Новые аммоний-содержащие полимерные щетки с заданными свойствами и их применение в качестве компонентов каталитических и лекарственных композиций

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-73-10220

НазваниеНовые аммоний-содержащие полимерные щетки с заданными свойствами и их применение в качестве компонентов каталитических и лекарственных композиций

Руководитель Каморин Денис Михайлович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые слова Аммонийсодержащие полимерные щетки, сополимеры олиго(этиленгликоль)метакрилатов, оксид церия, лекарственные нанокомпозиции, ионенсодержащий полистирол, полиоксометаллаты, катализ, алкены, эпоксидирование

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект имеет междисциплинарный характер, в его основе лежат исследования по химии высокомолекулярных соединений, связанные с разработкой и исследованием свойств новых аммонийсодержащих полимерных щеток, а также в области фармакологии (исследование биологических свойств комплексов полимерных щеток с наноэнзимами и гидрофобными лекарственными веществами) и органического синтеза (оценка каталитических свойств комплексов полимерных щеток с полиоксометаллатами в реакциях эпоксидирования объемных алкеновых субстратов пероксидом водорода). Предлагаемый проект предполагает развитие актуальных фундаментальных исследований в направлениях получения двух новых типов аммонийсодержащих полимерных щеток с заданными свойствами, оптимизированными для решения важных практических конкретных задач. Первым типом являются водорастворимые амфифильные (мет)акриловые полимеры, синтезируемые методом контролируемой радикальной сополимеризации (в режиме RAFT) макромономеров, содержащие в боковых цепочках оптимальный набор олигоэтиленгликолевых, олигопропиленгликолевых, н-алкильных блоков, а также моноаммонийсодержащих метакриловых производных или ионенсодержащих (полиаммониевых) макромономеров. Такие макромономеры будут синтезированы методом ступенчатой олигомеризации бис-третичного диамина и эпихлогидрина в присутствии аминосодержащего метакриламида. Полученные молекулярные щетки, благодаря ярко выраженным амфифильным свойствам и оптимизированным молекулярно-массовым характеристикам, в водных растворах будут образовывать полимерные мицеллы (мономолекулярные или другие), которые могут выступать в качестве эффективных мицеллярных наноконтейнеров для целевой доставки антибактериальных лекарственных веществ. Введение в макромолекулы аммониевых групп должно придать самим наноконтейнерам антибактериальные свойства, что будет способствовать усилению заданного фармакологического эффекта. Еще одним протестированным вариантом «начинки» для мицелл синтезированных водорастворимых аммонийсодержащих полимерных щеток станут наноэнзимы, в качестве которых будут использованы оксид церия и оксид цинка. В этом случае полимеры станут протекторами для предотвращения агрегации наночастиц, и антибактериальные свойства также должны усилить действие наноэкзимов, потенциальное медико-биологическое применение которых очень широко – они активно исследуются для лечение онкологических, нейродегенеративных заболеваний и болезней, связанных со снижением иммунитета и антиоксидантного статуса. Вторым типом разрабатываемых в проекте новых аммонийсодержащих полимерных щеток являются водо- и органонерастворимых полимеры амфифильного характера, получаемые на основе сшитого гидрофобного полимера (полистирола) с привитыми гидрофильными ионеновыми цепочками, способными активно иммобилизовывать каталитические анионы полиоксометаллатов. Такая структура обеспечит способность полученного каталитического комплекса эффективно катализировать эпоксидирование объемных алкенов различного строения (высших линейных алкенов С8-С12, циклогексена, стирола, метиловых эфиров высших жирных кислот, лимонена) пероксидом водорода (наиболее экологичным окислителем) в двухфазных водно-органических системах, в том числе за счет усиления межфазного переноса, а также резко упростит выделение катализатора после завершения синтеза. Таким образом, разрабатываемые каталитические композиции должны сочетать достоинства гомогенного катализа полиоксометаллатами (высокая скорость, селективность) и гетерогенного катализа (легкое отделение катализатора от продуктов реакции). Для прививки к полимерной матрице ионеновых цепочек, как и для полимерных щеток первого типа, будет использована ступенчатая олигомеризация бис-третичного диамина и эпихлогидрина, но проводиться она будет в присутствии хлорметиленсодержащих сшитых полистиролов. Продукты эпоксидирования исследуемых объемных алкеновых субстратов находят применение в фармацевтической и парфюмерной промышленности, в производстве полимеров и других важных продуктов. Научная новизна исследований определяется отсутствием литературных данных по синтезу и свойствам новых стимулчувствительных аммонийсодержащих молекулярных щеток – сополимеров на основе макромономерных метакриловых эфиров, содержащих олигоэтиленгликолевые, олигопропиленгликолевые, высшие н-алкильные блоки в боковых цепочках, и моноаммонийсодержащих или макромономерных ионенсодержащих метакриловых производных; по синтезу и свойствам амонийсодержащих полимерных щеток на основе сшитого полистирола с привитыми ионеновыми цепочками; по планируемым для исследования композициям разработанных полимерных щеток фармакологического назначения или используемых в качестве катализаторов органических реакций. Все направления исследований проекта имеют хорошие практические перспективы. Поэтому, наряду с изучением закономерностей синтеза и свойств новых типов полимерных щеток, для них запланирован большой объем тестовых исследований, на основе которых будет проводиться оптимизация состава и структуры полимеров для дальнейшего развития работы в прикладных направлениях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.С. СИМАГИН, О.А. КАЗАНЦЕВ, Д.М. КАМОРИН, Н.С. КАМОРИНА, В.Д. КАВТРОВА Контролируемый синтез и свойства растворов сополимеров метакриловых эфиров и аммоний-содержащего метакриламида Пластические массы (год публикации - 2023)

2. Коршунова М.В., Каморина Н.С., Морнов А.А., Каморин Д.М. Кватернизация N,N-диметиламинопропилметакриламида бромистым пропилом ХХVI Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием): тезисы докладов (Нижний Новгород, 18–20 апреля 2023 г.). Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2023. - 551 с., ХХVI Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием): тезисы докладов (Нижний Новгород, 18–20 апреля 2023 г.). Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2023. - 551 с. (год публикации - 2023)

3. КАВТРОВА В.Д., ЛАПТЕВА Е.А., КОРШУНОВА М.В., СИМАГИН А.С. ИЗУЧЕНИЕ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ ТЕРПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ МЕТАКРИЛОВЫХ ЭФИРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЗВЕНЬЯ N-МЕТАКРИЛОИЛАМИНОПРОПИЛ-N,N-ДИМЕТИЛ-N-ПРОПИЛАММОНИЙ БРОМИДА XXII Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», посвященная 125-летию основания НГТУ им. Р.Е. Алексеева (год публикации - 2023)

4. КОРШУНОВА М.В., КАМОРИНА Н.С, МОРНОВ А.А., ТИМЧЕНКО Е.А. ПОЛУЧЕНИЕ СОПОЛИМЕРОВ МЕТАКРИЛОВЫХ ЭФИРОВ И N-МЕТАКРИЛОИЛАМИНОПРОПИЛ-N,N-ДИМЕТИЛ-N-ПРОПИЛАММОНИЙ БРОМИДА КОНТРОЛИРУЕМОЙ РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИЕЙ XXII Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», посвященная 125-летию основания НГТУ им. Р.Е. Алексеева (год публикации - 2023)

5. Замышляева Ольга, Каморин Денис, Казанцев Олег, Симагин Александр, Балакирёва Алёна, Батенькин Максим, Мельникова Нина Monolayers of bottlebrush amphiphilic polymers and their mixed monolayers with dihexadecyl phosphate at the air–water interface. The effect of cerium (III) ions and quaternization of polymers Colloid and Polymer Science, Colloid Polym Sci (2023). https://doi.org/10.1007/s00396-023-05176-0 (год публикации - 2023)
10.1007/s00396-023-05176-0

6. Нина Мельникова, Ольга Замышляева, Денис Каморин, Олег Казанцев, Александр Симагин, Алена Шеферова, Максим Батенькин Antioxidant activity of bottlebrush copolymers and its self-assembly in mixed monolayers with cholesterol in the presence of cerium nitrate Journal of Polymer Research, Journal of Polymer Research, 2024, Volume 31, article number 144 (год публикации - 2024)
10.1007/s10965-024-03999-1

7. Арифуллин И.Р., Каморин Д.М., Казанцев О.А., Орехов Д.В., Симагин А.С., Кавтрова В.Д., Спицина Е.Б. Новые ионен-содержащие метакриловые макромономеры для получения полимерных материалов с бактерицидными свойствами КЛЕИ. ГЕРМЕТИКИ. ТЕХНОЛОГИИ (год публикации - 2024)

8. Каморин Д.М., Казанцев О.А., Симагин А.С., Орехов Д.В., Савинова М.В., Арифуллин И.Р., Сивохин А.П. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НЕИОНОГЕННЫХ И КАТИОННЫХ СОПОЛИМЕРОВ АЛКОКСИОЛИГО(ЭТИЛЕНГЛИКОЛЬ)МЕТАКРИЛАТОВ И ДОДЕЦИЛМЕТАКРИЛАТА НА ИХ СВОЙСТВА В РАСТВОРАХ Высокомолекулярные соединения (год публикации - 2024)

9. Д. М. Каморин, А. С. Симагин, О. А. Казанцев, В. Н. Семёнов, А. И. Сливкин, О. Г. Замышляева, А. А. Емашева, Н. Б. Мельникова Самоорганизация катионных полимеров в смешанных монослоях с липидами на межфазной границе раздела «жидкость-воздух» Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2025)

10. Денис Каморин, Александр Симагин, Олег Казанцев, Мария Савинова, Мария Симонова, Денис Садков, Ильдар Арифуллин, Ярослав Долинов Ammonium-Containing Methacrylic Polymer Brushes with Adjustable Hydrophilicity: Synthesis and Properties in Aqueous Solutions Polymers, Polymers 2025, V. 17, #9, 1200 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17091200

11. А.С. Симагин, Д.М. Каморин, И.Р. Арифуллин, О.А. Казанцев, М.В. Савинова, Я.В. Долинов, И.Н. Постникова Ионен- и олигоэтиленгликольсодержащие амфифильные метакриловые полимеры со структурой молекулярной щетки Известия Академии Наук. Серия химическая (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения третьего этапа проекта впервые была дана оценка антиоксидантной, антибактерицидной и цитостатической активности исследуемых молекулярных щеток c моноаммониевыми и ионеновыми (полиаммониевыми) мономерными звеньями. Была оценена антиоксидантная активность полимеров и их комбинаций с Ce3+, Ce4+, наночастицами CeО2 и ZnO. Ионеновый гомополимер не снижает процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ), наиболее эффективно активирует антиоксидантные системы комбинация ионенового гомополимера с CeО2 в наибольших концентрациях. При этом, показано, что для неионогенных сополимеров использование различных добавок металлов приводило к противоположным эффектам. Комбинации с наночастицами CeО2 и ZnO оказались эффективными для снижения процессов ПОЛ, эффекты чистого полимера и комбинации с Ce4+ оказались незначительными, а Ce3+ выражено угнетал антиоксидантные системы, стимулируя ПОЛ. Введение в состав молекулярных щеток кватернизированных звеньев ухудшает антиоксидантную активность и интенсифицирует ПОЛ. Этот эффект может быть использован в окислительной терапии воспалительных процессов. Антиоксидантный эффект зафиксирован при крайне низких концентрациях полимеров. Для различных аммонийсодержащих полимеров в ходе исследований обнаружены как антиоксидантные, так и прооксидантные эффекты, что потенциально расширяет сферу их медицинского применения. Для ионенового гомополимера и ряда тройных молекулярных щеток со звеньями моноаммониевого или ионенового мономера, их комбинаций с соединениями церия показано влияние состава полимеров и их концентрации на бактерицидную активность и фунгицидные свойства. Установлено, что полимеры проявляют биоцидное действие, но только при достаточном количестве аммониевых групп. Комбинация ионенового полимера и нитрата церия (III) может использоваться в качестве бактерицидного материала против E. coli, S. aureus и грибка P. variotii. В то время как предлагаемые полимеры могут быть использованы в целях мицеллярной доставки лекарственных веществ, важной задачей стало исследование взаимодействия исследуемых молекулярных щеток и гидрофобных низкомолекулярных соединений. В ходе работы было показано, что разрабатываемые молекулярные щетки эффективно солюбилизируют плохо растворимые в воде органические соединения, при том что загрузка гидрофобных низкомолекулярных веществ легко осуществляется при обработке водного раствора полимера ультразвуком. В работе показано влияние структуры и состава молекулярных щеток, температуры и pH среды на кинетику высвобождения низкомолекулярных веществ из полимерных мицелл. Показано, что оптимальный состав молекулярных щеток с точки зрения их использования в качестве мицеллярных средств доставки гидрофобных лекарственных веществ характеризуется повышенным содержанием гидрофобных сомономеров с протяженными алкильными группами. Таким образом, одним из путей варьирования состава молекулярных щеток для придания их мицеллам требуемых стимулчувствительных свойств, обеспечивающих контролируемое и целенаправленное высвобождение лекарственных веществ, является увеличение доли гидрофобных сомономеров, компенсируемое увеличением доли катионных звеньев. В ходе оптимизации состава, структуры и способов получения исследуемых типов аммоний-содержащих полимерных щеток разработан способ получения ионенсодержащих макромономеров ступенчатой полимеризацией 1,4-дибромбутана, 1,3-бис(диметиламино)пропанола-2 в присутствии N-[3-диметиламино)пропил]метакриламида. Использованный подход позволил получить макромономеры с увеличенным ионеновым фрагментом. Полученные макромономеры использованы в синтезе сополимеров с метоксиоксиолиго(этиленгликоль)метакрилатом и алкоксиолиго(этиленгликоль)метакрилатом. Полученные молекулярные щетки обладают термочувствительностью и характеризуются наличием НКТР в области физиологических температур (от 32 до 44 °С). Установлено, что сополимеры обладают выраженной межфазной активностью, имеют низкие значения ККМ (от 0,8 до 1,9 мг/л) и активно солюбилизируют гидрофобные вещества в водных растворах. В ходе реализации проекта успешно получены молекулярных щеток блочной структуры (диблок-сополимеры). Были получены диблочные сополимеры с высокими выходами и степенями контроля молекулярной массы и состава. Для блок-сополимеров были исследованы свойства в водных растворах: показано влияние состава и концентрации полимеров на их НКТР в воде и ПАВ свойства, значения ККМ полимеров и емкость по отношению к пирену. Полученные диблочные молекулярные щетки продемонстрировали комплекс необходимых для мицеллярной доставки лекарственных веществ свойств. В ходе проекта были продолжены и развиты работы по созданию каталитических систем на основе поликатионитов для эпоксидирования пероксидом водорода различных ненасыщенных соединений. В отчетном периоде разработан процессе эпоксидирования различных субстратов пероксидом водорода без использования растворителя (в двухфазной системе). Для оценки влияния строения привитых аммонийсодержащих боковых цепочек полимерного носителя на каталитическую активность в процессе двухфазного эпоксидирования был получен ряд катализаторов с использованием полиаминов различного строения. В выбранных условиях проведены испытания образцов катализаторов: дана сравнительная оценка конверсии на примере метиловых эфиров жирных кислот и селективности по эпоксидам с учётом влияния структуры аминов и количества нанесенного пероксокомплекса вольфрама. Изучено эпоксидирование алкенов различного строения пероксидом водорода при катализе полиоксометаллатами, иммобилизованными на аммоний-содержащих полимерных носителях в двухфазном процессе. Определена эффективность полиоксометаллатов и установлены оптимальные составы полимеров, обеспечивающие наибольший каталитический эффект. На основе экспериментальных результатов по исследованию процесса эпоксидирования был установлен его механизм при катализе полиоксометаллатами, иммобилизованными на аммоний-содержащих полимерных носителях. Для анализа маршрутов реакций были проведены эксперименты по эпоксидированию различных субстратов пероксидом водорода в присутствии катализаторов. На основании проведенного анализа основных и побочных продуктов были предложены принципиальные схемы превращений в ходе процесса эпоксидирования пинена, лимонена, стирола, циклогексена, октена-1. По результатам работ на третьем этапе выполнения проекта две статьи приняты к печати и одна опубликована в ведущих рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, в том числе одна статья первого квартиля.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта может заключаться в формирование научных и технологических заделов, обеспечивающих экономический рост, создание новой и усовершенствование производимой продукции, создание новых или усовершенствование применяемых технологий. Практическое использование результатов проекта в первую очередь может быть реализовано по направлению создания усовершенствованной технологи эпоксидирования ненасыщенных субстратов с получением ценных продуктов, а также в направлении создания систем контролируемой и целенаправленной доставки лекарственных веществ в организме человека.