Полиаспарагиновая кислота
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Другие имена ПАСП | |
| Идентификаторы | |
| |
| ХимическийПаук |
|
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| (C 4 H 5 NO 3 ) n | |
| Молярная масса | переменная |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Полиаспарагиновая кислота (PASA) представляет собой конденсационный полимер биоразлагаемый водорастворимый на основе аминокислоты аспарагиновой кислоты . [1] [2] Это биоразлагаемая замена смягчителям воды и связанным с ними устройствам. [3] PASA можно сшить химически с помощью самых разных методов с получением гидрогелей PASA . [4] Полученные гидрогели чувствительны к pH, поэтому в кислых условиях они сжимаются, а в щелочных условиях способность к набуханию увеличивается. [4]
Полиаспартат натрия представляет собой натриевую соль полиаспарагиновой кислоты.
В природе PASA встречается в виде фрагментов более крупных белков длиной до 50 аминокислот . [5] но по состоянию на 2004 год не был выделен в виде чистого гомополимерного материала из какого-либо природного источника. [6] О первом выделении синтетического олигомерного полиаспартата натрия , полученного термической поликонденсацией аспарагиновой кислоты, сообщил Хьюго Шифф в конце 19 века. [7] Позже было высказано предположение, что процесс термической полимеризации протекает через промежуточный полисукцинимид . [8] [9] Полиаспарагиновую кислоту промышленно производят как в кислотной форме, так и в виде натриевой соли. [2]
Свойства и структура
[ редактировать ]Благодаря наличию карбоксильных групп является полиэлектролитом анионного . характера Встречающиеся в природе 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 - аспарагиновой кислоты ) и процедуры синтеза, приводящей к α- и β-связям. Благодаря белковоподобному остову (наличию амидной связи в остове) PASA обладает подходящей биоразлагаемостью . [2]
Синтез
[ редактировать ]
К PASA ведет множество различных маршрутов. В самом простом [10] и самый старый подход [6] Аспарагиновую кислоту нагревают, чтобы вызвать обезвоживание. На последующей стадии полученный полисукцинимид обрабатывают водным раствором гидроксида натрия , что приводит к частичному раскрытию сукцинимидных колец . В этом процессе натрий -DL- (α,β)-поли(аспартат) с 30% α-связей и 70% β-связей. [11] хаотично распределены вдоль полимерной цепи, [12] и рацемизированный хиральный центр аспарагиновой кислоты. образуется [13] Сообщалось о многих катализаторах для улучшения метода термической полимеризации. Основными преимуществами их применения являются увеличение степени конверсии и более высокая молекулярная масса продукта. [14] [15] Полиаспарагиновую кислоту также можно синтезировать полимеризацией малеинового ангидрида в присутствии гидроксида аммония . [1] [2] [16] Высокого контроля над изомерами повторяющихся звеньев можно достичь путем полимеризации производных N-карбоксиангидрида (NCA). [17] полимеризацией эфиров аспарагиновой кислоты [18] или путем применения реакции, катализируемой ферментами. [19] чистые гомополимеры D- или L Этими методами можно синтезировать -PASA только с α- или β-связями.
Реакция полимеризации является примером ступенчатой полимеризации до полиамида . В одной процедуре аспарагиновая кислота полимеризуется при 180 ° C, сопровождаясь 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. Таким образом, оставшаяся амидная связь представляет собой связь между последовательными остатками аспартата. Каждый остаток аспартата идентифицируется как α или β в зависимости от того, какой его карбонил является частью полимерной цепи. α-форма имеет один углерод в основной цепи в дополнение к самому карбонилу (и двухуглеродной боковой цепи), тогда как β-форма имеет два углерода в основной цепи в дополнение к самому карбонилу (и одноуглеродной боковой цепи). Эта реакция дает полиаспартат натрия, состоящий примерно из 30% α-связей и 70% β-связей. [2]
Приложения
[ редактировать ]Полиаспарагиновая кислота и ее производные являются биоразлагаемой альтернативой традиционным полианионным материалам, в частности полиакриловой кислоте . [20] PASA обладает способностью ингибировать отложение карбоната кальция , сульфата кальция , сульфата бария и фосфата кальция и может использоваться в качестве средства против накипи в системах охлаждающей воды, процессах опреснения воды и операциях очистки сточных вод. [21] Кроме того, благодаря своей способности хелатировать ионы металлов, он обеспечивает ингибирование коррозии . [11] Его также можно использовать в качестве биоразлагаемого моющего средства и диспергатора для различных применений. [22]
PASA также имеет множество биомедицинских применений. Его высокое сродство к кальцию использовалось для доставки различных форм носителей, содержащих лекарства, в кости . [2] Основным компонентом кости является гидроксиапатит (около 70%) (минерализованный фосфат кальция ). Помимо воздействия на кости, PASA был модифицирован для других биомедицинских применений, таких как доставка лекарств , нанесение покрытия на поверхность, доставка ДНК, мукоадгезия , и за его пределами. [2]
Поскольку полиаспартат может быть синтезирован экологически безопасным способом и является биоразлагаемым , он является потенциальной экологически чистой альтернативой некоторым материалам, таким как полиакрилат натрия, используемым в одноразовых подгузниках и в 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 путем изменения плотности сшивки. [4]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Томас Кляйн; Ральф-Иоганн Мориц; Рене Граупнер (2008). «Полиаспартаты и полисукцинимиды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.l21_l01 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Адельния, Оссейн; Тран, Хуонг Д.Н.; Литтл, Питер Дж.; Блейки, Идрисс; Та, Ханг Т. (14 июня 2021 г.). «Поли(аспарагиновая кислота) в биомедицинских применениях: от полимеризации, модификации, свойств, деградации и биосовместимости к применению». ACS Биоматериаловедение и инженерия . 7 (6): 2083–2105. doi : 10.1021/acsbimaterials.1c00150 . hdl : 10072/404497 . ПМИД 33797239 . S2CID 232761877 .
- ^ Швамборн, Майкл (1998). «Химический синтез полиаспартатов: биоразлагаемая альтернатива используемым в настоящее время поликарилатным гомо- и сополимерам». Деградация и стабильность полимеров . 59 (1–3): 39–45. дои : 10.1016/S0141-3910(97)00184-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с Адельния, Хосейн (2019). «Гидрогели на основе полиаспарагиновой кислоты: синтез и применение» . Границы в химии . 7 : 755. Бибкод : 2019FrCh....7..755A . дои : 10.3389/fchem.2019.00755 . ПМК 6861526 . ПМИД 31799235 .
- ^ Перейти обратно: а б Русенко, Кирт В.; Донахи, Джули Э.; Уиллер, AP (1991). «Очистка и характеристика фосфопротеина матрикса раковины американской устрицы». В Сайксе, К. Стивен; Уиллер, AP (ред.). Поверхностно-реактивные пептиды и полимеры . Серия симпозиумов ACS. Том. 444. САУ. стр. 107–124. дои : 10.1021/bk-1991-0444.ch008 . ISBN 978-0-8412-1886-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Йонтген, Винфрид; Мюллер, Николас; Митшкер, Альфред; Шмидт, Хольгер (2004). «Полиаспарагиновые кислоты» . В Фанестоке, Стивен; Штайнбюхель, Александр (ред.). Полиамиды и сложные белковые материалы I. Биополимеры. Том 7. Вили-ВЧ. стр. 175–179. ISBN 978-3-527-30222-2 .
- ^ Шифф, Хьюго (1897). «О полиаспарагиновых кислотах». Бер. Немецкий. Хим. Гес . 30 (3): 2449–2459. дои : 10.1002/cber.18970300316 .
- ^ Ковач, Ю.; Кенивес, И.; Пустаи, А. (1953). «Получение полиаспарагиновых кислот (полиаспарагиновых кислот) из продукта термической автоконденсации аспарагиновой кислоты». Experientia (на немецком языке). 9 (12): 459–460. дои : 10.1007/BF02165821 . ПМИД 13127859 . S2CID 40153017 .
- ^ Ковач, Ю.; Кенивес, И. (1954). «О DL-α,β-полиаспарагиновой кислоте». Естественные науки (на немецком языке). 41 (14): 333. Бибкод : 1954NW.....41..333K . дои : 10.1007/BF00644501 . S2CID 33648417 .
- ^ Беннетт, Джорджия (2005). «Зеленая полимеризация аспарагиновой кислоты для студенческой органической лаборатории». Журнал химического образования . 82 (9): 1380–1381. Бибкод : 2005JChEd..82.1380B . дои : 10.1021/ed082p1380 .
- ^ Перейти обратно: а б Лоу, Ким С.; Уиллер, AP; Коскан, Ларри П. (1996). «6: Коммерческий поли(аспарагиновая кислота) и его использование» . В Глассе, Дж. Эдвард (ред.). Гидрофильные полимеры . Достижения химии. Том. 248. САУ. стр. 99–111 . дои : 10.1021/ba-1996-0248.ch006 . ISBN 978-0-8412-3133-7 .
- ^ Пивцова, Х.; Саудек, В.; Дробник Дж.; Власак, Дж. (1981). «ЯМР-исследование поли (аспарагиновой кислоты). I. α- и β-пептидные связи в поли (аспарагиновой кислоте), полученном термической поликонденсацией». Биополимеры . 20 (8): 1605–1614. дои : 10.1002/bip.1981.360200804 . S2CID 85201969 .
- ^ Кокуфута, Этсо; Сузуки, Синничиро; Харад, Каору (1978). «Влияние температуры на молекулярную массу и оптическую чистоту ангидрополиаспарагиновой кислоты, полученной термической поликонденсацией». Бюллетень Химического общества Японии . 51 (5): 1555–1556. дои : 10.1246/bcsj.51.1555 .
- ^ Накато, Такеши; Кусуно, Ацуши; Какучи, Тойодзи (2000). «Синтез полисукцинимида путем объемной поликонденсации L-аспарагиновой кислоты с кислотным катализатором» . Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 38 (1): 117–122. Бибкод : 2000JPoSA..38..117N . doi : 10.1002/(SICI)1099-0518(20000101)38:1<117::AID-POLA15>3.0.CO;2-F .
- ^ Ван, Яцюань; Хоу, Юнцзян; Руан, Банда; Пан, Мин; Лю, Тэнфэй (2003). «Исследование полимеризации аспарагиновой кислоты, катализируемой фосфорной кислотой». Журнал макромолекулярной науки - чистой и прикладной химии . А40 (3): 293–307. дои : 10.1081/MA-120018116 . S2CID 85163135 .
- ^ Патент США 5468838 , Boehmke, Gunter & Schmitz, Gerd, «Полисукцинимид, полиаспарагиновая кислота и их соли получают реакцией малеинового ангидрида и аммиака, поликонденсацией полученного продукта в присутствии солюбилизирующего агента и, при необходимости, гидролизом». , опубликовано 21 ноября 1995 г., передано Bayer AG.
- ^ Рао, Ванга С.; Лапуант, Филипп; МакГрегор, Дональд Н. (1993). «Влияние температуры на молекулярную массу и оптическую чистоту ангидрополиаспарагиновой кислоты, полученной термической поликонденсацией». Макромолекулярная химия-макромолекулярная химия и физика . 194 (4): 1095–1104. дои : 10.1002/macp.1993.021940405 .
- ^ Саудек, В.; Пивцова, Х.; Дробник, Дж. (1981). «ЯМР-исследование поли (аспарагиновой кислоты). II. α- и β-пептидные связи в поли (аспарагиновой кислоте), полученных обычными методами». Биополимеры . 20 (8): 1615–1623. дои : 10.1002/bip.1981.360200805 . S2CID 84203387 .
- ^ Соэда, Ясуюки; Тосима, Кадзунобу; Мацума, Шуичи (2003). «Устойчивое ферментативное получение полиаспартата с использованием бактериальной протеазы». Биомакромолекулы . 4 (2): 193–203. дои : 10.1021/bm0200534 . ПМИД 12625712 .
- ^ Гросс, Ричард А.; Калра, Бхану (2002). «Биоразлагаемые полимеры для окружающей среды» . Наука . 297 (5582): 803–807. Бибкод : 2002Sci...297..803G . дои : 10.1126/science.297.5582.803 . ПМИД 12161646 .
- ^ Хэссон, Дэвид; Шемер, Хилла; Шер, Александр (2011). «Современное состояние дружественных «зеленых» ингибиторов контроля накипи: обзорная статья». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 50 (12): 7601–7607. дои : 10.1021/ie200370v .
- ^ Томбре, Сунита М.; Сарваде, Бхимаро Д. (2005). «Синтез и биоразлагаемость полиаспарагиновой кислоты: критический обзор» (PDF) . Журнал макромолекулярной науки, часть A. 42 (9): 1299–1315. дои : 10.1080/10601320500189604 . S2CID 94818855 .
- ^ Гросс, РА; Калра, Б. (2002). «Биоразлагаемые полимеры для окружающей среды» . Наука . 297 (5582): 803–807. Бибкод : 2002Sci...297..803G . дои : 10.1126/science.297.5582.803 . ПМИД 12161646 .
- ^ «Президентские награды за зеленую химию: Премия для малого бизнеса 1996 года: Donlar Corporation (ныне NanoChem Solutions, Inc.): Производство и использование термической полиаспарагиновой кислоты» . Агентство по охране окружающей среды США .
- ^ Адельния, Оссейн; Блейки, Идрисс; Литтл, Питер Дж.; Та, Ханг Т. (2019). «Гидрогели на основе полиаспарагиновой кислоты: синтез и применение» . Границы в химии . 7 : 755. Бибкод : 2019FrCh....7..755A . дои : 10.3389/fchem.2019.00755 . ISSN 2296-2646 . ПМК 6861526 . ПМИД 31799235 .
- ^ Захуриан-Мехр, MJ; Пурджавади, А.; Салими, Х.; Курдтабар, М. (2009). «Гидрогели на основе белков и гомополи(аминокислот) со свойствами супернабухания». Полимеры для передовых технологий . 20 (8): 655–671. дои : 10.1002/пат.1395 .