Синтез інвертабельних і реакційноздатних амфіфільних полімерів і формування міцелярних структур на їх основі

Abstract

У дисертації розроблено стратегію синтезу та одержано нові амфіфільні інвертабельні полімери на основі поліетердіолів різної природи і діізоціанатів або ангідридів дикарбонових кислот. Обґрунтована природа і структура макромолекул нових класів амфіфільних інвертабельних полімерів – сегментованих поліуретанів і кополіестерів. Розвинута концепція регулювання інвертабельності – здатності макромолекул амфіфільних полімерів реагувати на зміну полярності середовища через зміну конформації макроланцюга. Розроблені теоретичні та практичні основи формування у водному та органічному середовищах ієрархії міцелярних структур нових амфіфільних полімерів від мономолекулярних міцел до полімолекулярних асоціатів і вивчено їх структуру та морфологічні особливості залежно від природи розчинника і полімеру, будови макромолекул, концентрації і температури. Розроблені практичні підходи до використання міцелярних структур у водному середовищі як систем доставки терапевтичних препаратів і в органічному середовищі як нанореакторів проведення хімічних реакцій синтезу наночастинок металів і напівпровідників. Розвинуті теоретичні та практичні основи синтезу нових амфіфільних гетерофункційних пероксидовмісних полімерів з термолабільними первинно-третинними пероксидними групами через вільнорадикальну кополі-меризацію N-[(трет-бутилперокси)метил]акриламіду з малеїновим ангідридом. В диссертации разработана стратегия синтеза и получены новые амфифильные инвертабельные полимеры на основе простых полиэфиров разной природы и диизоцианатов или ангидридов дикарбоновых кислот. Обоснована природа и структура макромолекул новых классов амфифильных инвертабельных полимеров – сегментированных полиуретанов и сложных сополиэфиров. Развита концепция регулирования инвертабельности – способности макромолекул амфифильных полимеров реагировать на изменение полярности среды за счет изменения конформации макроцепи. Разработаны теоретические и практические основы формирования в водной и органической средах иерархии мицеллярных структур новых амфифильных полимеров от мономолекулярных мицелл до полимолекулярных ассоциатов и изучены их структура и морфологические особенности в зависимости от природы растворителя и полимера, строения макромолекул, концентрации и температуры. Разработаны практические подходы к применению мицеллярных структур в водной среде в качестве систем доставки терапевтических препаратов и в органической среде в качестве нанореакторов проведения химических реакций синтеза наночастиц металлов и полупроводников. Развиты теоретические и практические основы синтеза новых амфифильных гетерофункциональных пероксидсодержащих полимеров с термолабильными первично-третичными пероксидными группами путем свободнорадикальной сополимеризации N-[(трет-бутилперокси)метил]акриламида с малеиновым ангидридом. In the thesis, strategy of the synthesis of new amphiphilic invertible polymers has been developed. The novel amphiphilic invertible polymers based on polyether diols of different nature and either diisocyanates or dicarboxylic acid anhydrides have been synthesized. Synthetic routes to segmented amphiphilic invertible polyurethanes based on polyether diols (i.e., polyethylene glycol and polytetrahydrofuran) and 2,4-tolylene diisocyanate have been elaborated via a systematic study of step-growth polymerization as well as to amphiphilic invertible copolyesters based on succinic anhydride and the polyether diols. The effect of reaction conditions on the flow of the reaction and the configuration of the macromolecules of the amphiphilic invertible polymers has been revealed. The chemistry of the formation of amphiphilic invertible polymer macromolecules has been studied and determined. The nature and structure of macromolecules of novel amphiphilic invertible polymers (i.e., the segmented polyurethanes and the copolyesters) has been substantiated in order to develop polymeric platforms for drug delivery systems as well as nanoreactors for conducting chemical reactions within them. The concept of tuning invertibility, i.e. the ability of macromolecules of amphiphilic polymers to respond to changes in the medium polarity by changing the macrochain conformation, has been developed by using correspondent step-growth polymerization reactions of lipophilic and hydrophilic polyether diols with different physicochemical properties and various chain lengths. Targeted synthesis of amphiphilic invertible polymers of a certain structure allows for tuning invertible, colloidal, and other physicochemical properties of the polymers via the theoretically substantiated design of repeating units, segments, and macromolecular configuration. The microphase structure and colloidal properties of the amphiphilic invertible polyurethanes and copolyesters have been examined depending on a solvent nature as well as a polymer nature and structure. The nature and structure of the novel amphiphilic macromolecules have been shown to allow for a targeted regulation of invertible and other properties of the micellar structures. Theoretical and practical foundations of the formation of hierarchical micellar structures from monomolecular micelles to polymolecular associates in both aqueous and organic media have been developed for the novel amphiphilic polymers. The composition and morphology of the micellar structures of the amphiphilic polymers have been studied depending on the nature of a solvent and a polymer, a macromolecular structure, concentration, and temperature. The application of the micellar structures, based on amphiphilic copolyesters, in an aqueous medium for the solubilization of lipophilic drugs allows for developing polymeric delivery systems which correspond to the up-to-date requirements (e.g., biodegradability, non-toxicity, ability to pass through physiological barriers in a body and so forth). Unlike known carriers, they possess invertibility. The solubilization of sparingly soluble lipophilic organic substances (including natural ones) by the micellar structures based on amphiphilic copolyesters have been studied along with the release of the solubilizate from the micellar structures into both nonpolar and polar media. Phase transfer of drugs solubilized within the amphiphilic copolyester micelles from an aqueous medium to an organic one has been estimated. The peculiarities of the interaction of the invertible nanocarrier macromolecules with cytoplasmic membranes have been determined and the solubilizate delivery into the cells has been studied depending on the polymer nature and structure. The ability of the macromolecules of the amphiphilic polymers to respond to changes in a medium polarity by changing a macrochain conformation has been demonstrated. The impact of a macromolecular structure on the surface active properties of the novel amphiphilic polymers has been explored that allows for the development of micellar structures with controlled characteristics in both aqueous and organic media. The use of the micellar structures, based on amphiphilic polymers, in an organic medium as nanoreactors for conducting chemical reactions allows for the synthesis of metal (Ag, Au, Pd) and semiconductor (CdSe, Si) nanoparticles. The solubilization of sparingly soluble hydrophilic substances by the micellar structures of the amphiphilic polymers has been studied in an organic medium. A possibility to control the size of the metal and semiconductor nanoparticles has been explored depending on the nature of polymer and its concentration. The synthesis of novel amphiphilic heterofunctional peroxide-containing copolymers with thermolabile primary-tertiary peroxide groups via free radical copolymerization of N-(tert-butylperoxymethyl)acrylamide with maleic anhydride has allowed for developing polymeric emulsifiers-initiators containing a controlled ratio of lipophilic to hydrophilic moieties and a controlled amount of peroxide groups. Thus, the amphiphilic reactive polymers are surface active and, simultaneously, they are able to initiate free radical reactions. The synthesis of functional synthetic latexes based on the novel polymeric peroxide emulsifiers-initiators has been studied. The application of the synthesized functional latex particles as reactive fillers has been assessed in order to develop polymeric coatings with enhanced physicomechanical and physicochemical properties.