Національна Академія наУк україни

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка

НЕЧИПОР ОКСАНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 541.183

вплив адсорбованих молекул на гідратаційні властивості кремнезему та сироваткового альбуміну людини

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: доктор хімічних наук

Туров Володимир Всеволодович,

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

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Єременко Ганна Михайлівна,

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

провідний науковий співробітник

кандидат хімічних наук

Хоменко Костянтин Миколайович,

Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України,

старший науковий співробітник

Захист відбудеться “ 11”     жовтня     2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України за адресою: 03164, м. 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 “  ”    вересня    2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Приходько Г. П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Високодисперсний кремнезем є ефективним ентеросорбентом, який застосовується для лікування багатьох захворювань як екзогенної, так і ендогенної природи. Для створення новітніх препаратів еферентної терапії з широким спектром фармакологічної дії використовують модифікування кремнезему шляхом адсорбційного закріплення на його поверхні біологічно активних речовин. Перспективними модифікаторами поверхні кремнезему можуть бути фенольні сполуки, які входять до складу значної кількості природних біологічно активних речовин. Однак, адсорбційно-десорбційні характеристики композитних матеріалів на основі високодисперсного кремнезему значною мірою залежать від будови сольватної оболонки нанорозмірних частинок. Процес приготування таких матеріалів може супроводжуватись змінами структури активних центрів поверхні, товщини гідратного шару, гідрофобно-гідрофільних властивостей наночастинок, морфології їх агрегатів та агломератів тощо. Частинки модифікованого кремнезему в організмі переважно взаємодіють з білковими компонентами клітин або біологічних рідин, завдяки його високій білок-сорбуючій активності. В результаті виникають умови для селективної взаємодії молекул модифікатора з білковими молекулами, зокрема, і тими, що входять до складу клітинних рецепторів. На сьогодні ці процеси практично не досліджені і тому потребують ретельного вивчення шляхом застосування новітніх методологічних підходів та сучасних фізико-хімічних методів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Інституту хімії поверхні НАН України: „Теоретичні дослідження і розробка лікарських композитів з сорбційним механізмом дії і регульованою фармакокінетикою” (№ держ. реєстрації 0199U002299); „Закономірності адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та мікроорганізмів” (№ держ. реєстрації 0103U006286).

Мета дослідження: Дослідження закономірностей формування гідратного шару нанорозмірних частинок високодисперсного кремнезему в присутності адсорбованих на поверхні одноядерних (галова кислота, флороглюцин) та біядерних (1,5- та 1,6-діоксинафталіни) фенольних сполук, а також гідратаційних властивостей глобулярного білку (сироваткового альбуміну людини) у вільному та адсорбованому на поверхні кремнезему стані та впливу органічних речовин різної хімічної природи на гідратацію білку.

Завдання дослідження:

· Розробити методологічні підходи для застосування 1Н ЯМР спектроскопії у визначенні гідрофобно-гідрофільних властивостей модифікованих кремнеземів у водних середовищах.

· Вивчити процес модифікування кремнезему фенольними сполуками та дослідити будову і стабільність одержаних матеріалів.

· Дослідити взаємодію модифікаторів з поверхнею кремнезему та встановити взаємозв’язок між будовою адсорбційного шару модифікатора та гідратними структурами, що утворюються на міжфазній границі модифікованих кремнеземів з повітряним та водним середовищем.

· Дослідити будову гідратного покрову гідратованих порошків сироваткового альбуміну людини у вільному та адсорбованому на поверхні кремнезему стані, а також визначити вплив органічних розчинників на гідратні структури.

Об’єкти дослідження. Вихідний і модифіковані (гексаметилдісилазаном, фенольними сполуками і білком) кремнеземи, одноядерні (флороглюцин, галова кислота) та біядерні (1,5- та
1,6-діоксинафталіни) фенольні сполуки і сироватковий альбумін людини.

Предмет дослідження. Міжфазні взаємодії вихідних та модифікованих оксидів кремнезему, фенольних сполук і сироваткового альбуміну людини з водою, структура приповерхневих шарів води.

Методи дослідження: адсорбційні методи, електронна– (UV-VIS), інфрачервона та 1H ЯМР спектроскопії, скануюча електронна мікроскопія, термогравіметричний метод, температурно-програмована десорбція з мас-спектрометричним контролем, реологічні дослідження, модельні розрахунки (неемпіричні (HF/6-31G(d,p), DFT/B3LYP/6-31G(d,p)) та напівемпіричні (РМ ) методи). При обробці експериментальних даних використано спеціалізоване програмне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше показано, що міжфазна енергія модифікованих кремнеземів, обчислена на основі даних 1Н ЯМР спектроскопії, добре корелює з величинами теплот змочування, одержаних методом мікрокалориметрії. Це дозволило порівняти гідрофільні властивості модифікованих кремнеземів у водних суспензіях в широкому діапазоні поверхневих концентрацій модифікатора та його хімічного складу.

Встановлено, що при модифікуванні поверхні кремнезему фенольними сполуками, енергія взаємодії поверхні композитів з водою змінюється немонотонно із зростанням кількості модифікатора. Незважаючи на те, що поверхня фенольних сполук є менш гідрофільною, ніж поверхня кремнезему, знайдено, що флороглюцин збільшує енергію взаємодії кремнезему з водою у всьому концентраційному діапазоні, а для галової кислоти, 1,5-діоксинафталіну максимальна енергія взаємодії спостерігається при певній поверхневій концентрації модифікатора. Причина полягає у формуванні на поверхні композитних матеріалів гідратних комплексів певного складу, які можуть бути співрозмірними з параметрами кристалічної гратки льоду, що сприяє формуванню гідратної оболонки.

Вперше методом 1Н ЯМР спектроскопії досліджено вплив органічних розчинників різної хімічної будови на гідратацію білкових глобул сироваткового альбуміну людини. При цьому роздільно спостерігались сигнали води, що взаємодіє з білком по механізмам гідрофобної та гідрофільної гідратації. Встановлено, що в присутності бензолу та хлороформу значна кількість зв’язаної води переходить у слабо асоційований стан, в якому кожна молекула в середньому утворює один водневий зв’язок.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати можуть бути використані для створення на основі високодисперсного кремнезему та фенольних сполук нового покоління адсорбентів медичного призначення з антиоксидантними властивостями. Наведені експериментальні дані та модельні розрахунки свідчать, що на їх основі можуть бути розроблені методи керування гідратаційними властивостями нанорозмірних частинок кремнезему, що необхідно при створенні композитів, сумісних з біологічними рідинами.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено підбір та аналіз літературних даних, сплановано і проведено основний обсяг експериментальних досліджень та систематизовано одержані результати. Постановка завдань досліджень, обговорення і узагальнення результатів та формулювання висновків проводились спільно з науковим керівником д.х.н. Туровим В.В. та за участю д.х.н., професора Гунька В.М. та к.х.н. Барвінченко В.М. Дані інфрачервоної спектроскопії одержано за сприяння к.х.н. Зуба Ю.Л. Експериментальні дані методом скануючої електронної мікроскопії одержано разом з доктором Шульгою О.В. (США). Величини теплот змочування одержано методом мікрокалориметрії спільно з д.х.н. Паховчишиним С.В. Одержали та дослідили частково гідрофобізовані кремнеземи разом з к.х.н. Богатирьовим В.М. Температурно-програмована десорбція з мас-спектрометричним контролем здійснювалась за участю д.ф. – м.н., проф. Покровського В.А. 1H ЯМР дослідження здійснено разом з науковим керівником. Теоретичне моделювання та математичну обробку експериментальних результатів (розрахунки розподілу пор за розмірами, енергії активації десорбції води та енергії активації зсуву в’язкості) та їх обговорення виконано спільно з д.х.н., проф. Гуньком В.М.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на вітчизняних та міжнародних конференціях: Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії, Київ (2003); ХІІ Ежегодная международная научная школа “Вибротехнология-2003” по обработке дисперсных (сыпучих) материалов и сред, Одесса (2003); VII Polish-Ukrainian Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications, Lublin (2003); VIII Ukrainian-Polish Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications, Odessa (2004); III Всеукраїнська Конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, Харків (2005); Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання – 2005”, Львів (2005); International conference “Nanomaterials in chemistry, biology and medicine”, Kyiv (2005); Х Международная конференция “Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии”, Москва – Клязьма (2006); Всеукраїнська конференція молодих вчених “Наноматеріали в хімії, біології та медицині”, Київ (2006).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 7 статей у вітчизняних та міжнародних наукових журналах і збірках наукових праць, 9 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і переліку посилань. Матеріали дисертації викладено на 172 сторінках машинописного тексту, включаючи 7 таблиць, 55 рисунків та список літературних джерел (262 найменування).

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, стан проблеми, сформульовано мету та завдання дослідження, вказано предмет та об’єкти дослідження, показано наукову новизну та вагомість вирішених проблем.

Перший розділ присвячений опису різних форм води, вивченню її характеристик, а також опису методів, що використовуються при дослідженні властивостей води. Проведено детальний аналіз фізичних та хімічних властивостей води та їх відмінність від аналогічних властивостей інших речовин. Показано що, незвичними властивостями володіють також водні розчини органічних та неорганічних сполук, особливо сконцентрованих на міжфазній границі адсорбент/рідина. Властивості міжфазної води визначаються будовою твердих поверхонь і фізико-хімічними параметрами середовища. Крім того, стан міжфазних шарів води може залежати від наявності на поверхні адсорбованих речовин, які змінюють впорядкованість граничної води. При цьому зв’язана вода є неоднорідною за енергією взаємодії з поверхнею.

Аналіз літературних даних дозволив визначити напрямки, мету, предмет та основні завдання дисертаційної роботи.

В другому розділі наведено характеристики об’єктів дослідження: кремнезему, флороглюцину, галової кислоти, 1,5- та 1,6-диоксинафталінів, сироваткового альбуміну людини, а також методи та методики, які використовувались при вивченні їх гідратаційних властивостей та характеристик.

Приведено опис методів використаних для дослідження гідратаційних та фізико-хімічних властивостей білку та нанокомпозитів на основі кремнезему, зокрема, 1Н ЯМР, електронна і інфрачервона спектроскопії, мікрокалориметрія, скануюча електронна мікроскопія, диференціальний термогравіметричний аналіз, температурно-програмована десорбція з мас-спектрометричним контролем, реологічні дослідження та методи теоретичних розрахунків: розподілу пор за розмірами, енергії активації десорбції води та зсуву в’язкості.

Третій розділ присвячено вивченню гідратаційних властивостей частково гідрофобізованого кремнезему в залежності від концентрації хімічно прищеплених на поверхні триметилсилільних (ТМС) груп.

Показано, що при модифікуванні поверхні ВДК гексаметилдісилазаном, в результаті заміщення частини вільних силанольних груп кремнезему на ТМС групи, вигляд 1Н ЯМР спектрів для зразків, що містять невелику кількість прищеплених ТМС груп (SM1-SM4) подібний, а при подальшому збільшенні кількості ТМС груп спостерігаються суттєві зміни в спектрах гідратованих порошків (SM4-SM6) в середовищі хлороформу (табл. , рис. ). Хлороформ є досить слабким протонодонором і не конкурує з молекулами води у взаємодії з вільними силанольними групами при формуванні водневого зв’язку, але може сприяти утворенню нанокрапель води, які слабо взаємодіють з гідрофобними групами. В спектрах спостерігається одиночний сигнал адсорбованої води, хімічний зсув і ширина якого залежать від умов проведення досліду, вузькі сигнали СН-груп недейтерованої частини хлороформу (d7,26 м.ч.) та води, розчиненої в хлороформі (d1,3 м.ч.).

Таблиця 1

Характеристики шарів міжфазної води в водних суспензіях

вихідного і модифікованого кремнезему

Зразок | Концентрація ТМС груп,

ммоль/г | Gs,

кДж/моль | Gw,

кДж/моль | , мг/г | ,

мг/г | Vuw,

см3/г | S,

Дж/г | S,

мДж/м2

ВДК | 0,00 | 2,3 | 0,40 | 700 | 1000 | 1,7 | 55,6 | 150

SM1 | 0,09 | 3,0 | 0,40 | 600 | 1400 | 2,0 | 65,5 | 170

SM2 | 0,14 | 3,3 | 0,40 | 500 | 1000 | 1,5 | 50,9 | 140

SM3 | 0,12 | 2,6 | 0,40 | 450 | 750 | 1,2 | 50,9 | 135

SM4 | 0,23 | 2,5 | 0,35 | 400 | 700 | 1,1 | 43,0 | 125

SM5 | 0,42 | 3,0 | 0,70 | 400 | 500 | 0,9 | 53,6 | 160

SM6 | 0,79 | 2,7 | 0,40 | 300 | 900 | 1,2 | 35,0 | 120

Для зразків SM1–SM4 адсорбована вода спостерігається у вигляді сигналу ширина якого є мінімальною при Т240 К. Його інтенсивність знижується при зниженні температури, що обумовлено пошаровим виморожуванням адсорбованої води. Збільшення ширини сигналу з пониженням температури викликано зменшенням молекулярної рухливості адсорбованої води, а її зростання при відносно високій температурі – прискоренням протонного обміну між молекулами води і поверхневими гідроксилами або молекулярного обміну між різними формами зв’язаної води. Із зростанням концентрації прищеплених ТМС груп, спостерігається розділення сигналу адсорбованої води на сигнали, що відповідають сильно і слабо асоційованій воді. Практично вся вода, адсорбована на SM6, є слабо асоційованою і її хімічний зсув майже не залежить від температури (рис. ).

Рис. . Температурна залежність 1H ЯМР спектрів води адсорбованої на поверхні триметилсилільованого кремнезему SM4 (a), SM5 (б), і SM6 (в)

в присутності дейтерохлороформу

При збільшенні концентрації ТМС груп зменшується концентрація сильнозв’язаної води (), а концентрація слабозв’язаної води () немонотонно залежить від гідрофобності зразку (табл. ). Імовірно, це відбувається за рахунок перебудови в процесі модифікування вторинних частинок кремнезему і неоднорідності модифікованої поверхні. Не дивлячись на зменшення концентрації силанольних груп для модифікованих кремнеземів зміни вільної енергії Гіббса шарів міжфазної води в водному середовищі не перевищують 20 %.

На початковій стадії модифікування поверхні ВДК гідрофобізуючим агентом (гексаметилдісилазаном) спостерігається деяке збільшення величини міжфазної енергії (gS) (табл. , рис. ). Саме при малій кількості прищеплених гідрофобних центрів спостерігається її максимальне значення, що узгоджується з описаним в літературі фактом значного зростання величини S для змішаних або карбонізованих оксидів в умовах, коли концентрація модифікатора не перевищує 3 % мас. Це обумовлено високою неоднорідністю поверхні, яка спричиняє значне збурення сітки водневих зв’язків міжфазної води. При подальшому збільшенні концентрації прищеплених ТМС груп міжфазна енергія коливається в діапазоні 40?65Дж/г і значне її зниження відбувається лише при концентрації ТМС груп 0,79 ммоль/г (SM6).

Порівнюючи залежності міжфазної енергії від ступеня гідрофобізації поверхні ВДК, отримані методами мікрокалориметрії та 1Н ЯМР спектроскопії (рис. ) бачимо, що перші п’ять досліджуваних зразків змочуються водою, а шостий може бути переведений в водне середовище тільки через стадію попереднього змочування органічним розчинником (в даному випадку етанолом). Тобто, спостерігається чітка кореляція в значеннях величин gS та теплоти змочування, за винятком зразку SM6. Різницю в величинах gS і теплот змочування для зразків, слід віднести на рахунок зміни середовища, оскільки в методі мікрокалориметрії поверхня контактує не тільки з водою але й з повітрям. Тобто метод 1Н ЯМР спектроскопії з успіхом може бути застосований для визначення інтегральних значень енергії збурення поверхнею водного середовища.

Рис. . Порівняльна характеристика теплот змочування кремнеземів в воді і міжфазної енергії міжфазної води при T  273

У четвертому розділі наведені результати вивчення гідратаційних властивостей кремнезему при адсорбційному модифікуванні його поверхні одноядерними (галова кислота (ГК), флороглюцин (ФГ)) та біядерними (1,5- та 1,6-діоксинафталіни (1,5- та 1,6-ДОН)) фенольними сполуками. Показано, що при взаємодії фенольних сполук з поверхнею кремнезему спостерігається зменшення інтенсивності смуги поглинання вільних силанольних груп поверхні високодисперсного кремнезему (рис. ).

Рис. . Ступінь заповнення силанольних груп кремнезему фенольними сполуками.

Взаємодія фенольних сполук з поверхнею високодисперсного кремнезему відбувається за рахунок утворення водневозв’язаних комплексів між гідроксильними (карбоксильними) групами молекул модифікатора і поверхневими гідроксилами. При цьому ступінь заповнення поверхневих гідроксилів не перевищує 80 %. Тобто частина силанольних груп залишається незадіяною навіть при полімолекулярному шарі модифікатора.

Змочування кремнезему спиртовим розчином флороглюцину (ФГ) зумовлює лише незначні зміни морфологічної будови агрегатів і агломератів (рис. ), що є типовим для подібного типу нанокомпозитів.

Рис. . СЕМ зображення нанокомпозиту флороглюцин/високодисперсний кремнезем (СФГ1 ммоль/г) при низькій (а) і високійб) роздільній здатності

В електронних спектрах модифікованого кремнезему реєструються характеристичні смуги молекулярних форм фенольних сполук (табл. ). При контакті з киснем повітря фенольні сполуки можуть частково окислюватись. Це призводить до появи смуг поглинання, характерних для хіноїдних структур.

Таблиця 2

Спектральні характеристики фенольних сполук

Речовина | На поверхні кремнезему | У розчині

молекулярна форма | окислена форма | молекулярна форма

лmax, нм | лmax, нм

Флороглюцин | 269 | 445 | 269

Галова кислота | 276 | 400 | 276

1,5-Діоксинафталін | 301, 318, 333 | 576 | 301, 318, 333

1,6-Діоксинафталін | 289, 300, 325, 337 | 405, 561 | 289, 300, 325, 337

При нагріванні зразку ФГ/ВДК на термогравіметричних (ТГ) кривих (рис. ) спостерігаються дві ділянки відносно швидкої зміни маси, які відповідають мінімумам диференціально термогравіметричних (ДТГ) кривих. Перший з них при T50 єС може бути пов’язаний з десорбцією частини ФГ і фізично адсорбованої води. Другий ДТГ мінімум при 150T220 ?С близький до температури кипіння флороглюцину (218–221 єС для безводного ФГ) і зумовлений десорбцією основної частини флороглюцину. Подальше зменшення маси зразків при T250 ?С (рис. ) обумовлено десорбцією залишкової кількості флороглюцину, що зосереджений в вузьких міжчастинкових порожнинах або десорбцією води, адсорбованої по дисоціативному механізму. Деякі широкі піки ДТГ кривих розташовані між 400 і 700 ?С (рис. ) можуть бути пов’язані з пролонгованістю цього десорбційного процесу.

При збільшенні вмісту флороглюцину зростає і втрата маси в діапазоні температур 150T220 єС, що відповідає десорбції ФГ, в той час як кількість води, що десорбується при 25T700 ?С, може становити до 5,6 % мас (СФГ0,2 ммоль/г). Це суттєво більше, ніж для вихідного кремнезему (2,2 % мас). Таким чином, адсорбований ФГ сприяє адсорбції води на поверхні кремнезему.

При порівнянні функції розподілу енергії активації десорбції води (f(Ea)) з поверхні кремнезему та нанокомпозиту ВДК/ФГ (СФГ1,5 ммоль/г) випливає, що величина f(Ea) зменшується в процесі модифікування поверхні (рис. , д). Цей ефект зумовлений тим, що молекули флороглюцину мають значно більшу кількість центрів утворення міжмолекулярних водневих зв’язків, а також появою сильнозв’язаної води в нанокомпозитах ВДК/ФГ, зосередженої в порожнинах між шаром модифікатора та кремнезему. Слід однак відмітити, що у випадку зразку , частина води десорбується при температурах значно нижчих ніж у випадку чистого кремнезему (рис. ). Тобто збільшується відносна кількість слабозв’язаної води. Це може бути зумовлено розміщенням молекул флороглюцину у місцях з максимальним адсорбційним потенціалом, з яких флороглюцин витісняє частину сильнозв’язаної води.

В’язкість водних суспензій нанокомпозитів ВДК/ГК збільшується із зменшенням швидкості зсуву і збільшенням концентрації суспензії (Cтв.ф) (рис. , а). Крім того, значення в’язкості () дещо знижується з часом при фіксованих швидкостях зсуву (максимальне значення при 1312 с?1) внаслідок перевищення швидкості руйнування коагуляційних структур над швидкістю їх відновлення. Тобто, ці системи можуть бути віднесені до коагуляційно-тиксотропних. Характерно, що слабо полярні молекули такі, як галова кислота можуть легко десорбуватися з непористих первинних частинок ВДК в водне середовище, оскільки вільна енергія Гіббса в розчиненому стані є значно нижчою, ніж для адсорбованих молекул на зовнішній відкритій поверхні непористих первинних частинок кремнезему.

Рис. . Втрата маси (ТГ) і похідна втрати маси (ДТГ) адсорбованих зразків ФГ/вода/кремнезем при нагріванні, СФГ, ммоль/г: 0,193 (a), 0,98б), 1,5 (в)

і функція розподілу енергії активації десорбції води (г)

Функція розподілу енергії активації зсуву в’язкості f(E) (рис. , б) обчислена на основі реологічних даних (рис. , а) є немономодальною, оскільки досліджувана колоїдна система є комплексом агрегатів і агломератів різного розміру; енергетично неоднорідною (тобто, руйнування зв’язків в агрегатах і агломератах різних розмірів і структур потребує різної енергії); і може бути сильно змінена протягом експерименту внаслідок руйнування коагуляційних структур при підвищенні значення швидкості зсуву () і відновлення коагуляційних структур при зменшенні .

При мінімальній концентрації модифікатора функція f(E) (рис. , б) стає практично мономодальною, оскільки перший пік кривої розподілу при 1,3 кДж/моль, значно менший, ніж основний пік при 2,7 кДж/моль. Значне зменшення зсуву в’язкості при великих (рис. , а) відповідає зниженню енергії активації зсуву в’язкості при низькому навантаженні. Крім того, із збільшенням CВДК/ГК, криві f(E) зміщуються в сторону великих значень енергії (E). Однак, інтенсивність піків різна для різних зразків – низько-енергетичні піки зменшуються при збільшенні CВДК/ГК при одночасному збільшенні високоенергетичних піків. Цей перерозподіл форми кривих f(E) зумовлено змінами процесів структуризації/розпаду в системі і залежить від CВДК/ГК, значення і часу.

Рис. . В’язкість водних суспензій ВДК/ГК в залежності від швидкості зсуву і часу вимірювання (а) та розрахована функція розподілу енергії активації

зсуву в’язкості (б) (CГК1 ммоль/г)

Виявилось, що при модифікуванні кремнезему 1,5–діоксинафталіном в’язкість практично не залежить від вмісту модифікатора (рис. , а). Імовірно, коли адсорбований на частинках кремнезему 1,5–ДОН знаходиться у вигляді нанокристалів або кластерів, це запобігає утворенню просторової сітки в дисперсіях, оскільки зменшує міжчастинкову взаємодію. При збільшенні співвідношення C1,5–ДОН/CВДК (зростання адсорбованих кластерів 1,5–ДОН) відбувається зменшення і зсув піків f(E) у бік менших величин E (рис. , б), внаслідок зниження імовірності утворення великих коагуляційних кластерів.

Рис. . В’язкість водних суспензій ВДК/1,5–ДОН в залежності від концентрації

1,5-ДОН, швидкості зсуву і часу вимірювання (а) та функція розподілу

енергії активації зсуву в’язкості (б) (Ств.ф.8 % мас)

Гідратаційні властивості кремнезему залежать від типу модифікатора і його концентрації на поверхні. Найбільш повна картина впливу адсорбованих молекул ФГ на міжфазну воду спостерігається на основі залежності міжфазної енергії від концентрації флороглюцину (S(CФГ)) одержаної методом 1Н ЯМР спектроскопії (рис. ), на якій можна виділити дві частини (нульова точка залежності S(CФГ) відповідає водній суспензії вихідного кремнезему). Перша – при CФГ ? 8 ммоль/г відповідає покриттю поверхні меншому за товщину статистичного моношару. Для неї із збільшенням значення CФГ спостерігається зростання S на 25 % відносно вихідного кремнезему. Друга ділянка (CФГ1,0 – 1,5 ммоль/г) характеризується різким зростанням S до 450 мДж/м2, що значно більше, ніж для вихідного кремнезему (150 мДж/м2). Оскільки, при CФГ більших за товщину моношару на поверхні можуть утворюватись нанокристали модифікатора, можна зробити висновок, що саме вони спричиняють цей ріст. Відповідно зростає і льодоутворююча здатність нанокомпозиту ВДК/ФГ. Іншою причиною може бути загальне збурення води в об’ємі агрегатів ВДК/ФГ, що є наслідком збільшення кількості аморфного льоду, адже ФГ у мікрокристалічному стані є найбільш активним льодоутворювачем.

Дані ЯМР кріопорометрії (рис. ) свідчать про незначну зміну геометрії заповнених водою внутрішніх порожнин частинок модифікованого кремнезему в процесі модифікування. Адсорбція ФГ зумовлює появу вузьких порожнин заповнених незамерзаючою водою при R1 нм. Основний пік розподілу пор за розмірами (PПРuw) зсувається до менших значень внаслідок заповнення пор між сусідніми агрегатами в агломератах (чи відносно великих пор в агрегатах) з адсорбованими молекулами ФГ. Відповідно, кількість незамерзаючої води збільшується не тільки у внутрішньому просторі агрегатів, але також в порожнинах між агрегатами в агломератах. Відповідно, об’єм незамерзаючої води збільшується із зростанням CФГ тому, що ФГ координує велику кількість води, яка розміщена між агрегатами в агломератах. Зокрема, збільшується вміст порожнин з радіусом 0,7 і 8 нм. Тобто, при створенні нанокомпозитів відбувається значна перебудова структури агрегатів частинок кремнезему.

Рис. . Загальні зміни вільної енергії Гіббса міжфазної води на границі розділу фаз нанокомпозиту флороглюцин/кремнезем

Квантово-хімічні розрахунки гідратних комплексів флороглюцину у вільному стані показують, що при адсорбції ФГ на кластері кремнезему гідратна оболонка змінюється. Вона стає дещо розупорядкованою, а деякі молекули води змінюють своє положення відносно молекули флороглюцину. Найбільш імовірно, що висока льодоутворююча здатність ФГ зумовлена однаковою відстанню між атомами кисню в ФГ (0,471 нм обчисленої з використанням HF/6-31G(d,p)) і гексагональному льоді (rОО0,470 нм у другій координаційній сфері) (рис. ). Крім того, у випадку комплексів води з молекулами ФГ, атоми кисню води мають невелику кількість ступенів свободи аналогічно до молекул в нанокраплі води. Викривлення впорядкованої структури гідратної оболонки молекулами флороглюцину при його адсорбції може спричиняти деяке зменшення льодоутворюючої здатності.

Рис. . Розподіл порожнин за розмірами нанокомпозиту ВДК/ФГ в залежності від концентрації ФГ | Рис. . Взаємодія молекули ФГ з 9 молекулами води за допомогою водневих зв’язків у вільному комплексі (H4,33 м.ч. для протонів молекул води, що беруть участь в утворенні водневих зв’язків, B3LYP/6-31G(d,p)//HF/6-31G(d,p))

Міжфазна енергія суспензій (5 % мас) нанокомпозиту ВДК/ГК в залежності від концентрації галової кислоти має складний вигляд (рис. , а). При малих концентраціях модифікатора з ростом СГК величина gS зменшується від 113 до 72 мДж/г, тобто відбувається деяка пасивація поверхні по відношенню до водного середовища. При СГК = 0,4 ммоль/г, спостерігається різке збільшення товщини гідратного шару, а при більших значеннях СГК – ділянка росту gS від 67 до 120 мДж/г.

Ріст концентрації твердої фази приводить до зменшення величини міжфазної енергії (рис. , а) завдяки перекриванню гідратних оболонок суміжних дисперсних частинок. Оскільки, поверхня кремнезему сильно гідратована, для здійснення контакту між частинками із міжчастинкового простору повинна бути видалена деяка кількість зв’язаної води. З умови рівноваги системи дисперсні частинки-вода, можна вважати, що зменшення енергії взаємодії з водою в процесі концентрування суспензій компенсується міжчастинковими взаємодіями. Тоді зміна gS при варіюванні Ств.ф визначає енергію міжчастинкових взаємодій (рис. , б).

Рис. . Залежність міжфазної енергії (а) та міжчастинкових взаємодій (б) композиту кремнезем/ГК від концентрації галової кислоти (0–1 ммоль/г)

Адсорбційне модифікування поверхні кремнезему 1,5–ДОН не привело до істотних змін його гідратованості, а величина gS змінюється не більше як на 40 % (рис. ). Імовірно, це обумовлено тим, що в 1,5–ДОН, у порівнянні з ГК і ФГ, відстань між атомами кисню гідроксильних груп значно більша за 0,50–0,515 нм. Тому будова гідратних структур на міжфазній границі 1,5–ДОН/ВДК/вода близька до будови гідратного покрову частинок вихідного кремнезему, який, зазвичай, розупорядковує структуру водневих зв’язків граничної води.

Рис. . Зміна міжфазної енергії композиту кремнезем/1,5–ДОН в залежності від концентрації 1,5–ДОН

для кремнеземів, адсорбційно модифікованих досліджуваними фенольними сполуками, питомий вміст в них центрів гідрофільної адсорбції води збільшується в послідовності 1,5–ДОНФГГК. Дійсно, мінімальні значення міжфазної енергії в водному середовищі фіксуються саме для кремнезему, модифікованого 1,5–ДОН, а максимальне значення міжфазної енергії спостерігається для флороглюцину. Формування товстої гідратної оболонки адсорбційно модифікованих кремнеземів відбувається не тільки завдяки великій кількості протоно- та електронодонорних центрів, через які можуть утворюватись водневі зв’язки з міжфазною водою, але і завдяки комплементарності просторового розташування цих центрів з льодоподібною структурою води. при цьому оптимальним можна вважати таке розташування активних центрів, яке відповідає структурі гексагонального льоду. Імовірно, саме такі структури відповідальні за високу льодоутворюючу здатність деяких типів фенольних сполук.

П’ятий розділ присвячено вивченню взаємодії біополімерних молекул з водним середовищем та тих змін, що мають місце в гідратних оболонках білкових молекул при адсорбції білків на поверхні кремнезему.

Гідратовані порошки САЛ містять тільки сильнозв’язану воду (рис. , а). В середовищі хлороформу спостерігається перехід частини сильнозв’язаної води в слабозв’язану (яка замерзає поблизу 273 К). На рис. , б наведені аналогічні результати для САЛ, адсорбованого на поверхні кремнезему. Як видно з рисунка, перетворення частини сильнозв’язаної води в слабозв’язану в середовищі хлороформу не спостерігається.

Рис. . Залежність вільної енергії Гіббса (DG) від концентрації незамерзаючої води

в системі САЛ/вода/хлороформ (= 193 мг/г)а)
та (САЛ-ВДК)/вода/хлороформ (б) при різній концентрації хлороформу

Можна припустити, що в гідратованих молекулах САЛ слабо асоційована вода перебуває в структурних порожнинах, обмежених переважно гідрофобними групами. Завдяки більшій, у порівнянні з молекулами води, величині дисперсійних взаємодій слабо полярних молекул хлороформу з гідрофобними ділянками нанорозмірних порожнин, молекули води під впливом хлороформу переміщуються від стінок у внутрішню частину пор або на гідрофільні ділянки поверхні білкової глобули. На границі розділу водної і органічної фаз формується шар, збагачений слабо асоційованою водою. Частина води, що переміщується до гідрофільних ділянок, стає слабозв’язаною і зі зниженням температури замерзає. Таким чином, відбувається перерозподіл водної і органічної фаз всередині білкової глобули і зустрічний масоперенос води із слабо полярного середовища (дейтерохлороформу), що відбувається між гідрофобними і гідрофільними ділянками білкової молекули.

При додаванні до гідратованого білку бензолу (C6D6), який взаємодіє переважно з гідрофобними областями сироваткового альбуміну людини, частина сильнозв’язаної з білком води перетворюється в слабозв’язану (рис. ) при його концентрації більшій ніж 20 % мас.

Заміна слабо полярних органічних розчинників на ацетонітрил (CD3CN), що в об’ємі змішується з водою у будь-яких пропорціях, може супроводжуватись переходом частини води, із стану адсорбованого на молекулах САЛ у розчин, але дані рис. свідчать, що вся вода в системі залишається сильнозв’язаною. Це свідчить про обмежену розчинність міжфазної води в ацетонітрилі, оскільки, така вода замерзає поблизу 273 К і може ідентифікуватись як слабозв’язана.

Рис. . Залежність вільної енергії Гіббса (DG) від концентрації незамерзаючої води в порошках САЛ, при різній концентрації бензолу (C6D6) (= 190 мг/г) | Рис. . Залежність вільної енергії Гіббса (DG) від концентрації незамерзаючої води в порошках САЛ (  мг/г), при різній концентрації ацетонітрилу (CD3CN)

Максимальний вплив на будову гідратної оболонки САЛ здійснюють слабополярні молекули бензолу (рис. ). Вже при його вмісті 30 % мас, міжфазна енергія системи САЛ-вода зменшується на 40 %. В присутності хлороформу помітна дегідратація спостерігається тільки в суспензіях.

Рис. . Залежність міжфазної енергії сироваткового альбуміну людини від вмісту органічних розчинників

Під впливом хлороформу, бензолу та ацетонітрилу, в молекулах САЛ мають місце конформаційні перетворення, які супроводжуються зменшенням об’єму внутрішніх порожнин білкових глобул, що підтверджують дані ЯМР кріопорометрії. Оскільки, САЛ в процесі зовнішнього впливу (взаємодія з органічними молекулами) прагне до мінімального значення вільної енергії, просторове розміщення біополімерних фрагментів змінюється на таке, при якому з органічною фазою межують переважно неполярні амінокислотні залишки, а полярні переміщуються у внутрішню частину білкових глобул.

ВИСНОВКИ

1. Вперше показано, що міжфазна енергія модифікованих кремнеземів, визначена за допомогою методу 1Н ЯМР спектроскопії, добре корелює з величиною теплоти змочування, одержаною методом мікрокалориметрії.

2. Встановлено, що для кремнеземів в водному середовищі не спостерігається симбатної залежності між кількістю центрів утворення водневих зв’язків води з поверхнею і товщиною гідратного шару в широкому діапазоні (0 – 40 %) заміщення силанольних груп на алкільні. Максимальна товщина гідратної оболонки частинок кремнезему фіксується при мінімальному ступені хімічного модифікування поверхні, а помітне зменшення товщини гідратного шару спостерігається при заміщенні більше, ніж 40 % поверхневих гідроксильних груп кремнезему, коли частинки перестають змочуватись водою.

3. Виявлено, що енергія взаємодії поверхні композитів з водою змінюється немонотонно із зростанням кількості модифікатора при модифікуванні поверхні кремнезему слаборозчинними в воді фенольними сполуками. Зокрема, для галової кислоти і 1,5-діоксинафталіну максимальна енергія взаємодії спостерігається при певній, фіксованій поверхневій концентрації модифікатора.

4. Показано, що гідратаційні властивості кремнеземів модифікованих фенольними сполуками збільшуються при наявності співрозмірності гідратних комплексів з параметрами кристалічної гратки льоду. Саме це спричиняє появу максимумів на залежності міжфазної енергії від концентрації модифікатора.

5. Встановлено, що при збільшенні кількості модифікатора 1,5-діоксинафталіну на поверхні кремнезему, величина в’язкості змінюється немонотонно і відбувається зсув піків розподілу енергії зсуву в’язкості в бік високих або низьких енергій, в залежності від товщини шару збурення води, що корелює з даними ЯМР спектроскопії.

6. Вперше методом 1Н ЯМР спектроскопії досліджено вплив органічних речовин на гідратацію глобул сироваткового альбуміну людини і встановлено, що в присутності хлороформу чи бензолу значна кількість зв’язаної води переходить у слабо асоційований стан, тобто взаємодія з білковою молекулою відбувається по механізму гідрофобної гідратації. При цьому спостерігається різке зменшення об’єму заповнених водою порожнин з радіусом 0,5 нм і, відповідно, зростання об’єму порожнин з радіусом 0,8-10 нм, що свідчить про конформаційні перетворення в білковій молекулі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Gun’ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Charmas B., Skubiszewska-ZiкbaLeboda R., Pakhovchishin S.V., Zarko V.I., Petrus L.V., Stebelska(Nechypor O.V.), Tsapko M.D. Influence of partial hydrophobization of fumed silica by hexamethyldisilazane on interaction with water // Langmuir, 2003. – V. , No. . – P. .

Здобувачем досліджені гідратаційні властивості високодисперсного кремнезему модифікованого гексаметилдісилазаном методом 1Н ЯМР спектроскопії і методом мікрокалориметрії в залежності від кількості прищеплених тетраметилсилільних груп і розроблено методологічні підходи для застосування 1Н ЯМР спектроскопії у визначенні гідрофобно-гідрофільних властивостей модифікованих кремнеземів у водних середовищах.

2. Стебельская О.В. (Нечипор O.В.), Барвинченко В.Н., Туров В.В., Чуйко А.А. Влияние галловой кислоты, импрегнированной на поверхности высокодисперсного кремнезема, на связанную воду в водных суспензіях // ДАН України, 2005. – № 5. – С. .

Здобувачем одержано нанокомпозити ВДК/ГК за допомогою методу імпрегнації з спиртового розчину та досліджено вплив концентрації модифікатора на гідратаційні властивості нанокомпозиту, оцінено міжчастинкові взаємодії і показано ступінь заповнення силанольних груп поверхні кремнезему.

3. Gun’koTurov V.V., BarvinchenkoBogatyrevTurovShulgaStebelska(Nechypor), Pokrovsky V.A., LebodaSukretnyNychiporukGornikovChuikovPtushinskiiCharacteristics of interfacial water at nanosilica surface with adsorbed 1,3,5-trihydroxybenzene over wide temperature range // Colloids and surfaces A: Physicochem. eng. Aspects, 2006. – Vol. . – P. .

Здобувачем одержано нанокомпозити ВДК/ФГ (1,3,5-тригідроксибензол) і здійснено їх комплексне дослідження за допомогою методів 1Н ЯМР, ІЧ та УФ спектроскопії, термогравіметрії, температурно-програмованої десорбції з мас-спектрометричним контролем, СЕМ, реологічних досліджень і теоретичних розрахунків.

4. Gun’ko V.M., GoncharukNechypor, PakhovchishinTurov V.V. Integral equation for calculation of distribution function of activation energy of shear viscosity // Journal of colloid and interface science, 2006. – V. . – P. –245.

Здобувачем досліджені реологічні властивості водних суспензій нанокомпозитів ВДК/ГК і ВДК/1,5-ДОН в залежності від швидкості зсуву і часу вимірювання при різній концентрації твердої фази чи різній концентрації модифікатора.

5. Туров В.В., Гунько В.М., Барвинченко В.Н., НечипорВ., Чуйко А.А. Влияние хлороформа на состояние воды, адсорбированной сывороточным альбумином // Біополімери і клітина, 2006. – Т. , № . – С. .

Здобувачем здійснено адсорбцію сироваткового альбуміну людини на поверхню кремнезему та досліджено вплив хлороформу на будову гідратної оболонки ліофілізованого і сорбованого на поверхні кремнезему сироваткового альбуміну людини методами 1Н ЯМР, електронної і ІЧ-спектроскопії.

6. Гунько В.М., Туранская С.П., Нечипор O.В., Юхименко Е.В., Туров В.В., Чуйко А.А. Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и намежфазной границе кремнеземов // Химия, физика и технология поверхности. – К.: Наукова думка, 2006. – Вып. . – С. .

Здобувачем досліджено вплив хлороформу на гідратаційні властивості сироваткового альбуміну людини в нативному чи адсорбованому на поверхні кремнезему стані.

7. НечипорВ., Гунько В.М., Барвинченко В.Н., Туров В.В. Адсорбционное модифицирование кремнезема диоксинафталиномУкр. хім. Журн, 2007. – Т. , № . – С. .

Здобувачем синтезовано всі досліджувані зразки та проведено їх дослідження за допомогою методів 1Н ЯМР, електронної, ІЧ-спектроскопії і теоретичних розрахунків.

8. Стебельська О.В. (Нечипор.В.), Махно С.М., Паховчишин С.В. Структурно-механічні та гідрофільні властивості систем високодисперсного кремнезему, Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії, 26-30 травня, 2003, Київ, Україна.

Здобувачем досліджені структурно-механічні та гідрофільні властивості високодисперсного кремнезему.

9. Стебельская О.В. (НечипорВ.), Паховчишин С.В. Влияние температуры на реологические свойства высокодисперсного кремнезема, ХІІ ежегодная международная научная школа “Вибротехнология-2003” по обработке дисперсных (сыпучих) материалов и сред, Август, 18-23 2003, Одесса, Украина.

Здобувачем досліджені реологічні властивості кремнезему в залежності від швидкості звуву, часу і температури.

10. Kobylyanskyy A.Y., Honcharyk V.P., Pakhovchyshyn S.V., Stebelska O.V. (Nechypor О.V.) Adsorbtion of methylene blue and structure formation processes in aqueous suspensions of highly dispersed silica, VII Polish-Ukrainian Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications, September 15-18, 2003, Lublin, Poland.

Здобувачем досліджено вплив агрегування частинок високодисперсного кремнезему на адсорбційні процеси, що відбуваються на його поверхні.

11. Stebelska О.V. (Nechypor О.V.), Barvinchenko V.M., Turov V.V., Chuiko О.О. Interfacial water properties in agueous suspension of gallic acid/fumed silica, VIII Ukrainian-Polish Symposium on Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications, September 19-24, 2004, Odessa, Ukraine.

Здобувачем досліджено нанокомпозит ВДК/ГК за допомогою1Н ЯМР та ІЧ- спектроскопії.

12. Нечипор O.В., Барвінченко В.М., Гунько В.М., Туров В.В. Молекулярні взаємодії в системі високодисперсний кремнезем – вода – флороглюцин, III Всеукраїнська Конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, 17-20 травня, 2005, Харків, Україна.

Здобувачем досліджено молекулярні взаємодії в системі кремнезем – вода –ФГ за допомогою фізико-хімічних методів.

13. Нечипор O.В., Гунько В.М., Барвінченко В.М., Туров В.В. Дослідження високодисперсного кремнезему з імпрегнованими на поверхні 1,5- та 1,6-диоксинафталінами, Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання – 2005”. 25-27 травня, 2005, Львів, Україна.

Здобувачем досліджено нанокомпозит кремнезем/1,5-(1,6-)ДОН за допомогою 1Н ЯМР, електронної та ІЧ- спектроскопії, і теоретичних розрахунків.

14. Nechypor О.V., Barvinchenko V.M., Gun’ko V.M., Turov V.V. Adsorption modification of fumed silica by phenolic substances with antioxidant activity. Hydratation and interaction with solid surface, International conference “Nanomaterials in chemistry, biology and medicine”, September 15-16, 2005, Kyiv, Ukraine.

Здобувачем досліджено вплив ФГ, ГК, 1,5- та 1,6-ДОН на характеристики ВДК за допомогою 1Н ЯМР, електронної та ІЧ- спектроскопії.

15. Нечипор О.В., Гунько В.М., Барвинченко В.Н., Туров В.В. Адсорбция воды глобулами сывороточного альбумина и влияние на нее органических молекул, Х Международная конференция “Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии”, 24-28 апреля, 2006, Москва – Клязьма, Россия.

Здобувачем досліджено вплив хлороформу, бензолу та ацетонітрилу на гідратаційні властивості вільного (чи адсорбованого на кремнеземі) САЛ.

16. Нечипор O.В. Вплив органічних розчинників на воду, адсорбовану сироватковим альбуміном, Всеукраїнська конференція молодих вчених “Наноматеріали в хімії, біології та медицині”, 24-25 травня, 2006, Київ, Україна.

Здобувачем досліджено вплив органічних розчинників на будову гідратних шарів сироваткового альбуміну людини.

Анотація

Нечипор О.В. Вплив адсорбованих молекул на гідратаційні властивості кремнезему та сироваткового альбуміну людини. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика та хімія поверхні. – Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню особливостей впливу хімічного (гексаметилдісилазаном) чи адсорбційного (фенольними сполуками) модифікування поверхні кремнезему на його гідратаційні властивості, а також вивченню гідратаційних