СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ ИНТЕРПОЛИМЕРНОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОЛИАНИЛИНА И ПОЛИСУЛЬФОКИСЛОТЫ Российский патент 2008 года по МПК C12P1/00 C12P13/02 

Изобретение относится к биотехнологии и имеет широкую область применения. Полианилин является одним из наиболее важных электропроводящих полимеров в силу своей высокой химической стабильности, относительно высокой электропроводности, простоты получения, способности изменять свои физико-химические свойства при изменении температуры, рН раствора, электрического потенциала. Электропроводящий полианилин может быть использован в электронных и светоизлучающих устройствах, защиты от электромагнитного излучения, защиты от коррозии, легких источниках тока, антистатической защиты и других областях (Jayashree Anand, Srinivassan. Palaniappan, D.N.Sathyanarayana. Conducting polianiline blends and composites. // Prog. Polym. Sci. 1998, Vol.23, P.993-1018; WO 2004/030029, код A3, опубликовано 08 апреля 2004 г., Krebs, Frederik; Jorgensen, Mikkel; Almdal, Kristoffer; Smart, Peter, J. Conducting polymer divices for inter-converting light and electricity.

Обычно электропроводящий полианилин синтезируют химическим методом в сильно кислой среде путем окислительной полимеризации мономера (Handbook of conducting polymers. // Eds. Т.A.Scotheim, R.L.Elsenbaumer, J.R.Reynolds. N. Y.:, M.Dekker. 1998, P.94). При этом свойства такого полимера зависят от упорядоченности его структуры. Как правило, в подавляющем большинстве случаев в качестве окислителя (инициатора) используют персульфат аммония в количестве, соизмеримом с концентрацией мономера, но иногда в качестве окислителя используют пероксиды, хлорное железо, бихроматы. Продукты восстановления этих соединений загрязняют полианилин и их необходимо перерабатывать, что создает дополнительные затраты при осуществлении процесса синтеза полианилина. Кроме того, проведение синтеза в сильно кислой среде требует наличия аппаратуры, устойчивой к коррозии.

Использование ферментов в синтезе полианилина представляет большой интерес, т.к. позволяет проводить процесс в экологически чистых и мягких условиях с высокой степенью контроля скорости инициирования полимеризации и получать полимер с высоким выходом.

Обычно электропроводящий полианилин является водонерастворимым, что создает трудности в его использовании. Одним из подходов, позволяющих получать псевдоводорастворимые производные полианилина, является метод, основанный на введении в раствор в процессе синтеза полианилина водорастворимого отрицательно заряженного полиэлектролита. Как правило, эти полимеры содержат сульфогруппы, которые служат «допирующим» агентом и на этих полиэлектролитах, как на матрице, из мономера синтезируется наночастицы электропроводящего полианилина. Физико-химические свойства получаемой водной дисперсии наночастиц во многом зависят как от химической структуры полимерного допанта, на котором проводится синтез полианилина, так и от условий проведения реакции полимеризации мономера.

Матричный синтез электропроводящего полианилина осуществляли в одну стадию как с использованием химических инициаторов полимеризации, так и биокатализаторов (В.А.Иванов, О.Л.Грибкова, К.В.Чеберяко, А.А.Некрасов, В.А.Тверской, А.В.Ванников. Матричный синтез полианилина в присутствии поли(2-акриламидо-2метил-1-пропансульфокислоты). // Электрохимия. 2004, т.40, №3, стр.339-345; WO 2005/121217 код А1, опубликовано 22 декабря 2005 Hsu, Che-Hsiung, Uckert, Frank. P. Water dispersible polyanilines made with polymeric acid colloids for electronic application.; M. Thiyagurajan, L.A.Samuelson, J.Kumar, A.L.Cholli. Helical conformational specifity of enzymatically synthesized water-soluble conducting polyaniline nanocomposites. // J. Am. Chem. Soc. 2003, Vol.125, P.11502-11503; Zhe Jiu, Yongxuan Su, Yixiang Duan. A novel method for polyaniline synthesis with the immobilized horseradish peroxidase enzyme. // Synth. Met. 2001, Vol.122, P.237-242; A.V.Karamyshev, S.V.Shleev, O.V.Koroleva, A.I.Yaropolov, I.Yu. Sakharov. // Laccase-catalyzed synthesis of conducting polyaniline // Enzyme and Microbial Technology, 2003, v.33, p.556-564; US Patent, 20040023346, код А1, опубликовано 5 февраля 2004, Samuelson Lynne.A. Bruno Ferdinando, Tripathy Sukant. K., Tripathy Susan, Nagarajan Ramaswamy, Kumar Jayant, Liu Wei. Enzymatic polymerization.

Синтез проводили при последовательном смешивании водных растворов полисульфокислоты и анилина.

При химическом синтезе реакцию окислительной полимеризации инициировали, как правило, добавлением к получаемой смеси водного раствора персульфата аммония. Реакцию полимеризации проводили при постоянном перемешивании. Время реакции и соотношение анилина и персульфата аммония в различных работах отличались.

При ферментативном матричном синтезе полианилина к получаемой смеси анилина и полисульфокислоты добавляли водный раствор биокатализатора. В качестве последнего использовали пероксидазу из корней хрена или лакказу. Реакцию полимеризации анилина в присутствии пероксидазы проводили при постоянном перемешивании.

Все описанные выше способы получения водной дисперсии наночастиц полианилина имеют недостатки. Химический способ инициирования полимеризации анилина на матрице протекает в кислой среде и в присутствии значительных количеств химического инициатора реакции, что требует при изготовлении оборудования использования кислотоустойчивых материалов. Утилизация образующихся продуктов восстановления окислителя (инициатора) реакции полимеризации требует значительных затрат. Кроме того, в случае использования персульфата аммония в качестве инициатора окислительной полимеризации анилина, образующийся при восстановлении сульфат-анион конкурирует с допирующими группами полимерной матрицы, что понижает степень упорядоченности образующихся частиц полианилина.

Ферментативный матричный синтез полианилина с использованием пероксидаз и лакказ также имеет ряд недостатков. Во-первых, большинство пероксидаз из различных источников (за исключением пероксидазы из листьев пальмы и бобов сои (R.Cruz-Silva, J.Romero-Garcia, J.L, Angulo-Sanchez, A.Ledezma-Perez, E.Arias-Marin, I.Moggio, E.Flores-Loyola. Template-free enzymatic synthesis of electrically conducting polyaniline using soybean peroxidase. // European Polymer J., 2005, V.41, P.1129-1135; A.V.Caramyshev, E.G.Evtushenko, V.F.Ivanov, A.Ros Barswio, M.G.Roig, V.L.Shnyrov, R. van Huystee, I.N.Kurochkin, A.Kh. Vorobiev, I.Yu. Sakharov. // Synthesis of Conducting Polyelectrolyte Complexes of Polyaniline anf Poly(2-acrilamido-1-mtthyl-1-propanesulfonic acid) Catalyzed by pH-Stable Palm Tree Peroxidase. // Biomacromolecules, 2005, V.6, P.1360-1366) являются кислотолабильными и могут быть использованы в синтезе при рН раствора выше 4. Во-вторых, в реакционную смесь необходимо добавлять по порциям второй субстрат пероксидазы - пероксид водорода, так чтобы его концентрация в условиях синтеза была не выше 1mM. При более высокой концентрации пероксида водорода пероксидаза инактивируется, образуя с пероксидом водорода неактивное соединение. Как при химическом синтезе, так и при биокаталитическом синтезе электропроводящего полианилина с использованием пероксидазы или лакказы конечный продукт - интерполимерный комплекс полианилина и полисульфокислоты - загрязнен либо продуктами восстановления химического окислителя, либо ферментами, находящимися в гомогенном состоянии в реакционной смеси. Эти загрязнения изменяют физико-химические свойства получаемого продукта. В качестве прототипа выбран способ ферментативного матричного синтеза полианилина (A.V.Karamyshev, S.V.Shleev, O.V.Koroleva, A.I.Yaropolov, I.Yu. Sakharov. // Laccase-catalyzed synthesis of conducting polyaniline // Enzyme and Microbial Technology, 2003, v.33, p.556-564), включающий следующую последовательность операций:

- приготовление смеси анилина и матрицы в 0.1М цитрат-фосфатном буферном растворе с рН в интервале 3.5÷4.5,

- внесение в реакционную смесь лакказы из гриба Trametes hirsute.

Реакцию проводили в течение 24-72 часов. Затем раствор был диализован в течение 24 часов для удаления мономера.

В качестве матрицы для проведения синтеза полианилина использовали полисульфостирол с молекулярной массой 70 кДа.

Задачей изобретения является разработка простого, экологически чистого матричного способа получения водной дисперсии наночастиц электропроводящего полианилина, не загрязненного компонентами реакционной смеси (ферментом). Поставленная задача решается предлагаемым способом, предусматривающим проведение окислительной полимеризации анилина с использованием иммобилизованного окислительно-восстановительного фермента лакказы (n-дифенол: кислород оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.2) в аэробных условиях. Этот фермент катализирует свободнорадикальное окисление широкого круга органических соединений, включая ароматические органические соединения с неподеленной парой электронов, молекулярным кислородом с одновременным его восстановлением непосредственно до воды. Источниками лакказы являлась культуральная жидкость базидиальнах грибов Trametes hirsuta, Trametes pubescens, Trametes ochracea, Cerrena maxima, Coriolopsis fulvocinerea, Trametes versicolor.

Способ включает следующие стадии: 1) синтез водной дисперсии частиц электропроводящего полианилина в процессе окислительной полимеризации анилина в аэробных условиях в присутствии растворенной в реакционной смеси полисульфокислоты при рН 2.5÷5.5, температуре 4÷35°С, катализируемый иммобилизованной лакказой из базидиальных грибов (схема 1); 2) удаление иммобилизованной лакказы из реакционной среды

Схема 1. Ферментативный синтез интерполимерного комплекса полианилина и полисульфокислоты с иммобилизованной лакказой.

Ферментативный способ получения водной дисперсии интерполимерного комплекса электропроводящего полианилина и полисульфокислоты, являющейся одновременно матрицей при синтезе и допантом с использованием иммобилизованных лакказ из различных источников, является экологически чистым и позволяет получать конечный продукт (интерполимерный комплекс электропроводящего полианилина и полисульфокислоты), не загрязненный ферментом, путем удаления иммобилизованного фермента из реакционной среды. Дополнительно, иммобилизация лакказы позволяет использовать фермент многократно, что удешевляет синтез.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Пример №1. 0,1М цитратный буферный раствор рН 3,5, содержащий анилин в концентрации 25 mM и поли(2-акриламидо-2метал-1-пропансульфокислоту) с молекулярной массой 1000 kDa, в концентрации 25 mM рассчитанное на звено полимера, (соотношение анилина и мономерного звена ПАМПС равно 1:1) перемешивали в течение 6 часов для связывания и установления электростатического равновесия между положительно заряженными молекулами анилина (рКа 4,63) и отрицательно заряженными сульфогруппами полимера (рКа 0.7) при температуре 20°С. Затем реакцию полимеризации инициировали внесением в реакционный раствор 300 мг иммобилизованной на карбоксиметилцеллюлозе лакказы из гриба Trametes hirsuta. Синтез полимера проводили в течение 24 часов при комнатной температуре при постоянном перемешивании. Об образовании интерполимерного электропроводящего комплекса полианилина (ПАНИ) и ПАМПС судили по изменению окраски раствора. После внесения в реакционную смесь иммобилизованной лакказы раствор сначала становится голубого цвета (образование эмеральдинового основания), а затем превращается в темно-зеленый, что свидетельствует об образовании соли полианилина. После окончания реакции полимеризации анилина на матрице полисульфокислоты реакционную смесь центрифугировали, осадок иммобилизованной лакказы отделяли, а надосадочную жидкость, представляющую собой водную суспензию частиц интерполимерного электропроводящего комплекса полианилина ПАНИ/ПАМПС, многократно диализовали против бидистиллированной воды для удаления компонентов буферного раствора, не прореагировавшего анилина и образовавшихся низкомолекулярных олигомеров анилина. Электропроводимость высушенного образца ПАНИ/ПАМПС, измеренная стандартным двухточечным методом, была равна 1,2 мС/см. На УФ-видимых спектрах водной дисперсии наночастиц интерполимерного комплекса ПАНИ/ПАМПС имеются полосы поглощения в области 420 нм и 780 нм, что соответствует электропроводящему ПАНИ в форме эмеральдиновой соли. Иммобилизацию лакказы проводили следующим образом: 500 мг гранулированной КМ-целлюлозы, с удельной емкостью 0,8 мг-эквивалент карбоксильных групп на 1 г носителя, предварительно отмытой от взвеси мелких частиц методом декантации в воде, суспендировали в 5 мл бидистиллированной воды, содержащей 35 мг реагента Вудворда и перемешивали при 5°С в течение 1 часа. Осадок отделяли декантацией и ресуспендировали в 5 мл дистиллированной воды, содержащей 0,2 мг лакказы Trametes hirsuta. Реакционную смесь перемешивали в течение 24 часов при 5°С. Осадок отделяли центрифугированием и промывали бидистиллированной водой для удаления избытка непрореагировавшей лакказы. Полученную иммобилизованную лакказу использовали для синтеза полианилина.

Пример №2. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но при рН 3.0.

Пример №3. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но при температуре 4°С.

Пример №4. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но использовали исходные концентрации анилина и мономерного звена ПАМПС по 100mM каждого при температуре 20°С.

Пример №5. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но использовали исходные концентрации анилина и мономерного звена ПАМПС 25 mM и 75 mM, соответственно, при температуре 20°С и рН 3.5.

Пример №6. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но использовали исходные концентрации анилина и мономерного звена ПАМПС 75 mM и 25 mM, соответственно, при температуре 20°С и рН 3.5.

Пример №7. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но в отсутствие компонентов буферной системы при рН 3.5 и температуре 20°С, соотношение концентраций анилина и мономерного звена ПАМПС 1:1,2

Пример №8. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но иммобилизованная лакказа была выделена из базидиального гриба Cerrena maxima.

Пример №9. Синтез полианилина на матрице ПАМПС проводили аналогично описанному в примере №1, но лакказу из базидиального гриба Trametes hirsuta иммобилизовали на аминированном силохроме, с емкостью 0,6 ммоль аминогрупп на грамм сорбента, используя в качестве сшивающего агента реагент Вудворда, карбодиимид или глутаровый альдегид. В последнем случае основание Шиффа восстанавливали боргидридом натрия. Во всех случаях технический результат достигался не зависимо от использованной лакказы и способа иммобилизации фермента.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано в микроэлектронике для изготовления светодиодов, антистатических и антикоррозионных покрытий. Способ предусматривает смешивание анилина и полисульфокислоты в аэробных условиях. В качестве катализатора реакции используют иммобилизованную на водонерастворимом носителе лакказу из базидиального гриба. Способ экологически чистый, простой и экономически выгодный.

Способ получения водной дисперсии интерполимерного комплекса электропроводящего полианилина и полисульфокислоты, предусматривающий смешивание анилина с полисульфокислотой в аэробных условиях в присутствии лакказы из базидиального гриба, отличающийся тем, что используют лакказу из Trametes hirsuta, или Trametes pubescens, или Trametes ochracea, или Cerrena maxima, или Coriolopsis fulvocinerea, иммобилизованную на водонерастворимом носителе, при этом процесс проводят при рН 2,5-5,5 и температуре 4-35°С.