Kyselina polyasparagová
Kyselina polyasparagová je biologicky rozložitelný a ve vodě rozpustný kondenzační polymer založený na kyselině asparagové.[1][2] Využít se dá například při změkčování vody.[3] Chemickým překřížením lze z této látky vytvořit hydrogely,[4] které jsou citlivé na pH a v kyselých prostředích se smrskávají, zatímco v zásaditých bobtnají.[4]
Sodnou solí této kyseliny je polyaspartát sodný.
V přírodě se kyselina polyasparagová vyskytuje jako součást bílkovin, kde vytváří řetězce až 50 aminokyselin,[5] ale nebyla z žádného přírodního zdroje izolována jako čistý homopolymer.[6]
První izolaci syntetického polyaspartátu sodného, získaného tepelnou kondenzací kyseliny asparagové, popsal Hugo Schiff koncem 19. století;[7] později navrhl, že meziproduktem této polykondenzace by mohl být polysukcinimid.[8][9]
Kyselinu polyasparagovou lze získat jak jako samotnou kyselinu, tak i jako sodnou sůl.[2]
Vlastnosti a struktura
[editovat | editovat zdroj]Vzhledem k přítomnosti karboxylových skupin je kyselina polyasparagová aniontovým polyelektrolytem. Přírodní vzorky obsahují α,-propojené molekuly kyseliny L-asparagové;[5] oproti tomu mohou opakující se jednotky syntetického produktu, v závislosti na stereoizomerii výchozí suroviny (zda jde o kyselinu D- nebo L-asparagovou) a syntetickém postupu, obsahovat čtyři různé izomery. Vzhledem k přítomnosti amidových vazeb je kyselina polyasparagová biologicky rozložitelná.[2]
Výroba
[editovat | editovat zdroj]
Kyselinu polyasparagovou lze získat několika způsoby; nejjednodušší[10] a nejstarší postup[6] spočívá v zahřívání kyseliny asparagové za účelem dehydratace, po níž vzniklý polysukcinimid reaguje s vodným roztokem hydroxidu sodného, což vede k částečnému otevírání sukcinimidových kruhů. V tomto kroku se tvoří DL-(α,β)-poly(aspartát) sodný obsahující 30 % α vazeb a 70 % β vazeb[11] náhodně rozdělených v polymerním řetězci[12] a racemizované aspartátové chirální centrum.[13] K vylepšení tepelné polymerizace bylo vyvinuto několik katalyzátorů. Jejich výhodami jsou urychlení reakce a vyšší molekulové hmotnosti produktů.[14][15]
Další možností výroby kyseliny polyasparagové je polymerizace maleinanhydridu za přítomnosti roztoku hydroxidu amonného.[2][16]
Polymerizace derivátů N-karboxyanhydridu umožňují řídit uspořádání monomerů[17] polymerizacemi esterů kyseliny asparagové[18] nebo využitím enzymů.[19]
Těmito způsoby je možné získat čisté homopolymery, D- nebo L-polyaspartát obsahující pouze α- nebo β-spojení.
Tvorba kyseliny polyasparagové je příkladem postupné polymerizace za vzniku polyamidu. Kyselina asparagová se může polymerizovat při 180 °C za současné dehydratace a vzniku poly(sukcinimidu). Vzniklý polymer reaguje s hydroxidem sodným za hydrolýzy jedné ze dvou amidových vazeb sukcinimidového kruhu a vytvoří sodný karboxylát; zbývající amidová vazba tak propojí aspartátové zbytky. Tyto aspartátové zbytky se označují α nebo β podle toho, jaký karbonyl je součástí polymerního řetězce. U α formy se nachází polymerní řetězec o jeden uhlík vedle karbonylu, zatímco v případě β formy je vzdálen o dva uhlíky. Uvedenou reakcí vzniká poly(aspartát) sodný obsahující přibližně 30 % spojení α a 70 % spojení β-.[2]
Použití
[editovat | editovat zdroj]Kyselina polyasparagová jsou biologicky rozložitelnými alternativami polyaniontových materiálů, jako je kyselina polyakrylová.[20] Mohou bránit ukládání uhličitanu vápenatého, síranu vápenatého, síranu barnatého a fosforečnanu vápenatého a být použity při odsolování vody a zpracovávání odpadních vod.[21]
Chelatační vlastnosti této látky lze využít k ochraně před korozí.[22] Ta také může sloužit jako detergent a dispergační látka.[23]
Polyaspartát má rovněž využití v biomedicíně. Jeho vysokou afinitu k vápníku lze uplatnit v cíleném doručování léčiv do kostí.[2] Hlavní složkou kostí (kolem 70 %) je hydroxyapatit (mineralizovaný fosforečnan vápenatý). Upravený polyaspartát lze použít i v jiných oblastech biomedicíny.[2]
Protože se dá vyrobit způsobem šetrným k životnímu prostředí a navíc se vyznačuje biologickou rozložitelností, tak může být kyselina polyasparagová náhradou některých materiálů, například polyakrylátu sodného, při výrobě plenek a v zemědělství.[24][25][26] Polyaspartát může sloužit jako nasákavý materiál na obaly od potravin.[27] Míra nasákavosti, související s mechanickými vlastnostmi hydrogelu, může být upravována změnami hustoty překřížení ve struktuře.[4]
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Reference
[editovat | editovat zdroj]V tomto článku byl použit překlad textu z článku Polyaspartic acid na anglické Wikipedii.
- ↑ KLEIN, Thomas; MORITZ, Ralf-Johann; GRAUPNER, René. Polyaspartates and Polysuccinimide. Příprava vydání Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Dostupné online. ISBN 978-3-527-30673-2. DOI 10.1002/14356007.l21_l01. S. l21_l01. (anglicky) DOI: 10.1002/14356007.l21_l01.
- ↑ a b c d e f g Adelnia Hossein; Huong D. N. Tran; Peter J. Little; Idriss Blakey; Hang T. Ta. Poly(aspartic acid) in Biomedical Applications: From Polymerization, Modification, Properties, Degradation, and Biocompatibility to Applications. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2021-06-14, s. 2083–2015. Dostupné online. DOI 10.1021/acsbiomaterials.1c00150. PMID 33797239.
- ↑ Michael Schwamborn. Chemical synthesis of polyaspartates: A biodegradable alternative to currently used polycar☐ylate homo- and copolymers. Polymer Degradation and Stability. 1998, s. 39–45. DOI 10.1016/S0141-3910(97)00184-5.
- ↑ a b c Adelnia Hossein. Hydrogels Based on Poly (aspartic acid): Synthesis and Applications. Frontiers in Chemistry. 2019, s. 755. DOI 10.3389/fchem.2019.00755. PMID 31799235. Bibcode 2019FrCh....7..755A.
- ↑ a b Kirt W. Rusenko; Julie E. Donachy; A. P. Wheeler. Surface Reactive Peptides and Polymers. [s.l.]: ACS, 1991. Dostupné online. ISBN 9780841218864. DOI 10.1021/bk-1991-0444.ch008. Kapitola Purification And Characterization Of A Shell Matrix Phosphoprotein From The American Oyster, s. 107-124.
- ↑ a b Winfried Joentgen; Nikolaus Müller; Alfred Mitschker; Holger Schmidt. Polyamides and Complex Proteinaceous Materials I. Biopolymers. 2004, s. 175–179. Dostupné online. ISBN 9783527302222. Archivováno 9. 7. 2015 na Wayback Machine.
- ↑ Hugo Schiff. Ueber Polyaspartsäuren. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1897, s. 2449–2459. DOI 10.1002/cber.18970300316.
- ↑ J. Kovács; I. Könyves; Á. Pusztai. Darstellung von Polyasparaginsäuren (Polyaspartsäuren) aus dem thermischen Autokondensationsprodukt der Asparaginsäure. Experientia. 1953, s. 459–460. DOI 10.1007/BF02165821. PMID 13127859.
- ↑ J. Kovács; I. Könyves. Uber DL-α,β-Polyasparaginsäure. Naturwissenschaften. 1954, s. 333. DOI 10.1007/BF00644501. Bibcode 1954NW.....41..333K.
- ↑ G. D. Bennett. A Green Polymerization of Aspartic Acid for the Undergraduate Organic Laboratory. Journal of Chemical Education. 2005, s. 1380–1381. DOI 10.1021/ed082p1380. Bibcode 2005JChEd..82.1380B.
- ↑ Kim C. Low; A. P. Wheeler; Larry P. Koskan. A Green Polymerization of Aspartic Acid for the Undergraduate Organic Laboratory. Hydrophilic Polymers. 1996, s. 99–111. Dostupné online. ISBN 9780841231337. DOI 10.1021/ba-1996-0248.ch006.
- ↑ H. Pivcova; V. Saudek; J. Drobnik; J. Vlasak. NMR Study of Poly(aspartic acid). I. α-and β-Peptide Bonds in Poly(aspartic acid) Prepared by Thermal Polycondensation. Biopolymers. 1981, s. 1605–1614. DOI 10.1002/bip.1981.360200804.
- ↑ Etso Kokufuta; Shinnichiro Suzuki; Kaoru Harad. Temperature Effect on the Molecular Weight and the Optical Purity of Anhydropolyaspartic Acid Prepared by Thermal Polycondensation. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1978, s. 1555–1556. DOI 10.1246/bcsj.51.1555.
- ↑ Takeshi Nakato; Atsushi Kusuno; Toyoji Kakuchi. Synthesis of poly(succinimide) by bulk polycondensation of L-aspartic acid with an acid catalyst. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2000, s. 117–122. DOI 10.1002/(SICI)1099-0518(20000101)38:1<117::AID-POLA15>3.0.CO;2-F. Bibcode 2000JPoSA..38..117N.
- ↑ Yaquan Wang; Yongjiang Hou; Gang Ruan; Ming Pan; Tengfei Liu. Study on the polymerization of aspartic acid catalyzed by phosphoric acid. Journal of Macromolecular Science-Pure and Applied Chemistry. 2003, s. 293–307. DOI 10.1081/MA-120018116.
- ↑ Espacenet – search results. worldwide.espacenet.com [online]. [cit. 2023-02-20]. Dostupné online.
- ↑ Vanga S. Rao; Philippe Lapointe; Donald N. McGregor. Temperature Effect on the Molecular Weight and the Optical Purity of Anhydropolyaspartic Acid Prepared by Thermal Polycondensation. Makromolekulare Chemie-Macromolecular Chemistry and Physics. 1993, s. 1095–1104. DOI 10.1002/macp.1993.021940405.
- ↑ V. Saudek; H. Pivcova; J. Drobnik. NMR Study of Poly(aspartic acid). II. α-and β-Peptide Bonds in Poly(aspartic acid) Prepared by Common Methods. Biopolymers. 1981, s. 1615–1623. DOI 10.1002/bip.1981.360200805.
- ↑ Yasuyuki Soeda; Kazunobu Toshima; Shuichi Matsuma. Sustainable enzymatic preparation of polyaspartate using a bacterial protease. Biomacromolecules. 2003, s. 193–203. DOI 10.1021/bm0200534. PMID 12625712.
- ↑ Richard A. Gross; Bhanu Kalra. Biodegradable Polymers for the Environment. Science. 2002, s. 803–807. Dostupné online. DOI 10.1126/science.297.5582.803. PMID 12161646. Bibcode 2002Sci...297..803G.
- ↑ David Hasson; Hilla Shemer; Alexander Sher. State of the Art of Friendly "Green" Scale Control Inhibitors: A Review Article. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2011, s. 7601–7607. DOI 10.1021/ie200370v.
- ↑ K. C. Low; A. P. Wheeler; L. P. Koskan. Commercial poly(aspartic acid) and Its Uses. Advances in Chemistry. 1996.
- ↑ Sunita M. Thombre; Bhimaro D. Sarwade. Synthesis and Biodegradability of Polyaspartic Acid: A Critical Review. Journal of Macromolecular Science, Part A. 2005, s. 1299–1315. Dostupné online. DOI 10.1080/10601320500189604.
- ↑ R. A. Gross; B. Kalra. Biodegradable Polymers for the Environment. Science. 2002, s. 803–807. Dostupné online. DOI 10.1126/science.297.5582.803. PMID 12161646. Bibcode 2002Sci...297..803G.
- ↑ Presidential Green Chemistry Challenge Awards: 1996 Small Business Award: Donlar Corporation [online]. United States Environmental Protection Agency. Dostupné online.
- ↑ Hossein Adelnia; Idriss Blakey; Peter J. Little; Hang T. Ta. Hydrogels Based on Poly(aspartic acid): Synthesis and Applications. Frontiers in Chemistry. 2019, s. 755. ISSN 2296-2646. DOI 10.3389/fchem.2019.00755. PMID 31799235. Bibcode 2019FrCh....7..755A.
- ↑ M. J. Zahuriaan-Mehr; A. Pourjavadi; H. Salimi; M. Kurdtabar. Protein- and homo poly(amino acid)-based hydrogels with super-swelling properties. Polymers for Advanced Technologies. 2009, s. 655–671. DOI 10.1002/pat.1395.