Исследование способов введения белковых компонентов в синтетический полиизопрен

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):

СН₂ОСОR R,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 А^о).

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.

Резиновые смеси готовили на микро-вальцах с использованием 5-20 г каучука; рецепт каучук –100, техуглерод –50, ZnO-5, сера-2, сульфенамид Ц-0,8 , стеариновая кислота –2,0 .

Таблица 2.3.1.

Пластические и молекулярные параметры фракций НК

Примечание: М₅₀₀ – модуль при 500% удлинения невулканизованной смеси.

Как видно из таблицы 2.3.1. пластоэластические показатели каучуков определяются обоими исследованными параметрами, причем влияние выражено очень сильно. Сравнивая образцы 2,3 и 5,7 можно видеть, что при близких значениях средней молекулярной массы, М_w , увеличение содержания общего связанного белка приводит к резкому уменьшению пластичности. Из сравнения образцов 2,5 и 3,7 видно, что и увеличение молекулярной массы при близком содержании во фракциях белка также заметно ужесточает каучук и меньше влияет на упругие свойства смеси. При очень низком содержании белка влияние молекулярной массы на упругие свойства выражено сильнее, образцы 2 и 5.

Кинетика кристаллизации является более медленной для фракции с низким содержанием белка по сравнению с нефракционированными образцами.(19) Однако основное влияние на кинетику статической кристаллизации (полупериод кристаллизации) оказывает не содержание белка, а содержание карбоновых кислот.

Изучение кристаллизации показало, что депротеинизированные образцы демонстрируют ориентационные эффекты при гораздо большем относительном удлинении ( 500 – 700 % ) вместо 200 – 300 %для исходных, однако температура плавления кристаллической фазы депротеинизированных образцов в опытах по статической кристаллизации при этом практически не изменяется и составляет Т_пл = 10-12^оС.

Кинетика кристаллизации образцов с меньшим содержанием белка является более медленной, однако увеличение содержания белка выше 2–3 % масс. почти не влияет в дальнейшем на кинетику кристаллизации.

В таблице (2.3.2.) приведены данные по пластоэластическим показателям исходных и депротеинизированных образцов НК%: RSS-1, SMR-5 и светлый креп и упругим свойствам смесей, полученных на их основе.

Определение азота по методу Къельдаля и анализ ИК-спектров показали, что содержание белка в этой серии депротеинизированных образцов RSS-1, SMR-5 и светлый креп не превышает 0,3% (N<0,05%) масс.

Из полученных данных видно, что при депротеинизации происходит резкое увеличение пластичности каучука и снижение упругих свойств соответствующих не вулканизованных смесей, заметно уменьшается также и модуль при 300 % удлинения вулканизатов. Вместе с этим, видно, что упругие свойства смесей, полученных на основе депотенизированных образцов НК все же выше, чем у смесей на основе не модифицированного СПИ. Это говорит о том, что даже очень низкое (0,2 - 0,3 % масс) содержания связанных протеинов оказывает а данном случае заметное влияние на макроскопические свойства Можно предположить, что оставшиеся функциональные группы находятся на конце полимерной цепи, однако доказать , это , учитывая достаточно высокую молекулярную массу каучуков ( М = 500 тыс. ), весьма трудно . Другое предположение, которое можно сделать на основании полученных данных, состоит в том что сильнодействие концевых групп в невулканизованных смесях проявляется только при достижении достаточно высокой молекулярной массы цепей.

Таблица 2.3.2.

Свойства резиновых смесей на основе различных полиизопренов.

Примечание: М₄₀₀ – модуль резиновой смеси при 400 % удлинении

М₃₀₀ – модуль резины при 300 % удлинении

Таким образом, несомненно, сильное влияние белковых фрагментов на пластоэластические свойства НК, упругие свойства сырых смесей и вулканизатов (например, модуль 300 % удлинения и твердость резин).(20).

Белок, содержащийся в НК, можно разделить по типу связности с углеводородом на прочно- и слабосвязанный, прочносвязанный белок оказывает сильное влияние на свойства смесей и вулканизатов даже в количестве (0,2 – 0,3 ) % масс.

Анализ данных по депротеинизации свидетельствует о том, что совместимость белка с углеводородом обеспечивается наличием белково-липидных комплексов.(21,22).

Для выявлений различий в структуре и свойствах, натурального и синтетического полиизопренов определялись показатели когезионной прочности при 23^оС и вязкости по Муни чистых каучуков и резиновых смесей на их основе, содержащих активные, малоактивные и неактивные минеральные наполнители, либо их комбинации, пластоэластические характеристики указанных смесей и физико-механические свойства вулканизатов ( напряжение при заданном удлинении, условная прочность при 23^оС и 100^оС, относительное удлинение , твердость , эластичность, сопротивление раздиру , сопротивление многократному изгибу ( в соответствии с дейсвующими ГОСТ ).

Конфекционная клейкость и липкость резин оценивалась на приборе Tel Tack ( в соответствии с инструкцией ).

Адгезионные свойства определялись по сопротивлению вырыву латунированного металлотроса d = 4,2 мм ( методика из ТУ № 38105841 – 75 на металлотросовые конвейерные ленты ) и по сопротивлению расслаиванию.

Влияние пласификаторов оценивалось по изменению когезионной прочности и вязкости чистых каучуков.

1. Свойства исходных полиизопренов

Когезионная прочность и пластичность натуральных и синтетических полиизопенов и их изменение при пластификации, (представлено в таблице 2.3.3.). Показатели когезионной прочности чистых каучуков (вырезанные из « шкурки » и подпрессованные при 100^оС в течение 5 мин. образцы), определенные при 23^оС, для трех марок НК в 2 – 3 раза превосходят значение этого показателя, полученного для СКИ – 3 и 1,5 – 2,5 раза превышают соответствующий показатель, достигнутый для модифицированного СКИ-3 .

Пластичность у СКИ – 3 вдвое выше пластичности НК, эластическая восстанавливаемость вдвое ниже НК. Депротенизированный НК имеет несколько повышенную когезионную прочность и пониженную пластичность, что свидетельствует о его повышенной молекулярной массе (табл 2.3.3.) .При пластикации изменение указанных свойств для двух типов СПИ, происходит практически одинаково. При хранении пластикатов наблюдаются существенные отличия в свойствах НК и спи, выражающиеся в упрочнении пластикатов НК (табл. 2.3.3.).

Таблица 2.3.3.

Когезионная прочность натурального и синтетического полиизопренов.

Исследование влияния белковых компонентов НК, на свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3.

В ходе продолжения обработки методики введения некаучуковых добавок и изучения роли отдельных компонентов латекса НК в формирования комплекса нужных свойств было поведены две серии опытов с образцами со строго стандартизированным составом и природой добавок на основе СКИ-3:

а) 0 % (два варианта), 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 % гидрофобного белка из латекса гевеи (ВНИИсинтезбелок),

б) 0 %, 0,5 %, 1,0 %, 3,0 %, 1,5 % + 0,2 % яичного фосфатидилхолина лиофилизованных белков серума природного латекса гевеи.

Подготовлена серия компонентов белков и липидов микробиологического происхождения для опытов по включению в СКИ-3.

Таблица 2.3.4.

Свойства резиновых смесей на основе синтетическаго полиизопрена, содержащих гидрофобный белок, выделенный из латекса.

По итогам проведенных испытаний (таблица 2.3.4.) могут быть сделаны следующие предварительные заключения:

- положительное влияние на свойства смесей оказывают в составе СКИ-3 добавки около 0,2 % фосфолипида и 1 % гидрофобных белков из латекса гевеи. Компоненты серума – пренолфосфаты и пирофосфатвы , а также белки серума в аналогичных дозировках ухудшают свойства образцов по отношению к стандарту .

- относительно невысокая амплптуда наблюдаемых положительных эффектов может быть связана с недостаточной степенью гомогенности распределения добавок по всей массе СКИ-3.

- основное заключение: из некаучуковых компонентов латекса гевеи положительное влияние на свойства натурального каучука оказывают гидрофобные белки и фосфолипиды.(23,24)

3.Аналитическая часть.

3.1.Введение белковых модификаторов на стадии изготовления каучука.

Представляло интерес исследовать влияние белковых продуктов, введенных на стадии полимеризации синтетического полиизопрена на свойства композиций на основе модифицированного таким образом каучука.

Нами были изучены свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ–3 при замене 10 – 30 масс. ч. серийного каучука на изопреновый каучук, модифицированный белкозином представляющим собой гидролизат кератинового белка и имеющий сходный аминокислотный состав с НК (таблица 3.1.1.) (образцы 15 и 17, содержащие 8 % и 15 %, соответственно ). Состав резиновых смесей приведен в таблице 3.1.2.

Таблица 3.1.1.

Аминокислотный состав гидролизатов белков из натурального каучука и технических белков.(в (мкмоль на мг)х 10³)

Таблица 3.1.2.

Рецептура стандартных резиновых смесей на

Основе модифицированного СКИ-3.

Для оценки влияния различного содержания белкозина на свойства модифицированного синтетического, в сравнении с серийным СКИ–3, определялись показатели когезионной прочности, содержащих активные и малоактивные наполнители, пластоэластические характеристики смесей и физико-механические свойства вулканизатов. Наибольшее повышение условного напряжения при 300 % , 500 % удлинении и когезионной прочности резиновых смесей наблюдается в смесях, содержащих активный техуглерод П-324, при замене 30 масс. ч. СКИ-3 на «белковый» каучук, (содержащий 8 % белкозина, соответственно в смеси – 2,4 % белка) – обр.15.

Увеличение вязкости по Муни может быть связано с возрастанием углерод - каучукового взаимодействия и проявляется в большей степени для того же образца (табл. 3.1.3). Введение «белкового» полимера в смеси приводит к ускорению процессов подвулканизации и вулканизации при сохранении степени вулканизации на том же уровне, что и в контрольной смеси. Для вулканизатов отмечается увеличение условного напряжения при 300 % удлинения при сохранении прочности, твердости и эластичности (табл. 3.1.3.)

Таблица 3.1.3.

Свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3 ,наполненных активным техуглеродом П-324 и содержащих добавки СКИ-3 , модифицированного белкозином.

Введение «белкового» полимера в смеси с малоактивным техуглеродом менее эффективно (табл. 3.1.4) при этом смеси, содержащие модифицированный СКИ-3, характеризуются более высокой когезионной прочностью, уменьшением времени начала подвулканизации и времени достижения оптимума вулканизации, более высокой степенью сшивание по сравнению с резинами на основе немодифированного СКИ-3 .

Таблица 3.1.4

Свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе СКИ-3, наполненных малоактивным техуглеродом П-803, и содержащих добавки СКИ-3 , модифицированного белкозином.

Лучшим комплексом свойств обладают резиновые смеси и вулканизаты на основе комбинации СКИ-3 с модифицированным 8% белкозина полиизопреном в соотношении (90-80): (10-20).

3.2. Модификация СПИ биологическими мембранами или их моделями, методом обращенных мицелл.

Анализ свойств, состава и строение каучуковых глобул натурального каучука (НК) позволяет рекомендовать следующие предварительные требования к биополимерам:

– Для модификации СПИ биополимерами целесообразно использовать микробные белки и фосфолипиды, являющиеся источником коимплекса липидов и белков.

–Микробные клетки, содержащие необходимые биополимеры в своих мембранах должны быть разрушены механическим способом с помощью ультразвука или гидрофобизировать их с помощью детергентов.

На основе комбинаций белков и фосфолипидов разработан принципиальный метод синтеза белков, обладающих повышенной гидрофобностью.

В качестве объектов исследования, при подборе белково-липидных фракций из промышленных дрожжей и других микробиологических источников были отобраны с целью модификации СКИ – 3 для использования три фракции из промышленных дрожжей (переданы ВНИИсинтезбелок) и один препарат белка из солелюбивых бактерий Hal.Halobium, полученный в лаборатории кафедры биотехнологии (таблица3.2.1)

Таблица 3.2.1.

Состав белково-липидных препаратов

Основным компонентом липидов из дрожжевых фракций является лецитин, основным компонентом липидов в препарате бактериородопсина – фосфатидилглицерофосфат.

Проведенные во ВНИИСК предварительные исследования показали перспективность таких комбинаций, хотя сам метод их синтеза нуждается в доработке. На основе промышленных продуктов биотехнологического производства : белков (белкозин, гаприн) и фосфолипидов (лецитин, кефалин , микрофобный жир) синтезирован ряд аддуктов и проведено их испытание в качестве модификаторов каучука . Гидрофобизированные белки могут быть использованы на стадии дезактивации « живого » полимеризата СКИ – 3. Показано, что введение комбинации белкозин + микрофобный жир и малеиновый ангидрид в каучук, обеспечивает лучшую когезионную прочность и условное напряжение при 300%-ом удлинении нежели, чем введение в каучук, модифицированный сульфидом натрия, однако при этом значительно снижается пластичность каучука после старения.

Методика введения добавок в СКИ – 3 .

Предложено проводить модификацию СКИ – 3 методом обращенных мицелл с использованием фосфолипидов, пренолфосфатов и гидрофобных белков. С целью отработки методики введения и изучения роли отдельных компонентов латекса НК некаучуковой природы в формировании комплекса нужных свойств была принята тактика проведения модельных опытов со строго стандартивированным составом и природой добавок.

В качестве липидных компонентов были выбраны лецитин из яйца и микробные лецитины (ВНИИсинтезбелок).

В качестве белковых модификаторов были опробованы липидно-белковые фракции микробного происхождения (таблица 3.2.1.).

Был приготовлен ряд образцов СКИ – 3 модифицированных и липидами и белками, в соотношении белок: липид 1:1, 1:2, 3:1, 9:1, на базе липидов из промышленных дрожжей и белков микробиологического и животного происхождения

Указанные препараты были введены в СКИ – 3 в разных соотношениях методом обращенных мицелл.

Методика приготовления образцов.

К 10 % раствору СКИ – 3 в ССl₄ добавляют водно-органический раствор модификатора (до 10% объемных), встряхивают. К полученной гомогенной смеси добавляют воду ( 40 – 50^оС ) в отношении 1:1 по объему и при энергичном перемешивании удаляют в вакууме растворители (температура в бане не выше 40^оС). Отделившийся каучук высушивают в вакууме менее 1 мм. рт. ст., периодически измельчая до постоянного веса при 20 – 30^оС и передают на испытания.

Испытания свидетельствуют (таблица 3.2.2.), что лучшие результаты показали образцы, модифицированные смесью кератина и микрофобного лецитина в количестве 1 по весу и содержанием кератина и лецитина в соотношении 9:1.

Препараты микробиологического происхождения (из промышленных дрожжей) дали более низкие показатели, что говорит о необходимости более серьезного фракционирования белков микробного происхождения с целью снижения содержания веществ, клеточной стенки и липидов в препаратах, и проведения затем более подробных исследований.

Подводя итоги этой части работы можно предположительно утверждать, что модификация СКИ – 3 липидами и белками дает положительный эффект при соотношении гидрофобный белок-липид близком к таковому в натуральном каучуке, и при введении около 1% модифицирующе