Національна Академія наук України

інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка

Носач Людмила Вікторівна

УДК 544.723

оСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОДІЇ

ДЕЯКИХ біоЛОГІЧНО АКТИВНИХ СПОЛУК ТА ПОЛІМЕРІВ

З ПОВЕРХНЕЮ високодисперснОГО кремнеземУ

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України

Науковий керівник кандидат хімічних наук,

Воронін Євген Пилипович,

Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Трохимчук Анатолій Костянтинович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

провідний науковий співробітник

кафедри неорганічної хімії хімічного факультету

кандидат хімічних наук,

старший науковий співробітник

Тельбіз Герман Михайлович,

Інститут фізичної хімії

ім. Л.В.Писаржевського НАН України,

старший науковий співробітник

Захист відбудеться “11” жовтня 2007 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні ім. О.О.Чуйка НАН України за адресою: 03164, Київ, вул. Генерала Наумова, 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні ім. О.О.Чуйка НАН України, Київ, вул. Генерала Наумова, 17

Автореферат розісланий “ 7 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.П. Приходько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аморфний непористий високодисперсний кремнезем, який складається з нанорозмірних частинок (нанокремнезем), на сьогоднішній день використовується як вихідна речовина для виготовлення медичних препаратів сорбційно-детоксикаційної дії. Створенння на основі нанокремнезему та біологічно активних сполук (БАС) біонанокомпозитів із заданими характеристиками за спектром дії та формою застосування відкриває нові широкі можливості для його використання в медицині. Одним із перспективних способів одержання біонанокомпозитів є адсорбційне модифікування, яке полягає в тому, що поверхню нанокремнезему покривають шаром речовини, який міцно утримується за рахунок адсорбційних сил.

Адсорбційне модифікування дозволяє ефективно регулювати комплекс властивостей високодисперсного кремнезему, в тому числі: фізико-хімічні – зокрема, адсорбційну активність по відношенню до різних сполук, ліофільність та гідрофобно-гідрофільний баланс поверхні; структурно-механічні – в’язкість, седиментаційну і агрегативну стійкості суспензій, міцність міжчастинкових взаємодій, пилеутворення; фармако-біологічні – біосумісність, протеонектичну і осмотичну активності. Слід відмітити, що вказані властивості по-різному залежать від ступеня модифікування кремнезему, в одних випадках така залежність має монотонний характер, а в інших – екстремальний. Тому для синтезу модифікованих кремнеземів із необхідним комплексом властивостей дуже важливою є можливість одержувати задану ступінь покриття поверхні з контрольованою будовою адсорбційного шару.

Будова адсорбційного шару біологічно активних сполук на поверхні кремнезему визначається природою міжмолекулярних взаємодій адсорбат-адсорбат та адсорбат-адсорбент. Тому для цілеспрямованого адсорбційного модифікування нанокремнезему необхідні глибокі знання про фізико-хімічні процеси, які при цьому відбуваються. Поверхня високодисперсного кремнезему містить активні центри різної природи, які істотно впливають на його фізичні та хімічні властивості. Незважаючи на численні багаторічні дослідження, до сьогоднішнього часу залишається дискусійним питання про вклад різних поверхневих центрів у взаємодію з адсорбованими молекулами. Разом з тим, такі знання є дуже важливою передумовою для направленого конструювання поверхневих структур з певною просторовою організацією для надання модифікованому кремнезему необхідних властивостей.

Важливу роль у міжмолекулярних взаємодіях відіграють стеричні фактори. При адсорбційних взаємодіях вони полягають у наявності просторових перешкод, які виникають внаслідок пористості, утворення вторинних структур – агрегатів – у випадку непористих високодисперсних речовин, або за рахунок функціонального покриття. Слід відмітити, що агрегування наночастинок кремнезему не створює перешкод для ефективної адсорбції відносно невеликих за розмірами молекул води, нижчих спиртів, аміаку, діетилового ефіру тощо. У той же час низьку адсорбцію на поверхні високодисперсного кремнезему більших за розмірами біологічно активних молекул (наприклад, тетрацикліну, вітамінів тощо) часто пов’язують з проявом стеричних ускладнень внаслідок агрегування. Агрегати наночастинок кремнезему є нестабільними утвореннями і в залежності від умов (агрегатний стан та природа дисперсійного середовища; теплова, ультразвукова або механічна дія тощо) легко розпадаються і утворюють нові структури, що може впливати на адсорбційні процеси у поверхневому шарі.

Тому дослідження особливостей адсорбційних взаємодій відмінних за розмірами та хімічною природою біологічно активних сполук та полімерів з активними центрами поверхні високодисперсного кремнезему в різних дисперсійних середовищах є важливою та актуальною задачею як з наукової, так і з практичної точок зору.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках відомчої тематики Інституту хімії поверхні НАН України: “Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ держреєстрації 0103U006286).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягала у виявленні особливостей адсорбційної взаємодії високодисперсного кремнезему з біологічно активними молекулами та полімерами в різних умовах та розробці на основі одержаних наукових результатів нових ефективних способів модифікування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання: –

визначити природу активних центрів поверхні та функціональних груп адсорбованих молекул, що беруть участь у взаємодії; –

виявити будову сорбційних комплексів молекул модифікаторів з активними центрами; –

встановити конформацію поверхневого шару адсорбованих високомолекулярних сполук: визначити частки мономерних ланок, що безпосередньо взаємодіють з поверхнею (параметр р), ступінь покриття поверхні тощо; –

дослідити можливий вплив агрегування наночастинок високодисперсного кремнезему на доступність його поверхні для взаємодії з молекулами модифікаторів.

Об’єкт дослідження – адсорбційне модифікування поверхні високодисперсного кремнезему.

Предмет дослідження – взаємодія молекул нелетких органічних сполук з активними центрами поверхні та будова адсорбційного шару.

Методи дослідження – метод ІЧ-спектроскопії, який надав можливість: 1) ідентифікувати вільні та воднево-зв’язані поверхневі силанольні групи, визначити їх роль в адсорбційних взаємодіях; 2) якісно ідентифікувати адсорбовані на поверхні молекули; 3) визначити ступінь покриття поверхні адсорбованими молекулами (у випадку полімерів визначити також параметр р); 4) оцінити енергію взаємодії вільних силанольних груп з адсорбованими молекулами. Метод мас-спектрометрії дозволив провести напівкількісне визначення вмісту сорбованої води на поверхні високодисперсного кремнезему з різним ступенем модифікування полімерами. Метод термогравіметрії дозволив провести кількісне визначення вмісту сорбованої води на поверхні високодисперсного кремнезему з різним ступенем модифікування полімером і кількість адсорбату. Методи атомної силової мікроскопії та лазерної кореляційної спектроскопії дозволили визначити форму та розміри первинних частинок та їх різних вторинних утворень (агрегатів, агломератів тощо) вихідного та модифікованих високодисперсних кремнеземів. За низькотемпературною адсорбцією азоту було розраховано структурні характеристики первинних наночастинок та їх різноманітних вторинних утворень. До числа таких характеристик відносяться величина питомої поверхні, розмір частинок та розподіл міжчастинкових порожнин і каналів за розмірами та об’ємом. Геометричні параметри молекул і адсорбційних комплексів, енергію взаємодії та вільну енергію взаємодії з урахуванням сольватації було розраховано неемпіричними методами у базисах 6-31G(d,p) та напівемпіричними методами АМ1, ПМ3 (програми HyperChem 6.0).

Наукова новизна одержаних результатів. Показано, що утворення поверхневого адсорбційного шару досліджених молекул відбувається внаслідок взаємодії головним чином з вільними силанольними групами кремнезему. Участі інших поверхневих силанольних груп, які в ІЧ-спектрах характеризуються смугами поглинання 3660-3680 та 3550 см-1, в адсорбційних взаємодіях не виявлено. При адсорбції органічних сполук певний внесок дає також дисперсійна неспецифічна взаємодія, проте він є значно меншим, ніж той, що обумовлений водневими зв’язками.

Виявлено, що адсорбційна взаємодія з поліоксіетиленом (ПОЕ) та полівінілпіролідоном (ПВП) супроводжується витісненням з поверхні високодисперсного кремнезему сорбованих молекул води. Конформація моношарів ПОЕ та ПВП характеризується пласким розташуванням макромолекул і практично не залежить від умов взаємодії: адсорбції в умовах рівноваги, імпрегнації (просочування), механосорбції та псевдозрідження.

Встановлено, що утворення в дисперсіях кремнезему вторинних структур різної компактності не впливає на доступність поверхні наночастинок для взаємодії із дослідженими молекулами модифікаторів, незалежно від їх молекулярної маси та розмірів.

Виявлено, що визначальним фактором, який обумовлює перебіг процесу модифікування високодисперсного кремнезему нелеткими органічними сполуками в умовах газового дисперсійного середовища, є сольватація і, як наслідок, пластифікація молекул модифікатора.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові результати дозволили розробити ефективний і екологічно чистий спосіб конструювання біонанокомпозитів шляхом адсорбційного модифікування високодисперсного кремнезему нелеткими біологічно активними сполуками та полімерами в умовах газового дисперсійного середовища в атмосфері сольватанту (вода, етанол тощо). Розроблений спосіб модифікування дозволяє досягати заданого ступеня покриття поверхні кремнезему і практично повністю зберегти його початкову дисперсність. Це відкриває нові широкі можливості для створення комбінованих медичних препаратів на основі високодисперсного кремнезему шляхом іммобілізації на його поверхні біологічно активних сполук. Подано заявку на патент України а  .

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено пошук, підбір та аналіз літературних даних. Особисто автором виконана основна експериментальна робота, а саме: дослідження взаємодії полімерів (полівінілпіролідону, поліоксіетилену, полістиролу, вазелінового масла) та біологічно активних сполук (ібупрофену, біс-четвертинних амонієвих сполук, тетрацикліну, сахаридів, поліолів) з активними центрами на поверхні високодисперсного кремнезему; визначення будови адсорбційного поверхневого шару цих речовин методами ІЧ-спектроскопії, диференціального термічного та термогравіметричного аналізу; виявлення факторів, які впливають на процес модифікування кремнезему.

Постановку задач, обговорення, інтерпретацію результатів дослідження та їх узагальнення у вигляді публікацій, а також формулювання висновків дисертації виконані спільно з науковим керівником к.х.н. Є.П.Вороніним. Обговорення результатів досліджень проводилося разом із д.х.н. В.М.Гуньком (Інститут хімії поверхні (ІХП) НАН України), будову адсорбційного шару полімерів – з к.х.н. М.Л.Малишевою (Київський національний університет імені Тараса Шевченка), адсорбційно-структурних досліджень – з проф. Р.Лебодою і д-ром Я.Скубішевською-Зембою (Люблінський університет ім.М.Кюрі-Склодовської, Польща); графічний розклад ІЧ-спектрів проводили разом з к.х.н. Є.М.Пахловим (ІХП НАН України); модифікування кремнезему з рідкої фази способом адсорбції в умовах рівноваги полівінілпіролідоном проводили разом із к.х.н. Н.В.Гузенко (ІХП НАН України), а тетрацикліном – із Н.Ф.Слишик (ІХП НАН України); дериватографічні дослідження проводили разом із к.х.н. М.В.Борисенком (ІХП НАН України); побудову просторових структурних моделей молекул – з О.Є.Вороніною (Київський національний університет імені Тараса Шевченка). АСМ-мікрофотографії синтезованих здобувачем зразків кремнеземів і ізотерми адсорбції азоту зроблено д-ром Я.Скубішевською-Зембою (Люблінський університет ім.М.Кюрі-Склодовської, Польща). Розрахунки зроблено за програмами, розробленими д.х.н. В.М.Гуньком (ІХП НАН України).

Особисто дисертантом одержано всі зразки кремнеземів, модифікованих способами адсорбції, імпрегнації, механосорбції та в умовах інтенсивного перемішування у газовому дисперсійному середовищі; одержано ІЧ-спектри досліджених зразків; проведено обробку та аналіз ІЧ-спектрів, ізотерм адсорбції і термограм.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 10 українських та міжнародних симпозіумах та конференціях: V Українській конференції молодих вчених з високомолекулярних сполук (Київ, 2003 р.); Всеукраїнській конференції молодих вчених з актуальних питань хімії (ІХП НАН України, Київ, 2003 р.); 9-тій та 10-тій щорічних наукових конференціях НаУКМА “Україна: людина, суспільство, природа” (Київ, 2003 р., 2004 р.); Міжнародній школі-семінарі для молодих вчених “Наноматеріали в хімії і біології” (ІХП НАН України, Київ, 2004 р.); X Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2005 р.); IX міжнародному медичному конгресі студентів і молодих учених (Тернопіль, 2005 р.); International conference “Nanomaterials in chemistry, biology and medicine” (Київ, 2005 р.); Сьомій всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2006 р.); Международной конференции-школе “Коллоидные системы. Свойства, материалы, применение” (Одеса, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 статей та тези 8 доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури та 2 додатків. Матеріали роботи викладено на 218 сторінках друкованого тексту, що містять 19 таблиць і 142 рисунки. Бібліографія включає 222 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

РОЗДІЛ 1. Огляд літератури. У першому розділі подано огляд літератури за темою дисертації, в якому розглянуті властивості та будова поверхні високодисперсного кремнезему, види модифікування високодисперсного кремнезему, застосування високодисперсного кремнезему в медицині та фармації, сформульовано напрям дисертаційного дослідження.

РОЗДІЛ 2. Матеріали та методи дослідження. У другому розділі наведено характеристики застосованих матеріалів, описано способи модифікування поверхні кремнезему полімерами і нелеткими органічними сполуками та методи дослідження одержаних зразків. Модифікування поверхні високодисперсного кремнезему здійснювали у рідкому (способами адсорбції в умовах рівноваги та імпрегнації, або просочування) та газовому (способами механосорбції та псевдозрідження) дисперсійних середовищах. Як модифікатори були використані представники різних класів органічних сполук, які з фізико-хімічної точки зору різняться за: а) агрегатним станом (тверді, рідкі); б) масою та розмірами молекул (високомолекулярні, низькомолекулярні); в) особливостями електронної будови функціональних груп, що дозволяє віднести їх за класифікацією А.В. Кисельова до адсорбтивів груп А, В, D; г) природою міжмолекулярних взаємодій у конденсованому стані. Це: полімери – полівінілпіролідон (ПВП), полістирол (ПС), поліоксіетилен (ПОЕ), вазелінове масло; карбонові кислоти – 2-(4-ізобутилфеніл)пропіонова кислота (ібупрофен); біс-четвертинні амонієві сполуки – дихлорид етилен-1,2-біс-(N-диметил-карбдецил-оксиметил)-амонія (етоній), 1,10-декаметилен-біс-[N-диметил-(карбментоксиметил)-амоній] дихлорид (дека-метоксин); поліфеноли – 4-диметиламіно-1,4,4а,5,5а,6,11,12а-октагідро-3,6,10,12,12а-пентагідрокси-6-метил-1,11-діоксо-2-нафтаценкарбокс-амід (тетрациклін); сахариди та поліоли – глюкоза, маніт, сорбіт, галактоза, лактоза, крохмаль, гліцерин. Такий широкий спектр властивостей наведених молекул надає можливість дослідити основні закономірності процесів адсорбційного модифікування високодисперсного кремнезему нелеткими органічними сполуками. Вибір модифікаторів був обумовлений також тим, що наведені сполуки ефективно застосовуться у фармації.

Описано застосування методу ІЧ-спектроскопії для визначення структури адсорбційного шару низькомолекулярних речовин на поверхні кремнезему (моношарове покриття або утворення кластерів), а для високомолекулярних сполук – параметра р; а також спосіб дослідження структурних характеристик дисперсій кремнезему за низькотемпературною адсорбцією азоту, а форми і розміри агрегатів наночастинок – методами атомно-силової мікроскопії та лазерної кореляційної спектроскопії. Вплив модифікування на стан фізично сорбованої води у поверхневому шарі якісно було досліджено методом мас-спектрометрії, а кількісно – за допомогою термогравіметрії. Використання квантово-хімічних методів дозволило визначити геометричні параметри молекул і адсорбційних комплексів, енергію взаємодії та вільну енергію взаємодії з урахуванням сольватації.

РОЗДІЛ 3. Дослідження будови адсорбційного шару полімерів на поверхні високодисперсного кремнезему. Поверхневий адсорбційний шар модифікатора може бути охарактеризованим такими показниками: 1) кількість адсорбованої речовини; 2) структура поверхневого шару; 3) тип поверхневих активних центрів і функціональних груп молекул модифікатора, які беруть участь в адсорбційній взаємодії; 4) природа та енергія взаємодії поверхня-модифікатор.

Ізотерма адсорбції ПВП з водного розчину описується рівнянням Ленгмюра і у координатах С/А-С вона має вигляд прямої лінії (рис. , а). Розраховане значення величини максимальної адсорбції (Амакс) склало приблизно 185 мг ПВП на 1 г кремнезему, або 0,7-0,8 мг/м2.

Рис. 1. а) Ізотерма адсорбції ПВП з водного розчину (1 – адсорбційна, 2 – десорбційна гілки); б) ІЧ-спектри високодисперсного кремнезему: вихідного (1) та з адсорбованим полівінілпіролідоном у кількості 60 (2), 110 (3) і 200 мг/г (4).

Про утворення водневих зв’язків з вільними силанольними групами свідчить зсув смуги поглинання в ІЧ-спектрі 3750 см-1 в область нижчих частот (рис. , б), повне збурення яких при вмісті ПВП, що дорівнює ємності моношару, означає, що вся поверхня високодисперсного кремнезему доступна для взаємодії з молекулами адсорбтиву, у тому числі великих розмірів.

Із залежності ступеня збурення поверхневих силанольних груп від вмісту ПВП (рис.2, а) було розраховано параметр p, який характеризує частку мономерних ланок, що утворюють зв’язки з силанольними групами, від загальної кількості у полімерному ланцюзі. Встановлено, що параметр р для моношарового покриття ПВП при адсорбції в умовах рівноваги, імпрегнації (просочування), механосорбції та псевдозрідження становить близько 0,4, тобто петлі і хвости полімеру містять лише 1-2 ланки. Це свідчить про те, що конформація моношарів ПВП в усіх наведених випадках характеризується пласким розташуванням макромолекул і практично не залежить від умов взаємодії.

Рис. . Залежності ступеня збурення поверхневих силанольних груп И (1) і параметра p (2) від вмісту ПВП: а) адсорбція з рівноважного розчину; б) модифікування способом імпрегнації; в) модифікування в умовах псевдозрідження.

При цьому структура агрегатів і їх розміри залишаються практично незмінними, про що свідчать мікрофотографії, одержані за допомогою атомного силового мікроскопу, та ізотерми адсорбції азоту (рис. ).

Рис. . Мікрофотографії та ізотерми адсорбції азоту на поверхні вихідного високодисперсного кремнезему (а) та модифікованого полівінілпіролідоном (б).

Високу спорідненість до поверхні кремнезему виявляє і ПОЕ, про що свідчать ізотерма адсорбції та функція розподілу вільної енергії Гібса (рис. 4). При величині адсорбції ~200 мг/г ізотерма виходить на плато, що свідчить про утворення моношарового покриття.

Рис. 4. а) – Ізотерма адсорбції ПОЕ з водного розчину (1 – адсорбційна, 2 – десорбційна гілки); б) – функція розподілу вільної енергії Гібса адсорбції ПОЕ.

Таке ж саме покриття утворюється у випадку модифікування кремнезему поліоксіетиленом в умовах псевдозрідження. Крім ІЧ-спектрів про це свідчать результати структурно-адсорбційних досліджень. Очевидно, що якби модифікатор знаходився в зразку у вигляді окремої фази (тобто зразок містив баласт), то це призвело б до зменшення формальних значень величини питомої поверхні та об’єму порожнин (Vп), але ніяк не вплинуло б на інші структурні параметри дисперсій кремнезему, зокрема, співвідношень порожнин за розмірами та фрактальну розмірність (D). Але у дійсності спостерігається зовсім інша картина. По мірі збільшення вмісту ПОЕ відбувається значне зменшення об’єму мікропорожнин, зменшення об’єму мезопорожнин та істотне – майже вдвічі – зростання об’єму макропорожнин (рис. 5, а).

Рис. 5. Залежність структурних характеристик модифікованих зразків кремнезему від вмісту ПОЕ: (а) відносні зміни Vсум, Vмез, Vмак та (б) фрактальної розмірності D.

Такі зміни свідчать про те, що відстані між наночастинками кремнезему після взаємодії з ПОЕ збільшуються в результаті проникнення макромолекул у міжчастинкові щілини. Поверхня кремнезему внаслідок адсорбційного модифікування стає більш гладенькою, ніж вихідного. Про це свідчать зменшення величини фрактальної розмірності кремнезему з 2,543 до 2,415 після адсорбції ПОЕ (рис. 5, б).

Про відмінність конформацій макромолекул ПОЕ у конденсованому стані і на поверхні кремнезему свідчать результати термогравіметричних досліджень. З кривої 6 ДТГ (рис. , а) видно, що термодеструкція чистого ПОЕ починається із температури ~150 оС і досягає максимальної швидкості у діапазоні температур 300-400 оС. Наявність екзотермічного ефекту (кр. , рис. , б) означає, що відбувається окиснення полімера. Адсорбований на поверхні ПОЕ з великою швидкістю окислюється вже при температурі 160-170 оС (кр. , рис. , а, б). Очевидно, що основною причиною цього є диспергування ПОЕ внаслідок взаємодії з поверхнею.

Рис. 6. Дериватограми високодисперсного кремнезему, модифікованого поліоксіетиленом. Вміст полімеру: 0 (1), 4,1 (2), 8,1 (3), 11,9 (4) і 14,9 % мас. (5). Крива 6 – чистий ПОЕ.

Методами програмованої термодесорбції з масспектрометричним контролем, термогравіметрії та ІЧ-спектроскопії встановлено, що взаємодія полімерів з силанольними групами кремнезему супроводжується зменшенням вмісту адсорбованої на поверхні води (рис. ).

РОЗДІЛ 4. Взаємодія біологічно активних сполук з поверхнею високодисперсного кремнезему. Низькомолекулярні сполуки, які мають кілька активних груп, залежно від умов можуть взаємодіяти як з однією, так і з кількома силанольними групами поверхні. Наприклад, молекула декаметоксину взаємодіє одночасно з чотирма поверхневими ОН-групами. У цьому випадку повне збурення вільних силанольних груп в ІЧ-спектрах настає вже при адсорбції 0,17 ммоль/г декаметоксину, що становить лише чверть моношару. Така взаємодія відбувається за рахунок утворення водневих зв’язків між атомами водню силанольних груп і карбонільним та ефірним атомами кисню молекули декаметоксину. В той же час схожа за будовою молекула етонію взаємодіє тільки з двома силанольними групами. Можна припустити, що відмінність у будові сорбційних комплексів обумовлена стеричними факторами. В молекулі етонію між складноефірними угрупованнями знаходиться всього 6 ланок ланцюга, а в декаметоксині – 14. Тому молекула декаметоксину є більш гнучкою, а це створює сприятливі умови для взаємодії з максимальною кількістю силанольних груп.

Рис. 7. а) МС-термограма виділення молекул води з поверхні вихідного (1) та модифікованого полівінілпіролідоном (200 мг/г) кремнеземів (2); б) дериватограми високодисперсного кремнезему, модифікованого поліоксіетиленом. Вміст ПОЕ: 0), 43 (2), 88 (3), 135 (4) і 175 мг/г (5).

Адсорбовані на поверхні кремнезему молекули можуть взаємодіяти одночасно як з силанольними групами, так і між собою. Наприклад, у випадку ібупрофену, який у конденсованому стані існує у вигляді димерів, спочатку відбувається адсорбція окремих молекул. Але після досягнення його вмісту 0,3 ммоль/г сорбовані молекули внаслідок зменшення відстані між ними вступають у взаємодію між собою, утворюючи димери, які проявляються в ІЧ-спектрах у вигляді двох смуг поглинання 2625 і 2730 см-1.

Дослідження взаємодії тетрацикліну з поверхнею високодисперсного кремнезему виявило, що залежність між величиною адсорбції та ступенем збурення вільних силанольних груп до вмісту приблизно 0,45-0,5 ммоль/г має прямолінійний характер (рис. , а), а співвідношення ?Si-ОН:ТЦ становить 1:1. Ступінь збурення силанольних груп при цьому досягає 0,8 і далі залишається практично незмінним.

Результати квантовохімічних розрахунків свідчать, що молекула тетрацикліну є не зовсім пласкою (рис. ). Кут між двома площинами, які проходять відповідно через цикли А та B, C, D, становить не 180о, а приблизно 150о. Крім того, в молекулі з обох боків знаходяться функціональні групи, які розміщені перпендикулярно площині. Тому молекули тетрацикліну розташовуються на поверхні під певним кутом і прикривають собою частину вільних силанольних груп, які внаслідок цього не мають змоги взаємодіяти з наступними молекулами. Розрахунки показують, що площа проекції молекули тетрацикліну становить 1,26 нм2. Тому вже 0,45 ммоль тетрацикліну при моношаровому покритті займають 340 м2 поверхні. При пласкому розташуванні та участі інших активних груп молекули у взаємодії з поверхнею було б досягнуто повного збурення вільних силанольних груп, чого в дійсності не спостерігається.

Рис. . а) Залежність ступеня збурення вільних силанольних груп від вмісту тетрацикліну, б) схема взаємодії молекули тетрацикліну з поверхнею кремнезему.

Рис. . Просторова будова молекули тетрацикліну: вигляд з боку ребра.

Таким чином, з аналізу одержаних даних і будови молекули тетрацикліну можна зробити висновок про те, що в утворенні водневих зв’язків з поверхневими силанольними групами беруть участь саме карбонільні атоми кисню, які входять до амідної групи. Причиною неповного залучення силанольних груп у взаємодію з молекулами тетрацикліну є не недоступність поверхні наночастинок кремнезему, а особливості будови адсорбційного шару.

При модифікуванні високодисперсного кремнезему тетрацикліном в реакторі інтенсивного перемішування (РІП) у повітряно-етанольній атмосфері було виявлено, що взаємодія адсорбент-адсорбат відбувається навіть більш ефективно, ніж із водного розчину. При вмісті тетрацикліну 0,17 ммоль/г ступінь збурення вільних силанольних груп (и) склав 0,45 (табл. ).

Співвідношення силанольна група – молекула тетрацикліну у цьому випадку становить 1:1,6. Це означає, що лише 40 % поверхневих сорбційних комплексів мають склад 1:1, а решта 60 % – 1:2, на відміну від модифікування методом імпрегнації. Решта наведених у таблиці 1 співвідношень наводять на думку про те, що одна молекула ТЦ здатна взаємодіяти не тільки з однією силанольною групою, але і з двома, і навіть з трьома.

Таблиця 1

Склад адсорбційних комплексів тетрацикліну (ТЦ) залежно від умов модифікування (аТЦ=0,17 ммоль/г)

№ п/п | и | Співвідношення ?Si-OH:ТЦ | Частка комплексів різного складу, % | Умови модифікування

1:1 | 1:2 | 1:3

1 | 0,45 | 1:1,6 | 40 | 60 | - | РІП, t=20 оС; аетанолу=30

2 | 0,50 | 1:1,76 | 24 | 76 | - | Додаткове витримування в насичених парах етанолу при t=20 оС

3 | 0,59 | 1:2 | - | 100 | - | Додаткове витримування в насичених парах етанолу при t=90 оС

4 | 0,71 | 1:2,5 | - | 50 | 50 | Додаткова обробка у РІП при t=95 оС

З урахуванням особливостей будови молекули ТЦ зроблено припущення, що такими групами, крім карбоксильної групи амідного угрупування, за участю якої утворюються комплекси складу 1:1, можуть бути також гідроксильні групи в положеннях 3 та 12а (рис.8, б). Комплекси складу 1:2 і 1:3 можуть виникати внаслідок того, що одна з цих гідроксильних груп або вони обидві одночасно додатково утворюють зв’язки з сусідніми силанольними групами.

РОЗДІЛ 5. Модифікування високодисперсного кремнезему сахаридами і поліолами.

Було проведено адсорбційне модифікування поверхні високодисперсного кремнезему такими гідроксилвмісними сполуками як моно- , оліго- і полісахариди – глюкоза, галактоза, лактоза, крохмаль – та багатоатомними спиртами – манітом і сорбітом. Було виявлено, що низькомолекулярні сахариди та поліоли взаємодіють з кремнеземом слабко. При нанесенні на його поверхню у кількості 0,6 ммоль/г, яка відповідає концентрації вільних силанольних груп, ступінь покриття и склав: для глюкози – 0,58, галактози – 0,37, лактози – 0,33, сорбіту – 0,34, маніту – 0,29.

Несподівана картина виявилась при взаємодії з поверхнею кремнезему ряду моносахаридів в умовах модифікування в РІП. Після адсорбційного модифікування кремнезему глюкозою в повітряно-водній атмосфері ступінь покриття поверхні значно вищий, ніж у випадку рідкофазного модифікування (рис.10). Утворення моношарового покриття відбувається досить швидко – вже через 2 години модифікування у реакторі ступінь збурення силанольних груп залишається незмінним, навіть після наступного нагрівання до 90 оС та збільшення вмісту розчинника. Неповне покриття поверхні кремнезему спостерігається внаслідок можливих стеричних ускладнень, обумовлених циклічною будовою молекули глюкози.

Рис. . Залежність ступеня збурення вільних силанольних груп глюкозою (а) і манітом (б), у кількості 0,6 ммоль/г, від часу і умов модифікування у РІП в повітряно-водному газовому середовищі.

РОЗДІЛ 6. Особливості адсорбційних взаємодій на поверхні високодисперсного кремнезему. У зв’язку з уявленням про існування на поверхні кремнеземів двох типів силанольних груп – вільних і воднево-зв’язаних – виникає питання про участь цих груп у адсорбційній взаємодії. Одним із методів дослідження ролі в адсорбційних взаємодіях різних силанольних груп є метод графічного розкладу ІЧ-спектрів кремнеземів у діапазоні, де знаходяться смуги поглинання, що характеризують гідратно-гідроксильний поверхневий шар. Зіставлення розкладених ІЧ-спектрів кремнезему у діапазоні 2400-4000 см-1 до і після взаємодії з поліоксіетиленом свідчить, що адсорбція ПОЕ із рідкої фази призводить до зсуву тільки смуги 3750 см-1 внаслідок утворення водневих зв’язків, а смуги 3660-3680 та 3550 см-1 залишаються практично без змін (рис. ). Аналогічна ситуація спостерігається і при взаємодії з поверхнею кремнезему іншого полімеру – полівінілпіролідону.

Таким чином, результати дослідження із застосуванням методу графічного розкладення ІЧ-спектрів свідчать, що у специфічній адсорбційній взаємодії із молекулами ПВП та ПОЕ зв’язані гідроксильні групи поверхні кремнезему ніякої участі не беруть, а адсорбція відбувається лише на вільних силанольних групах поверхні кремнезему.

Оскільки адсорбційне модифікування це заміна одних функціональних груп на інші, то ступінь покриття поверхні кремнезему при однаковому вмісті модифікатора можна вважати критерієм ефективності способів модифікування при їх порівнянні. У таблиці 2 наведено дані про максимальні ступені покриття поверхні кремнезему дослідженими сполуками, які вдалося досягти із застосуванням різних способів модифікування.

Рис. . Графічне розкладення ІЧ-спектру високодисперсного кремнезему: вихідного (а) та модифікованого поліоксіетиленом (200 мг/г) способом імпрегнаціїб).

Таблиця 2

Залежність ступеня покриття поверхні кремнезему (и) від способу модифікування

Речовина | б | Значення и

мг/г | ммоль/г | Імпрегнація | МСМ | РІП

ПВП | 200 | 1 | 1 | 1

ПОЕ | 200 | 1 | 1 | 1

Вазелінове масло | 200 | -

-

- | 0,51

-

- | 0,58*

0,78**

0,94***

Ібупрофен | 0,60 | 1 | 1 | -

Етоній | 0,30 | 1 | 0,88 | 1

Декаметоксин | 0,17

0,35 | 1

1 | 0,68

1 | -

Тетрациклін | 0,60

0,30 | 0,80

0,48 | 0,66

0,50 | -

0,71

Глюкоза | 0,60 | 0,58 | 0,50 | 0,90

Маніт | 0,60 | 0,29 | 0,45 | 0,90

Сорбіт | 0,60 | 0,34 | - | 0,85

Галактоза | 0,60 | 0,37 | - | 0,90

Лактоза | 0,60 | 0,33 | - | 0,90

Крохмаль | 300 | 0,95 | - | 0,75

Гліцерин | 0,60 | - | 0,28 | 1****

* – перемішування при 20 оС, ** – перемішування при 90 оС, *** – перемішування при 20 оС в повітряно-гексановій атмосфері, **** – перемішування при 90 оС в повітряно-етанольній атмосфері.

З аналізу наведених у таблиці 2 даних випливає, що найбільш ефективним виявився спосіб модифікування кремнезему в умовах інтенсивного перемішування в газовому дисперсійному середовищі. Для всіх досліджених речовин у цьому випадку було досягнуто повне або майже повне моношарове покриття поверхні.

ВИСНОВКИ

1. З аналізу літературних даних встановлено, що поверхня високодисперсного кремнезему містить активні центри різної природи, які визначають всю сукупність його фізичних та хімічних властивостей, але питання про їх вклад у взаємодію з адсорбованими молекулами залишається дискусійним до сьогоднішнього часу. Крім того існують різні думки про роль стеричних факторів в адсорбційній взаємодії відмінних за розмірами та хімічною природою біологічно активних сполук та полімерів з активними центрами поверхні кремнезему в умовах газового та рідкого дисперсійних середовищ, що обумовлює актуальність досліджень у цьому напрямку.

2. Встановлено, що для адсорбційних моношарів поліоксіетилену (ПОЕ) та полівінілпіролідону (ПВП) на поверхні високодисперсного кремнезему частка мономерних ланок, що взаємодіють з силанольними групами, від загальної кількості у ланцюзі (параметр р) становить відповідно 0,2 та 0,4, а петлі і хвости містять від 1 до 4 ланок. Конформація таких моношарів характеризується пласким розташуванням макромолекул і практично не залежить від умов взаємодії: адсорбції в умовах рівноваги, імпрегнації (просочування), механосорбції та псевдозрідження.

3. Виявлено, що електронодонорні молекули (ПВП, ПОЕ, дихлорид етилен-1,2-біс-(N-диметил-карбдецил-оксиметил)-амонія, 1,10-декаметилен-біс-[N-ди-метил-(карбмент-оксиметил)-амоній]дихлорид) в умовах рідкої фази взаємодіють з поверхнею кремнезему з утворенням моношарового покриття, а протолітичні молекули – схильні крім того до латеральних взаємодій (2-(4-ізобутил-феніл)пропіонова кислота) або утворення поверхневих кластерів (низькомолеку-лярні сахариди, поліоли).

4. Показано, що утворення поверхневого адсорбційного шару досліджених молекул відбувається внаслідок взаємодії лише з вільними силанольними групами кремнезему. Участі інших поверхневих силанольних груп, які в ІЧ-спектрах характеризуються смугами поглинання 3660-3680 та 3550 см-1, в адсорбційних взаємодіях не виявлено.

5. Методами програмованої термодесорбції з масспектрометричною реєстрацією, термогравіметрії та ІЧ-спектроскопії виявлено (на прикладі ПВП та ПОЕ), що адсорбційна взаємодія з дослідженими сполуками супроводжується витісненням з поверхні високодисперсного кремнезему сорбованих молекул води.

6. Встановлено, що утворення в дисперсіях кремнезему вторинних структур різної компактності не впливає на доступність поверхні наночастинок для взаємодії із дослідженими молекулами модифікаторів, незалежно від їх молекулярної маси та розмірів.

7. На основі одержаних наукових результатів розроблено новий високоефективний спосіб адсорбційного модифікування дисперсного кремнезему полімерами та нелеткими органічними сполуками в умовах псевдозрідження у газовому дисперсійному середовищі в атмосфері сольватанту. Розроблений спосіб модифікування дозволяє досягати заданого ступеня покриття поверхні кремнезему і практично зберегти його початкову дисперсність.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Носач Л.В., Гнатишин Л.Б. Використання аморфного високодисперного кремнезему в медицині // Наукові записки НаУКМА. – 2003. – Т. 22. – С. 442-447.

Здобувачем проведено аналіз літератури, присвяченої застосуванню високодисперсного кремнезему в медичній практиці та фармації.

2. Гунько В.М., Михаловский С.В., Мелилло М., Воронин Е.Ф., Носач Л.В., Пахлов Е.М. Взаимодействие ибупрофена с углеродными и оксидными адсорбентами // Теорет. и эксперим. химия. – 2004. – Т. 40, № 3. – С. 133-138.

Здобувачем проведено механосорбційне модифікування високодисперсного кремнезему з різним ступенем гідрофобізації ібупрофеном з використанням мікровіброподрібнювача та ІЧ-спектральне дослідження будови поверхневого адсорбційного шару.

3. Слишик Н.Ф., Носач Л.В., Вороніна О.Є. Адсорбція антибіотиків тетрациклінового ряду на поверхні високодисперсного кремнезему // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2004. – Вип. 10. – С. 170-174.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування способом імпрегнації кремнезему тетрацикліном, методом ІЧ-спектроскопії досліджено особливості будови поверхневого шару.

4. Гузенко Н.В., Носач Л.В., Чмильов М.В. Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2004. – Вип. 10. – С. 192-197.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему полівінілпіролідоном та полістиролом; методом ІЧ-спектроскопії досліджено будову адсорбованого шару полімерів.

5. Voronin E.F., Gun'ko V.M., Guzenko N.V., Pakhlov E.M., Nosach L.V., Leboda R., Skubiszewska-Ziкba J., Malysheva M.L., Borysenko M.V., Chuiko A.A. Interaction of poly(ethylene oxide) with fumed silica // Journal of Colloid and Interface Science. – 2004. – V. 279. – P. 326-340.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему поліоксіетиленом способом імпрегнації та досліджено структуру поверхневого шару методом ІЧ-спектроскопії.

6. Gun'ko V.M., Zarko V.I., Voronin E.F., Goncharuk E.V., Andriyko L.S., Guzenko N.V., Nosach L.V., Janusz W. Successive interaction of pairs of soluble organics with nanosilica in aqueous media // J. Colloid Interface Sci. – 2006. – V. 300, N 1. – Р. 20-32.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему полівінілпіролідоном, поліетиленгліколем та етонієм, методом ІЧ-спектроскопії досліджено будову поверхневого шару органічних сполук.

7. Gun'ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Pakhlov E.M., Guzenko N.V., Leboda R., Skubiszewska-Ziкba J. Adsorption and migration of poly(vinyl pyrrolidone) at a surface of fumed silica // Adsorption Science & Technology. – 2006. – V. 24, N 2. – Р. .

Здобувачем проведено модифікування кремнезему полівінілпіролідоном в умовах псевдозрідження, встановлено будову адсорбційного шару та досліджено процес дифузії макромолекул на поверхні.

8. Носач Л.В., Воронін Є.П. Адсорбційне модифікування високодисперсного кремнезему нелеткими органічними сполуками в умовах газового дисперсійного середовища // Фізика і хімія твердого тіла – 2006. – № 3. – С. 540-543.

Здобувачем розроблено і опрацьовано ефективний спосіб адсорбційного модифікування високодисперсного кремнезему полімерами та біологічно активними сполуками в умовах псевдозрідження у газовому дисперсійному середовищі.

9. Gun'ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Pakhlov E.M., Voronina O.E., Guzenko N.V., Kazakova O.A., Leboda R., and Skubiszewska-Ziкba J. Nanocomposites with fumed silica/poly(vinyl pyrrolidone) prepared at a low content of solvents // Applied Surface Science. – 2006. – V. 253, N 5. – Р. 2801–2811.

Здобувачем проведено модифікування нанокремнезему полівінілпіролідоном в умовах псевдозрідження у газовому дисперсійному середовищі та встановлено будову поверхневого адсорбційного шару.

10. Воронин Е.Ф., Носач Л.В., Пахлов Е.М. Особенности адсорбционных взаимодействий на поверхности агрегированного нанокремнезёма // Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур / Под ред.А.П.Шпака, П.П.Горбика. – К.: Наукова думка. – 2007. – Т. 1. – С. .

Здобувачем проведено модифікування кремнезему полімерами та біологічно активними сполуками, встановлено будову адсорбційного шару та досліджено особливості адсорбційних взаємодій на поверхні агрегованого нанокремнезему.

11. Носач Л.В., Гузенко Н.В., Чмильов М.В. Дослідження адсорбції високомолекулярних сполук на поверхні високодисперсного кремнезему методами ІЧ-спектроскопії та мас-спектрометрії // Всеукр. конф. молодих вчених з актуальних питань хімії. – Київ, 2003. – С. 88.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему полівінілпіролідоном та полістиролом; методом ІЧ-спектроскопії досліджено будову адсорбованого шару полімерів.

12. Носач Л.В., Слишик Н.Ф., Вороніна О.Є. Взаємодія тетрацикліну та метацикліну з високодисперсним кремнеземом // Всеукр. конф. молодих вчених з актуальних питань хімії. – Київ, 2003. – С. 138.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування способом імпрегнації кремнезему тетрацикліном, методом ІЧ-спектроскопії досліджено особливості будови поверхневого шару.

13. Носач Л.В., Настасієнко Н.С., Патей Л.Н, Василенко А.П. Взаємодія моно- та полісахаридів з поверхнею високодисперсного кремнезему // Міжнар. школа-семінар для молодих вчених “Наноматеріали в хімії і біології”. – Київ, 2004. – С. 107.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему моносахаридами та крохмалем способами імпрегнації та механосорбції, методом ІЧ-спектроскопії досліджено будову поверхневого шару.

14. Носач Л.В., Воронін Є.П. Адсорбційне модифікування високодисперсного кремнезему полівінілпіролідоном в умовах псевдозрідженого шару // X Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП-X). – Івано-Франківськ, 2005. – Т. 2. – С. 88-89.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему полівінілпіролідоном в умовах псевдозрідження і досліджено структуру поверхневого шару.

15. Носач Л.В., Гриценко Г.І., Осауленко В.Л., Василенко А.П., Галаган Н.П. Вплив модифікування високодисперсного кремнезему полівінілпіролідоном на контактну взаємодію з еритроцитами крові донорів // IX міжнародний медичний конгрес студентів і молодих учених. – Тернопіль: Укрмедкнига, 2005. – С. 181.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему полівінілпіролідоном в умовах псевдозрідження, методом ІЧ-спектроскопії досліджено одержані зразки.

16. Nosach L.V., Gnatyshyn L.V. Adsorbtion modification of high-disperse silica with Aetonium // International conference “Nanomaterials in chemistry, biology and medicine”. – Kyiv, Ukraine, 2005. – Р. 110.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему етонієм рідкофазним способом імпрегнації та газофазним в умовах псевдозрідження, методом ІЧ-спектроскопії досліджено вплив умов модифікування на будову поверхневого шару.

17. Носач Л.В., Вороніна О.Є., Василенко А.П. Дослідження взаємодії етонію та декаметоксину з високодисперсним кремнеземом // VII всеукр. конф. студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”. – Київ, 2006. – С. 194.

Здобувачем проведено адсорбційне модифікування кремнезему біс-четвертинними сполуками рідкофазним способом імпрегнації та газофазним в умовах псевдозрідження, методом ІЧ-спектроскопії досліджено вплив умов модифікування на будову поверхневого шару.

18. Габчак А.Л., Носач Л.В., Воронин Е.Ф. Механосорбционное модифицирование высокодисперсного кремнезёма 2-(4-изобутил-фенил)пропионовой кислотой, 1-(-оксиэтил)-2-метил-5-нитроимидазолом и 5-нитрофурола семикарбазоном // Междунар. конф.-школа “Коллоидные системы. Свойства, материалы, применение”. – Одесса, 2006. – С. 50-51.

Здобувачем проведено механосорбційне модифікування кремнезему 2-(4-ізобутилфеніл)пропіоновою кислотою, 5-нітрофуролу семикарбазоном, методом ІЧ-спектроскопії досліджено будову поверхневого шару.

АНОТАЦІЇ

Носач Л.В. Особливості взаємодії деяких біологічно активних сполук та полімерів з поверхнею високодисперсного кремнезему. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Інститут хімії