іНСТИТУТ ХІМІЇ ПОВЕРХНІ

Роїк НАДІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 544.723 + 547.932

КОНСТРУЮВАННЯ ЦЕНТРІВ АДСОРБЦІЇ ХОЛЕВОЇ КИСЛОТИ НА ПОВЕРХНІ ВИСОКОДИСПЕРСНОГО КРЕМНЕЗЕМУ

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні Національної академії наук України

Науковий керівник: | доктор хімічних наук, професор

Бєлякова Людмила Олексіївна,

Інститут хімії поверхні НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: | доктор хімічних наук, професор

Брей Володимир Вікторович,

Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України,

в.о. заступника директора з наукової роботи

кандидат хімічних наук

Тельбіз Герман Михайлович,

Інститут фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: | Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “22”червня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .210.01 в Інституті хімії поверхні НАН України за адресою: 03164, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту хімії поверхні за адресою: 03164, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 17.

Автореферат розіслано “17”травня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.П. Приходько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Жовчні кислоти (ЖК) в людському організмі продукуються секреторними клітинами печінки і є найбільш важливими в кількісному відношенні продуктами перетворення холестерину. Збільшення вмісту ЖК в організмі, що зумовлене порушенням біосинтезу холестерину, викликає захворювання нирок, некрози, брадикардію, гіпертонію та гемоліз.

Для регулювання вмісту ЖК в організмі на сьогоднішні в медичній практиці використовуються полімерні аніонообмінні смоли, зокрема холестирамін. Проте полімерні сорбенти-секвестранти мають низьку селективність по відношенню до ЖК, і добова доза адсорбента, яка необхідна для стійкого терапевтичного ефекту, досягає 30 г, що супроводжується небажаними побічними ефектами. Тому розробка нових, більш ефективних адсорбентів жовчних кислот залишається актуальним завданням хімічних досліджень. В літературі описано одержання нових аніонообмінних смол, але вони зберігають недоліки полімерів: набухання та повільне встановлення адсорбційної рівноваги, невисоку селективність по відношенню до ЖК тощо.

Неорганічні носії, перш за все кремнеземні, є перспективними для синтезу нових адсорбентів ЖК. Кремнеземи хімічно та термічно стійкі, не набухають у розчинниках та при контакті з біологічними рідинами, мають високі кінетичні параметри адсорбції. Крім того, високодисперсний кремнезем вже знайшов використання в медичній практиці як наповнювач лікарських препаратів та ентеросорбент речовин білкової природи, токсинів, патогенних мікроорганізмів, вірусів. Разом з тим, гідроксильований високодисперсний кремнезем адсорбує ЖК лише в слабокислому середовищі, що суттєво зменшує ефективність його використання для регулювання вмісту ЖК в тонкому кишківнику з рН~8. Іммобілізовані на поверхні кремнезему четвертинні амонієві групи (ЧАГ) можуть бути потенційними центрами адсорбції ЖК. Для регулювання рівня ЖК в живому організмі, а також для їх аналітичного визначення в різних рідинах краще використовувати адсорбенти з хімічно закріпленими четвертинними амонієвими групами. Проте систематичні дослідження хімічних реакцій, які приводять до закріплення ЧАГ на поверхні кремнезему, в літературі відсутні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Інституті хімії поверхні НАН України згідно з планами науково-дослідних робіт за темами “Теоретичні дослідження і розробка лікарських композитів з сорбційним механізмом дії і регульованою фармакокінетикою” (№ Держреєстрації 0199U002299) та “Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ Держреєстрації 0103U006286).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є конструювання центрів адсорбції холевої кислоти шляхом спрямованого модифікування поверхні високодисперсного кремнезему. Завдання дослідження:

–

–

–

–

–

Об’єкт дослідження: адсорбція холевої кислоти на поверхні органокремнеземів.

Предмет дослідження: конструювання четвертинних амонієвих груп безпосередньо на поверхні кремнезему за допомогою реакції кватернізації між галогеналкілкремнеземами та триетиламіном; введення в поверхневий шар кремнезему четвертинних амонієвих груп за допомогою реакцій гідросилілювання та кополімеризації; вплив будови поверхні ЧАГ-вмісних кремнеземів на адсорбцію холевої кислоти.

Методи дослідження: ІЧ спектроскопія для контролю за зміною будови поверхні кремнезему при його хімічному модифікуванні; рН-титрування, хемосорбція гідридсиланів та методики хімічного аналізу для кількісного визначення вмісту функціональних груп на поверхні кремнезему; термічний аналіз з програмованим нагріванням для встановлення напрямку перебігу хімічних реакцій в поверхневому шарі кремнезему, визначення вмісту закріплених функціональних груп та їх термостабільності; метод низькотемпературної адсорбції азоту для визначення питомої поверхні вихідних та модифікованих кремнеземів; електронна спектроскопія і методики вивчення адсорбції з розчинів для одержання даних про адсорбційну здатність синтезованих органокремнеземів та механізм адсорбції холевої кислоти.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначено оптимальні умови реакції нуклеофільного приєднання триетиламіну до поверхні галогеналкілкремнеземів. Встановлено, що при проведенні реакції кватернізації в паровій фазі вихід продукту реакції (хімічно закріплених четвертинних амонієвих груп) суттєво збільшується, досягаючи 100для йодоалкілкремнеземів. Здійснено хімічне закріплення вінілбензилтриметиламоній хлориду на поверхні кремнезему за допомогою реакцій термічного гідросилілювання та кополімеризації. Показано, що хімічна іммобілізація четвертинних амонієвих груп на поверхні кремнезему приводить до покращення основних параметрів адсорбції холевої кислоти. Встановлено механізм адсорбції холевої кислоти на ЧАГ-вмісних кремнеземах.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано спосіб одержання хлоропропілкремнезему, який не містить залишкових силанольних груп, в м’яких умовах. Одержані дані про особливості здійснення хімічних реакцій кватернізації та кополімеризації використано при розробці методів синтезу хімічно та термічно стійких ЧАГ-вмісних кремнеземів. Запропоновано відтворювані способи синтезу кремнеземних адсорбентів, перспективних для вилучення жовчних кислот, кількісного аналізу жовчних та інших органічних кислот, а також для хроматографічного розділення лікарських і біологічно активних сполук.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено підбір та аналіз літератури, особисто одержано основні експериментальні результати, здійснено обробку даних, одержаних за допомогою спектральних методів дослідження, термічного аналізу, хімічного аналізу поверхневих сполук та адсорбційних вимірювань. Постановку роботи, обговорення, інтерпретацію результатів та їх узагальнення у вигляді публікацій, а також формулювання висновків дисертації проведено разом з науковим керівником доктором хімічних наук, професором Л.О. Бєляковою. Оптимізацію умов перебігу хімічних реакцій, які приводять до утворення четвертинних амонієвих груп на поверхні кремнезему, здійснено спільно з к.х.н. А.М. Варваріним. Методику кількісного аналізу холевої кислоти в розчинах відлагоджено спільно з к.х.н. Н.М. Власовою та к.х.н. Л.П. Головковою. Запис термограм модифікованих кремнеземів був виконаний к.х.н. М.В. Борисенком.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 8 українських та міжнародних симпозіумах і конференціях: Конференції “Фізико-хімічні і медико-біологічні проблеми поверхні”, присвяченій 15_річчю Інституту хімії поверхні НАН України, Київ, 10–12 травня 2001 р.; Міжнародній конференції “Функціоналізовані матеріали: синтез, властивості, застосування”, Київ, 25–29 вересня 2002 р.; Второй Всероссийской конференции (с международным участием) “Химия поверхности и нанотехнология”, С.-Петербург–Хилово, 26–29 сентября 2002 г.; Всеукраїнській дев’ятій щорічній науковій конференції “Україна – людина, суспільство, природа”, Київ, 27–31 січня 2003 р.; Всеукраїнській конференції молодих вчених з актуальних питань хімії, Київ, 26–30 травня 2003 р.; IX Всероссийском Симпозиуме с участием иностранных ученых “Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ”, Москва–Клязьма, 19–23 апреля 2004 г.; 9th Polish_Ukrainian Symposium “Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Application”, Sandomierz (Poland), 5–9 September 2005; International Conference “Nanomaterials in Chemistry, Biology and Medicine”, Kyiv, 14–17 September 2005.

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 5 статтях у фахових виданнях та в тезах 7 наукових симпозіумів і конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу (загальна характеристика роботи), 5 розділів, висновків та списку використаної літератури. Матеріали роботи викладено на 136 сторінках друкованого тексту, що містять 23 рисунки і 14 таблиць. Бібліографія включає 192 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

РОЗДІЛ . Огляд літератури. У першому розділі проаналізовано літературні дані щодо ролі ЖК в живому організмі та механізму регулювання їх вмісту за допомогою полімерних адсорбентів-секвестрантів. Представлено накопичений досвід по синтезу нових матеріалів для адсорбції ЖК, і продемонстровано перспективність використання високодисперсних кремнеземів. Проаналізовано існуючі методи введення ЧАГ в поверхневий шар кремнезему. Сформульовано напрям дисертаційного дослідження.

РОЗДІЛ . Використані матеріали, хімічні реагенти і фізико-хімічні методи дослідження. У другому розділі представлено характеристики вихідних носіїв та хімічних реагентів, які використовували для модифікування кремнеземів і хімічного аналізу поверхневих сполук; описано фізико-хімічні методи дослідження реакцій в поверхневому шарі високодисперсного діоксиду кремнію, будови і властивостей хімічно модифікованих кремнеземів (ІЧ спектроскопія, електронна спектроскопія у видимій області, термічний аналіз з програмованим нагріванням); методики рідинофазного і парофазного модифікування поверхні кремнезему, а також хімічного модифікування за умов підвищеного тиску; методики визначення питомої поверхні за ізотермами низькотемпературної адсорбції азоту і гідрофобності поверхні за краєвим кутом змочування; методики кількісного аналізу хімічно закріплених сполук і визначення констант іонізації функціональних груп; методики вивчення адсорбції холевої кислоти з водних розчинів; методики розрахунку похибок вимірювань. ІЧ дослідження здійснювали на двопроменевому спектрофотометрі ІКС-29 (ЛОМО, Росія), спектрофотометричний аналіз у видимій області – на приладі Specord-M40 (Carl Zeiss, Німеччина), повний термічний аналіз – на дериватографі Q_1500 (МОМ, Угорщина).

РОЗДІЛ . Конструювання четвертинних амонієвих груп на поверхні кремнезему шляхом реакції кватернізації. У третьому розділі представлено результати вивчення реакції кватернізації між галогеналкілкремнеземами (хлоропропіл-, йодопропіл- та йододецилкремнеземами) і парами триетиламіну (ТЕА), яка відноситься до синтезу ЧАГ у вигляді хімічно закріплених функціональних груп безпосередньо на поверхні кремнезему.

Для введення в поверхневий шар кремнезему хлоропропільних груп було вивчено реакцію (3-хлоропропіл)триетоксисилану з поверхнею аеросилу А-300, вакуумованого при 400 С протягом 2 год, у паровій фазі при 20–400 С. Навіть у випадку проведення реакції при 400 С повного заміщення вільних силанольних груп органосилільними не відбувається. Як було встановлено, витримування аеросилу з адсорбованим (3-хлоропропіл)триетоксисиланом протягом 2 год при кімнатній температурі в присутності аміаку приводить до повного заміщення ОН-груп органосилільними. Результати кількісного аналізу поверхні кремнезему свідчать про монофункціональний характер взаємодії (3-хлоропропіл)триетоксисилану з силанольними групами діоксиду кремнію.

Оскільки взаємодія хлоропропілкремнезему з насиченими парами ТЕА при 25–200 С не приводить до появи в поверхневому шарі значної кількості ЧАГ (0.03–0.06 мкмоль/м2), для збільшення виходу реакції кватернізації скористались двома шляхами.

Перший з них полягав в конструюванні четвертинних амонієвих груп на поверхні хлоропропілкремнезему при підвищеному тиску парів триетиламіну. Суттєві кількості хімічно закріплених пропілтриетиламоній хлоридних груп з’являються вже при 100–150 С. Як видно з таблиці 1, збільшення тривалості реакції також приводить до підвищення виходу реакції кватернізації в поверхневому шарі хлоропропілкремнезему майже втричі.

Таблиця 

Умови реакції кватернізації між хлоропропілкремнеземом і триетиламіном та хімічний склад поверхневого шару модифікованих кремнеземів

Модифікування хлоропропілкремнезему парами ТЕА за умов підвищеного тиску приводить до збільшення інтенсивності смуг поглинання валентних коливань зв’язків С–Н метильних та метиленових груп в області 3000–2800 см–1 (рис. 1, спектр 3) у порівнянні з вихідним хлоропропілкремнеземом (рис. 1, спектр 2). Крім того, спостерігаються зміни в області 1500–1200 см–1, зумовлені проявом валентних коливань зв’язку С–N, а також деформаційних асиметричних та симетричних коливань зв’язків С–Н хімічно закріплених ЧАГ: з’являється широка смуга поглинання 1460 см–1, яка в ІЧ спектрі ТЕА має вигляд дублету з максимумами при 1470 та 1445 см–1 (рис. , спектр 1), а також значно зростає інтенсивність смуги поглинання 1380 см–1.

Рис. 1. ІЧ спектри триетиламіну (1), хлоропропілкремнезему до (2) та після (3) взаємодії з триетиламіном за умов підвищеного тиску при 150 С протягом 5 год.

Ці результати однозначно свідчать про перебіг в поверхневому шарі органокремнезему реакції нуклеофільного приєднання триетиламіну до хлоропропільних груп:

Іншим шляхом підвищення концентрації четвертинних амонієвих груп в поверхневому шарі кремнезему є введення в реакцію з ТЕА найбільш реакційноздатних галогеналкілкремнеземів (йодоалкілкремнеземів). Так, витримування йодопропілкремнезему в насичених парах ТЕА при 100 С протягом 1 год приводить до появи в поверхневому шарі діоксиду кремнію ЧАГ, кількість яких суттєво перевищує концентрацію четвертинних амонієвих груп, що утворюються при реакції кватернізації між триетиламіном та хлоропропілкремнеземом в аналогічних умовах. Проте, через неповне заміщення атомів хлору в хлоропропілкремнеземі йодом, поверхня органокремнезему містить не лише пропілтриетиламоній йодидні групи, але й хлоропропільні та спиртові (як результат гідролізу зв’язку С–Hal) групи.

Йододецилкремнезем одержували за двостадійною реакцією модифікування поверхні кремнезему спочатку амінопропільними, а потім йододецильними групами.

В ІЧ спектрі йододецилкремнезему після контакту з насиченими парами ТЕА при 100 С протягом 1 год спостерігається зростання інтенсивності смуги поглинання в області 3000–2800 см–1 валентних коливань зв’язків С–Н метильних та метиленових груп і широкої смуги поглинання 1460 см–1, яка зумовлена валентними коливаннями зв’язку С–N і деформаційними коливаннями зв’язків С–Н метильних та метиленових груп (рис. , спектр 4).

Рис. 2. ІЧ спектри вихідного кремнезему (1), амінопропілсилохрому з повним заміщенням силанольних груп амінопропільними (2), йододецилсилохрому до (3) та після (4) взаємодії з триетиламіном.

Такий вигляд ІЧ спектру свідчить про перебіг реакції нуклеофільного приєднання ТЕА до йододецилкремнезему. Вміст ЧАГ становить 3.0 мкмоль/м2, що відповідає кількості йододецильних груп у вихідному кремнеземі і вказує на їх повну участь в реакції з триетиламіном:

Таким чином, утворення ЧАГ безпосередньо на поверхні кремнезему відбувається в результаті реакції нуклеофільного приєднання триетиламіну до галогеналкілкремнеземів як в жорстких (взаємодія хлоропропілаеросилу з ТЕА за умов підвищеного тиску), так і в м’яких умовах (взаємодія йодоалкілкремнеземів з насиченими парами ТЕА) з високим виходом кінцевого продукту – хімічно закріплених четвертинних амонієвих груп.

РОЗДІЛ . Хімічне модифікування поверхні кремнезему вінілбензилтриметиламоній хлоридом. У четвертому розділі розглянуто інший підхід, обраний для хімічної іммобілізації четвертинних амонієвих груп в поверхневому шарі кремнезему, який передбачає закріплення на поверхні кремнезему модифікатора, в молекулі якого вже є ЧАГ.

Реакцію твердофазного гідросилілювання вінілбензил-триметиламоній хлориду (ВБТМАХ) на поверхні гідридкремнезему здійснювали в присутності каталізатора (каталітичне гідросилілювання) і без нього (термічне гідросилілювання). Взаємодія гідридкремнезему з ВБТМАХ при 150 С приводить до зникнення смуги поглинання зв’язку Si–H (2190 см–1) і виникнення смуг поглинання ВБТМАХ: 3030, 3060 см–1 – валентні коливання зв’язку С–Н бензольного кільця, 1510 см–1 – валентні коливання зв’язку С=С бензольного кільця і 1480 см–1 – асиметричні деформаційні коливання зв’язку С–Н в метильних групах (рис. , спектр 3).

Рис. . ІЧ спектри вінілбензилтриметиламоній хлориду (1), гідридкремнезему до (2) та після (3) модифікування ВБТМАХ при 150 С (3).

Це свідчить про те, що на поверхні гідридкремнезему відбувається термічне гідросилілювання ВБТМАХ:

Концентрація ЧАГ, хімічно закріплених в поверхневому шарі кремнезему, дорівнює 0.07 мкмоль/м2.

Взаємодія вінілбензилтриметиламоній хлориду з гідридкремнеземом в присутності найбільш активного каталізатора реакції гідросилілювання ненасичених сполук – каталізатора Спейєра – приводить до значного зменшення інтенсивності смуги поглинання Si–Н груп в ІЧ спектрі. При цьому смуги поглинання вінілбензилтриметиламоній хлориду відсутні. Одержані результати свідчать про те, що в поверхневому шарі гідридкремнезему мають місце побічні процеси: взаємодія кремнійгідридних груп з водою та ізопропіловим спиртом, реакція естерифікації, а також відновлення платини з розчину платинохлороводневої кислоти молекулярним воднем, який виділяється в результаті реакцій гідролізу та алкоголізу.

Реакція кополімеризації. Взаємодію вінілкремнезему і ВБТМАХ вивчали за допомогою ІЧ спектроскопії і хімічного аналізу поверхневих сполук.

В ІЧ спектрі вінілкремнезему (рис. 4, кр. 2) реєструються смуги поглинання 3080, 3035, 3005, 2975 і 1410 см–1, які належать валентним та деформаційним коливанням зв’язку С–Н в закріплених вінільних групах, а також смуга поглинання 1605 см–1 валентних коливань зв’язку С=С. Реакцію кополімеризації здійснювали в інертній атмосфері, ініціатором був 2,2-азо-біс-ізобутиронітрил. Кількість ініціатора у реакційному об’ємі чинить суттєвий вплив на процес іммобілізації ВБТМАХ. Оптимальне мольне співвідношення компонентів ([вінільні групи кремнезему]  :  [ВБТМАХ]  :  [ініціатор реакції]=   .12). Підвищення температури реакції практично не впливає на перебіг реакції кополімеризації в поверхневому шарі вінілкремнезему (табл. ).

Рис. . ІЧ спектри вінілбензилтриметиламоній хлориду (1), вінілкремнезему до (2) і після (3) проведення реакції кополімеризації з вінілбензилтриметиламоній хлоридом (співвідношення [вінільні групи кремне-зему] [ВБТМАХ] [ініціатор]   .12, темпера-тура реакції 90 С).

В ІЧ спектрі вінілкремнезему після контакту з ВБТМАХ з’являються смуги поглинання 1480 см–1 деформаційних коливаннь зв’язку С–Н в метильних групах та 1510 см–1 валентних коливань зв’язку С=С бензольного кільця (рис. , спектр 3). Інтенсивність смуг поглинання вінільних груп поверхні кремнезему зменшується, що є наслідком їх участі в реакції кополімеризації з ВБТМАХ. Неповне залучення вінільних груп кремнезему в реакцію кополімеризації підтверджують результати кількісного аналізу (табл. ): з 3.3 мкмоль/м2 вінільних груп вінілкремнезему в реакцію кополімеризації з ВБТМАХ вступає лише 1.1 мкмоль/м2:

Таблиця 

Умови реакції кополімеризації і вміст закріпленого вінілбензилтриметиламоній хлориду в поверхневому шарі кремнезему

Реакція кополімеризації між вінільними групами вінілкремнезему і вінілбензилтриметиламоній хлориду здійснюється вже при 65 С. Вихід реакції становить 31Будова іммобілізованих четвертинних амонієвих груп ідентична функціональним групам холестираміну.

РОЗДІЛ . Адсорбція холевої кислоти. У п’ятому розділі описано синтез кремнеземів, модифікованих ЧАГ різної будови, в умовах оптимального здійснення хімічних реакцій кватернізації і кополімеризації (табл. ).

За допомогою методу повного термічного аналізу з програмованим нагріванням встановлено, що за термостабільністю ЧАГ-вмісні адсорбенти розташовуються в ряд: адсорбент III  адсорбент I, холестирамін  адсорбент II. Процес термічної деструкції синтезованих органокремнеземів має ступеневий характер і починається з руйнування четвертинних амонієвих груп при 200 С. Всі синтезовані ЧАГ-вмісні органокремнеземи мають високу хімічну стійкість: їх сорбційна ємність практично не зменшується після контакту з розчинами 5 М НCl і 25NH4OH.

Адсорбцію НСА було вивчено на ЧАГ-вмісних кремнеземах, які відрізняються хімічним складом поверхні і будовою закріплених четвертинних амонієвих груп (табл. ), а також на холестираміні.

Таблиця 

Будова поверхневого шару вихідних органокремнеземів та ЧАГ-вмісних адсорбентів

Кінетичні дослідження процесу адсорбції НСА свідчать про те, що адсорбційна рівновага для ЧАГ-вмісних кремнеземів встановлюється вже через 1–5 год, для холестираміну в набухлому стані – через 24 год, а для повітряно-сухого полімеру не досягається навіть через тиждень контакту з розчином НСА. Для адсорбційних дослідів використовували розчин холевої кислоти з концентрацією 0.1 ммоль/л, що суттєво менше критичної концентрації міцелоутворення.

Введення ЧАГ в поверхневий шар кремнезему приводить до значного підвищення адсорбції НСА в інтервалі рН –8 як порівняно з гідроксильованим кремнеземом, так і з полімерним адсорбентом-секвестрантом (рис. ), причому максимальне її значення досягається при рН  –5. Цей факт є доказом аніонообмінного характеру адсорбції холевої кислоти. При рН  спостерігається зменшення адсорбції, що зумовлено конкурентною аніонообмінною сорбцією гідроксил-іонів з розчинів. З цієї ж причини аніонообмінна ємність адсорбентів в ОН_формі менша ніж в Сl-формі, і зниження адсорбції НСА з підвищенням рН виражено більш чітко. Отже, аніонна селективність вивчених ЧАГ-вмісних адсорбентів збільшується в ряду: Cl–––. Вилучення холевої кислоти з 0.0001 М розчину здійснюється практично повністю. Проте при цьому ємність адсорбентів реалізується лише в незначній мірі. Слід зазначити, що при збільшенні об’єму розчину адсорбція НСА суттєво підвищується (рис. ).

Адсорбційна здатність синтезованих ЧАГ-вмісних кремнеземних адсорбентів перевищує адсорбційну здатність холестираміну (рис. ). Спорідненість адсорбентів по відношенню до НСА збільшується в ряду: холестирамін адсорбент адсорбентадсорбентАдсорбція НСА залежить від будови хімічно закріплених четвертинних амонієвих груп (рис. –7). Питома адсорбція НСА для адсорбента II в декілька разів більша ніж у адсорбентів I та III. Це вказує на те, що механізм адсорбції є більш складним ніж аніонний обмін за участю позитивно заряджених центрів поверхні ЧАГ-вмісних кремнеземів.

Рис. 5. Залежність адсорбції НСА від рН рівноважного розчину для адсорбентів I–III (1–3 відповідно) та набухлого холестираміну (4) в Cl- (a) та ОН-формі (б). Крива 5 – адсорбція НСА на гідроксильованому кремнеземі.

Рис. 6. Питома адсорбція НСА в залежності від рН рівноважного розчину для адсорбента II в Cl- (1, ) та ОН-формі (3, ): VНСА = 10 мл (1, 3) і 40 мл (2, 4).

Рис. 7. Питома адсорбція НСА в залежності від рН рівноважного розчину (VНСА = 10 мл) для адсорбентів I та III в Cl- (1, ) та ОН-формі (2, ) відповідно.

Ізотерми адсорбції НСА для ЧАГ-вмісних кремнеземів мають сигмоїдальну форму (рис. 8, 9), що зумовлено перебігом на поверхні адсорбентів декількох процесів. Видимо, вже при малих концентраціях НСА в розчині відбувається іонний обмін між аніонами холевої кислоти і протиіонами, зв’язаними з четвертинними амонієвими групами:

де R2)3, (CH2)3NH(CH2)10 чи CH(CH2)CH2(СН)C6H4CH2; R3 чи C2H5.

Цей процес може бути охарактеризований константою Кi, яка відображає силу електростатичного притягування між позитивно зарядженими центрами поверхні адсорбента та аніонами холевої кислоти, які присутні в розчині:

Адсорбція НСА також відбувається за рахунок дисперсійного притягування між гідрофобними ділянками поверхні адсорбента і стероїдними сегментами молекул холевої кислоти, які знаходяться в розчині:

Гідрофобними ділянками є вуглеводневі ланцюги, які складаються з метиленових ланок, і бензильні радикали, за допомогою яких четвертинні амонієві групи закріплені на поверхні адсорбента, а також поверхневі іонні комплекси “ЧАГ+–СА?”. Тому гідрофобні взаємодії НСА з поверхнею ЧАГ-вмісних кремнеземів можуть реалізовуватися двома шляхами: як результат дисперсійного притягування між молекулами холевої кислоти, які знаходяться в розчині, та поверхневими іонними комплексами “ЧАГ+–СА–” або з вуглеводневими ланцюгами адсорбента. Внесок гідрофобних взаємодій у сумарну адсорбцію НСА може бути виражений через константу агрегування Кag між аніонами холевої кислоти, які знаходяться в розчині, і поверхневими адсорбційними центрами, до складу яких входять гідрофобні ділянки закріплених функціональних груп і поверхневі комплекси четвертинних амонієвих груп з аніонами холевої кислоти:

Сумарний процес адсорбції може бути представлений таким чином:

Константа рівноваги сумарного процесу адсорбції (константа зв’язування НСА, тобто константа стійкості) Кs, дорівнює добутку константи іонного обміну і константи агрегування:

Рис. . Залежність адсорбції і ступеня зв’язування холевої кислоти від рівноважної концентрації для адсорбента III (а) та холестираміну (б) з водного розчину (1), з фосфатного буферного розчину (2), з фосфатного буферного розчину в присутності 0.0001 М NaCl (3), з фосфатного буферного розчину в присутності 0.1 М NaCl (4).

Рис. . Залежність ступеня зв’язування холевої кислоти від рівноважної концентрації для адсорбентів I–III (1–3 відповідно).

При ступені зв’язування холевої кислоти  0.5 ( – відношення кількості ЧАГ, зв’язаних з НСА, до їх загального вмісту в адсорбенті) константа стійкості представляє собою величину, обернену рівноважній концентрації холевої кислоти в розчині:

З цих рівнянь було розраховано адсорбційні параметри Кs, Ki і Kag для кремнеземних адсорбентів з закріпленими ЧАГ (табл. 5, ). Для холестираміну приведено літературні дані (табл. ), одержані при вивченні адсорбції більш розчинного холату натрію на поверхні аніонообмінної смоли, оскільки через низьку розчинність холевої кислоти більше половини ЧАГ холестираміну не беруть участі у зв’язуванні НСА (рис. , б).

Крутий підйом на ізотермах адсорбції НСА для кремнеземних адсорбентів I–III починається в області менших рівноважних концентрацій НСА, порівняно з повітряно-сухим холестираміном (рис. , ). Зсув ізотерми адсорбції НСА в область менших рівноважних концентрацій спостерігається при зростанні вмісту хімічно закріплених четвертинних амонієвих груп – при переході від адсорбента I до адсорбента та адсорбента (рис. , табл. ).

Таблиця 

Основні параметри зв’язування холевої кислоти з водних розчинів для ЧАГ-вмісних кремнеземів

Таблиця 

Основні параметри зв’язування холевої кислоти (з фосфатних буферних розчинів) для кремнеземного та полімерного адсорбентів з однаковою будовою функціональних груп

Величини константи стійкості Ks для кремнеземних адсорбентів значно більші, ніж для холестираміну (табл. , 6). Збільшення рН та іонної сили розчинів призводить до зменшення Ks і для холестираміну, і для адсорбента III (табл. ). Це може свідчити про конкуруючий обмін протиіонів адсорбентів з аніонами буферного розчину та Сl–-іонами. Константи стійкості Ks та іонного обміну Ki збільшуються в ряду: холестирамін  адсорбент II  адсорбент III  адсорбент I, який відповідає зменшенню концентрації ЧАГ на поверхні адсорбентів (табл. , 6). Цей факт можна пояснити тим, що в результаті збільшення густоти хімічно закріплених ЧАГ функціональні групи з ізольованих центрів адсорбції перетворюються в кооперативні; при цьому міцність утримування протиіонів зростає, а їх здатність до обміну на СА– зменшується. Найбільш низька здатність до поглинання аніонів холевої кислоти у холестираміну. Це, видимо, пов’язано не лише з високою концентрацією ЧАГ, але й зі структурою полімеру, а саме розташуванням центрів адсорбції не на поверхні, як у кремнеземів, а в об’ємі. У цьому випадку істотно зростає вплив сусідніх функціональних груп на міцність утримування протиіонів та аніонний обмін в цілому. Константа агрегування Kag збільшується в послідовності: адсорбент  холестирамін  адсорбент II, адсорбент III. Kag для адсорбента є найменшою серед вивчених адсорбентів. Отже, визначальний внесок у величину Кag належить гідрофобним взаємодіям пропільних радикалів поверхні зі стероїдними сегментами НСА, а не взаємодіям уже зв’язаних аніонів холевої кислоти з СА– розчину. Холестирамін та адсорбент III мають однакову будову функціональних груп, але величини Кi, Кag і Кs для холестираміну суттєво менші, що свідчить про кооперативний характер його функціональних груп.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації запропоновано нове вирішення наукової проблеми, яка полягає у створенні ефективних адсорбентів жовчних кислот для покращення основних сорбційних параметрів порівняно з адсорбентами_секвестрантами медичного призначення, шляхом введення четвертинних амонієвих груп в поверхневий шар кремнезему за допомогою реакцій кватернізації, гідросилілювання та кополімеризації.

2. Встановлено, що в результаті взаємодії між галогеналкілкремнеземами та парами триетиламіну відбувається утворення четвертинних амонієвих груп, хімічно зв’язаних з поверхнею кремнезему. Ефективність здійснення реакції кватернізації збільшується в ряду: хлоропропілкремнезем  йодопропілкремнезем, йододецилкремнезем, досягаючи 100виходу хімічно закріплених функціональних груп в м’яких умовах.

3. Продемонстровано можливість хімічної іммобілізації четвертинних амонієвих груп на поверхні гідридкремнезему за допомогою реакції термічного гідросилілювання вінілбензилтриметиламоній хлориду. Встановлено, що термічне і особливо каталітичне гідросилілювання супроводжується побічними процесами гідролізу та алкоголізу кремнійгідридних груп кремнезему.

4. Знайдено оптимальні умови введення в поверхневий шар кремнезему четвертинних амонієвих груп, ідентичних за своєю будовою функціональним групами холестираміну, за допомогою реакції кополімеризації між вінілбензилтриметиламоній хлоридом та вінілкремнеземом: мольне співвідношення компонентів [вінільні групи кремнезему] : [ВБТМАХ] : [ініціатор] = 1  .12 та температура реакції 65 С.

5. Встановлено, що адсорбція холевої кислоти на кремнеземах, хімічно модифікованих четвертинними амонієвими групами, здійснюється не лише за аніонообмінним механізмом, але, в значній мірі, і завдяки взаємодіям між гідрофобними ділянками поверхні адсорбентів та молекул холевої кислоти. Розраховані константи аніонного обміну Кі, агрегування Кag та стійкості Ks суттєво перевищують адсорбційні параметри холестираміну.

6. Встановлено вплив кількості та будови хімічно закріплених четвертинних амонієвих груп на адсорбцію холевої кислоти. Збільшення концентрації функціональних груп приводить до утворення на поверхні кооперативних адсорбційних центрів і зменшення констант Кі і Ks.

7. Доведено, що основний внесок у величину константи агрегування Кag дають взаємодії холевої кислоти, яка знаходиться у розчині, з гідрофобними ділянками поверхні адсорбента, а не з гідрофобними сегментами аніонів холевої кислоти поверхневих адсорбційних комплексів.

Основні результати дисертаційної роботи викладено в публікаціях:

1. Бєлякова Л.О., Варварiн А.М., Роїк Н.В. Вплив адсорбцiйного i хiмiчного модифiкування поверхнi високодисперсного кремнезему на адсорбцiю холевої кислоти // Хімія, фізика та технологія поверхні: Міжвід. зб. наук. пр. / Ін-т хімії поверхні НАН України. К.: Вид. дім. “КМ Академія”. – . – Вип. . – С. 115–122.

Здобувачем вивчено конструювання четвертинних амонієвих груп безпосередньо на поверхні йододецилкремнезему, а також адсорбцію холевої кислоти децилтриетиламонійгідроксикремнеземом в залежності від рН рівноважного розчину.

2. Белякова Л.А., Варварин А.М., Роик Н.В. Синтез четвертичных аммониевых групп в поверхностном слое кремнезема методом химической сборки // Укр. хим. журнал. – . – Т. , № . – С. 40–44.

Здобувачем досліджено з використанням методу ІЧ спектроскопії, термогравіметричного аналізу з програмованим нагріванням, рН-метрії і хімічного аналізу поверхневих сполук хімічні реакції, які приводять до синтезу пропілтриетиламоній та децилтриетиламоній галогенідних груп безпосередньо в поверхневому шарі кремнезему.

3. Роїк Н.В., Бєлякова Л.О., Головкова Л.П. Особливості адсорбції холевої кислоти на поверхні модифікованих кремнеземів // Укр. хим. журнал. – 2004. – Т. 70, № . – С. 69–74.

Здобувачем вивчено адсорбцію холевої кислоти на поверхні хімічно модифікованих кремнеземів і холестираміну та проаналізовано її залежність від рН рівноважного розчину.

4. Белякова Л.А., Власова Н.Н., Головкова Л.П., Ляшенко Д.Ю., Бесараб Л.Н., Роик Н.В. Адсорбция желчных кислот на поверхности геминсодержащих кремнеземов // Журн. физ. химии. – 2004. – Т. , № . – С. 1097–1101.

Здобувачем синтезовано амінопропілкремнеземи, одержано дані про хімічний склад їх поверхні та визначено константи основності амінопропільних груп.

5. BelyakovaBesarabRoik, LyashenkoVlasovaGolovkovaChuiko A.A. Designing of the centers for adsorption of bile acids on a silica surface // J. Colloid and Interface Sci. – . – , № 1. – –20.

Здобувачем співставлено основні параметри адсорбції холевої кислоти на холестираміні з аналогічними характеристиками для хімічно модифікованих кремнеземів.

6. Roik, VarvarinBelyakovaSynthesis of silicas modified by quaternary ammonium groups for sorption of bile acids // Proceedings of 9th PolishSymposium “Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Application”. – Sandomierz. – 5–9 September 2005. – P. –238.

Здобувачем вивчено хімічні реакції кополімеризації та кватернізації на поверхні вініл- і галогеналкілкремнеземів відповідно, синтезовано кремнеземні сорбенти, модифіковані четвертинними амонієвими групами різного складу, вивчено адсорбцію холевої кислоти в залежності від рівноважної концентрації та розраховано адсорбційні параметри комплексів “адсорбент–холева кислота”.

7. Варварин А.М., Белякова Л.А., Роик Н.В. Синтез и свойства гидридкремнеземов // Тезисы Межд. конф. “Функционализированные материалы: синтез, свойства и применение”. – Киев. – 25–29 сентября 2002. – С. 82–84.

Здобувачем синтезовано гідридкремнезем в результаті взаємодії гідроксильованого кремнезему з метилдихлорсиланом та вивчено будову його поверхні методом ІЧ спектроскопії і хімічного аналізу поверхневих сполук.

8. Белякова Л.А., Чуйко А.А., Варварин А.М., Роик Н.В., Власова Н.Н., Головкова Л.П., Свеженцова А.А. Функциональные органокремнеземы для сорбции желчных кислот // Тезисы Межд. конф. “Функционализированные материалы: синтез, свойства и применение”. – Киев. – 25–29 сентября 2002. – С. 300–302.

Здобувачем синтезовано амінопропілкремнеземи та визначено концентрації закріплених функціональних груп.

9. Роик Н.В., Белякова Л.А. Синтез органокремнеземных сорбентов с различной основностью функциональных групп и степенью гидрофобности поверхности // Тезисы Второй Всероссийской конференции (с международным участием) “Химия поверхности и нанотехнология”. – С._Петербург–Хилово. – 23–28 сентября 2002. – С. 25–26.

Здобувачем здійснено реакцію кватернізації в поверхневому шарі галогеналкілкремнеземів та вивчено адсорбцію холевої кислоти кремнеземами, хімічно модифікованими четвертинними амонієвими групами.

10. Роїк Н.В., Бєлякова Л.О. Хімічно модифіковані кремнеземи для сорбції жовчних кислот // Тези доповідей Всеукраїнської конференції молодих вчених з актуальних питань хімії. – Київ. – –30 травня 2003. – С. .

Здобувачем досліджено адсорбцію холевої кислоти на поверхні гідроксильованого кремнезему та амінопропілкремнеземів в залежності від рН рівноважного розчину.

11. Варварин А.М., Белякова Л.А., Роик Н.В. Конструирование центров адсорбции желчных кислот на поверхности кремнезема // Материалы IX Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых “Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ”. – Москва–Клязьма. – 19–23 апреля 2004. – С. .

Здобувачем розроблено методики хімічного модифікування поверхні кремнезему четвертинними амонієвими групами.

12. Roik, Belyakova L.A. Adsorption of cholic acid on silicas with quaternary ammonium groupsBook of abstracts of International Conference “Nanomaterials in Chemistry, Biology and Medicine”. – – –17 September 2005. – .

Здобувачем вивчено адсорбцію холевої кислоти органокремнеземами, які відрізняються хімічним складом і будовою закріплених четвертинних амонієвих груп, та холестираміном. Розраховано константи іонного обміну, агрегування та стійкості для кремнеземних і полімерного адсорбентів.

Роїк Н.В. Конструювання центрів адсорбції холевої кислоти на поверхні високодисперсного кремнезему. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2006.

В дисертації розглянуто актуальні питання конструювання центрів адсорбції холевої кислоти шляхом спрямованого модифікування поверхні кремнезему четвертинними амонієвими групами.

Здійснено хімічну іммобілізацію тетраалкіламоній галогенідних груп різної будови на поверхні високодисперсних аморфних кремнеземів з використанням реакцій кватернізації, гідросилілювання і кополімеризації. За допомогою ІЧ спектроскопії, термічного аналізу з програмованим нагріванням і хімічного аналізу поверхневих сполук встановлено будову функціональних груп органокремнеземів, а також межі їх термічної і хімічної стабільності.

Розраховано константи аніонного обміну, агрегування та стійкості. Показано, що хімічне закріплення четвертинних амонієвих груп на поверхні кремнезему приводить до покращення основних параметрів адсорбції холевої кислоти як порівняно з гідроксильованим кремнеземом, так і з холестираміном.

Ключові слова: кремнезем, кватернізація, гідросилілювання, кополімеризація, четвертинні амонієві групи, адсорбція, аніонний обмін, холева кислота, холестирамін.

Роик Н.В. Конструирование центров адсорбции холевой кислоты на поверхности высокодисперсного кремнезема. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 01.04.18 – физика и химия поверхности. – Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 2006.

В диссертации рассмотрены актуальные вопросы конструирования центров адсорбции холевой кислоты путем направленного модифицирования поверхности кремнезема четвертичными аммониевыми группами.

Осуществлена химическая иммобилизация тетраалкиламмоний галогенидных групп различного строения на поверхности высокодисперсных аморфных кремнеземов с использованием реакций кватернизации, гидросилилирования и сополимеризации. С помощью ИК спектроскопии, термического анализа с программируемым нагревом и химического анализа поверхностных соединений установлено строение функциональных групп органокремнеземов, а также пределы их термической и химической стабильности. Изучена адсорбция холевой кислоты в зависимости от времени, рН, ионной силы и концентрации раствора синтезированными органокремнеземами и для сравнения полимерным адсорбентом-секвестрантом медицинского назначения (холестирамином).

Установлено, что реакция нуклеофильного присоединения триэтиламина к галогеналкилкремнеземам может быть проведена в мягких условиях. Найдены оптимальные условия протекания реакции сополимеризации с участием винилбензилтриметиламмоний хлорида и винилкремнезема. Продемонстрирована принципиальная возможность химической иммобилизации четвертичных аммониевых групп в поверхностном слое гидридкремнезема с использованием реакции твердофазного термического гидросилилирования.

Установлено, что адсорбция холевой кислоты кремнеземами, химически модифицированными четвертичными аммониевыми группами, происходит за счет анионного обмена, а также дисперсионных взаимодействий между гидрофобными участками поверхности и молекул холевой кислоты. Рассчитаны константы анионного обмена, агрегирования и устойчивости. Установлена взаимосвязь адсорбционных параметров со строением модифицирующего слоя синтезированных кремнеземных сорбентов. Показано, что химическое закрепление четвертичных аммониевых групп на поверхности кремнезема приводит к улучшению основных параметров адсорбции холевой кислоты как по сравнению с гидроксилированным кремнеземом, так и с холестирамином.

Ключевые слова: кремнезем, кватернизация, гидросилилирование, сополимеризация, четвертичные аммониевые группы, адсорбция, анионный обмен, холевая кислота, холестирамин.

RoikDesigning of the centers for adsorption of cholic acid on a surface of highly dispersed silica. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.18 – physics and chemistry of surface. – Institute of Surface Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The fundamental problems of designing of the centers for cholic acid adsorption by direct modification of silica surface with quaternary ammonium groups has been considered in the dissertation.

The chemical immobilization of tetraalkylammonium halogen groups with various chemical composition on a surface of highly dispersed amorphous silicas has been realized by use of quaternization, hydrosilylation and copolymerization reactions. The structure of modified layer of organosilicas and the limits of its thermal and chemical stability has been found using IR spectroscopy, thermal analysis with programmed heating and chemical analysis of surface compounds.

Constants of anion exchange, aggregation and stability have been calculated. It has been shown that the chemical grafting of quaternary ammonium groups on a silica surface results in improving of main adsorption parameters of cholic acid in comparison with hydroxylated silica and cholestyramine.

Key words: silica, quaternization, hydrosilylation, copolymerization, quaternary ammonium groups, adsorption, anion exchange, cholic acid, cholestyramine.