stringtranslate.com

Полиэтиленимин

Полиэтиленимин ( ПЭИ ) или полиазиридин — это полимер с повторяющимися звеньями, состоящими из аминогруппы и двух углеродных алифатических спейсеров CH2CH2 . Линейные полиэтиленимины содержат все вторичные амины , в отличие от разветвленных ПЭИ , которые содержат первичные, вторичные и третичные аминогруппы. Также сообщалось о полностью разветвленных дендримерных формах. [1] ПЭИ производится в промышленных масштабах и находит множество применений, обычно вытекающих из его поликатионной природы. [2]

Характеристики

Линейный ПЭИ представляет собой полукристаллическое твердое вещество при комнатной температуре, в то время как разветвленный ПЭИ представляет собой полностью аморфный полимер, существующий в виде жидкости при всех молекулярных весах. Линейный полиэтиленимин растворим в горячей воде, при низком pH, в метаноле , этаноле или хлороформе . Он нерастворим в холодной воде, бензоле , этиловом эфире и ацетоне . Линейный полиэтиленимин имеет температуру плавления около 67 °C. [3] Как линейный, так и разветвленный полиэтиленимин можно хранить при комнатной температуре. Линейный полиэтиленимин способен образовывать криогели при замораживании и последующем оттаивании его водных растворов. [3]

Синтез

Разветвленный ПЭИ может быть синтезирован путем полимеризации с раскрытием кольца азиридина . [4] В зависимости от условий реакции может быть достигнута различная степень разветвления. Линейный ПЭИ доступен путем постмодификации других полимеров, таких как поли(2-оксазолины) [ 5] или N -замещенные полиазиридины. [6] Линейный ПЭИ был синтезирован путем гидролиза поли(2-этил-2-оксазолина) [7] и продается как jetPEI. [8] Текущее поколение in-vivo-jetPEI использует заказные полимеры поли(2-этил-2-оксазолина) в качестве прекурсоров. [9]

Приложения

Полиэтиленимин находит множество применений в таких продуктах, как: моющие средства, клеи, средства для очистки воды и косметика. [10] Благодаря своей способности изменять поверхность целлюлозных волокон, ПЭИ используется в качестве влагопрочного агента в процессе изготовления бумаги . [11] Он также используется в качестве флокулянта с золями кремниевой кислоты и в качестве хелатирующего агента со способностью образовывать комплексы с ионами металлов, такими как цинк и цирконий. [12] Существуют также другие узкоспециализированные применения ПЭИ:

Биология

ПЭИ имеет ряд применений в лабораторной биологии, особенно в культуре тканей , но он также токсичен для клеток, если используется в избытке. [13] [14] Токсичность обусловлена ​​двумя различными механизмами: [15] разрушением клеточной мембраны, приводящим к некротической гибели клетки (немедленным) и разрушением митохондриальной мембраны после интернализации, приводящим к апоптозу (отсроченным).

Стимулятор привязанности

Полиэтиленимины используются в клеточной культуре слабозакрепляющихся клеток для усиления прикрепления. ПЭИ — это катионный полимер; отрицательно заряженные внешние поверхности клеток притягиваются к чашкам, покрытым ПЭИ, что способствует более прочному прикреплению клеток к пластине.

Реагент для трансфекции

Поли(этиленимин) был вторым открытым полимерным трансфекционным агентом [16] после поли-L-лизина. ПЭИ конденсирует ДНК в положительно заряженные частицы, которые связываются с анионными остатками клеточной поверхности и переносятся в клетку посредством эндоцитоза . Попав внутрь клетки, протонирование аминов приводит к притоку противоионов и снижению осмотического потенциала. Осмотическое набухание приводит к разрыву везикулы, высвобождая комплекс полимер-ДНК (полиплекс) в цитоплазму. Если полиплекс распаковывается, то ДНК может свободно диффундировать в ядро. [17] [18]

Пермеабилизация грамотрицательных бактерий

Поли(этиленимин) также является эффективным пермеабилизатором внешней мембраны грамотрицательных бактерий . [19]

КО2захватывать

Как линейный, так и разветвленный полиэтиленимин использовались для улавливания CO2 , часто пропитывая им пористые материалы. Первое использование полимера PEI для улавливания CO2 было посвящено улучшению удаления CO2 в космических аппаратах, пропитывая им полимерную матрицу. [20] После этого носитель был изменен на MCM-41, гексагональный мезоструктурированный диоксид кремния, и большие количества PEI были сохранены в так называемой «молекулярной корзине». [21] Материалы адсорбента MCM-41-PEI привели к более высоким адсорбционным способностям CO2, чем объемный материал PEI или MCM-41, рассматриваемый по отдельности. Авторы утверждают, что в этом случае синергетический эффект имеет место из-за высокой дисперсии PEI внутри пористой структуры материала. В результате этого улучшения были разработаны дальнейшие работы для более глубокого изучения поведения этих материалов. Исчерпывающие работы были сосредоточены на способности адсорбции CO 2 , а также на селективности адсорбции CO 2 /O 2 и CO 2 /N 2 нескольких материалов MCM-41-PEI с полимерами PEI. [22] [23] Кроме того, пропитка PEI была протестирована на различных носителях, таких как матрица из стекловолокна [24] и монолиты. [25] Однако для надлежащей производительности в реальных условиях при улавливании после сжигания (умеренные температуры между 45-75 °C и наличие влаги) необходимо использовать термически и гидротермально стабильные кремниевые материалы, такие как SBA-15 , [26] , который также представляет собой гексагональную мезоструктуру. Влажность и реальные условия также были протестированы при использовании материалов, пропитанных PEI, для адсорбции CO 2 из воздуха. [27]

Детальное сравнение между PEI и другими аминосодержащими молекулами показало превосходную производительность образцов, содержащих PEI, с циклами. Кроме того, было зарегистрировано лишь небольшое снижение поглощения ими CO 2 при повышении температуры с 25 до 100 °C, что демонстрирует высокий вклад хемосорбции в адсорбционную способность этих твердых веществ. По той же причине адсорбционная способность при разбавленном CO 2 составляла до 90% от значения при чистом CO 2 , а также наблюдалась высокая нежелательная селективность по отношению к SO 2 . [28] В последнее время было предпринято много усилий для улучшения диффузии PEI в пористой структуре используемого носителя. Лучшая дисперсия PEI и более высокая эффективность CO 2 (молярное отношение CO 2 /NH) были достигнуты путем пропитки материала PE-MCM-41, окклюдированного шаблоном, а не идеальных цилиндрических пор прокаленного материала, [29] следуя ранее описанному пути. [30] Также изучалось комбинированное использование органосиланов, таких как аминопропилтриметоксисилан, AP и PEI. Первый подход использовал их комбинацию для пропитки пористых носителей, достигая более быстрой кинетики адсорбции CO 2 и более высокой стабильности во время циклов повторного использования, но не более высокой эффективности. [31] Новым методом является так называемая «двойная функционализация». Он основан на пропитке материалов, ранее функционализированных путем прививки (ковалентное связывание органосиланов). Аминогруппы, включенные обоими путями, показали синергетические эффекты, достигая высокого поглощения CO 2 до 235 мг CO 2 /г (5,34 ммоль CO 2 /г). [32] Кинетика адсорбции CO 2 также изучалась для этих материалов, показывая аналогичные скорости адсорбции, как у пропитанных твердых тел. [33] Это интересное открытие, принимая во внимание меньший объем пор, доступный в материалах с двойной функционализацией. Таким образом, можно также сделать вывод, что их более высокое поглощение CO2 и эффективность по сравнению с пропитанными твердыми веществами можно объяснить синергическим эффектом аминогрупп, включенных двумя методами (прививкой и пропиткой), а не более быстрой кинетикой адсорбции.

Модификатор низкой работы выхода для электроники

Поли(этиленимин) и поли(этиленимин) этоксилированный (ПЭИЭ) были показаны как эффективные модификаторы с низкой рабочей функцией для органической электроники Чжоу и Киппеленом и др. [34]. Он может универсально снижать рабочую функцию металлов, оксидов металлов, проводящих полимеров и графена и т. д. Очень важно, что проводящий полимер с низкой рабочей функцией, обработанный раствором, может быть получен путем модификации ПЭИ или ПЭИЭ. Основываясь на этом открытии, полимеры широко использовались для органических солнечных элементов, органических светодиодов, органических полевых транзисторов, перовскитных солнечных элементов, перовскитных светодиодов, квантово-точечных солнечных элементов и светодиодов и т. д.

Использование в доставке генной терапии ВИЧ

Полиэтиленимин (ПЭИ), катионный полимер, был широко изучен и показал большие перспективы в качестве эффективного средства доставки генов. Аналогично, пептид ВИЧ-1 Tat, проницаемый для клеток пептид, был успешно использован для внутриклеточной доставки генов. [35]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Йемул, Омпракаш; Имае, Тоёко (2008). «Синтез и характеристика поли(этилениминовых) дендримеров». Colloid & Polymer Science . 286 (6–7): 747–752. doi :10.1007/s00396-007-1830-6. S2CID  98538201.
  2. ^ Дэвидсон, Роберт Л.; Ситтиг, Маршалл (1968). Водорастворимые смолы . Reinhold Book Corp. ISBN 978-0278916135.
  3. ^ ab Soradech, Sitthiphong; Williams, Adrian C.; Khutoryanskiy, Vitaliy V. (2022-10-24). "Физически сшитые криогели линейного полиэтиленимина: влияние температуры охлаждения и состава растворителя". Macromolecules . 55 (21): 9537–9546. Bibcode :2022MaMol..55.9537S. doi : 10.1021/acs.macromol.2c01308 . ISSN  0024-9297. S2CID  253149614.
  4. ^ Жук, Д.С., Гембицкий, П.А., Каргин ВА. Русские химические обзоры; Том 34:7.1965
  5. ^ Танака, Рюичи; Уэока, Исао; Такаки, ​​Ясухиро; Катаока, Казуя; Сайто, Сёго (1983). «Высокомолекулярный линейный полиэтиленимин и поли(N-метилэтиленимин)». Макромолекулы . 16 (6): 849–853. Bibcode : 1983MaMol..16..849T. doi : 10.1021/ma00240a003.
  6. ^ Weyts, Katrien F.; Goethals, Eric J. (1988). «Новый синтез линейного полиэтиленимина». Polymer Bulletin . 19 (1): 13–19. doi :10.1007/bf00255018. S2CID  97101501.
  7. ^ Бриссо, Б.; и др. (2003). «Синтез линейных производных полиэтиленимина для трансфекции ДНК». Химия биоконъюгатов . 14 (3): 581–587. doi :10.1021/bc0200529. PMID  12757382.
  8. ^ "Высокопроизводительный скрининг «Трансфекция полиплюса». Архивировано из оригинала 2010-03-02 . Получено 2010-04-02 .
  9. ^ "Способ производства линейного полиэтиленимина (пэи) для целей трансфекции и линейный пэи, полученный таким способом". Архивировано из оригинала 2012-08-05.
  10. ^ Штойерле, Ульрих; Фейерхак, Роберт (2006). «Азиридины». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a03_239.pub2. ISBN 3527306730.
  11. ^ Вагберг, Ларс (2000). «Адсорбция полиэлектролитов на целлюлозных волокнах – обзор». Nordic Pulp & Paper Research Journal . 15 (5): 586–597. doi :10.3183/NPPRJ-2000-15-05-p586-597. S2CID  4942367.
  12. ^ Мадкур, Тарек М. (1999). Справочник по полимерным данным . Oxford University Press, Inc. стр. 490. ISBN 978-0195107890.
  13. ^ Vancha AR; et al. (2004). «Использование полиэтилениминового полимера в клеточной культуре в качестве фактора прикрепления и усилителя липофекции». BMC Biotechnology . 4 : 23. doi : 10.1186 /1472-6750-4-23 . PMC 526208. PMID  15485583. 
  14. ^ Хантер, AC (2006). «Молекулярные препятствия в разработке полифектина и механистический фон цитотоксичности, индуцированной поликатионом». Advanced Drug Delivery Reviews . 58 (14): 1523–1531. doi :10.1016/j.addr.2006.09.008. PMID  17079050.
  15. ^ Moghimi, SM; et al. (2005). «Двухступенчатая поли(этиленимин)-опосредованная цитотоксичность: последствия для переноса генов/терапии». Молекулярная терапия . 11 (6): 990–995. doi : 10.1016/j.ymthe.2005.02.010 . PMID  15922971.
  16. ^ Boussif, O.; et al. (1995). «Универсальный вектор для переноса генов и олигонуклеотидов в клетки в культуре и in vivo: полиэтиленимин». Труды Национальной академии наук . 92 (16): 7297–7301. Bibcode : 1995PNAS...92.7297B. doi : 10.1073 /pnas.92.16.7297 . PMC 41326. PMID  7638184. 
  17. ^ Rudolph, C; Lausier, J; Naundorf, S; Müller, RH; Rosenecker, J (2000). «Доставка генов in vivo в легкие с использованием полиэтиленимина и сломанных полиамидоаминовых дендримеров». Журнал генной медицины . 2 (4): 269–78. doi :10.1002/1521-2254(200007/08)2:4<269::AID-JGM112>3.0.CO;2-F. PMID  10953918. S2CID  31273799.
  18. ^ Акинц, А.; Томас, М.; Клибанов, А.М.; Лангер, Р. (2004). «Исследование трансфекции ДНК, опосредованной полиэтиленимином, и гипотезы протонной губки». Журнал генной медицины . 7 (5): 657–663. doi :10.1002/jgm.696. PMID  15543529. S2CID  25740208.
  19. ^ Хеландер, ИМ; Алакоми, Х.-Л.; Латва-Кала, К.; Коски, П. (1997-10-01). «Полиэтиленимин является эффективным пермеабилизатором грамотрицательных бактерий». Микробиология . 143 (10). Общество микробиологии: 3193–3199. doi : 10.1099/00221287-143-10-3193 . ISSN  1350-0872. PMID  9353921.
  20. ^ Satyapal, S.; Filburn, T.; Trela, J.; Strange, J. (2001). «Характеристики и свойства твердого аминового сорбента для удаления углекислого газа в системах жизнеобеспечения в космосе». Energy & Fuels . 15 (2): 250–255. doi :10.1021/ef0002391.
  21. ^ Xu, X.; Song, C.; Andrésen, JM; Miller, BG; Scaroni, AW (2002). «Новое модифицированное полиэтиленимином мезопористое молекулярное сито типа MCM-41 в качестве высокоемкого адсорбента для улавливания CO2». Energy & Fuels . 16 (6): 1463–1469. doi :10.1021/ef020058u.
  22. ^ X. Сюй, К. Сонг, Р. Винчек, Дж. М. Андресен, Б. Г. Миллер, А. В. Скарони, Fuel Chem. Див. Препр. 2003 г.; 48 162-163
  23. ^ X. Сюй, К. Сонг, Б. Г. Миллер, А. В. Скарони, Индиана, Англия. хим. Рез. 2005 г.; 44 8113-8119
  24. ^ Ли, П.; Ге, Б.; Чжан, С.; Чэнь, С.; Чжан, Ц.; Чжао, И. (2008). «Улавливание CO2 волокнистым адсорбентом, модифицированным полиэтиленимином». Langmuir . 24 (13): 6567–6574. doi :10.1021/la800791s. PMID  18507414.
  25. ^ C. Chen, ST Yang, WS Ahn, R. Ryoo, "Title" Chem. Commun. (2009) 3627-3629
  26. ^ Санс, Р.; Каллея, Г.; Аренсибиа, А.; Санс-Перес, Э.С. (2010). «Адсорбция CO2 на разветвленном полиэтилениминовом пропитанном мезопористом кремнии SBA-15». Appl. Surf. Sci . 256 (17): 5323–5328. Bibcode :2010ApSS..256.5323S. doi :10.1016/j.apsusc.2009.12.070.
  27. ^ Goeppert, A.; Czaun, M.; May, RB; Prakash, GK Surya; Olah, GA; Narayanan, SR (2011). «Улавливание углекислого газа из воздуха с использованием регенерируемого твердого адсорбента на основе полиамина». Журнал Американского химического общества . 133 (50): 20164–7. doi :10.1021/ja2100005. PMID  22103291.
  28. ^ Санс-Перес, ES; Оливарес-Марин, M.; Аренсибия, A.; Санс, R.; Каллея, G.; Марото-Валер, MM (2013). "Характеристики адсорбции CO2 аминофункционализированным SBA-15 в условиях после сжигания". Int. J. Greenh. Gas Control . 17 : 366. doi : 10.1016/j.ijggc.2013.05.011. hdl : 10115/11746 .
  29. ^ Хейдари-Горджи, А.; Белмабхаут, Й.; Саяри, А. (2011). «Мезопористый кремнезем, пропитанный полиэтиленимином: влияние загрузки амина и поверхностных алкильных цепей на адсорбцию CO2». Langmuir . 27 (20): 12411–6. doi :10.1021/la202972t. PMID  21902260.
  30. ^ Юэ, МБ; Сан, ЛБ; Цао, И.; Ван, И.; Ван, ЗДж; Чжу, ДжХ (2008). «Эффективный уловитель CO2, полученный из синтезированного MCM-41, модифицированного амином». Chem. Eur. J . 14 (11): 3442–51. doi :10.1002/chem.200701467. PMID  18283702.
  31. ^ Чой, С.; Грей, М.Л.; Джонс, К.У. (2011). «Твердые абсорбенты с аминной связью, сочетающие высокую адсорбционную способность и регенерируемость для улавливания CO2 из окружающего воздуха». ChemSusChem . 4 (5): 628–35. Bibcode : 2011ChSCh...4..628C. doi : 10.1002/cssc.201000355. PMID  21548105.
  32. ^ Санс, Р.; Каллея, Г.; Аренсибия, А.; Санс-Перес, Э.С. (2013). «Разработка высокоэффективных адсорбентов для улавливания CO2 на основе метода двойной функционализации прививки и пропитки». J. Mater. Chem. A. 1 ( 6): 1956. doi :10.1039/c2ta01343f.
  33. ^ Санс, Р.; Каллея, Г.; Аренсибия, А.; Санс-Перес, Э.С. (2013). «Поглощение и кинетика адсорбции CO2 пористым SBA-15 с двойной функциональностью аминогруппами». Энергия и топливо . 27 (12): 7637. doi :10.1021/ef4015229.
  34. ^ Чжоу, Ю.; Фуэнтес-Эрнандес, К.; Шим, Дж.; Мейер, Дж.; Джордано, AJ; Ли, Х.; Вингет, П.; Пападопулос, Т.; Чеун, Х.; Ким, Дж.; Фенолл, М.; Диндар, А.; Хаске, В.; Наджафабади, Э.; Хан, ТМ; Соджуди, Х.; Барлоу, С.; Грэм, С.; Бредас, Ж.-Л.; Мардер, СР; Кан, А.; Киппелен, Б. (2012). «Универсальный метод производства электродов с малой работой работы для органической электроники». Наука . 336 (6079): 327–332. Бибкод : 2012Sci...336..327Z. doi : 10.1126/science.1218829. PMID  22517855. S2CID  9949593.
  35. ^ Ямано, Сейичи; Дай, Джисен; Ханатани, Сигеру; Хаку, Кен; Яманака, Такуто; Ишиока, Мика; Такаяма, Тадахиро; Ювьенко, Карло; Хапли, Сачин; Мурси, Амр М.; Монтклер, Джин К. (2014-02-01). «Долгосрочная эффективная доставка генов с использованием полиэтиленимина с модифицированным пептидом Tat». Биоматериалы . 35 (5): 1705–1715. doi :10.1016/j.biomaterials.2013.11.012. ISSN  0142-9612. PMID  24268201.