Полиэтиленимин (PEI) CAS 9002-98-6: свойства и применение

Полиэтиленимин (PEI) — катионный полимер с множеством аминогрупп, применяемый в гидрометаллургии, биомедицине и текстильном производстве. Обеспечивает флокуляцию, адгезию и может доставлять ДНК в клетки. Токсичность зависит от массы и структуры. CAS 9002-98-6 Применяется для очистки сточных вод и в бумажном производстве.

1. Введение

Полиэтиленимин (англ. Polyethylenimine, PEI) с регистрационным номером CAS [9002-98-6] представляет собой катионный полимер, в молекуле которого в различной пропорции чередуются первичные, вторичные и третичные аминогруппы. За счёт большого количества остаточных аминных групп PEI обладает высокой реакционной способностью, что делает его востребованным в ряде промышленных и научных областей — от химической и текстильной промышленности до биотехнологий и медицины.

2. Химическое строение и разновидности

1. Общая структура
   Химически полиэтиленимин можно рассматривать как повторяющиеся единицы [–CH₂–CH₂–NH–]_n в линейной форме или в разветвлённом виде, где часть аминогрупп формирует боковые «ветви».

2. Линейные и разветвлённые формы

   • Линейный PEI содержит в основном повторяющиеся звенья вторичных аминов и свободные первичные амины на концах цепи.
   • Разветвлённый PEI включает первичные, вторичные и третичные аминные группы в разных соотношениях, что придаёт ему повышенную плотность положительного заряда и иные физико-химические свойства.

3. Молекулярная масса
   Молекулярный вес PEI может колебаться от нескольких сотен до нескольких миллионов дальтон. Физические свойства (вязкость, растворимость, токсичность) в значительной степени зависят от молекулярной массы и степени разветвления.

3. Физико-химические свойства

1. Внешний вид

   • В зависимости от молекулярной массы: от бесцветной/желтоватой жидкости (низкая ММ) до твёрдых воскообразных веществ (высокая ММ).

2. Растворимость

   • Хорошо растворим в воде, при этом обусловливает высокую ионную силу раствора (pH может возрастать до сильно щелочного).
   • Растворим также в спиртах (этанол, изопропанол) и некоторых полярных растворителях.

3. Гигроскопичность

   • Полимер интенсивно поглощает воду из воздуха из-за наличия большого числа гидрофильных аминных групп.

4. Катионная природа

   • При физиологических pH большинство аминных групп протонировано, что обеспечивает сильные электростатические взаимодействия с отрицательно заряженными субстратами (ДНК, белками, формами неорганических анионов).

4. Области применения

1. Флокулянты и коагулянты

   • В водоочистке полиэтиленимин используют для агрегирования взвешенных частиц и ускорения осаждения, благодаря способности к электростатическому «склеиванию» отрицательно заряженных взвесей.

2. Бумажная промышленность

   • PEI повышает прочность бумажного волокна, улучшая сцепление волокон целлюлозы. Также может работать в качестве удерживающего агента наполнителей и красителей.

3. Адгезивы и покрытия

   • Высокое содержание аминогрупп способствует прочному связыванию с поверхностями металлов, стекла и полимеров, поэтому PEI добавляют в клеи, смолы и лакокрасочные материалы.

4. Биомедицина

   • Генная трансфекция: разветвлённый PEI способен образовывать с ДНК или РНК полиплексы, проникающие в клетки. Используется в исследованиях и разработке препаратов на основе генотерапии.
   • Иммобилизация ферментов: за счёт ковалентного или ионного связывания ферментов с полимером повышается стабильность биокатализаторов.
   • Вакцины и наночастицы: PEI играет роль стабилизирующего и доставляющего компонента.

5. Катализ и химические процессы

   • Является основой для получения функционализированных материалов (например, нанопористых сорбентов для поглощения CO₂ или тяжёлых металлов).

5. Механизм действия в ряде применений

1. Флокуляция

   • Положительно заряженные цепочки PEI адсорбируются на поверхностях коллоидных частиц с отрицательным зарядом, вызывая их слипание в более крупные агрегаты, которые выпадают в осадок.

2. Адгезия

   • Аминогруппы участвуют в водородных связях и/или образуют ионные пары с функциональными группами на поверхностях. Это усиливает сцепление с субстратами и увеличивает механическую прочность клеевых систем.

3. Доставка ДНК/РНК

   • Образование полиплексов (комплексов полимера и нуклеиновых кислот), защищающих генетический материал от нуклеаз и облегчающих проникновение через клеточные мембраны за счёт положительного заряда.

6. Токсикологические аспекты и безопасность

1. Токсичность

   • Токсические эффекты у клеток связаны с взаимодействием катионного полимера с мембранами, что может приводить к их нарушению. Чем выше молекулярная масса и разветвлённость, тем часто сильнее цитотоксичность.
   • В промышленных условиях PEI классифицируется как раздражающее вещество, способное вызывать ожоги или аллергические реакции при контакте с кожей и слизистыми.

2. Биосовместимость

   • Для медицинских целей разрабатываются модифицированные формы (пегилирование, ацетилирование), снижающие поверхностный заряд и уменьшающие токсичность.

3. Охрана труда

   • Работа с высококонцентрированными растворами PEI требует использования перчаток, защитных очков и анализаторов воздуха (при аэрозольном распылении).
   • При транспортировке крупнотоннажных партий необходима герметичная упаковка, избегать контакта с кислотами, не допускать замерзания (для водных растворов).

7. Регуляторное регулирование

1. CAS-номер

   • 9002-98-6 (общее обозначение для полиэтиленимина, но на практике может встречаться несколько специфических номеров для разных степеней полимеризации).

2. Допуски в промышленности

   • PEI отнесён к категории химических продуктов, требующих маркировки и паспортов безопасности (SDS).
   • При использовании в биомедицинских целях (трансфекция, фармразработки) необходимо соответствие стандартам GMP и разрешение профильных органов здравоохранения.

3. Ограничения концентрации

   • В формулах клеев, красок, пищевых (опосредованно) и фармацевтических продуктах дозировка подлежит строгому нормированию из-за потенциально раздражающего действия.

8. Перспективы развития и исследования

1. Усовершенствование доставки генов

   • Разрабатываются более деликатные формы PEI (модифицированные блок-сополимеры, наночастицы), призванные снизить цитотоксичность и повысить избирательность клеточного поглощения.

2. Улавливание CO₂

   • Полиэтиленимин иммобилизуют на пористых носителях для эффективной адсорбции углекислого газа при низких температурах, что перспективно для «зелёных» технологий.

3. Стабилизация ферментов и белков

   • Продолжаются исследования по применению PEI для иммобилизации ферментов в биореакторах, что улучшает термостабильность и устойчивость к экстремальным pH.

4. «Умные» материалы

   • Комбинация полиэтиленимина с различными полимерами и наночастицами открывает путь к созданию адаптируемых покрытий, чувствительных к pH или ионному составу среды.

9. Заключение

Полиэтиленимин (PEI) — важный катионный полимер, обладающий широким спектром уникальных свойств: высокой реакционной способностью, способностью к ионному обмену и формированию стабильных комплексов с био- и макромолекулами. Он востребован в водоочистке, бумажном производстве, создании клеевых систем, а также в биомедицине для трансфекции генетических материалов. Однако к достоинствам PEI примыкает и вопрос токсичности, которая нарастает с увеличением молекулярной массы и степенью разветвления. Поэтому в настоящее время ведутся активные разработки по снижению побочного воздействия, улучшению биосовместимости и расширению функциональных возможностей этого многообещающего полимера.

Примечание: Все данные о токсичности, реакционной способности и характеристиках PEI могут отличаться в зависимости от конкретного типа (линейный или разветвлённый), степени полимеризации и условий применения. Перед использованием в промышленном процессе или научном эксперименте необходима дополнительная проверка конкретных технических спецификаций производителя и актуальных регуляторных требований.

Полиэтиленимин купить