Кооперативные взаимодействия

Кооперативные взаимодействия – специфические взаимодействия  комплементарных макромолекул за счет образования достаточно протяженной последовательности физических связей между ними. Такая система физических связей устойчива даже в тех случаях, когда энергия диссоциации отдельной связи чрезвычайно мала. Это обусловлено тем, что при разрыве единичной связи «проигрыш» в свободной энергии не компенсируется возрастанием энтропии.    

Результаты исследований кооперативных взаимодействий между комплементарными макромолекулами привели к получению принципиально нового класса полимерных материалов – полимер-полимерных комплексов (поликомплексов), свойства которых коренным образом отличаются от свойств исходных полимеров. Например, при смешении растворов двух полимеров образуется нерастворимый поликомплекс, выпадающий в осадок. Отметим, что в живой природе примером кооперативного поликомплекса служит двойная спираль ДНК.

Устойчивые поликомплексы возникают только в том случае, если степени полимеризации (количество мономерных звеньев, а, значит, и взаимодействующих групп) в макромолекулах реагентов превышают определенные критические значения. Эти критические значения зависят от природы взаимодействующих полимеров и, в общем случае, лежат в пределах от нескольких мономерных звеньев до нескольких сотен.

Поликомплексы образуются и разрушаются в узких интервалах изменения внешних условий: температуры, качества растворителя, рН, ионной силы раствора и т.д., что свидетельствует об их кооперативной природе. Очевидно, что образование поликомплекса возможно лишь при одновременном (кооперативном) взаимодействии функциональных групп комплементарных макромолекул в количестве, превышающем критическое. И наоборот, разрушение поликомплекса требует одновременной (кооперативной) диссоциации системы связей между образующими его макромолекулами.

Поликомплексы получают либо смешением растворов полимеров, либо матричным синтезом.

Известны поликомплексы между макромолекулами изо- и синдиотактического полиметилметакрилата (стереокомплексы), стабилизированные силами Ван-дер-Ваальса, поликомплексы, стабилизированные межмолекулярными водородными связями и гидрофобными взаимодействиями, а также полиэлектролитные комплексы между противоположно заряженными макромолекулами. Получены также поликомплексы между комплементарными сетчатыми и линейными макромолекулами.

Реакции образования поликомплексов высоко избирательны по отношению к молекулярной массе и химическому строению макромолекулярных реагентов. Если два компоненты системы представляют собой полидисперсные полимеры, т.е. полимеры, состоящие из фракций с различной степенью полимеризации, то комплексообразование предпочтительно между макромолекулами с наибольшей степенью полимеризации. В многокомпонентных полимерных системах, содержащих комплементарные макромолекулы различной химической природы в поликомплексы избирательно включаются макромолекулы с наибольшей свободной энергией взаимодействия звеньев.

В настоящее время поликомплексы эффективно используют в качестве структурообразователей дисперсных систем, например, грунтов и почв для предотвращения водной и ветровой эрозии, а также полимерных биосовместимых материалов в медицине. Они находят применение при создании диагностических систем в биологии и биотехнологии, для очистки сточных вод и т.п.