kan¹ z bezwodnika maleinowego. Okaza³o siê, ¿e etap otrzymywania soli amonowej mo¿na równie¿ prowa- dziæ w reaktorze mikrofalowym, uzyskuj¹c znaczne skrócenie czasu syntezy. W tabeli 3 przedstawiono dla porównania parametry syntezy PKA metodami kon- wencjonaln¹ oraz z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego, a tak¿e wp³yw parametrów procesu na wydajnoœæ syntezy.
Tabela 3. Parametry syntezy PKA – metoda konwencjo- nalna i mikrofalowa
Table 3. Synthesis parameters of PAA – conventional and microwave method
Monomer Tempe- ratura,
oC
Czas, min
Moc pro- mienio- wania, W
Wydaj- noæ, %
KA(konw.) 180-210 360 72
SAM (konw.) 170-210 300 65
KA(mV) 190-230 44 380-390 92
SAM (mV) 170-230 20 300-400 98
Natomiast w tabeli 4 przedstawiono przyk³adowe parametry syntezy PKA oraz obserwowane zmiany bar-
wy mieszaniny reakcyjnej, zachodz¹ce podczas po- szczególnych cykli polimeryzacji kwasu asparagino- wego.
Tabela 4. Parametry syntezy mikrofalowej PKA z kwasu asparaginowego w reaktorze „Milestone”
Table 4. Microwave synthesis parameters of PAA from aspartic acid in „Milestone” reactor
cykluNr
cyklu,Czas min
Tempe- ratura,
oC
Moc pro- mienio- wania, W
Barwa mieszaniny
reakcyjnej
1 3 176 380 bia³a
2 3 186 380 bia³a
3 3 196 380 jasnoró¿owa
4 3 200 380 jasnoró¿owa
5 7 215 390 jasnoró¿owa
6 5 220 390 jasnobr¹zowa
7 3 230 390 br¹zowa
8 14 230 390 ciemnobr¹zowa
Jak wykaza³y przeprowadzone badania, zastoso- wanie techniki mikrofalowej umo¿liwi³o skrócenie czasu syntezy poli(kwasu asparaginowego) z 6 godzin (w metodzie konwencjonalnej) do 20 – 44 minut, w za- le¿noœci od zastosowanych monomerów. Ponadto oka- za³o siê, ¿e polikondensacja SAM, jako substancji sil- nie polarnej, przebiega zdecydowanie ³atwiej i szybciej ni¿ KA. Jednoczeœnie otrzymano polimery jednorodne, o wysokiej czystoœci, z wydajnoœciami siêgaj¹cymi oko³o 98%.
W reaktorze mikrofalowym „Milestone” przepro- wadzono te¿ syntezy ró¿nych kopolimerów, np.: kwas asparaginowy/kwas mlekowy; kwas asparaginowy/
kwasε-aminokapronowy, kwas asparaginowy/oktade- cyloamina. Podobnie jak w przypadku syntezy PKA, czas reakcji kopolimeryzacji równie¿ uleg³ skróceniu z kilku godzin do ok. pó³ godziny.
Przeprowadzone badania wykaza³y równie¿, ¿e ogrzewanie w polu promieniowania mikrofalowego jest korzystne z przyczyn ekonomicznych, poniewa¿
charakteryzuje siê mniejszym zu¿yciem energii. Zu¿y- cie energii potrzebnej do wytworzenia t¹ metod¹ poli- meru z 30 g monomeru by³o rzêdu 0,43 – 0,47 KWh, podczas gdy w metodzie standardowej wynosi³o 0,67 kWh. Natomiast rodzaj ogrzewania nie wp³ywa³ na postaæ koñcow¹ i w³aœciwoœci produktu.
4.2. Wp³yw parametrów syntezy na w³aœciwoœci PKA
Na w³aœciwoœci poli(kwasu asparaginowego) PKA wp³yw ma rodzaj rozpuszczalnika, rodzaj i iloœæ zasto- sowanego monomeru, atmosfera reakcji oraz tempera- tura, moc promieniowania i czas reakcji. W tabelach 5
6
synteza poli(kwasu asparaginowego)
i 6 przedstawiono wp³yw niektórych parametrów synte- zy na w³aœciwoœci PKA.
Tabela 5. Wp³yw parametrów syntezy na w³aœciwoœci PKA
Table 5. The influence of synthesis parameters on PAA properties
Atmosfera syntezy
Rodzaj mono- meru
syntezy,Czas min
Wydaj- noæ, %
Ciê¿ar cz¹stecz-
kowy
powietrze SAM 20 93 4 000
powietrze KA44 92 7 000
azot SAM 20 90 13 000
azot KA41 97 12 000
argon SAM 20 90 9 000
argon KA41 90 13 000
Tabela 6. Wp³yw iloœci u¿ytego monomeru na parame- try i wydajnoœæ syntezy PKA
Table 6. The influence of monomer mass on PAA synthe- sis yield and parameters
próbki,Masa g
syntezy,Czas min
Moc pro- mienio- wania, W
Wydaj-
noæ, % Barwa produktu
50 41 380390 92 ró¿owa
75 44 370390 96 jasnobr¹zowa 100 70 350370 96 jasnobr¹zowa
Przeprowadzone badania potwierdzi³y, ¿e w zale¿- noœci od atmosfery reakcji i rodzaju monomeru otrzy- mywane s¹ polikwasy o ró¿nych ciê¿arach cz¹steczko- wych. Natomiast wraz ze wzrostem iloœci monomeru stosowanego do reakcji wyd³u¿a siê ca³kowity czas syntezy.
5. W³aœciwoœci poli(kwa- su asparaginowego)
Otrzymane polimery scharakteryzowano metod¹ spektroskopii w podczerwieni (IR), na aparacie firmy
„Biorad” typ TS 165. Wyniki analiz potwierdzaj¹, ¿e otrzymano PSI z przewag¹ formy cyklicznej, poniewa¿
pojawi³ siê intensywny dublet pochodz¹cy od cyklicz- nego, piêciocz³onowego pierœcienia imidowego przy 1715 cm-1i 1780 cm-1(rys. 4).
Z kolei analiza1H NMR (rys.5) potwierdzi³a struk- turê cykliczn¹ PKA, gdy¿ przy oko³o 3,3 i 2,6 ppm wystêpuj¹ sygna³y protonów metylenowych jednostek imidowych o prawie równych intensywnoœciach. Syg- na³ pochodz¹cy od protonów grup metinowych jednos-
tek imidowych le¿y w zakresie 4,5-5,4 ppm. Wykonane analizy potwierdzi³y, ¿e otrzymano poli(kwas asparagi- nowy) o dominuj¹cej strukturze cyklicznej [13].
Metod¹ termograwimetryczn¹ TG z u¿yciem anali- zatora firmy Netzsch TG-209 zbadano odpornoœæ ter- miczn¹ poli(kwasu asparaginowego) polimeryzowane- go w stopie, wêglanie propylenu oraz glikolu etyleno- wym. Próbki o masie ok. 6 mg analizowano przy szyb- koœci ogrzewania 10K/min w atmosferze argonu, w za-
7
15 25 35 45 55 65 75 85 95 105
34 84 134 184 234 284 334 384 434 484 534 584 glikol etylenowy
wêglan propylenu
w stopie
Rys. 5. Widmo H NMR poli(kwasu asparaginowego) Fig. 5. H NMR spectrum of polysuccinimide
Rys. 6. Krzywa termograwimetryczna poli(kwasu aspa- raginowego)
Fig. 6. Curves of thermogravimetry for polysuccinimide Rys. 4. Widmo FT IR poli(kwasu asparaginowego) Fig. 4. Infrared spectrum of polysuccinimide
synteza poli(kwasu asparaginowego)
kresie temperatury od 30oC do 600oC. Wyniki analizy TG przedstawiono na rys. 6.
Analiza TG wykaza³a, ¿e najwy¿sz¹ odpornoœæ ter- miczn¹ ma poli(kwas asparaginowy syntezowany w wêglanie propylenu. Na podstawie przebiegu krzy- wej TG stwierdzono równie¿, ¿e powy¿ej temperatury 220oC ma miejsce powolny rozk³ad PKA, przy czym najbardziej intensywnie zachodzi on w zakresie tempe- ratury 340oC – 400oC, prowadz¹c do sta³ej pozosta³oœ- ci w iloœci oko³o 30%.
5.1. Degradacja poli(kwasu as- paraginowego)
Poli(kwas asparaginowy) jako polimer biodegra- dowalny ulega degradacji podczas hydrolizy lub pod wp³ywem dzia³ania enzymów. Przeprowadzono bada- nia degradacji PKA o ciê¿arze cz¹steczkowym M = 14 000, w wodzie destylowanej oraz w roztworze soli fizjologicznej (0,9% wodny roztwór NaCl), w czasie 60 dni, w temperaturze 25oC. Badano zmianê pH roz- tworów oraz oznaczano ciê¿ary cz¹steczkowe poli- kwasu.
Na podstawie wykonanych oznaczeñ stwierdzono,
¿e degradacja poli(kwasu asparaginowego) przebiega najintensywniej w czasie 24 godzin. Ponadto szybciej przebiega degradacja PKA w roztworze soli fizjolo- gicznej ni¿ w wodzie. Oznaczenia ciê¿aru cz¹steczko- wego oraz analiza FT IR wykaza³y, ¿e poli(kwas aspa- raginowy) degraduje po 60 dniach a¿ do cyklicznego dimeru. Natomiast analiza FT IR poli(kwasu asparagi- nowego) po degradacji potwierdzi³a, ¿e na skutek hyd- rolizy do roztworu przechodzi polimer o budowie linio- wej, rozpuszczalny w wodzie.
6 . Z a s t o s o w a n i e p o- li(kwasu asparaginowe- go) i jego pochodnych
Poli(kwas asparaginowy) i jego pochodne, otrzy- mane w reaktorze mikrofalowym, wykorzystano do ró¿norodnych zastosowañ, a mianowicie jako: modyfi- katory polietylenu o wysokiej gêstoœci PE HD stosowa- nego do produkcji implantów, nowe pod³o¿a do ho- dowli ró¿nego rodzaju komórek, dodatki do nawozów sztucznych i mieszanek cementowych, a tak¿e do otrzymywania nowych biodegradowalnych katalizato- rów.
PE HD modyfikowano za pomoc¹ PKA oraz kopo- limeru kwas asparaginowy/kwas ε-aminokapronowy (KAK), a nastêpnie wykonano badania fizyczne kszta³- tek wtryskowych wykonanych z czystego i modyfiko- wanego PE HD. Przeprowadzone badania wykaza³y poprawê w³aœciwoœci, a w szczególnoœci twardoœci oraz odpornoœci na œcieranie w stosunku do czystego polietylenu [14].
W Instytucie Immunologii i Terapii Doœwiadczal- nej PAN we Wroc³awiu zbadano dzia³anie cytotoksycz- ne poli(kwasu asparaginowego) oraz jego pochodnych na komórki szpiku myszy (BALB/c) in vitro. Przepro- wadzone próby wykaza³y ma³¹ toksycznoœæ dla komó- rek szpiku. Ponadto okaza³o siê, ¿e obecnoœæ PKA sty- muluje poliferencjê (namna¿anie siê) komórek w czasie inkubacji. Z kolei na Wydziale Medycznym Uniwersy- tetu M. Kopernika w Toruniu przeprowadzono badania cytotoksycznoœci poli(kwasu asparaginowego) oraz je- go soli sodowej w warunkach in vitro. Porównano zdol- noœæ namna¿ania komórek lini 3T3 (mysie transformo- wane fibroblasty) na ró¿nych pod³o¿ach. Wykonano te¿
badania in vivo dla grupy myszy (C57Bl). W wyniku przeprowadzonych badañ in vitro i in vivo stwierdzono brak cytotoksycznoœci poli(kwasu asparaginowego) PKA oraz to, ¿e jego pochodne mog¹ byæ stosowane w przysz³oœci jako nowe pod³o¿a do hodowli komórek.
Z kolei sól sodow¹ PKA zastosowano jako dodatek do mieszanek cementowych. Zbadano wp³yw pH soli PKA na rozlewnoœæ cementu portlandzkiego, a tak¿e zmianê iloœci „wody zarobowej” stosowanej w mie- szance. Znaczn¹ poprawê rozlewnoœci cementu uzys- kano dla soli sodowej o pH=11,25. Stwierdzono te¿, ¿e dodatek 0,5% soli sodowej PKA (w stosunku do masy cementu) wp³ywa na zmniejszenie iloœci „wody zaro- bowej” w mieszance, przy zachowaniu odpowiedniej konsystencji mieszanki cementowej [15].
Z doniesieñ literaturowych wiadomo, ¿e dodatek poliasparaginianów do nawozów sztucznych stymuluje metabolizm azotu w roœlinach, u³atwia przyswajanie i pobieranie sk³adników pokarmowych i wody. Wobec tego sól sodow¹ PKA zastosowano jako regulator wzrostu oraz ukorzeniacz w uprawie lnu. Przeprowa- dzone doœwiadczenia wazonowe pokaza³y, ¿e najlepsze rezultaty uzyskano stosuj¹c nawozy NPK standard
8
0 2000 4000 6000 8000 10000
0 10 20 30 40 50 60
CZAS [dni]
C. cz¹st.
PRÓBKA 1
PRÓBKA 2
Rys. 7. Zmiana ciê¿aru cz¹steczkowego PKA w czasie degradacji:
Próbka 1 – degradacja PKA w 0,9% roztworze NaCl Próbka 2 – degradacja PKA w wodzie destylowanej Fig. 7. PAA molecular weight change during degrada- tion:
Sample 1 – PAA degradation in 0,9% solution of NaCl Sample 2 – PAA degradation in distilled water
synteza poli(kwasu asparaginowego)
z dodatkiem Na PKA w iloœci – 1 kg/ha, i to zarówno
„doglebowo”, jak i „dolistnie”,
Interesuj¹ce te¿ wydaj¹ siê prace nad otrzymywa- niem nowych, biodegradowalnych katalizatorów stoso- wanych w reakcjach utleniania. Sól sodow¹ PKA prze- prowadzano w kompleksy z jonami: Co2+, Ni2+, Cu2+, zawieraj¹cymi (wg metody AAS): 6,63% Co, 6,82% Ni i 13,68% Cu. Katalizatory zastosowano z powodze- niem w reakcjach utleniania stilbenu, indenu i 1-de- cenu.
7. Podsumowanie
Opracowano now¹, oryginaln¹ metodê syntezy biodegradowalnego poli(kwasu asparaginowego) w re- aktorze mikrofalowym, metod¹ bezciœnieniow¹, bez udzia³u katalizatora (H3PO4). Uwagê zwraca znacz¹ce skrócenie czasu syntezy z kilku godzin do kilkudzie- siêciu minut oraz jej wysoka wydajnoœæ, powy¿ej 90%.
Otrzymano poli(kwas asparaginowy) o wysokiej czys- toœci, bez obecnoœci monomeru i o okreœlonych w³aœci- woœciach umo¿liwiaj¹cych ró¿norodne zastosowania, przede wszystkim w in¿ynierii biomateria³owej.
W przysz³oœci prawdopodobnie bêdzie siê wykorzysty- waæ promieniowanie mikrofalowe do syntezy innych polipeptydów, a tak¿e modyfikowanych za pomoc¹ PKA polimerów naturalnych, co mo¿e stanowiæ du¿y krok w kierunku otrzymywania syntetycznych biopoli- merów.
Literatura
1. Polaczek J., Dziki E., Pielichowski J., Polimery 2003, 48, nr 1
2. Dziki E., Pielichowski J., Polaczek J., Przemys³ Chemiczny 2005, 84, 1
3. Kang H.S., Shin M.-S., Kim Yang J.-D., J.-W.: Poly- mer Bulletin 2000, 45, 39-43
4. Rowton S., Huang S.J., Swift G.: Journal and Envi- ronmental Polymer Degradation 1997, 5, No.3 5. Vanga S.R., Lapointe P., McGregor D.N.: Macro-
molecular Chemistry 1993, 194, 1095 -1104 6. Pat. USA 6 180 752 B1 (2001)
7. Pat. USA 6 380 350 (2002)
8. Nakato T., Kusano A., Kakuchi T.: Journal of poli- mer Science Part A: Polymer Chemistry 2000, Vol.
38, Iss.1, 117-122
9. Pat. USA 5 830 985 (1998) 10. Pat. USA 6 197 897 (2001) 11. Zg³. Pat. P-346 885 (2001)
12. Polaczek J., Pielichowski J., Pielichowski K., Ty- lek E., Dziki E., Polimery 2005, 50, nr 11-12 13. Tylek E., Polaczek J., Pielichowski J., Polimery
2005, 50, nr 5
14. Polaczek J., Pielichowski J., Dziki E., W¹s M., In¿y- nieria Biomateria³ów 2004, nr 38-42, s. 99-102 15. Tylek E., Polaczek J., Pielichowski J., Annals of the
Polish Chemical Society 2004, Vol. 3, part 3, 2004, s. 1106-1109
Praca jest finansowana przez KBN – Projekt Badawczy 3 T08 E 029 29.
