stringtranslate.com

Полиаспарагиновая кислота

Полиаспартат натрия

Полиаспарагиновая кислота (PASA) — это биоразлагаемый , водорастворимый конденсационный полимер на основе аминокислоты аспарагиновой кислоты . [1] [2] Это биоразлагаемая замена для смягчителей воды и связанных с ними применений. [3] PASA может быть химически сшита с использованием широкого спектра методов для получения гидрогелей PASA . [4] Полученные гидрогели чувствительны к pH, поэтому в кислых условиях они сжимаются, а способность к набуханию увеличивается в щелочных условиях. [4]

Полиаспартат натрия — натриевая соль полиаспарагиновой кислоты.

В природе ПАСК была обнаружена в виде фрагментов более крупных белков длиной до 50 аминокислот , [5] но по состоянию на 2004 год не была выделена как чистый гомополимерный материал из какого-либо природного источника. [6] Первое выделение синтетического олигомерного полиаспартата натрия , полученного путем термической поликонденсации аспарагиновой кислоты, было сообщено Хьюго Шиффом в конце 19 века. [7] Позднее было высказано предположение, что процесс термической полимеризации проходит через промежуточный полисукцинимид . [8] [9] Полиаспарагиновая кислота производится в промышленности как в форме кислоты, так и в виде натриевой соли. [2]

Свойства и структура

Из-за наличия карбоксильных групп это полиэлектролит с анионным характером. Природные фрагменты PASA состоят из α,-связанной L -аспарагиновой кислоты. [5] Напротив, повторяющаяся единица синтетической полиаспарагиновой кислоты может существовать в четырех изомерных формах, в зависимости от стереохимии исходного материала ( D- и L - аспарагиновая кислота ) и синтетической процедуры, приводящей к α и β связям. Из-за белковоподобного остова (наличие амидной связи в остове) PASA имеет подходящую биоразлагаемость . [2]

Синтез

Некоторые синтетические стратегии, ведущие к полиаспарагиновой кислоте
Некоторые синтетические стратегии, ведущие к полиаспарагиновой кислоте
Изомеры повторяющейся единицы PASA

Множество различных путей ведут к ПАСК. В простейшем [10] и самом старом подходе [6] аспарагиновую кислоту нагревают, чтобы вызвать дегидратацию. На следующем этапе полученный полисукцинимид обрабатывают водным гидроксидом натрия , что приводит к частичному раскрытию колец сукцинимида . В этом процессе натрий - DL- (α,β)-поли(аспартат) с 30% α-связей и 70% β-связей [11], случайно распределенных вдоль полимерной цепи, [12] и рацемизированным хиральным центром аспарагиновой кислоты получается. [13] Было сообщено о многих катализаторах для улучшения метода термической полимеризации. Основными преимуществами от их применения являются увеличение скорости конверсии и более высокая молекулярная масса продукта. [14] [15] Полиаспарагиновую кислоту также можно синтезировать путем полимеризации малеинового ангидрида в присутствии гидроксида аммония . [1] [2] [16] Высокий контроль над изомерами повторяющихся единиц может быть достигнут путем полимеризации производных N-карбоксиангидрида (NCA), [17] путем полимеризации эфиров аспарагиновой кислоты [18] или путем применения реакции, катализируемой ферментом. [19] Чистые гомополимеры, D- или L -PASA только с α- или β-связями, могут быть синтезированы с использованием этих методов.

Реакция полимеризации является примером ступенчатой ​​полимеризации полиамида . В одной процедуре аспарагиновая кислота полимеризуется при 180 °C с сопутствующей дегидратацией и образованием поли( сукцинимида ). Полученный полимер реагирует с водным гидроксидом натрия , который гидролизует одну из двух амидных связей сукцинимидного кольца с образованием карбоксилата натрия. Оставшаяся амидная связь, таким образом, является связью между последовательными остатками аспартата. Каждый остаток аспартата идентифицируется как α или β в соответствии с тем , какой карбонил его является частью полимерной цепи. Форма α имеет один углерод в основной цепи в дополнение к самому карбонилу (и двухуглеродной боковой цепи), тогда как форма β имеет два углерода в основной цепи в дополнение к самому карбонилу (и одноуглеродной боковой цепи). В результате этой реакции образуется полиаспартат натрия, состоящий примерно на 30% из α-связей и на 70% из β-связей. [2]

Синтез полиаспартата натрия
Синтез полиаспартата натрия

Приложения

Полиаспарагиновая кислота и ее производные являются биоразлагаемыми альтернативами традиционным полианионным материалам, в частности полиакриловой кислоте . [20] ПАСК обладает способностью ингибировать отложение карбоната кальция , сульфата кальция , сульфата бария и фосфата кальция и может использоваться в качестве антинакипного агента в системах охлаждения воды, процессах опреснения воды и операциях по очистке сточных вод. [21] Кроме того, благодаря своей способности хелатировать ионы металлов, она обеспечивает ингибирование коррозии . [11] Она также может использоваться в качестве биоразлагаемого моющего средства и диспергатора для различных применений. [22]

PASA также имеет множество биомедицинских применений. Его высокое сродство к кальцию использовалось для нацеливания различных форм носителей, содержащих лекарственные средства, на кость . [2] Основным компонентом кости является гидроксиапатит (около 70%) (минерализованный фосфат кальция ). Помимо нацеливания на кость, PASA был модифицирован для других биомедицинских применений, таких как доставка лекарств , покрытие поверхности, доставка ДНК, мукоадгезия и т. д. [2]

Поскольку его можно синтезировать экологически безопасным способом и он биоразлагаем , полиаспартат является потенциальной зеленой альтернативой нескольким материалам, таким как полиакрилат натрия, используемый в одноразовых подгузниках и сельском хозяйстве. [23] [24] [25] Он может действовать как супернабухающий материал в подгузниках , средствах женской гигиены и упаковке пищевых продуктов . [26] Уровень поглощения воды, который обратно пропорционален механическим свойствам гидрогеля, можно регулировать, изменяя плотность сшивки. [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ аб Томас Кляйн; Ральф-Иоганн Мориц; Рене Граупнер (2008). «Полиаспартаты и полисукцинимид». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.l21_l01. ISBN 978-3527306732.
  2. ^ abcdefg Адельния, Хоссейн; Тран, Хуонг DN; Литтл, Питер Дж.; Блейки, Идрисс; Та, Ханг Т. (2021-06-14). «Поли(аспарагиновая кислота) в биомедицинских приложениях: от полимеризации, модификации, свойств, деградации и биосовместимости до приложений». ACS Biomaterials Science & Engineering . 7 (6): 2083–2105. doi :10.1021/acsbiomaterials.1c00150. hdl : 10072/404497 . PMID  33797239. S2CID  232761877.
  3. ^ Швамборн, Майкл (1998). «Химический синтез полиаспартатов: биоразлагаемая альтернатива используемым в настоящее время поликар☐илатным гомо- и сополимерам». Полимерная деградация и стабильность . 59 (1–3): 39–45. doi :10.1016/S0141-3910(97)00184-5.
  4. ^ abc Адельния, Хоссейн (2019). "Гидрогели на основе поли (аспарагиновой кислоты): синтез и применение". Frontiers in Chemistry . 7 : 755. Bibcode : 2019FrCh....7..755A. doi : 10.3389 /fchem.2019.00755 . PMC 6861526. PMID  31799235. 
  5. ^ ab Rusenko, Kirt W.; Donachy, Julie E.; Wheeler, AP (1991). "Очистка и характеристика фосфопротеина матрицы раковины американской устрицы". В Sikes, C. Steven; Wheeler, AP (ред.). Поверхностно-реактивные пептиды и полимеры . Серия симпозиумов ACS. Том 444. ACS. стр. 107–124. doi :10.1021/bk-1991-0444.ch008. ISBN 978-0-8412-1886-4.
  6. ^ аб Йоентген, Винфрид; Мюллер, Николаус; Митшкер, Альфред; Шмидт, Хольгер (2004). «Полиаспарагиновые кислоты». В Фанестоке, Стивен; Штайнбюхель, Александр (ред.). Полиамиды и сложные белковые материалы I . Биополимеры. Том. 7. Вайли-ВЧ. стр. 175–179. ISBN 978-3-527-30222-2.
  7. ^ Шифф, Хьюго (1897). «Уэбер Поляспартсаурен». Бер. Дтч. хим. Гес. (на немецком языке). 30 (3): 2449–2459. дои : 10.1002/cber.18970300316.
  8. ^ Ковач, Дж.; Кенивес, И.; Пустаи, А. (1953). «Подробнее о Polyasparaginsäuren (Polyaspartsäuren) aus dem thermischen Autokondensationsprodukt der Asparaginsäure». Experientia (на немецком языке). 9 (12): 459–460. дои : 10.1007/BF02165821. PMID  13127859. S2CID  40153017.
  9. ^ Ковач, Дж.; Кенивес, И. (1954). «Убер DL-α,β-Полиаспарагиназа». Naturwissenschaften (на немецком языке). 41 (14): 333. Бибкод : 1954NW.....41..333K. дои : 10.1007/BF00644501. S2CID  33648417.
  10. ^ Беннетт, ГД (2005). «Зеленая полимеризация аспарагиновой кислоты для органической лаборатории бакалавриата». Журнал химического образования . 82 (9): 1380–1381. Bibcode : 2005JChEd..82.1380B. doi : 10.1021/ed082p1380.
  11. ^ ab Low, Kim C.; Wheeler, AP; Koskan, Larry P. (1996). "6: Коммерческая полиаспарагиновая кислота и ее применение" . В Glass, J. Edward (ред.). Гидрофильные полимеры. Достижения в химии. Т. 248. ACS. стр. 99–111. doi :10.1021/ba-1996-0248.ch006. ISBN 978-0-8412-3133-7.
  12. ^ Pivcova, H.; Saudek, V.; Drobnik, J.; Vlasak, J. (1981). «Исследование полиаспарагиновой кислоты методом ЯМР». I. α- и β-пептидные связи в полиаспарагиновой кислоте, полученной термической поликонденсацией». Biopolymers . 20 (8): 1605–1614. doi :10.1002/bip.1981.360200804. S2CID  85201969.
  13. ^ Кокуфута, Этсо; Сузуки, Синничиро; Харад, Каору (1978). «Влияние температуры на молекулярный вес и оптическую чистоту ангидрополиаспарагиновой кислоты, полученной термической поликонденсацией». Бюллетень химического общества Японии . 51 (5): 1555–1556. doi :10.1246/bcsj.51.1555.
  14. ^ Накато, Такеши; Кусуно, Ацуши; Какучи, Тоёдзи (2000). «Синтез поли(сукцинимида) путем объемной поликонденсации L-аспарагиновой кислоты с кислотным катализатором». Журнал полимерной науки, часть A: Полимерная химия . 38 (1): 117–122. Bibcode :2000JPoSA..38..117N. doi : 10.1002/(SICI)1099-0518(20000101)38:1<117::AID-POLA15>3.0.CO;2-F .
  15. ^ Ван, Яцюань; Хоу, Юнцзян; Жуань, Ган; Пан, Мин; Лю, Тенгфэй (2003). «Исследование полимеризации аспарагиновой кислоты, катализируемой фосфорной кислотой». Журнал макромолекулярной науки — чистая и прикладная химия . A40 (3): 293–307. doi :10.1081/MA-120018116. S2CID  85163135.
  16. ^ Патент США 5468838, Boehmke, Gunter & Schmitz, Gerd, «Полисукцинимид, полиаспарагиновая кислота и их соли готовятся реакцией малеинового ангидрида и аммиака, поликонденсацией полученного продукта в присутствии солюбилизирующего агента и, при необходимости, гидролизом.», опубликовано 21 ноября 1995 г., передано Bayer AG 
  17. ^ Рао, Ванга С.; Лапойнт, Филипп; МакГрегор, Дональд Н. (1993). «Влияние температуры на молекулярный вес и оптическую чистоту ангидрополиаспарагиновой кислоты, полученной термической поликонденсацией». Makromolekulare Chemie-Macromolecular Chemistry and Physics . 194 (4): 1095–1104. doi :10.1002/macp.1993.021940405.
  18. ^ Саудек, В.; Пивцова, Х.; Дробник, Дж. (1981). «Исследование полиаспарагиновой кислоты методом ЯМР». II. α- и β-пептидные связи в полиаспарагиновой кислоте, полученной обычными методами». Биополимеры . 20 (8): 1615–1623. doi :10.1002/bip.1981.360200805. S2CID  84203387.
  19. ^ Соэда, Ясуюки; Тошима, Казунобу; Мацума, Шуичи (2003). «Устойчивое ферментативное получение полиаспартата с использованием бактериальной протеазы». Биомакромолекулы . 4 (2): 193–203. doi :10.1021/bm0200534. PMID  12625712.
  20. ^ Гросс, Ричард А.; Калра, Бхану (2002). «Биоразлагаемые полимеры для окружающей среды». Science . 297 (5582): 803–807. Bibcode :2002Sci...297..803G. doi :10.1126/science.297.5582.803. PMID  12161646.
  21. ^ Хассон, Дэвид; Шемер, Хилла; Шер, Александр (2011). «Современное состояние дружественных «зеленых» ингибиторов контроля накипи: обзорная статья». Industrial & Engineering Chemistry Research . 50 (12): 7601–7607. doi :10.1021/ie200370v.
  22. ^ Томбре, Сунита М.; Сарваде, Бхимаро Д. (2005). «Синтез и биоразлагаемость полиаспарагиновой кислоты: критический обзор» (PDF) . Журнал макромолекулярной науки, часть A . 42 (9): 1299–1315. doi :10.1080/10601320500189604. S2CID  94818855.
  23. ^ Гросс, РА; Калра, Б. (2002). «Биоразлагаемые полимеры для окружающей среды». Science . 297 (5582): 803–807. Bibcode :2002Sci...297..803G. doi :10.1126/science.297.5582.803. PMID  12161646.
  24. ^ "Президентская премия Green Chemistry Challenge Awards: Премия для малого бизнеса 1996 года: Donlar Corporation (теперь NanoChem Solutions, Inc.): Производство и использование термической полиаспарагиновой кислоты". Агентство по охране окружающей среды США .
  25. ^ Адельния, Хоссейн; Блейки, Идрисс; Литтл, Питер Дж.; Та, Ханг Т. (2019). «Гидрогели на основе полиаспарагиновой кислоты: синтез и применение». Frontiers in Chemistry . 7 : 755. Bibcode : 2019FrCh....7..755A. doi : 10.3389 /fchem.2019.00755 . ISSN  2296-2646. PMC 6861526. PMID  31799235. 
  26. ^ Zahuriaan-Mehr, MJ; Pourjavadi, A.; Salimi, H.; Kurdtabar, M. (2009). «Гидрогели на основе белков и гомополиаминокислот с супернабухающими свойствами». Полимеры для передовых технологий . 20 (8): 655–671. doi :10.1002/pat.1395.