Министерство Образования Российской Федерации
Московская Государственная Академия
Тонкой Химической Технологии
Им. М. В. Ломоносова
Кафедра Химии и физики полимеров
и процессов их переработки
Бакалавриат по направлению 551600 «Материаловедение и
технология новых материалов
Квалификационная работа на степень бакалавра:
Исследование способов введения белковых компонентов в синтетический полиизопрен
Зав. каф. ХФП и ПП д.х.н. проф. Шершнев В.А.
Научный руководитель асс. к.х.н. Гончарова Ю.Э.
Студентка группы МТ-46 Киркина.О.В.
Москва 2003
Содержание
1. Введение.
2. Литературный обзор.
2.1. Строение и состав натурального каучука.
2.2. Структура латекса гевеи.
2.3. Исследование влияния белковых компонентов на свойства НК, резиновых смесей и вулканизатов на его основе.
3. Аналитическая часть.
3.1. Введение белковых модификаторов на стадии изготовления каучука.
3.2. Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл.
3.3. Модификация белковыми соединениями СПИ путем иммобилизации их на предварительно активированную матрицу каучука реакционно-способными соединениями.
4. Выводы.
5. Список литературы.
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, была оценка, ряда способов введения белковых фрагментов СПИ и свойств полученных эластомерных композиций.
2. Литературный обзор.
2.1 . 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:
– 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 циз-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).
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):
СН2ОСОRR,R – нормальная цепь С15 – С17 разной
CHOCOR степени не насыщенности.
CH2OP-OCH2CH2N-CH3
· CH3
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 -звену через присоединение на двойную связь (7). В патенте США(8)описаны выделение и очистка этого фермента, его молекулярная масса оказалась порядка 44-36 кДа. 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.
2.2. 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 -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 гаваюлы 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(13,14).
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.
На первом этапе работы был выполнен качественный скрининг 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, сумма растворимых белков серума того же латекса, лецитины разного происхождения, синтетические олигопренолфосфаты и пирофосфаты, а также гидрофобные белки и липидно-белковые смеси микробиологического и животного происхождения.
2.3. Исследование влияния белковых компонентов на свойства НК, резиновых смесей и вулканизатов на его основе.
Модификация СПИ белковыми фрагментами, представляется, одним из наиболее перспективных способов улучшения потребительских свойств СПИ. Это подтверждается имеющимися, пока недостаточными для практической реализации попытками модификации(15,16). Полученные в настоящей работе данные, свидетельствуют о том, что модификация может быть эффективной, если подавляющее большинство макромолекул будут содержать белковые фрагменты, прочно связанные с цепью(17). При этом средняя молекулярная масса может быть даже ниже, чем у серийного промышленного полиизопрена СКИ-3.
Содержание белка для шинных каучуков должно составлять 0,2% масс. и выше, но видимо, не более (1,5-2,0)% масс.
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(18). 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 с использованием универсальной калибровки, прибор Waters – 200 (колонки – микростирагель ,106 105 104 103 Ао).
Изучалось влияние молекулярной массы и содержание связного белка на свойства НК и сажевых смесей. С этой целью были получены фракции, выделенные из торговых сортов НК. По содержанию белка исследованные образцы можно разделить на три группы: два типа фракций с низким содержанием белка - 0,3% < Б и 0,5< Б<1,0% и фракции с высоким содержанием белка, Б>10%;молекулярные массы фракций с низким содержанием белка были определены методом ГПХ. Следует отметить, что по способу получения фракции в них сохранился «нативный» характер связи белка с углеводородом.