Полиэтиленгликоль

Полиэтиленгликоль (ПЭГ, полиэтиленоксид, ПЭО) — это синтетический полимер, относящийся к классу полиэфиров, состоящий из повторяющихся звеньев этиленоксида (—CH₂—CH₂—O—). В зависимости от молекулярной массы представляет собой вязкую жидкость, воскообразное или твёрдое вещество. Полиэтиленгликоль растворим в воде и многих органических растворителях, нетоксичен, химически инертен и биоразлагаем. Благодаря этому набору свойств он широко применяется в медицине, фармацевтике, косметологии, химической промышленности и других отраслях.

История

Впервые полиэтиленгликоль был получен в 1859 году французским химиком Шарлем-Адольфом Вюрцем. Однако промышленное производство началось лишь в 1930-х годах, когда компания Union Carbide (США) разработала метод каталитической полимеризации этиленоксида. В 1940-х годах ПЭГ начали использовать в качестве основы для смазок и пластификаторов. В 1950-х годах, после открытия его нетоксичности, полимер стал применяться в медицине, в частности, как основа для мазей и в качестве слабительного средства. В 1970-х годах была разработана технология «пэгилирования» — присоединения молекул ПЭГ к лекарственным веществам для увеличения их стабильности и времени циркуляции в крови. В 1990-х годах ПЭГ начали использовать в производстве твёрдых электролитов для литий-ионных аккумуляторов. В XXI веке полиэтиленгликоль остаётся одним из наиболее востребованных полимеров в биотехнологии и фармацевтике.

Химическая структура и свойства

Химическая формула

Общая формула полиэтиленгликоля — H(OCH₂CH₂)ₙOH, где n — число повторяющихся звеньев (степень полимеризации). Молекулярная масса варьируется от 200 г/моль (жидкие формы) до нескольких миллионов г/моль (твёрдые полимеры). ПЭГ с молекулярной массой до 20 000 г/моль обычно называют полиэтиленгликолем, а с большей массой — полиэтиленоксидом (ПЭО).

Физические свойства

ПЭГ хорошо растворяется в воде, этаноле, ацетоне, хлороформе, но не растворяется в неполярных растворителях (например, в гексане). Растворимость в воде уменьшается с ростом молекулярной массы. Водные растворы ПЭГ обладают высокой осмотической активностью.

Химические свойства

Полиэтиленгликоль химически инертен: не вступает в реакции с большинством кислот, щелочей, окислителей и восстановителей при обычных условиях. Он устойчив к гидролизу и биодеградации (хотя в природе разлагается под действием некоторых микроорганизмов). Конечные гидроксильные группы (—OH) могут быть модифицированы для получения производных: эфиров, сложных эфиров, аминов и других соединений. Эта реакционная способность используется для «пэгилирования» — ковалентного присоединения ПЭГ к белкам, пептидам, нуклеиновым кислотам и другим молекулам.

Классификация

Полиэтиленгликоль классифицируют по нескольким признакам:

1. По молекулярной массе:

• Низкомолекулярные (200–600 г/моль) — жидкости.
• Среднемолекулярные (1000–20 000 г/моль) — воски.
• Высокомолекулярные (>20 000 г/моль) — твёрдые полимеры (ПЭО).

1. По структуре:

• Линейные (основная форма).
• Разветвлённые (например, звездообразные ПЭГ).
• Блок-сополимеры (например, с полипропиленгликолем — полоксамеры).

1. По функциональности:

• Однофункциональные (с одной реакционноспособной группой).
• Бифункциональные (с двумя группами, например, диолы).
• Многофункциональные (с тремя и более группами, например, ПЭГ-амины).

Применение

Медицина и фармацевтика

Полиэтиленгликоль является одним из наиболее распространённых вспомогательных веществ в лекарственных формах. Он используется:

• В качестве основы для мазей и кремов (ПЭГ-400, ПЭГ-1500) — обеспечивает лёгкое нанесение, не раздражает кожу.
• В качестве слабительного средства (полиэтиленгликоль 4000, препараты «Фортранс», «Мовипреп») — применяется для очищения кишечника перед колоноскопией или хирургическими операциями.
• В составе растворов для инфузий (например, в препаратах для парентерального питания).
• Для пэгилирования — присоединение ПЭГ к белковым препаратам (например, интерферонам, эритропоэтину, факторам свёртывания) увеличивает их период полувыведения из крови, снижает иммуногенность и улучшает фармакокинетику. Примеры: пэгилированный интерферон альфа-2a (Пегасис), пэгилированный липосомальный доксорубицин (Доксил).
• В качестве компонента вакцин — ПЭГ входит в состав липидных наночастиц, используемых в мРНК-вакцинах (например, в вакцинах от COVID-19 производства Pfizer/BioNTech и Moderna). В России ПЭГ содержится в вакцине «Спутник V» (в составе липидной оболочки).

Косметология

В косметических средствах ПЭГ выполняет функции увлажнителя, эмульгатора, загустителя и растворителя. Он входит в состав шампуней, гелей для душа, кремов, лосьонов, зубных паст и дезодорантов. ПЭГ с низкой молекулярной массой (200–400) используется как растворитель для активных ингредиентов, а с высокой (4000–6000) — как плёнкообразователь и загуститель.

Химическая промышленность

• Пластификатор — добавляется в полимеры (например, в поливинилхлорид) для повышения эластичности.
• Смазочный материал — используется в качестве смазки для резиновых и пластиковых деталей.
• Антифриз — водные растворы ПЭГ обладают низкой температурой замерзания (до -50 °C) и применяются в системах охлаждения.
• Пенообразователь — в производстве пенопластов и пенополиуретанов.
• Разделительный агент — в литье пластмасс для предотвращения прилипания.

Биотехнология и лабораторная практика

• Осаждение белков — ПЭГ используется для фракционирования белков в растворах (метод высаливания).
• Криоконсервация — ПЭГ входит в состав криопротекторов для сохранения клеток, тканей и органов при низких температурах.
• Электрофорез — ПЭГ добавляют в гели для увеличения разрешающей способности при разделении нуклеиновых кислот.
• Синтез наночастиц — ПЭГ используется для стабилизации коллоидных растворов и предотвращения агрегации.

Другие области

• Сельское хозяйство — в качестве увлажнителя почвы и компонента удобрений.
• Пищевая промышленность — ПЭГ (E1521) разрешён как пищевая добавка (стабилизатор, загуститель, носитель ароматизаторов) в странах ЕС, США и России. Применяется в производстве напитков, кондитерских изделий, жевательной резинки.
• Электроника — в составе твёрдых электролитов для литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов.

Безопасность и токсикология

Полиэтиленгликоль считается нетоксичным и безопасным для человека при пероральном, наружном и парентеральном применении в разрешённых дозах. ЛД50 (полулетальная доза) для крыс при пероральном введении составляет более 10 000 мг/кг. ПЭГ не обладает мутагенными, канцерогенными или тератогенными свойствами. Однако у некоторых людей возможны аллергические реакции (вплоть до анафилаксии) на ПЭГ, особенно при внутривенном введении. Это связано с тем, что ПЭГ может выступать в роли гаптена, вызывая выработку антител. Частота аллергических реакций на ПЭГ оценивается как 0,01–0,1% случаев. В 2020–2021 годах, после массового применения мРНК-вакцин от COVID-19, содержащих ПЭГ, были зарегистрированы единичные случаи анафилаксии, что привело к включению ПЭГ в список потенциальных аллергенов в инструкциях к вакцинам.

Экологические аспекты

Полиэтиленгликоль биоразлагаем в природных условиях под действием микроорганизмов (бактерий и грибов), которые расщепляют его до углекислого газа и воды. Скорость разложения зависит от молекулярной массы: низкомолекулярные ПЭГ разлагаются быстрее (за несколько недель), высокомолекулярные — медленнее (до нескольких месяцев). ПЭГ не накапливается в живых организмах и не вызывает токсических эффектов у водных организмов в концентрациях, типичных для окружающей среды. Однако при попадании в водоёмы в больших количествах (например, в составе промышленных стоков) ПЭГ может вызывать повышение биохимического потребления кислорода (БПК) и временное обеднение воды кислородом.

Интересные факты

• ПЭГ используется в качестве основы для «искусственной слюны» и «искусственной слезы» в офтальмологии.
• В 2018 году учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали на основе ПЭГ «гидрогелевые» контактные линзы, способные измерять уровень глюкозы в слезах.
• Полиэтиленгликоль является одним из немногих полимеров, который разрешён для использования в составе пищевых продуктов (E1521) в России, ЕС и США.
• В космической промышленности ПЭГ применяется в качестве смазки для механизмов, работающих в вакууме, благодаря низкой летучести.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998.
• «Полиэтиленгликоль: свойства, применение, безопасность» / под ред. А. В. Смирнова. — М.: Химия, 2005.
• Государственная фармакопея Российской Федерации, XIV издание, 2018.
• European Pharmacopoeia, 10th edition, 2020.
• «Polyethylene Glycol: Chemistry and Biological Applications» / J. M. Harris, S. Zalipsky. — ACS Symposium Series, 1997.
• «Toxicology of Polyethylene Glycol» / R. C. Rowe et al. // Handbook of Pharmaceutical Excipients, 7th edition, 2012.
• «Allergic Reactions to Polyethylene Glycol: A Review» / M. S. Stone et al. // Journal of Allergy and Clinical Immunology: In Practice, 2021.