Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
12.35 Mб
Скачать

121.В. И. Окулов, Г. В. Троицкий. Молек. биол., 3, 495 (1969).

122.Т. М. Вирштейи, Е. В. Ануфриева, Т. И. Некрасова, О. Б . Птицын,

Т. В. Шевелева. Высокомолек. соед., 7, 372 (1965).

123Г. П. Ямпольская, В. Н. Измайлова, В. А. Пчелин. Высокомолек. соед.,

12, 1923 (1970).

124.В. Н. Измайлова, Г. И. Ямпольская, В. А . Пчелин. Коллоидн. ж ., 33,

842 (1971).

125.D. Abelson, С. Depatic, С. Granddock. Arch. Biochem. Biophys., 91, 71

(1960).

126.В. А. Пчелин, В. Н. Измайлова, К. Т. Очурова. Докл. АН СССР, 123,

505 (1958).

127.В. А. Пчелин, В. Н. Измайлова. Н. И. Серая. Высокомолек. соед., 1,

1617 (1959).

128.Т . Herskovits, И. Jaillet. Science, 163, 282 (1969).

129.S. Sun. Biochim. Biophys. acta, 181, 473 (1969).

130.E. В. Ануфриева, M . В . Волъкенштейн, M . Г. Краковяк, Т .В . Шевеле­ ва. Докл. АН СССР, 186, 854 (1969).

131.J . Hermans, Н. Scheraga. J. Amer. Chem. Soc., 83, 3283 (1961).

132.E. Srier, L. Maskey. J. Phys. Chem., 72, 733 (1968).

133.J. Schrell. Arch. Biochem. Biophys., 127, 496 (1968).

134.M . I. Schwuger. Kolloid-Z., 16, 626 (1971).

135.M . A . Matlib, В . C. Kirkwood, I . D. Patterson. Weed. Bes., 11, 190 (1971).

136.J. Ba/gar, J. Patocka. Coll. Czech. Chem. Comm., 36, 2400 (1971).

137.E. Prokopova, P. Munk. Coll. Czech. Chem. Comm., 28, 957 (1963).

138.C. Bigelow, M . Sonnenberg. Biochemistry, 1, 197 (1962).

139.T . Herskovitz, M. Laskowsky. J. Biol. Chem., 237, 2481 (1962).

140.N . Laiken, J. Nemety. J. Phys. Chem., 74, 4421 (1970).

141.L. Markus, F. Karush. J. Amer. Chem. Soc., 79, 3264 (1957).

142.J. Beynolds, S. Herbert, J . Steinhardt. Biochemistry, 7, 1357 (1968).

143.A . Bay, J . Reynolds, H. Polet, J. Steinkardt. Biochemistry, 5, 2606

(1966) .

144.A. Reynolds, S. Herbert, H. Polet, J. Steinchardt. Biochemistry, 6, 937

(1967) .

145.Y. Ihara, H. Nakano. J. Polymer. Sci., Pt. A-l, 10, 3569 (1972).

146.M . Moyer, W . Kauzmann. Arch. Biochem. Biophys., 99, 348 (1962).

147.R. Lovrien. J. Amer. Chem. Soc., 85, 3677 (1963); Arch. Biochem. Bio­ phys., 131, 139 (1969).

148.M. Green. Arch. Biochem. Biophys., 101, 186 (1963).

149.м . Жоли. Физическая химия денатурации белков. М., «Мир», 1968,

стр. 59.

150.F . Lata, L. Dak. Arch. Biochem. Biophys., 109, 434 (1965).

151.R. Rosenberg, H. Crespi, H . Katz. Biochim. Biophys. acta, 175, 31 (1969).

152.R. Cowgill. Biochim. Biophys. acta, 168, 439 (1968).

153.В. H. Витвицкий. Молек. биол., 3, 678 (1969).

154.A. Oord, J . Xesdorp. Europ. J. Biochem., 9, 203 (1969).

155.С. E. Бреслер, E. А. Глазунов, А . Г. Попов, А . Г. Суходолова. Био­

химия, 34, 969 (1969).

156.В. В. Мосолов, И. В. Афанасьев. Докл. АН СССР, 152, 748 (1968).

157.В. В. Мосолов. Докл. АН СССР, 165, 1196 (1965).

158.К . Zarzewski, Н. Goeh. Biochemistry, 7, 1835 (1968).

159.Р. Kiny, М. Spencer. J. Biol. Chem., 245, 6134 (1970).

160./ . Vandenbelt, H. Corwin. J. Med. Chem., 15, 8787 (1972).

161.А . В. Волынская. Канд. дисс. МГУ, 1970.

162.С. Е. Бреслер, С. Я. Френкель, В. П. Кушнер. Биохимия, 24, 685 (1959).

163.В . Н. Измайлова. Докт. дисс. МГУ, 1971.

164.Г. П. Ямпольская. Канд. дисс. МГУ, 1968.

165.A . Wishnia. Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 48, 2200 (1962).

166.A . Wishnia, T. Binder. Biochemistry, 3, 1377 (1964); 5, 1534 (1966).

167.M. Sahyun. Nature, 203, 1045 (1964).

168.W . Klopfenstein. Biochim. Biophys. acta, 181, 323 (1969).

50

169.A. Wishnia. j . Phys. Chem., 67, 2079 (1963).

170.3. И. Маркина, Э. В. Рыбакова, А. В. Чинникова, П. А . Ребиндгр.

Докл. АН СССР, 179, 918 (1968).

171.С. Bell. Chem. phys. lipids, 10, 1 (1973).

172.C. Auliffe. Science, 163, 478 (1969).

173.F. Putnam, H. Neurath. J. Biol. Chem., 159, 195 (1945).

174.F . Helmer, K . Kiehs, C. Hansch. Biochemistry, 7, 3858 (1968).

175.P. Bover, G. Ballon, J. Luck. J. Biol. Chem., 167, 407 (1947).

176.F. Ilarush, M . Sonenberg. J. Amer. Chem. Soc., 71, 1369 (1949),

177.J. Klotz, J. Urguart. Ibid., p. 847.

178.А . В. Волынская, В. H. Измайлова, В. А . Пчелин. Биофизика, 28, 210

(1973).

179.К . Kiehs, С. Hansch, L. Moore. Biochemistry, 5, 2606 (1966).

180.J. Miles, D. Robinson, W . Canady. J. Biol. Chem., 238, 2932 (1963).

181.D. Robinson, W . Canady. J. Biol. Chem., 240, 134 (1965).

182.R. Wi/dnauer, W . Canady. Biochemistry, 5, 2885 (1966).

183.A. A. Wishnia. Biochemistry, 8, 5070 (1970).

184.О. В . Птицын, A . M. Скворцов. Биофизика, 11, 3 (1966).

185.M. Ritter, M. Dempsey. Proc. N. A. S., 70, 265 (1973).

186.Г, П. Ямпольская, В. H. Измайлова, В. А. Пчелин, А . В. Волынская.

Высокомолек. соед., 7, 1956 (1965).

187.В. А . Пчелин, В. И. Измайлова, Г. П. Большова. Докл. АН СССР, 142,

950 (1962); Высокомолек. соед., 4, 938 (1962).

188.В. И. Измайлова, Г. И. Ямпольская, В. А. Пчелин, А . В. Волынская.

Докл. АН СССР, 169, 143 (1966).

189.В. И. Измайлова, В. А . Пчелин, Л . Е . Боброва. Высокомолек. соед., 3,

847 (1961).

190.В. И. Измайлова, В. А . Пчелин. Тезисы докладов V Всесоюзной кон­

ференции по коллоидной химии. М., Изд-во АН СССР, 1962, стр. 274.

191.В. И. Измайлова, Г. П . Ямпольская, В. А. Пчелин. Тезисы докладов

III Всесоюз. конф. по ПАВ. Киев, «Наукова Думка», 1966, стр. 390.

192.Д . Филлипс. Сб. «Молекулы и клетки», вып. 3. М., «Мир», 1968, стр. 9.

193.К . Hayashi. Biochemistry, 7, 1461 (1968).

194.В. А . Пчелин, А. В. Волынская, В. Н. Измайлова. Докл. АН СССР,

186, 139 (1969).

195.К. Hayashi, М . Kigimigo, Т. Imoto, М. Fumatsu, С. Bigelow. Bioche­ mistry, 7, 1467 (1968).

196.А. В. Волынская, В. Н. Измайлова, В. А . Пчелин, Г. П. Ямпольская.

Высокомолек. соед., 9, 2509 (1969).

197.G. Schwarz. Europ. J. Biochem., 12, 442 (1970).

198.3. И. Маркина, Э. В. Рыбакова, А . В. Чинникова. Коллоидн. ж ., 30,

75 (1968).

199.3. И. Маркина, О. П. Бовкун, В. В. Левин, П . А. Ребиндер. Кол­

лоидн. ж., 35, 881 (1973).

200.Н. И. Цикурина, 3. И. Маркина, Г. А . Чирова, И. А . Ребиндер. Кол­

лоидн. ж ., 30, 292 (1968).

201.И. Schott. J. Amer. Oil Chem. Soc., 45, 823 (1968).

202.A . Hotzer, M. Emerson. J. Phys. Chem., 73, 26 (1969).

203.E. O. Ardidsson. J. Polymer. Sci., 7, 4215 (1968).

204.S. Kei/i. J. Biochem., 64, 55 (1968).

205.Z. Vodrazka. Chem. Listy, 60, 938 (1966).

206.В. И . Лим, О. Б. Птицын. Молек. биол., 4, 372 (1970).

207.М. Beverley, Е. Pearson. Nature (Engl.). 201, 679 (1964).

208.G. Scholtan. Antibiotic et chemotherapie. Basel — N. Y ., 1964, p .104.

209.T. Наколов, К . Вапцарова. Годишник Софийского ун-та. Биологии, фа­

культет, 61, 305 (1966-1967).

210.A. Pullman. Biopolymers, 2, 47 (1964).

211.G. Beppino, К . Gordon, C. Heidelberger. J. Molec. Biol., 8, 20 (1964).

212.4. Хейдельбергер. Усп. совр. биол., 59, 101 (1965).

213.A. Green. J . Theoret. Biol., 11, 212 (1966).

Глава It

ОБЪЕМНОЕ СТРУКТУРСЮБРАЗОВАНИЕ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ БЕЛКОВ

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Одной из важнейших новых проблем современной коллоидной химии — физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений в них следует считать образование пространствен­ ных структур различного рода [1] в дисперсных системах и управ­ ление процессами структурообразования и свойствами дисперсных структур, прежде всего их механическими свойствами (деформа­ ционными и прочностными). Развитие этого раздела коллоидной химии в значительной мере способствовало возникновению само­ стоятельной области химической науки — физико-химической ме­ ханики дисперсных структур и материалов [2]. Задача новой области знания, объединяющей ряд проблем реологии, молекуляр­ ной физики (физики твердого тела), механики материалов и тех­ нологии их производства, состоит прежде всего в установлении механизма и закономерностей процессов образования, деформации и разрушения дисперсных структур различного типа [3].

Решение этой задачи позволит получать дисперсные высоко­ прочные материалы и структурированные системы с заданными свойствами с помощью оптимальных технологических процессов переработки разнообразных веществ в качестве исходного сырья. Можно сказать, что перед химической наукой стоят две важнейшие задачи: синтез новых веществ путем химических превращений и переработка этих веществ в конечные материалы и изделия. Вторая задача и решается физико-химической механикой материа­ лов.

В дисперсных системах существуют различного рода простран­ ственные структуры, классификация которых предложена Ребин­ дером [4]. Простейший и наиболее широко распространенный тип дисперсных структур — коагуляционные структуры, образован­ ные сцеплением частиц ван-дер-ваальсовыми силами. Наиболее характерны коагуляционные структуры при малом объемном содержании дисперсной фазы, когда число частиц (свободных кинетических единиц) достаточно велико в единице объема системы при достаточно высокой дисперсности,особенно, если частицы анизометричны или их поверхность мозаична. Развитие коагуляционной

структуры, пронизывающей

весь объем системы, происходит

в результате благоприятных

броуновских соударений частиц

52

наиболее высокодйсперсной коллоидной фракции и вызывай! тиксотропное отвердение жидкой дисперсионной среды уже при весьма малых объемных содержаниях дисперсной фазы. Именно таковы гидрогели пятиокиси ванадия и другие типично тиксотроп­ ные гели и псевдогелн, например структурированные коллоидные суспензии бентонитовых глин в воде или вирусы табачной мозаики. К этому типу гелей относится большой класс некоторых новых микрокристаллических гелей, которые были впервые получены Баттиста и Эрди с сотр. [6], а затем Эрди [6].

При образовании коагуляционной сетки и отдельных ее элемен­ тов (агрегатов или цепочек) в контакте между частицами остается весьма тонкая равновесная прослойка жидкой дисперсионной среды, толщина которой соответствует минимуму свободной энер­ гии системы. Именно в связи с наличием тонких устойчивых просло­ ек жидкой среды в участках коагуляционного сцепления, пре­ пятствующих дальнейшему сближению частиц, коагуляционные структуры обладают характерными механическими свойствами. Их прочность на несколько порядков ниже прочности структур, возникающих при той же степени объемного заполнения, но при образовании фазовых контактов между частицами. С наличием тонких адсорбционно-пластифицирующих прослоек среды в кон­ тактах между частицами связана и полная тиксотропия коагуля­ ционных структур — их способность обратимо разрушаться при механическом воздействии, постепенно восстанавливаясь во вре­ мени до той же предельной прочности в результате броуновских соударений частиц по коагуляционным контактам.

Как было показано Щукиным и Ребиндером [7], особенностью коагуляционных структур является и их способность к замедлен­ ной упругости — ярко выраженному упругому последействию, аналогичному каучукообразной высокоэластичности. Высокоэлас­ тическое последействие в коагуляционных структурах связано с взаимной ориентацией анизометричных частиц — палочек, пласти­ нок или цепочек, образуемых изометричными частицами в направ­ лении сдвига.

При увеличении объемного содержания дисперсной фазы, а следовательно, и прочности коагуляционной структуры выше некоторого предела механическое разрушение этой структуры перестает быть обратимо-тиксотропным. Наибольшее развитие коагуляционных структур в разбавленных дисперсных системах (гелеобразование) соответствует достаточной лиофильности, т. е. малому среднему значению удельной межфазной свободной энер­

гии о12, но не слишком малому, так как при о

от = у (RT/N82)

— газовая постоянная, Т — абсолютная

температура, N

число Авогардо, б — диаметр частичек, у — безразмерный коэф­ фициент жЗО) система становится настолько лиофильной, что приобретает термодинамическую устойчивость: оставаясь двух­ фазной — микрогетерогенной, система при малых концентрациях дисперсной фазы становится обратимо-равновесной [1, 8—10].

53

В отличие от коагуляционных структур, разрушающихся обра­ тимо, существуют дисперсные структуры с непосредственными фазовыми контактами, у которых энергия связи в контактах велика (Е кТ). Эти системы являются необратимо разрушаю­ щимися, т. е. нетиксотропными пространственными сетками. К ним относятся конденсационно-кристаллизационные структуры, воз­ никающие в процессах образования новой дисперсной фазы из переохлажденных расплавов или пересыщенных растворов. Обра­ зующиеся при этом зародышевые кристаллики новой фазы сраста­ ются в более или менее плотной кристаллизационный каркас. Именно кристаллизационное структурообразование лежит в осно­ ве твердения минеральных вяжущих материалов. Механизм и за­ кономерности возникновения и развития дисперсных структур твердения с учетом лежащих в их основе физических и химических превращений были исследованы Ребиндером и Сегаловой [11].

Пространственные дисперсные структуры рнзных типов резко различаются по своим термодинамическим свойствам. Коагуляцион­ ные структуры обладают относительным минимумом свободной энергии, т. е. наиболее устойчивы при наибольшей механической прочности, наибольшем тиксотропном упрочнении. Конденса­ ционно-кристаллизационные же структуры, образующиеся в усло­ виях достаточно высоких пересыщений, например при срастании жестких частиц (кристалликов), могут обнаружить довольно высокую механическую прочность, но термодинамически неустой­ чивы.

Наряду с чисто коагуляционными и конденсационно-кристал­ лизационными дисперсными структурами существуют и представ­ ляют большой интерес смешанные необратимо-обратимые струк­ туры в тиксотропных олео- и гидрогелях мыл.

Сегаловой и Ребиндером [12] при исследовании свойств олеоге­ лей стеарата кальция для характеристики тиксотропии в исследо­ ванных системах применен метод определения механических характеристик возникающей в системе структуры и их изменений во времени при первоначальном формировании структуры и при ее восстановлении после механического разрушения. Исследование закономерностей тиксотропии показало, что предельная (наиболь­ шая) прочность конденсационной структуры достигается во вре­ мени. После механического разрушения прочность структуры

восстанавливается лишь частично, т. е. большинство связей разру­ шается необратимо.

Ребиндер, Маркина и сотр. [13] изучали кристаллизационное

структурообразование в водных растворах ПАВ мылообразного тина:

Механизм структурообразования оказался единым не только для процессов твердения минеральных вяжущих веществ, метал­ лов и гидрогелей мыл, но и для процессов структурообразования полимеров и белков. Ребиндером, Влодавцем и сотр. [14—20] были получзны интересные типы конденсационных структур,

54

возникающих в результате реакции частичного ацеталирования поливинилового спирта (ПВС) альдегидом, т. е. в процессе образо­ вания новой полимерной фазы. Образующийся поливинилформаль не растворяется в воде и выделяется из раствора в условиях высоких пересыщений в виде тонкодисперсной фазы.

Вопрос о фазовом характере систем, содержащих высокомоле­ кулярные и низкомолекулярные компоненты, широко обсуждает­ ся в современной литературе [21]. В работе Семенченко [22] указы­ вается, что классическая термодинамика не располагает представ­ лениями, позволяющими без дополнительных гипотез вывести основные свойства фаз, подобных жидким кристаллам и полимерам. Основной особенностью этих фаз является наличие областей со свойствами различных фаз, не ограниченных, однако, резко выра­ женными поверхностями раздела, на создание которых затрачи­ вается работа поверхностного натяжения. Однако известны рабо­ ты, показавшие применимость термодинамических представлений к системам полимер — растворитель. Растворами принято называть гомогенные (однородные) смеси различных веществ, раздроблен­ ных до отдельных молекул или ионов, размеры которых обычно не превышают нескольких ангстрем (10-8 см). Дисперсными систе­ мами называют гетерогенные системы, содержащие частицы явно «надмолекулярного» размера — не лгенее 10~7 см. Но как быть, если мы имеем дело с истинными растворами высокомолекуляр­ ных соединений? Можно ли в этом случае установить принципиаль­ ные различия между гомогенными растворами и коллоидными дисперсиями? Ведь массы макромолекул обычно не уступают мас­ сам типичных коллоидных частиц, а иногда даже превосходят их.

Чтобы разобраться в этом вопросе, вспомним определение важнейшего физико-химического понятия «фаза». Фазой назы­ вается совокупность гомогенных частей системы, одинаковых по составу и свойствам и ограниченных от других частей системы физическими поверхностями раздела. Но такие поверхности раз­ дела представляют собой поверхностные слои, обладающие осо­ быми свойствами, отличающимися от свойств данной фазы в объеме. Поэтому понятие фаза можно применять к очень малым объектам только в том случае, если в них можно выделить поверхностный слой и однородную массу вещества, заключенную внутри этой «оболочки». Частица отдельной фазы должна иметь «хоть чтонибудь» внутри поверхностных слоев, какое-то материальное ядро, экранированное поверхностными слоями от непосредственных взаимодействий с окружающей средой.

Именно поэтому истинные растворы линейных полимеров мож­ но считать такими же однофазными, гомогенными системами, как и растворы низкомолекулярных веществ. В частице простран­ ственного полимера, плавающей в какой-либо среде или в той же линейной макромолекуле, свернутой в компактную глобулу, помимо поверхностных слоёв, сильнее взаимодействующих с окру­ жающей средой, можно обнаружить также внутренние участки,

55

обладающие достаточной трехмерной протяженностью. «Сверты­ вание» линейных макромолекул в компактные глобулы (наблюдае­ мое в «плохих» растворителях), следовательно, можно рассматри­ вать как частный случай перехода от состояния гомогенного раст­ вора к состоянию коллоидно-гетерогенной дисперсной системы.

Принципиальная возможность установить объективные раз­ личия между гомогенными однофазными и коллоидно-гетероген­ ными многофазными дисперсными системами, состоящими из тех же веществ, может быть реализована применением некоторых физико­ химических методов исследования. Например, рассеяние света гомогенными растворами определяется быстрым возникновением и исчезновением оптических неоднородностей, связанных с флук­ туациями плотности, концентрации и анизотропии. Это рассеяние обычно невелико и описывается закономерностями, общими для растворов как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных соединений. Рассеяние света в многофазных дисперсных системах, как правило, значительно интенсивнее и подчиняется иным закономерностям.

Еще отчетливее, пожалуй, различие между гомогенными раст­ ворами высокомолекулярных соединений и коллоидно-гетероген­ ными дисперсиями проявляется при их взаимных превращениях в процессах разделения метастабильных (пересыщенных) гомоген­ ных растворов на две фазы, приводящих к образованию высоко­ молекулярных дисперсных систем и дисперсных структур. По Ребиндеру и Щукину, лиофильные дисперсные системы, сохраняю­ щие двухфазность, характеризуются весьма низкими значения­ ми межфазной поверхностной энергии.

Предельный случай лиофильных систем соответствует безгра­ ничной взаимной растворимости (а — 0), т. е. образованию одно­ фазной системы — истинного раствора обычного или высокомоле­ кулярного вещества в данной среде. Изменения температуры и концентрации дисперсной фазы в таких системах дают возмож­ ность непрерывно смещать равновесие н переходить от двухфаз­ ных коллоидных и полуколлоидных систем к истинным растворам.

Наиболее последовательные представления о применимости общих термодинамических закономерностей, касающихся фазовых равновесий, к системам, состоящим из высокомолекулярных сое­ динений и низкомолекулярных растворителей, были развиты в работах Папкова, Каргина, Роговина [23—25]. В этих работах экспериментально показано, что к системам полимер—раствори­ тель может быть применено правило фаз Гиббса и что фазовые равновесия в них могут быть охарактеризованы такими же диа­ граммами состояния, какие обычно используются для описания фазовых равновесий в низкомолекулярных системах. Эти пред­ ставления были развиты далее в работах Добри [26], Тагер и Каргина [27], Ефремова [28, 29].

Ребиндером, Влодавцем и сотр. [18] развиты представления, но которым любые неоднородности как в низкомолекулярных,

56

так п в высокомолекулярных системах, по размерам во всех трех измерениях превышающие удвоенную толщину поверхностных слоев (обычно 1(Г7 см), могут рассматриваться как частицы от­ дельной дисперсной фазы, т. е. как коллоидные частицы. Методами светорассеяния и электронной микроскопии ими было показано, что метастабильные растворы ЛВС превращаются в равновесную, термодинамически устойчивую, т. е. лиофильную двухфазную дисперсную систему, для которой равновесие между фазами описывается диаграммой состояния, характерной для бинарных аморфных систем с верхней критической точкой.

Электронно-микроскопические исследования Бакеева [30, 31) показали, что в растворах полимеров существуют относительно широкие области стабильного состояния надмолекулярных агре­ гатов коллоидного размера. При приближении к критическим точкам макрорасслоения системы наблюдалось самопроизвольное структурирование полимера с образованием фибриллярных агре­ гатов, поперечные размеры которых составляли КГ6 см. Структу­ рированное состояние оказывалось обратимым, и переход носил резко выраженный кооперативный характер. Клениным и сотр. [32] в водных растворах ПВС были обнаружены процессы форми­ рования и разрушения (плавления) надмолекулярных структур, зависящие от концентрации и температурного режима обработки растворов.

Существование многофазных высокомолекулярных дисперсных систем было доказано реологическими исследованиями Трапезни­ кова [33], который обнаружил в растворе ассоциаты макромо­ лекул, существовавшие в течение длительного времени. Эти факты позволяют рассматривать возникающие надмолекулярные структуры как равновесные микрогетерогенные образования, подобные лиофильным коллоидным системам.

В субкритической области отдельные макромолекулы, как показали работы Птицына и сотр. [34, 35] и Эскина [36, 37], при невозможности агрегирования образуют новую фазу, выпадая из раствора «на себя», т. е. превращаясь в глобулы. Получившаяся система морфологически весьма своеобразна, она еще может рассматриваться как разбавленный молекулярно-дисперсный раст­ вор, но термодинамически этот раствор в действительности пред­ ставляет собой смесь чистого растворителя и чистого полимера. Растворитель полностью вытеснен из глобулы, и координационная сфера равна объему полимерного вещества, из которого состоит молекула. С этой точки зрения образующийся раствор имеет коллоидную природу.

Теория перехода глобула—клубок в макромолекулах, разра­ ботанная в работах Птицына и сотр. [34, 35], позволила предска­ зать, что в определенных условиях ниже 0-точки макромолекула претерпевает фазовый переход первого рода от конформации статистического клубка в компактное (глобулярное) состояние при изменении температуры или состава растворителя. Предска­

57

зываемый теорией переход аналогичен конденсации реального газа в жидкую каплю. Развитая теория была подтверждена рядом экспериментальных работ Бирштейн с сотрудниками по гидро­ фобному связыванию красителей в водных растворах полиметакриловой кислоты [38]. Кроме того, в наших работах [39, 40] при исследовании солюбилизации углеводородов в водных раство­ рах белков было показано, что углеводороды распределяются между водою и гидрофобными областями белка. Изменение свобод­ ной энергии при солюбилизации оказалось равным изменению свободной энергии при распределении углеводорода между водной и неводной фазами, что дает основание рассматривать гидрофоб­ ные области белка как новую фазу.

Лифшиц [41], учитывая силы отталкивания на атомных расстоя­ ниях, рассматривает плотное ядро глобулы как аналог конденси­ рованной фазы, тогда как ее «опушку», находящуюся при пулевом давлении и удерживаемую только за счет связей вдоль цепи,— как аналог газовой фазы. Таким образом, подобная глобула должна образовывать своеобразную «двухфазную» систему.

Как было показано Папковым и сотр. [25], равновесия в системе аморфный полимер — растворитель могут быть охарактеризованы графически диаграммами состояний в координатах состав — темпе­ ратура, вполне аналогичными диаграммам состояний низкомоле­ кулярных бинарных систем, образованных ограниченно смешива­ ющимися жидкостями. При температурах выше верхней крити­ ческой температуры смешения или ниже нижней критической температуры смешения термодинамически устойчивы гомогенные растворы полимера любой концентрации.

Многие высокомолекулярные соединения могут давать одну или несколько кристаллических фаз. Способность кристаллизо­ ваться для природных белковых веществ установлена довольно давно; несколько позднее были получены кристаллы синтети­ ческих полимеров. Диаграммы состояний, описывающие равно­ весие в простейших системах кристаллизующийся полимер — растворитель, сходны с диаграммами состояний низкомолекуляр­ ных кристаллизующихся веществ. Растворы, попадающие в об­ ласти метастабильных состояний, самопроизвольно разделяются на две фазы: одной из них является раствор полимера, а другой — кристаллический полимер (иногда содержащий некоторое коли­ чество растворителя) или кристаллический растворитель. Метастабильные растворы, концентрация которых отвечает эвтекти­ ческой точке, полностью отвердевают, образуя эвтектику — высо­ кодисперсную смесь кристаллов полимера и растворителя. Выше так называемой «линии ликвидуса» устойчивы жидкие фазы; это — область существования стабильных гомогенных растворов полимера.

В некоторых случаях диаграммы состояний кристаллизующихся систем оказываются более сложными. Полимер может давать с растворителем одно или несколько молекулярных соединений, каждое из которых выделяется в определенной области темпера­

58

тур и концентраций. Многие полимеры дают ряд полиморфных модификаций, т. е. образуют не одну, а несколько кристалли­ ческих фаз. Положение осложняется еще тем, что кристаллизация высокомолекулярных соединений во многих случаях протекает значительно медленнее, чем выделение новой аморфной фазы. Например, при получении кристаллического Р-лактоглобулина из метастабильного водного раствора вначале выделяются «коацерватные» капельки концентрированного раствора этого белка, они коалесцируют, образуя вязкотекучий концентрированный раствор в виде отдельного слоя. Хотя эта аморфная жидкая фаза является метастабильной, она может довольно длительное время сохраняться в таком состоянии и лишь после внесения «затравки» — небольшого количества кристалликов Р-лактоглобулина — начи­ нает кристаллизоваться. Таким образом, из исходного метаста­ бильного раствора вначале выделяется относительно более устойчивый (но все еще метастабильный) концентрированный раствор белка, а из него много позднее — стабильные кристаллы твердой фазы.

Фазовые равновесия в высокомолекулярных системах, особен­ но содержащих кристаллизующиеся полимеры, могут быть не менее сложными, чем в металлических сплавах, силикатных или солевых системах. Физико-химический анализ и изучение фазовых равновесий должны сделаться столь же обязательным вспомога­ тельным методом исследований в «полимероведении» — учении о полимерных материалах, какими они уже давно сделались

вметалловедении, химии силикатов, галургии, технологии жиров

иуглеводородных систем. Без точного знания всех особенностей диаграмм состояния изучаемых высокомолекулярных систем нель­ зя правильно оценить характер наблюдаемых в таких системах структурных превращений, чаще всего связанных с возникнове­ нием новых дисперсных фаз.

Вучении о фазовых равновесиях области метастабильных со­ стояний часто именуются областями расслоения или разделения на две фазы. В действительности сами процессы разделения на две фазы гомогенных систем, попавших в эти области, могут протекать чрезвычайно медленно. В особенности затруднено разделение на две фазы стеклообразных гомогенных растворов. Правильнее поэтому говорить лишь о метастабильных состояниях, т. е. об относительной термодинамической неустойчивости этих систем. Это необходимо еще и потому, что образование новой фазы из равновесных стабильных систем невозможно. Коллоидные частицы новой фазы могут возникать только в пересыщенных, метаста­ бильных системах. Отчетливое понимание этого обстоятельства является основой для целеустремленного использования конден­ сационных методов получения дисперсных систем и дисперсных структур, в частности высокомолекулярных.

Вообще же метастабильные растворы высокомолекулярных сое­ динений могут быть получены теми же, в принципе, методами, что

59

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ