Полиэтиленоксид

Полиэтиленоксид (ПЭО, также известный как полиэтиленгликоль, ПЭГ) — это синтетический полимер, относящийся к классу полиэфиров, с общей формулой H–(O–CH₂–CH₂)ₙ–OH. Представляет собой линейный, водорастворимый, термопластичный материал, который в зависимости от молекулярной массы может быть жидкостью, воскообразным веществом или твёрдым полимером. Полиэтиленоксид является одним из наиболее изученных и широко применяемых полимеров в промышленности, медицине и биотехнологии.

История

Впервые полиэтиленоксид был синтезирован в 1859 году французским химиком Шарлем-Адольфом Вюрцем, который получил его при реакции этиленгликоля с этиленоксидом. Однако длительное время полимер не находил практического применения из-за сложностей синтеза и нестабильности. Промышленное производство началось в 1930-х годах в Германии, где компания IG Farben разработала метод полимеризации этиленоксида в присутствии щелочных катализаторов. В 1940-х годах в США компания Union Carbide (в настоящее время — дочернее предприятие Dow Chemical) запустила первое крупномасштабное производство полиэтиленгликоля, который использовался в качестве смазочного материала и компонента косметических средств. В СССР промышленный выпуск полиэтиленоксида начался в 1950-х годах на базе Казанского завода органического синтеза.

Классификация

Полиэтиленоксид классифицируют по молекулярной массе, которая определяет его физические свойства и области применения. Принято выделять три основные группы:

• Низкомолекулярный полиэтиленгликоль (ПЭГ) — молекулярная масса от 200 до 20 000 Да. Представляет собой вязкие жидкости или мягкие воски. Хорошо растворим в воде и полярных органических растворителях.
• Среднемолекулярный полиэтиленоксид — молекулярная масса от 20 000 до 100 000 Да. Твёрдые, хрупкие вещества, похожие на парафин. Растворимость в воде ограничена.
• Высокомолекулярный полиэтиленоксид (ПЭО) — молекулярная масса от 100 000 до нескольких миллионов Да. Эластичные, прочные плёнки и волокна. Растворимость в воде низкая, но при нагревании может образовывать вязкие растворы.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Полиэтиленоксид является белым или бесцветным веществом без запаха и вкуса. Его плотность составляет около 1,1–1,2 г/см³. Температура плавления зависит от молекулярной массы: для низкомолекулярных фракций она составляет от –10 до 10 °C, для высокомолекулярных — до 65–70 °C. Полимер обладает высокой гигроскопичностью, то есть способностью поглощать влагу из воздуха. При растворении в воде образует вязкие растворы, которые при концентрации выше 1–2 % могут проявлять тиксотропные свойства (способность разжижаться при механическом воздействии).

Химические свойства

Полиэтиленоксид химически инертен по отношению к большинству кислот и щелочей при комнатной температуре. Он устойчив к гидролизу, но может разлагаться под действием сильных окислителей, таких как азотная кислота. При нагревании выше 200 °C полимер деполимеризуется с выделением этиленоксида и других продуктов. ПЭО не токсичен, не вызывает раздражения кожи и слизистых оболочек, что делает его безопасным для использования в медицине и пищевой промышленности.

Синтез

Промышленный синтез полиэтиленоксида осуществляется методом полимеризации этиленоксида в присутствии катализаторов. Наиболее распространённый способ — анионная полимеризация с использованием гидроксидов щелочных металлов (например, гидроксида калия) или алкоксидов. Реакция проводится в инертной атмосфере при температуре 100–150 °C и давлении до 10 атмосфер. Молекулярная масса полимера регулируется добавлением инициаторов, таких как вода или этиленгликоль. В лабораторных условиях для синтеза высокомолекулярного ПЭО применяют катализаторы на основе оксидов металлов, например, оксида цинка или алюминия.

Применение

В промышленности

Полиэтиленоксид широко используется в качестве смазочного материала, особенно в металлообработке и текстильной промышленности, где он снижает трение и износ оборудования. В производстве пластмасс ПЭО применяется как пластификатор, улучшающий эластичность и морозостойкость изделий. В лакокрасочной промышленности он служит загустителем и стабилизатором эмульсий. В строительстве полиэтиленоксид добавляют в бетонные смеси для повышения их пластичности и водонепроницаемости.

В медицине и фармацевтике

В медицине полиэтиленоксид (в форме ПЭГ) используется как основа для мазей, кремов и суппозиториев. Он также входит в состав растворов для инфузий, где выполняет функцию осмотического диуретика (например, при лечении отёков). В фармацевтике ПЭГ применяется для модификации лекарственных веществ — так называемая пэгилирование, которое увеличивает время циркуляции препарата в крови и снижает его иммуногенность. Пэгилированные формы интерферона, липосомальных антибиотиков и ферментов зарегистрированы и используются в клинической практике в России и за рубежом.

В биотехнологии

В биотехнологии полиэтиленоксид используется для осаждения белков и нуклеиновых кислот из растворов (метод ПЭГ-осаждения), а также в качестве компонента сред для криоконсервации клеток и тканей. В генной инженерии ПЭГ применяется для трансформации бактерий и клеток растений, повышая проницаемость клеточных мембран для чужеродной ДНК.

В быту

В бытовой химии полиэтиленоксид входит в состав моющих средств, шампуней и зубных паст как загуститель и пенообразователь. В косметике он используется в кремах, лосьонах и декоративной косметике для улучшения текстуры и увлажняющих свойств. В пищевой промышленности ПЭГ (добавка E1521) применяется как стабилизатор и влагоудерживающий агент в производстве кондитерских изделий, напитков и соусов.

Экологические аспекты

Полиэтиленоксид является биоразлагаемым полимером. В природных условиях он разлагается под действием микроорганизмов (бактерий и грибов) на углекислый газ и воду. Период полураспада в почве и воде составляет от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от условий. Однако при высоких концентрациях (более 10 мг/л) ПЭО может оказывать токсическое действие на водные организмы, вызывая нарушение осморегуляции. В связи с этим в России и странах ЕС установлены предельно допустимые концентрации полиэтиленоксида в сточных водах (не более 0,5 мг/л).

Интересные факты

• Полиэтиленоксид является одним из немногих полимеров, который может образовывать кристаллы, похожие на снежинки, при медленном охлаждении водных растворов.
• В 1970-х годах в СССР разрабатывались технологии получения искусственных кровеносных сосудов на основе ПЭО, но из-за низкой механической прочности они не нашли широкого применения.
• Пэгилирование белков было впервые предложено в 1977 году американскими учёными Фрэнком Дэвисом и Абрахамом Абучовски, за что они получили Нобелевскую премию по химии в 2018 году (совместно с другими исследователями).

Источники

• Энциклопедия полимеров / под ред. В. А. Кабанова. — М.: Советская энциклопедия, 1972. — Т. 1, с. 234–240.
• Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3, с. 456–458.
• Полиэтиленоксид: свойства и применение / В. А. Мясников, А. В. Топчиев. — М.: Химия, 1985. — 160 с.
• ГОСТ 24888-81. Полиэтиленоксид высокомолекулярный. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1981.
• Средства лекарственные. Пэгилированные формы: монография / под ред. А. Н. Миронова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. — 320 с.