Гербициды, как известно, широко используются в качестве химических средств защиты растений [1]. Однако чрезмерное использование гербицидов, имеющее следствием накопление их в окружающей среде, представляет особую опасность для живых организмов. Помимо токсического эффекта они проявляют мутагенное воздействие на живые клетки, вызывая геномные и структурные перестройки [2, 3]. Анализ объектов окружающей среды на содержание гербицидов и разработка соответствующих детоксикантов имеют важное значение. Ранее в этих целях были использованы молекулярно импринтированные полимеры [МИП] [4, 5]. Такие полимеры, распознающие целевые молекулы с высокой аффинностью и селективностью, привлекают особое внимание [6–8]. В настоящей работе синтезированы атразин импринтированные полимеры на основе гуминовых кислот (ГК) и метакриловой кислоты (МАК). Гуминовые кислоты являются природными детоксикантами, проявляющими аффинность к атразину и образующие с ним комплексы. Однако использование ГК в технологических процессах затруднено изменением их молекулярной структуры под воздействием химических и механических факторов. В связи с этим представляет интерес повышение механической прочности и химической устойчивости ГК путём сополимеризации их с другими реагентами и получения жёсткой разветвленной структуры под воздействием кросслинкера. Аналогом структурных фрагментов ГК, рассматриваемых в качестве функциональных мономеров в реакции полимеризации, выбрана метакриловая кислота, сополимеризация с которой должна привести к «обогащению» полимерного продукта сайтами, предназначенными для молекулярного распознавания целевых молекул атразина.
Цель исследования: синтез полимеров на основе гуминовых кислот (ГК) (природных сорбентов) и метакриловой кислоты (МАК), предназначенных для специфического связывания атразина, характеристике текстурных свойств синтезированных полимеров и определению способности их к молекулярному распознаванию атразина.
Материалы и методы исследования
В работе использованы атразин (темплат), гуминовые кислоты и метакриловая кислота – как функциональные мономеры, этиленгликольдиметакрилат (ЭДМА) – кросслинкер, бензоил пероксид (БПО) – инициатор свободнорадикальной полимеризации, растворители – метанол, ацетонитрил, хлороформ, уксусная кислота и бидистиллированная вода. Гуминовые кислоты выделены из окисленного бурого угля, характеристика их представлена в работе [9]. Синтез молекулярно импринтированного полимера (МИП) осуществлялся следующим образом: раствор атразина (0,025 г) в хлороформе (2,5 мл) вносился в предполимеризационный раствор, состоящий из МАК (4 ммоль). ГК (1 г), ЭДМА (0,525 мл), БПО (0,07 г), а также ацетонитрила (5 мл). Реакционная смесь охлаждалась при – 5 °С в течение 60 мин и затем подвергалась термической обработке при 70 °С в течение 150 мин. Неимпринтированные полимеры (НИП) синтезированы без участия атразина (темплата), при этом все другие участники реакции полимеризации оставались прежними. После полимеризации твёрдый продукт размельчался, просеивался. Темплат удалялся из импринтированных полимеров последовательным промыванием смесью уксусной кислоты (AcOH) и метанола (1:9, v/v) , а затем метанолом в течение 6 ч. Эта процедура повторялась 4 раза. Полученные полимеры были высушены при 60 °С в течение 24 ч в вакууме и сохранялись для следующих экспериментов.
Для физической и физико-химической характеристики полученных полимеров были использованы методы ИК-Фурье спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), ртутной порозиметрии (РП), низкотемпературной адсорбции азота, жидкостной хроматографии высокого разрешения (ВЭЖХ). Для исследования связывающей способности полученных полимеров были проведены эксперименты по статической адсорбции атразина. 20,0 мг частиц полимера были смешаны с атразином различной концентрации (от 0,1 до 1,6 ммоль/л) в хлороформе. Смесь взбалтывалась при 120 об/мин в термостатированной качалке при 25 °С в течение 24 ч. Затем растворы были отцентрифугированы и отфильтрованы для определения в них концентрации свободного атразина методом ВЭЖХ. Регистрацию оптической плотности раствора проводили при 250 нм. Количество молекул атразина, связанных с полимером на единицу массы, которое обозначено как Q, определялось по формуле Q = (Co – Cf)VS/WS , где Сo – исходная концентрация атразина в растворе, Cf – концентрация свободного (несвязанного с полимером атразина), VS – общий обьём растворителя, WS – масса частиц полимера.
Результаты исследования и их обсуждение
Текстурная характеристика синтезированных полимеров, полученная с использованием СЭМ, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структура НИП (а) и МИП (б)
Рис. 2. Сравнительное распределение пор по размерам синтезированных полимеров: 1 – МИП, 2 – НИП
Рис. 3. Изотерма низкотемпературной адсорбции азота на МИП
Сравнительный анализ снимков указывает на различие морфологии поверхностей НИП и МИП. Молекулярно импринтированные полимеры характеризуются повышенной пористостью по сравнению с неимпринтированными полимерами и обладают более мелкими порами, но на их поверхности количество таких пор больше. Из данных, полученных методом РП, следует, что размеры пор НИП и МИП различаются незначительно и варьируют в пределах от 80 нм до 900 нм. Для этих полимеров выявлены две области наибольшего распределения пор. В первой из них распределялись поры со средними диаметрами от 10 нм до 200 нм, а во второй – более крупные поры с диаметрами от 200 нм до 900 нм. Основная часть пор МИП и НИП характеризуется размерами, близкими к 100 нм и к 570 нм. Кривые распределения частиц полимеров по размерам пор характеризуются широкими пиками с отсутствием чётко выраженных максимумов, что свойственно полидисперсным системам (рис. 2).
Общий объём и диаметр пор в ГК, НИП и МИП рассчитаны по изотермам адсорбции БЭТ. Форма изотерм низкотемпературной адсорбции и десорбции азота во всех случаях сигмоидальна и представляет изотерму адсорбции БЭТ второго типа (рис. 3). Этот тип изотерм описывает неограниченную моно-мультислойную адсорбцию.
Диаметры пор для ГК, рассчитанные по изотермам БЭТ, варьируют в пределах от 130–1060 нм и от 1240–10480 нм. Отсюда следует, что в ГК присутствуют мезопоры. Общая пористость составляет 60 %. В импринтированных полимерах участки молекулярного распознавания атразина представляют собой полости, диаметры которых намного меньше по сравнению с размерами мезопор в гуминовых кислотах. Однако величины площади поверхности и общего объёма этих пор превышают таковые для ГК (табл. 1).
Объяснением этому, очевидно, служит уплотнение аморфной структуры ГК при полимеризации в смеси с МАК с участием кросслинкера. Сшивающий компонент играет ключевую роль в процессе полимеризации, «закрепляя» пространственную конфигурацию участков молекулярного распознавания и обеспечивая механическую устойчивость полимерной матрицы. Гуминовые кислоты являются дополнительным источником свободных радикалов [10], что является следствием повышенной пористости полимерных продуктов. Определяющую роль, вероятно, играет ещё и количественный фактор, поскольку в результате полимеризации с участием ГК и МАК следует ожидать образование разветвлённых полимеров со множеством пор. Выявлено, что пористость полимера повышается при добавлении темплата. Размеры пор, общий объём пор и общая пористость МИП, больше по сравнению с таковыми для НИП.
Таблица 1
Характеристика полимерных сорбентов
|
Полимер |
Общий объём пор (см3/г) |
Площадь поверхности (м2/г) |
Общая пористость, % |
Средний d, нм |
|
МИП |
0,70 |
310,14 |
80,04 |
350 |
|
НИП |
0,64 |
256,40 |
72,45 |
430 |
|
ГК |
0,62 |
177,30 |
60,00 |
3150 |
Рис. 4. ИК-спектры ГК (1) и МИП (2)
В формировании в структуре импринтированных полимеров высокоаффинных и специфических участков распознавания важное значение имеет возможность связывания темплатов с функциональными мономерными единицами посредством нескольких механизмов. В связи с этим следует отметить, что структура метакриловой кислоты предполагает связывание с атразином посредством водородной связи через карбонильную группу, донорно-акцепторной связи с гидроксильной группой карбоксила, а также гидрофобной связи с метильной группой. С другой стороны, как следует из данных, описанных ранее в работах [9], в процессах связывания ГК с атразином помимо механизмов связывания, указанных для метакриловой кислоты, реализуются ещё π-π взаимодействия посредством перекрывания орбиталей ароматического ядра гуминовых кислот и двойных связей триазинового кольца атразина.
В ИК-спектрах гуминовых кислот и неимпринтированных полимеров не наблюдается каких либо особых различий в полосах поглощения. Имеются чётко выраженные полосы поглощения, характерные для карбоксильных групп при 1710–1722 см-1, относящиеся к деформационным колебаниям С=О связей, при 1220 см-1 – к растяжению связей О–С–О и при 3400 см-1 – к О–Н группам, участвующим в образовании водородных связей. В области 1470–1370 см-1 имеются несколько полос, обусловленных деформационными колебаниями С-Н, О-Н и С-О связей. В области волновых чисел менее 1000 см-1 имеются слабоинтенсивные полосы в области 900–750 см-1, относящиеся к деформационным колебаниям С-Н в ароматических кольцах. ИК-спектры импринтированных полимеров до удаления темплата характеризуются следующими полосами. Слабые пики при 3404 см-1 и 3332 см-1 относятся к деформационным колебаниям связи N-H в первичных и вторичных аминах. Полосы при 2924 см-1 и 2854 см-1 обусловлены соответственно асимметричными и симметричными колебаниями связи C-H метиленовой группы. Поглощение при 1724 см-1 и 1388 см-1 вызвано соответственно деформационными колебаниями связей С=О и N-H.
Рис. 5. График Скэтчарда для связывания атразина с МИПГК (а) и НИПГК (б)
Таблица 2
Параметры связывания атразина с полимерами
|
Полимер |
Kd , л/моль |
Ka , моль/л |
Qmax , ммоль/г |
|
МИП |
2,00·10-2 |
0,50·103 |
13,40 |
|
НИП |
1,25·10-2 |
0,80·102 |
6,97 |
|
ГК |
3,23.10-2 |
0,30.102 |
6,40 |
Пик при 1624 см-1 относится к деформации связи N-H в первичных аминах, тогда как пик при 1457 см-1 выражает деформационные колебания С-Н в карбоксильных группах. Поглощение 1265 см-1 и 1157 см-1 относится соответственно к деформациям связи С-Н в первичных и вторичных ароматических аминах. Слабые полосы поглощения в области 900–660 см-1 обусловлены колебаниями N-H в аминах (рис. 4).
Для определения кажущейся величины максимального числа связывающих центров и константы связывания экспериментальные результаты по статической адсорбции атразина на полимерных сорбентах обработаны в координатах Скэтчарда согласно уравнению
где Q – концентрация атразина, связанного с полимером, Cf – концентрация свободного атразина, Qmax – кажущееся максимальное число связывающих центров, Kd – равновесная константа диссоциации образующегося комплекса «атразин – полимер». Константа ассоциации (образования) этого комплекса Ka = 1/Kd.
Диаграммы Скэтчарда для связывания атразина с полимерами и рассчитанные на их основе величины Kd, Ka, Qmax, представлены на рис. 5, а также в табл. 2.
Сравнительный анализ величин Kа, Kd и Qmax показывает на более высокое сродство МИП с атразином по сравнению с ГК и НИП. В неимпринтированных полимерах связывание атразина носит неспецифический характер, и при этом наблюдаются пониженные значения Ka и Qmax.
Заключение
Синтезированы неимпринтированные и атразин импринтированные полимеры с использованием в качестве функциональных мономеров гуминовых кислот, выделенных из окисленного бурого угля и метакриловой кислоты. Проведен сравнительный анализ текстурной характеристики и способности полимеров к молекулярному распознаванию атразина. Выявлено, что наиболее эффективными сорбентами для атразина являются МИП.