Cинтез поліпероксидів блочної та розгалуженої будови і супрамолекулярні структури на їх основі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню наукової проблеми цільового синтезу поверхнево-активних поліпероксидів та функціональних кополімерів розгалуженої та блочної будови і на їх основі супрамолекулярних структур, міцел та поліелектролітних комплексів, з прогнозованими розміром, морфологією. Вказано шляхи контролю архітектури, молекулярно-масових та колоїдно-хімічних характеристик нових кополімерів та підвищення ефективності звязування, доставки та терапевтичної дії біологічно активних речовин супрамолекулярними структурами на їх основі. В результаті поглибленого дослідження радикальних та нерадикальних реакцій нових поліпероксидів, з бічними та кінцевими пероксидними та іншими реакційними функціональними групами як прекурсорів, розроблено стратегію та експериментальні методи отримання функціональних поверхнево-активних олігомерів та полімерів. Досліджені кінетичні особливості генерування вільних радикалів синтезованими макро-ініціаторами в органічних розчинниках. Встановлено, що реакційна здатність макроініціаторів залежить від наявності у структурі об’ємного бігного ПЕГ ланцюга, а також природи іоногенних груп (катіонних чи аніонних) у складі поліелектролітних макроініціатоів, природи та полярності розчинника, що обумовлює можливість контролю кінетичних параметрів прищеплювальної полімеризації і, як наслідок, отримання гребенеподібних функціональних полімерів та кополімерів із заданої будовою. Запропоновано механізм та кінетична схема отримання функціональних макроініціатоів з кінцевою пероксидною групою методом низькотемпературної полімеризації, ініційованої окисно-відновними системами (ОВІС) аліфатичних спиртів та поліетиленгліколів з комплексними солями Се(IV) в присутності пероксидовмісного телогену. Встановлено, що факторами, які визначають поверхневу активність нових гребенеподібних та блочних кополімерів, розмір, заряд та морфологію утворюваних ними міцелоподібних структур в розчині, є довжина, функціональність та заряд бічних ланцюгів та блоків кополімерів, поєднання в молекулі неіонних та поліелектролітних ланцюгів та блоків, які в свою чергу визначають конформацію та кооперативну взаємодію макромолекул між собою. Результатом зв’язування протипухлинних препаратів з ПЕГ-вмісними гребенеподібними носіями є суттєве зменшення кардіо-, гепато- і нефротоксичності утворюваних нанорозмірних препаратів, надання їм здатності долати набуту резистентність клітин до ліків, зниження до десяти разів ефективної терапевтичної дози. Синтетичні полікатіоніти гребенеподібної та блочної будови є малотоксичними порівняно з комерційними носіями для доставки нуклеїнових кислот, утворюють стабільні поліплекси, які захищають ДНК та РНК від дії ензимів при транспортуванні та забезпечують ефективну доставку генетичного матеріалу в клітини ссавців, дріжджів, бактерій та рослин. Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме синтеза новых полифункнациональных макроинициаторов с боковыми и концевыми пероксидними группами и, на их основе, разветвленных и линейных блочных полиамфолитов, а также созданию и исследованию супрамолекулярных структур, которые образуют эти полимеры в растворе. Показано, что синтезированные сополимеры могут быть использованы как эффективные носители лекарственных препаратов, нуклеиновых кислот. Для синтеза поверхностно-активных гребнеобразных полипероксидов, которые сочетают в структуре боковые неионные ПЭГ, полиэлектролитные цепи и пероксидные фрагменты, разработаны и исследованы комплексные подходы, состоящие из радикальных и нерадикальные методов получения. Показана зависимость кинетических характеристик полимеризации, инициированной макроинициаторами, от природы и полярности растворителя или полярности мономера, что обусловливает возможность контроля кинетических параметров прививочной полимеризации и, как следствие, получение гребнеобразных функциональных полимеров с заданной макро- и микроструктурой, степенью прививки и длиной боковых цепей. Установлены основные закономерности и предложен механизм и кинетическая схема низкотемпературной полимеризации, инициированной окислительно-восстановительными системами алифатических спиртов и полиэтиленгликолей с комплексными солями Се(IV) в присутствии пероксидсодержащего телогена. Определены кинетические закономерности получения блок-сополимеров методами радикальной полимеризации, используя макроинициаторы с концевым пероксидным фрагментом. Установлено, что факторами, которые определяют поверхностную активность новых гребнеобразных и блочных сополимеров, размер, заряд и морфологию образуемых ими структур в растворе, является длина, функциональность и заряд боковых цепей и блоков сополимеров, сочетание в молекуле неионных и полиэлектролитных цепей и блоков, которые в свою очередь определяют конформацию и кооперативное взаимодействие макромолекул между собой. Результатом связывания противоопухолевых препаратов с ПЭГ-содержащими гребнеобразными носителями является существенное уменьшение кардио-, гепато- и нефротоксичности создаваемых наноразмерных препаратов, придание им возможности преодолевать приобретенную резистентность клеток к лекарствам, снижение до десяти раз эффтивной терапевтической дозы. Синтетические поликатиониты гребнеобразного и блочной строения малотоксичены по сравнению с коммерческими носителями для доставки нуклеиновых кислот, образуют стабильные полиплексы, которые защищают ДНК и РНК от воздействия ферментов при транспортировке и обеспечивают эффективную доставку генетического материала в клетки млекопитающих, дрожжей, бактерий и растений. The thesis is devoted to the solution of scientific problem of target synthesis of polyperoxide surfactants and functional copolymers of branched and block structure and derived supramolecular structures, micelles and interpolyelectrolyte complexes with predictable size and morphology. The approaches for controlling the architecture, molecularweight and colloidal characteristics of novel copolymers, as well as for increasing the efficiency of binding, delivery and therapeutic effect of bioactive compounds by supramolecular structures based on these copolymers are described. Comprehensive study of radical and nonradical reactions of novel polyperoxides with side and terminal peroxide or other reactive functional groups as polymer precursors allowed to develop the strategy and experimental methods of functional surface-active oligomers and polymers obtaining. Kinetic peculiarities of free radicals generation by synthesized macroinitiators in organic solvents were studied. Changes of kinetic characteristics of polymerization of monomers with different polarity were shown in the case of its initiation by macroinitiators containing PEG chains. Introduction of large side PEG chain in polymer structure leads to the increase of rate constants of polymer thermal decomposition and change of kinetic parameters of polymerization due to the localization of elementary polymerization stages inside restricted zones, formed by macroinitiator molecules after achieving their certain concentration. It was found, that the reactivity of oligoelectrolyte macroinitiators depended on the nature of ionic (cationic or anionic) groups they contain, nature and polarity of solvent that provides possibility to control kinetic parameters of grafted polymerization and, as a result, to obtain comb-like functional polymers and copolymers with desired macro- and microstructure, grafting density and length of side chains. Mechanism and kinetic scheme of functional macroinitiators with terminal peroxide groups obtaining via low-temperature polymerization, initiated by redox systems (RS) of aliphatic alcohols or PEG and Ce(IV) complex compounds in the presence of peroxide telogen has been proposed. Free radical generation by macroinitiators with terminal peroxide groups and theirs reactions of polymerization initiation was studied. Dependency of efficiency, initiation rate and ratio between different mechanism of radical termination on reducing agents nature, concentration of RS and polymerization topochemistry allowed controlling polymerization rate, yield of target block-copolymers with terminal peroxide moiety and molecular-weight characteristics of polymers. Kinetic regularities of blockcopolymers formation via radical polymerization, initiated by macroinitiators with terminal peroxide groups were determined. As it was found, the length, functionality and charge of side polymer chains and blocks of copolymers, combination of nonionic and polyelectrolyte chains and blocks that, in turn, determines conformation and cooperative interaction of macromolecules are the main factors affecting the surface activity of novel comb-like and block-copolymers, as well as size, charge and morphology of formed by these polymers micelle-like structures (MLS) in solutions. Comb-like copolymers that didn’t contain PEG heterochain formed smaller MLS (more compact structures) as compared with copolymers with PEG combs. Complexes of drugs with studied comb-like copolymers of different structure were formed by various mechanisms that was proved by different (from negative to positive) values of -potentials, change of MLS morphology and decrease of its size due to formation of polymer – Dox complex. Formation of interpolyelectrolyte complexes of DNA and polymers led to the significant decrease of hydrodynamic diameters of polyplexes compared to free DNA. Negative -potential, that is typical for free DNA, changes to positive after formation of salt complex with polymer that is very important in terms of interaction with cell membrane. Conjugation of anticancer drugs with PEG-contained comb-like polymer carriers resulted in essential decrease of cardio-, hepato- and nephrotoxicity of formed nanoscale systems, ability to overcome acquired resistance of cells to drugs, reducing (up to 10 times) the effective therapeutic dosage. Synthesized cationic polymers with comb-like and block structure are characterized by lower toxicity compared to commercial carriers for DNA transportation, form stable polyplexes, which are able to protect DNA and RNA against the enzymatic cleavage during transportation to the cell membrane and provide efficient delivery of genes (genetic material) inside mammalian, yeast, bacteria and plant cells.