Синтез и взаимодействие с модельной ДНК полианилина и поли[2-гидроксиэтиланилина]

Одним из важных направлений супрамолекулярной химии и материаловедения является создание биоматериалов, сочетающих практически важные свойства полимерных и неорганических структур с селективностью связывания, каталитической активностью биополимеров, недостижимой для искусственных материалов [1]. Среди всего разнообразия материалов, характеризующихся электрической проводимостью, особый интерес вызывают полианилин, полипиррол, политиофен, полифениленвинилен, полиацетилен и их производные [2].

Гибридные материалы на основе сопряжённых полимеров и биополимеров находят применение в электрохимических биосенсорах [3]. Известно множество гибридных материалов на основе электропроводящих материалов и ДНК, которые получают в ходе процесса обмена допирующего агента на макромолекулы ДНК [4], самосборкой в двухкомпонентных системах [5], электрополимеризацией [6] и окислительной полимеризацией в присутствии ДНК [7, 8]. Ассо- циаты образуются, как правило, благодаря взаимодействию противоположно заряженных макромолекул ДНК и полианилина [4]. В то время как достигнуты значительные успехи в этом направлении, задача получения стабильных коллоидных растворов гибридных наночастиц на основе ДНК и сопряжённых полимеров далека от решения.

Целью представленной работы является получение гибридных наночастиц на основе ДНК и полианилина или поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина]. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд взаимосвязанных задач по получению полимеров, стабильных дисперсий на их основе, а также получению стабильных ассоциатов дисперсий полимеров с модельной ДНК. Методом окислительной полимеризации были получены сопряжённые полимеры и водные дисперсии на их основе, а также исследовано взаимодействие ДНК с полианилином и поли[К-(2-гидроксиэтил)анилином]. Здесь гидроксиэтильные фрагменты выступают в качестве протонодоноров по отношению к фосфатным группам и нуклеотидным основаниям ДНК (выступающим в роли протоноакцепторов).

Результаты и их обсуждение

Окислительная полимеризация анилина и ^(2-гидроксиэтил)анилина.

Одной из задач настоящего исследования является поиск условий окислительной полимеризации К-(2-гидроксиэтил)анилина, которые позволили бы получать устойчивые коллоидные дисперсии сопряжённого полимера. Полимеризация анилина была проведена в аналогичных условиях. В литературе представлено несколько методов окислительной полимеризации. Их можно подразделить на гомофазные (анилин и окислитель находятся в гомогенном растворе) [ 9] и гетерофазные (анилин находится в органической фазе, а окислитель - в водной) [10]. Особенно интересен с точки зрения экономии растворителей механохимический метод окислительной полимеризации [11].

Рис. 1 Схема синтеза полианилина 1

Подходящие дисперсии (стабильные на протяжении не менее 24 ч) образовались при редиспергировании продуктов окислительной полимеризации N-(2- гидроксиэтил)анилина, полученных механохимическим методом, соответственно, именно данный подход был выбран для окислительной полимеризации анилина и К-(2-гидроксиэтил)анилина. Анилин или К-(2-гидроксиэтил)анилин, п- толуолсульфоновая кислота и персульфат аммония были взяты в стехиометрических количествах. Методом окислительной полимеризации из К-(2-гидрокси- этил)анилина был получен сопряжённый олигомер (рис. 2), аналогичная реакция проводилась для анилина (рис. 1). Полученные порошки полианилина 1 и поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] 2 были промыты многократно этиловым спиртом для удаления побочных продуктов окислительной полимеризации.

Рис. 2 Схема синтеза поли[N-(2-гидроксиэтил)анилина] 2

Рис. 3 Масс-спектры МАЛДИ полианилина 1 (а) и поли[Ы-(2-гадроксиэтил)анилина] 2 (б), матрица - а-гидрокси-4-циано коричная кислота

В соответствии с масс-спектрами МАЛДИ (рис. 3) получены сопряжённые олигомеры с размером цепи до 14 звеньев. Полианилин 1: Mw = 1190 (13 звеньев) Mn = 990 (11 звеньев), PDI = 1.2. Поли[К-(2-гидроксиэтил)анилин] 2: Mw = 1916 (14 звеньев) Mn = 1277 (9-10 звеньев), PDI = 1.5.

Для получения депротонированных образцов 1' и 2' образцы 1 и 2 были обработаны раствором аммиака.

Были получены ИК-спектры образцов полианилина 1, поли[К-(2-гидрокси- этил)анилина] 2 и депротонированных аммиаком образцов 1' и 2' (рис. 4). В ИК- спектрах проявляются валентные колебания плоскости ароматического кольца (1148 и 1123 см^-1 для полианилина и поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] соответственно). В случае с поли[К-(2-гидроксиэтил)анилином] проявляются достаточно интенсивные полосы поглощения, соответствующие монозамещённым ароматическим производным (1084), пики СН-колебаний в 1,2,4-замещённом бензольном кольце проявляются как в случае полианилина, так и в случае по- ли[И-(2-гидроксиэтил)анилина] в области 891 и 889 см^-1, СН в пара-замещённых бензольных кольцах проявляются в обоих ИК-спектрах в области 818 см^-1, также о наличии пара-замещённых колец свидетельствует наличие полос поглощения в области 536 и 567 см^-1 (табл. 1).

Рис. 4 ИК-спектр депротонированных образцов полианилина 1' (пунктирная линия) и поли[И-(2-гидроксиэтил)анилина] 2' (сплошная линия)

Табл. 1

Полосы поглощения, наблюдаемые в ИК-спектрах образцов полианилина 1-2'

Так как ни полианилин 1, ни поли[И-(2-гидроксиэтил)анилин] 2 после высушивания нерастворимы и не образуют достаточно устойчивые дисперсии в доступных дейтерированных растворителях с достаточно высокой концентрацией для регистрация ЯМР-спектра, полианилин и поли[И-(2-гидрокси- этил)анилин] были сначала депротонированы (образцы 1' и 2'), а затем были восстановлены фенилгидразином до лейкоэмеральдиновых [ 12] производных 1" и 2", хорошо растворимых в дейтерированном диметилсульфоксиде (рис. 5). Следует отметить, что в поли[И-(2-гидроксиэтил)анилине] полное депротонирование невозможно, поскольку н-толуолсульфоновая кислота является противоионом для четвертичной аминогруппы.

1" 2"

Рис. 5 Схемы депротонирования и восстановления образцов полианилина и поли[Ы-(2- гидроксиэтил)анилина]

В соответствии с результатами спектроскопии ЯМР полученные образцы имеют структуру, соответствующую полианилину, с небольшим количеством фенольных групп, являющихся следствием образования побочных продуктов окислительной полимеризации. Сигналы ароматических протонов проявляются в виде уширенных сигналов в области 6.4-7.15 (28Н), 7.15-7.7 м.д (5Н). При этом протоны в области 6.4-7.15 по химическим сдвигам соответствуют ароматическим фрагментам, функционализированным двумя гидроксиэтиламинными группами, а протоны 7.15-7.7 м.д. - концевой ароматической группе, функционализированной только одним гидроксиэтиламинным фрагментом. Таким образом, средняя длина цепи составляет 8 звеньев, что хорошо согласуется с данными МАЛДИ масс-спектрометрии (Мп = 1277 Да, что соответствует в среднем 9-10 звеньям).

Самоагрегация и ассоциация с ДНК полианилина 1, поли^-(2-гидрок- сиэтил)анилина] 2. Исследование ассоциации и агрегации полианилина и поли- [К-(2-гидроксиэтил)анилина] проводилось методом динамического светорассеяния. Для этого промытые дисперсии полианилина и поли[К-(2-гидрокси- этил)анилина] были диспергированы в воде. Морфология частиц исследована методом сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что протяжённые

Рис. 6 Изображение частиц полианилина 1, полученное методом сканирующей электронной микроскопии

Рис. 7 Изображение частиц поли[Ы-(2-гидроксиэтил)анилина] 2, полученное методом сканирующей электронной микроскопии

частицы полианилина 1 имеют диаметр порядка 100 нм, длину порядка 1 мкм (рис. 6), а частицы поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] 2 - диаметр порядка 150 нм и длину 1.5 мкм (рис. 7).

Взаимодействие с макромолекулами ДНК из молок лосося было исследовано методом динамического светорассеяния (рис. 8). Размеры ассоциатов полианилина 1 и поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] 2, определённые методом динамического светорассеяния, составили 250 нм и 2 мкм соответственно.

Следующий этап исследования - изучение ассоциации в двойных системах полианилин-ДНК. Взаимодействие исследовалось в водном буфере Тгщ-НС1 (10 мМ) при pH 4.09. Макромолекулы ДНК образуют полидисперсные ассоциаты (рис. 9).

Рис. 8. Схематическое изображение ассоциации частиц 1 с ДНК

Рис. 9 Размерное распределение агрегатов ДНК из молок лосося по интенсивности

Рис. 10 Размерное распределение самоассоциатов полианилина 1 и ассоциатов полианилина 1 с ДНК

Образец полианилина 1 образует субмикронные самоассоциаты с небольшой долей крупных частиц микронных размеров, индекс полидисперсности составил 0.2, средний диаметр частиц - 250 нм. При взаимодействии с ДНК возрастает полидисперсность системы (0.4), размеры частиц увеличиваются до 700 нм (рис. 10).

Рис. 11 Схематическое изображение ассоциации частиц 2 с ДНК

Рис. 12 Размерное распределение самоассоциатов поли[И-(2-гидроксиэтил)анилина] 2 и ассоциатов поли[Ы-(2-гидроксиэтил)анилина] 2 с ДНК

Поли[К-(2-гидроксиэтил)анилин] 2 образует самоассоциаты средней полидисперсности (индекс полидисперсности 0.5) микронных размеров (средний диаметр частиц 2 мкм), при взаимодействии с ДНК образуются микронные частицы меньших размеров (1.2 мкм) с индексом полидисперсности 0.3.

Таким образом, получены субмикронные частицы полианилина 1 и микронные частицы поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] 2, показано, что взаимодействие с ДНК приводит к образованию ассоциатов больших размеров и с более высокой полидисперсностью по сравнению с самоассоциатами в случае полианилина 1, а в случае поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] приводит к снижению размеров ассоциатов.

Экспериментальная часть

Оборудование и реагенты. Спектры ЯМР 'Н и ¹³С записывали на спектрометре Brnker Avance 400 на рабочей частоте 400.0 и 100.0 МГц соответственно. Химические сдвиги определяли относительно сигналов остаточных протонов дейтерированного растворителя (CD₃)₂SO. Концентрация анализируемых растворов составляла 3-5% по массе.

ИК-спектры нарушенного полного внутреннего отражения регистрировали на Фурье-спектрометре Spectrum 400 (Perkin Elmer) с приставкой НВПО Алмаз KRS-5: разрешение 1 см^-1, накопление 64 скана, время регистрации 16 с, в интервале волновых чисел 400-4000 см^-1.

Элементный анализ кристаллических образцов выполняли на приборе Perkin Elmer 2400 Series II.

Спектры МАЛДИ регистрировали на масс-спектрометре Ultraflex III. В качестве матрицы был использован «-нитроанилин.

Температуру плавления веществ определяли на нагревательном столике Boetius. Контроль чистоты соединений проводили по температурам кипения и плавления, а также по спектрам ЯМР ¹Н. Дополнительно чистоту веществ контролировали методом ТСХ на пластинках Silica 200 pm, UV 254. ТСХ-пластинки проявляли облучением при X 254 нм.

Окислительная полимеризация анилина и ^(2-гидроксиэтил)анилина механохимическим методом. В фарфоровую ступку поместили анилин (1 г, 10.8 ммоль) либо ^(2-гидроксиэтил)анилин (1.47 г, 10.8 ммоль), добавили «- толуолсульфоновую кислоту (2.04 г, 10.8 ммоль), интенсивно дробили фарфоровым пестиком до образования однородного твёрдого порошка в течение 10 мин далее присыпали персульфат аммония (12.7 ммоль, 3.06 г), снова интенсивно дробили фарфоровым пестиком до образования однородной пасты в течение 10 мин, добавили 0.5 мл воды и дробили 5 минут. Оставили реакционную смесь при контакте с атмосферным воздухом при комнатной температуре на 24 ч.

Полученные реакционные смеси имеют зелёный цвет, характерный для эмеральдина.

Реакционные смеси собрали в пробирки для центрифугирования и залили водным раствором этанола (85% этанола) 30 мл, обработали ультразвуком, далее отделили от растворителя центрифугированием при угловом ускорении 27000 g в течение 40 мин. Операцию повторили 3 раза.

Основные полосы поглощения ИК-спектров соединений 1, 2 приведены в табл. 1.

Масс-спектрометрия МАЛДИ (матрица - а-гидрокси-4-цианокоричная кислота) Полианилин 1: Mw = 1190 (13 звеньев), Mn = 990 (11 звеньев), PDI = 1.2.

Поли[Х-(2-гидроксиэтил)анилин] 2: Mw = 1916 (14 звеньев), Mn = 1277 (910 звеньев), PDI = 1.5.

Депротонирование образцов полианилина 1 и поли^-(2-гидрокси- этил)анилина] 2. Образцы полианилина редиспергировали в 20 мл водного этанола (85%) под действием ультразвука и добавили 10 мл водного раствора аммиака (5%), после чего продолжили обработку ультразвуком в течение 30 мин. Затем образец центрифугировали, растворитель сливали, операцию повторяли два раза.

Образец 1' Элементный анализ: расч. для 10 звеньев анилина (C ₆₀H₅₂N₁₀): C, 78.92%; H, 5.74%; N, 15.34%, эксп: C, 79.11%; H, 5.81%; N, 15.02%.

Образец 2' Элементный анализ: расч. для 9 звеньев ^(2-гидроксиэтил)ани- лина (С72И₈зК909) С, 70.97; Н, 6.87; N 10.35, эксп: С, 70.73%; Н, 6.79%; К, 10.22%.

Основные полосы поглощения ИК-спектров соединений 1', 2' приведены в табл. 1.

Восстановление образцов полианилина и поли^-(2-гидроксиэтил)ани- лина] фенилгидразином. 50 мг образца полианилина либо поли[К-(2-гидрок- сиэтил)анилина] диспергировали в 29 мл этанола, приливали 0.5 мл фенилгид- разина (0.55 г, 5.1 ммоль). Далее обрабатывали смесь ультразвуком в течение 30 мин. Затем образец редиспергировали-центрифугировали в этаноле 3 раза. Образец 1” ЯМР ¹Н (ДМСО D₆, мд.): 6.45-7.10 К-С₆Н^ (36Н), 7.1-7.6 (5Н).

Образец 2” ЯМР 'Н (ДМСО D₆ м.д.): 6.4-7.15 N-C6H4-N (28Н), 7.15-7.7 C₆H₅-N (5Н), 3.3-4.4 32 Н(-1ЧСН₂СН₂0Н).

Исследование морфологии частиц методом сканирующей электронной микроскопии. Дисперсии допированных и-толуолсульфоновой кислотой образцов полианилина и поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] концентрацией 1 мг/мл наносили на полированную металлическую поверхность, выдерживали при комнатной температуре в течение 24 ч.

Исследование самоассоциации и ассоциации с ДНК образцов полианилина, поли^-(2-гидроксиэтил)анилина]. Измерения проводили в 10 мМ буфере Тгй-НС1 в присутствии 10 мМ N0 (pH 4.09). Концентрация полианилина 1, поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина] 2 составила 0.1 мг/мл, концентрация ДНК из молок лосося составила 0.1 мг/мл. Измерения проводились через 24 ч после смешения образцов. Образец выдерживали при температуре 20 °С в течение 60 мин непосредственно перед измерением. В ходе определения гидродинамического размера частиц для каждой системы было проведено не менее двух независимых экспериментов.

Заключение

Механохимическая окислительная полимеризация анилина и ^(2-гидроксиэтил)анилина персульфатом аммония в присутствии и-толуолсульфоновой кислоты позволяет получать устойчивые дисперсии частиц субмикронного размера.

Были получены гибридные наночастицы на основе ДНК и дисперсий полианилина либо поли[К-(2-гидроксиэтил)анилина], в которых гидроксиэтильные фрагменты выступают в качестве протонодоноров по отношению к фосфатным группам и нуклеотидным основаниям ДНК (выступающим в роли протоноак- цепторов). Взаимодействие с модельной ДНК приводит к образованию более крупных ассоциатов по сравнению с исходными частицами в случае полианилина, но наблюдается значительное снижение размеров агрегатов в случае по- ли[К-(2-гидроксиэтил)анилина].

Литература

1. Fattahi P., Yang G., Kim G., Abidian M.R. A review of organic and inorganic biomaterials for neural interfaces // Adv. Mater. - 2014. - V. 26, No 12. - P. 1846-1885. - doi: 10.1002/adma.201304496.

2. Green R.A., LovellN.H., Wallace G.G., Poole-Warren L.A. Conducting polymers for neural interfaces: Challenges in developing an effective long-term implant // Biomaterials. - 2008. - V. 29, No 24-25. - P. 3393-3399. - doi: 10.1016/j.biomaterials.2008.04.047.

3. GerardM., ChaubeyA., Malhota B.D. Application of conducting polymers to biosensors // Biosens. Bioelectron. - 2002. - V. 17, No 5. - P. 345-359. - doi: 10.1016/S0956- 5663(01)00312-8.

4. de Lima S.V., de Oliveira H.P., Andrade C.A., de Melo C.P. A dielectric study of interpolymer complexes of polyaniline and DNA // Colloids Surf., A. - 2015. - V. 471. - P. 139-147. - doi: 10.1016/j.colsurfa.2015.02.002.

5. Datta B., Schuster G.B., McCook A., Harvey S.C., Zakrzewska K. DNA-directed assembly of polyanilines: Modified cytosine nucleotides transfer sequence programmability to a conjoined polymer // J. Am. Chem. Soc. - 2006. - V. 128, No 45. - P. 14428-14429. - doi: 10.1021/ja0648413.

6. Budnikov H.C., Evtugyn G.A., Porfireva A.V. Electrochemical DNA sensors based on electropolymerized materials // Talanta. - 2012. - V. 102. - P. 137-155. - doi: 10.1016/j.talanta.2012.07.027.

7. Zeifman Y.S., Maiboroda I.O., Grischenko Y.V., Morozova O.V., Vasil'eva I.S., Shuma- kovich G.P., Yaropolov A.I. Enzymatic synthesis of electroconductive biocomposites based on DNA and optically active polyaniline // Appl. Biochem. Microbiol. - 2012. - V. 48, No 2. - P. 145-150. - doi: 10.1134/S0003683812020135.

8. Cobo I., Li M., Sumerlin B.S., Perrier S. Smart hybrid materials by conjugation of responsive polymers to biomacromolecules // Nat. Mater. - 2015. - V. 14, No 2. - P. 143-159. - doi: 10.1038/nmat4106.

9. Bhadra S., Khastgir D., Singha N.K., Lee J.H. Progress in preparation, processing and applications of polyaniline // Prog. Polym. Sci. - 2009. - V. 34, No 8. - P. 783-810. - doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.04.003.

10. Huang J. Syntheses and applications of conducting polymer polyaniline nanofibers // Pure Appl. Chem. - 2006. - V. 78, No 1. - P. 15-27. - doi: 10.1351/pac200678010015.

11. Gartia-Gallegos J.C., Vega-Cantu Y.I., Rodr^guez-Mac^as F.J. Fast mechanochemical synthesis of carbon nanotube-polyaniline hybrid materials // J. Mater. Res. - 2018. - V. 33, No 10. - P. 1486-1495. - doi: 10.1557/jmr.2018.56.

12. Heydari M., Najafi Moghadam P., Fareghi A.R., Bahram M., Movagharnezhad N. Synthesis of water-soluble conductive copolymer based on polyaniline // Polym. Adv. Technol. - 2015. - V. 26, No 3. - P. 250-254. - doi: 10.1002/pat.3449.

References

1. Fattahi P., Yang G., Kim G., Abidian M.R. A review of organic and inorganic biomaterials for neural interfaces. Adv. Mater., 2014, vol. 26, no. 12, pp. 1846-1885. doi: 10.1002/adma.201304496.

2. Green R.A., Lovell N.H., Wallace G.G., Poole-Warren L.A. Conducting polymers for neural interfaces: Challenges in developing an effective long-term implant. Biomaterials, 2008, vol. 29, nos. 24-25, pp. 3393-3399. doi: 10.1016/j.biomaterials.2008.04.047.

3. Gerard M., Chaubey A., Malhota B.D. Application of conducting polymers to biosensors. Biosens. Bioelectron., 2002. vol. 17, no. 5, pp. 345-359. doi: 10.1016/S0956-5663(01)00312-8.

4. de Lima S.V., de Oliveira H.P., Andrade C.A., de Melo C.P. A dielectric study of interpolymer complexes of polyaniline and DNA. Colloids Surf., A, 2015, vol. 471, pp. 139-147. doi: 10.1016/j.colsurfa.2015.02.002.

5. Datta B., Schuster G.B., McCook A., Harvey S.C., Zakrzewska K. DNA-directed assembly of polyanilines: Modified cytosine nucleotides transfer sequence programmability to a conjoined polymer. J. Am. Chem. Soc., 2006, vol. 128, no. 45, pp. 14428-14429. doi: 10.1021/ja0648413.

6. Budnikov H.C., Evtugyn G.A., Porfireva A.V. Electrochemical DNA sensors based on electropol- ymerized materials. Talanta, 2012, vol. 102, pp. 137-155. doi: 10.1016/j.talanta.2012.07.027.

7. Zeifman Y.S., Maiboroda I.O., Grischenko Y.V., Morozova O.V., Vasil'eva I.S., Shumakovich G.P., Yaropolov A.I. Enzymatic synthesis of electroconductive biocomposites based on DNA and optically active polyaniline. Appl. Biochem. Microbiol., 2012, vol. 48, no. 2, pp. 145-150. doi: 10.1134/S0003683812020135.

8. Cobo I., Li M., Sumerlin B.S., Perrier S. Smart hybrid materials by conjugation of responsive polymers to biomacromolecules. Nat. Mater., 2015, vol. 14, no. 2, pp. 143-159. doi: 10.1038/nmat4106.

9. Bhadra S., Khastgir D., Singha N.K., Lee J.H. Progress in preparation, processing and applications of polyaniline. Prog. Polym. Sci., 2009, vol. 34, no. 8, pp.783-810. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2009.04.003.

10. Huang J. Syntheses and applications of conducting polymer polyaniline nanofibers. Pure Appl. Chem., 2006, vol. 78, no. 1, pp. 15-27. doi: 10.1351/pac200678010015.

11. Garda-Gallegos J.C., Vega-Cantы Y.I., Rodriguez-Madas F.J. Fast mechanochemical synthesis of carbon nanotube-polyaniline hybrid materials. J. Mater. Res., 2018, vol. 33, no. 10, pp. 1486-1495. doi: 10.1557/jmr.2018.56.

12. Heydari M., Najafi Moghadam P., Fareghi A.R., Bahram M., Movaghamezhad N. Synthesis of water-soluble conductive copolymer based on polyaniline. Polym. Adv. Technol., 2015, vol. 26, no. 3, pp. 250-254. doi: 10.1002/pat.3449.

Размещено на Allbest.ru