Предмицеллярные ассоциаты и полиморфизм мицелл

Структура и классификация лиомезофаз

Лиотропные жидкие кристаллы (ЛЖК) – это системы из двух и более компонентов, содержащие в качестве одного из компонентов низкомолекулярные соединения, формирующие термодинамически устойчивые надмолекулярные агрегаты (мицеллы, столбцы и пр.), или высокомолекулярные соединения, образующие стержнеобразные структуры, – а в качестве второго компонента различные растворители, чаще всего воду. Лиотропное жидкокристаллическое состояние осуществляется в области определенных концентраций и температур. В нем реализуются характеристики, присущие как жидкости, так и кристаллическому состоянию: текучесть, анизотропия свойств, ориентационный и трансляционный порядок и т.д.

Низкомолекулярные вещества, способные при определенных условиях формировать жидкокристаллическую лиотропную фазу, состоят из молекул, обладающих липофильной и гидрофильной частью структуры, что и определило их название – «амфифильные» или «дифильные» мезогены. Для молекул традиционных лиомезогенов характерна вытянутая анизометричная форма. Гидрофильные фрагменты, наиболее часто встречающиеся в таких молекулах, это –СООН, –CO₂Na, –SO₃H, –O(CH₂CH₂O)_nH. Гидрофобные фрагменты в основном представлены протяженными углеводородными «хвостами».

К стержнеобразным мезогенам относятся высокомолекулярные соединения типа вируса табачной мозаики, полипептидных цепей и пр., которые, вследствие анизометрии их формы, придают анизотропные свойства всей системе.

Основными веществами, формирующими при соответствующих условиях лиотропную жидкокристаллическую фазу, являются:

1. Органические соединения:

а) анионогенные поверхностно-активные вещества (ПАВ) –алкилсульфаты натрия, алкилсульфонаты натрия, соли щелочных металлов с кислотами жирного ряда, алкилсульфосукцинаты натрия, соли щелочных металлов с перфторированными алкильными радикалами;

б) катионные ПАВ – галогениды триметилалкиламмония;

в) неионогенные ПАВ – алкилполигликольные эфиры с фиксированным числом групп этиленоксида в молекуле;

2. Биоорганические соединения:

г) липиды – фосфатиды, гликолипиды, эфиры холестерола, суммарные экстракты липидов из различных биологических мембран;

д) белки и полипептиды;

е) нуклеиновые кислоты – ДНК, РНК;

ж) полисахариды – хитин, целлюлоза и ее производные.

Чаще всего лиомезофазы возникают из предшествующих им мицеллярных фаз при повышении концентрации амфифила.

Предмицеллярные ассоциаты и полиморфизм мицелл

Формирование лиотропных жидкокристаллических фаз (ЛЖК-фаз) растворами амфифильных веществ обусловлено влиянием двух основных типов межмолекулярных сил: электростатических (гидрофильные взаимодействия) и электрокинетических (липофильные взаимодействия). В растворах амфифильных соединений длинноцепочечные молекулы при определенной концентрации образуют агрегаты. Вследствие взаимного отталкивания молекул воды и углеводородных цепей, а также растворимости гидрофильных районов возникают агрегаты с внутренним липофильным и поверхностным гидрофильным районами. Образование при этом углеводородных областей, внутрь которых вода не может проникать, связано со снижением запаса свободной энергии в системе по сравнению с изолированными целями.

Процесс мицеллообразования характерен для так называемых коллоидных поверхносто-активных веществ (ПАВ), в молекулах которых сбалансированы полярные (гидрофобные) и неполярные (гидрофильные) группы. Мицеллы являются ионными (молекулярными) агрегатами, размером 3 – 100 нм, возникающими при достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ).

Мицеллярная фаза своей сути является предшественницей лиомезофазы. Лиотропные жидкокристаллические фазы амфифилов (АФ) в качестве основных элементов структуры имеют, в отличие от термотропных жидких кристаллов, формируемых палокообразными соединениями, не молекулы, а надмолекулярные ансамбли – мицеллы (в случае низкомолекулярных АФ стержнеобразной формы).

Жидкокристаллические лиотропные фазы возникают при дальнейшем повышении концентрации АФ. При этом система характеризуется различными степенями ориентационного, дальнего позиционного порядков и анизотропией свойств.