Самоорганизация и физико-химические свойства водных растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в области низких концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных условиях

Киселева, Юлия Васильевна

Самоорганизация и физико-химические свойства водных растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в области низких концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных условиях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Киселева, Юлия Васильевна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Самоорганизация и физико-химические свойства водных растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в области низких концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных условиях»

Автореферат диссертации на тему "Самоорганизация и физико-химические свойства водных растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в области низких концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных условиях"

На правах рукописи

ли

КИСЕЛЕВА ЮЛИЯ ВАСИЛЬЕВНА

САМООРГАНИЗАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АМФИФИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ФЕНОЛОВ И БРОМИДА ЦЕТИЛТРИМЕТИЛАММОНИЯ В ОБЛАСТИ НИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ГИПОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЯХ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 5 АПР 2013

Казань-2013

005057698

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, в лаборатории Физико-химии супрамолекулярных систем

Научный руководитель: Доктор химических наук, доцент

Рыжкина Ирина Сергеевна

Официальные оппоненты: Мельников Михаил Яковлевич

Доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией химической кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Коган Виктор Александрович

Доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии химического факультета ЮФУ

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, г. Иваново

Защита диссертации состоится 17 мая 2013 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д.194/2, НИИ физической и органической химии ЮФУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, д. 148.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, скрепленный гербовой печатью, просим направить по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, д.194/2, НИИ физической и органической химии ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета (e-mail: asmork2@ipoc.rsu.ru).

Автореферат разослан 12 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук

Морковник А.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы Одной из проблем современной науки является установление механизма влияния слабых воздействий различной природы на живые организмы. По этой проблеме накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий о действии растворов низких (включая пикомолярные) и сверхнизких (фемтомолярные и ниже) концентраций и слабых полей на биологические процессы, среду обитания человека и его здоровье. Наиболее загадочное и практически важное явление, наблюдающееся в высокоразбавленных растворах - нелинейные концентрационные зависимости физико-химических свойств и биоэффектов. Важность этих явлений дня естественных наук и жизнедеятельности человека (рациональное природопользование, создание лекарственных средств нового поколения, биомедицинские технологии) трудно переоценить. Однако до последнего времени физико-химическая причина этих явлений оставалась неизвестной.

Недавно группой исследователей ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН обнаружено ранее неизвестное явление (эффект ультранизких концентраций и электромагнитных полей), изучение которого может дать ключ к решению перечисленных проблем. Это явление состоит в образовании в высокоразбавленных водных растворах масштабных наноразмерных молекулярных ансамблей (до 400 нм), названных наноассоциатами. Формирование наноассоциатов обуславливает возникновение необычных физико-химических свойств растворов низких и сверхнизких концентраций и, что особенно важно, коррелирует с биоэффектами растворов. Наноассоциаты инициируются растворенным веществом при определенных условиях, важнейшим из которых, как показано на примере одного из биоантиоксидантов, является наличие внешних электромагнитных полей (ЭМП).

В этой связи сравнительное изучение самоорганизации, физико-химических свойств растворов низких концентраций биологически активных веществ (БАВ) в естественных условиях и при значительном понижении уровня внешних ЭМП (гипоэлектромагнитные условия) является актуальной задачей, решению которой посвящена тема диссертационной работы.

Цель работы Изучение влияния пониженного уровня внешних ЭМП и строения растворенного биологически активного вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов низких и сверхнизких концентраций, установление взаимосвязи между параметрами наноассоциатов и физико-химическими свойствами растворов, а также физико-химическое обоснование возникновения синергетического эффекта в смешанной системе, содержащей растворенное вещество в низких концентрациях.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методологический подход, позволяющий установить влияние пониженного уровня внешних ЭМП на самоорганизацию и физико-химические свойства высокоразбавленных растворов, выявить пороговую концентрацию, ниже которой в растворе образуются наноассоциаты.

2. Выбрать ряд объектов исследования, на базе которых возможно выявить действие природы введенных в молекулу вещества заместителей и влияния пространственного строения молекул на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов в широкой области концентраций, включая сверхнизкие. В ряд объектов исследования должны входить БАВ, для растворов которых надежно установлена биологическая активность в области низких концентраций, а также вещества, перспективные для использования в бионанотехнологиях или для создания биомиметических систем, обладающих новыми практически полезными свойствами.

3. Расширить комплекс физико-химических методов, позволяющих достоверно регистрировать изменения свойств растворов и характеристики наноассоциатов.

Научная новизна полученных результатов

• В работе предложен и апробирован новый подход для исследования самоорганизации и свойств растворов широкой области концентраций (1-10"2° - 1-10"3 моль-л"1), заключающийся в сравнительном изучении комплексом физико-химических методов концентрационных зависимостей параметров частиц и характеристик растворов, выдержанных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях (в псрмаллосвом контейнере).

• В результате изучения самоорганизации и свойств растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония в широкой области концентраций впервые установлено, что пониженный уровень внешних ЭМП может оказывать воздействие на самоорганизацию и свойства растворов как в области низких (1-Ю 20 - 1-10"7 моль-л"1), так и в области обычных (1-10"6 - 1-Ю'2 моль-л"1) концентраций. Характер и степень воздействия гипоэлектромагнитных условий на растворы зависит от химического строения растворенного вещества.

• На примере растворов производных 2,6-диалкилфенолов - биоантиоксидантов фенозана калия, ихфана С-10 и а-токоферола, а также амфифильных производных капикс[4]резорцинарена и л-сульфонатокаликс[п]аренов (п=4, 6), изученных в широкой области концентраций, впервые показано, что химическое строение вещества оказывает существенное влияние на интервал концентраций, в котором образуются наноассоциаты, и на их параметры.

Результаты работы обоснованы и достоверны

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- использованием высокоточной и высокочувствительной поверенной измерительной техники;

- обработкой экспериментальных данных по стандартным программам;

- согласованностью результатов экспериментов, полученных различными физико-химическими методами;

- воспроизводимостью результатов.

Практическая и теоретическая значимость полученных результатов

Разработанный подход для изучения самоорганизации и свойств высокоразбавленных растворов в естественных и гипоэлектромагнитных условиях создает принципиально новые возможности для решения проблемы влияния низких концентраций растворенных веществ на водные системы и живые организмы. Полученные результаты являются важной составной частью научного обоснования возникновения нелинейных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и высокой физиологической активности растворов биологически активных веществ низких концентраций, необходимого для создания новых экологически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также разработки лекарственных средств нового поколения (Программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН на 2013-2020 гг., п. 44,45,46 и 48).

Работа выполнена в лаборатории Физико-химии супрамолекулярных систем отдела Супрамолекулярной химии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук (ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН) в соответствии с научным направлением «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы» (п. 37) в рамках госбюджетной темы «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос. регистрации 01201157530). Работа поддержана Программой ОХНМ РАН «Химия и физико-химия супрамолекулярных систем и атомных кластеров», Программой фундаментальных научных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», Российским фондом фундаментальных исследований (проекты№ 06-03-32402, 10-03-00147).

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 2007-2011); IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures"

(Казань, 2006); Всероссийских симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006-2008, 2012); Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2007,2008); XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007); XIй International Seminar on Inclusion Compounds ISIC-11 (Киев, 2007); 1st International Symposium "Supramolecular and nanochemistry: toward applications" (Харьков, 2008); IVth International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Туапсе, 2008); Научной конференции «Органическая химия для медицины» (Черноголовка, 2008); XVII111 International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (Казань, 2009); VIII Международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2010); Симпозиуме некоммерческого партнерства институтов РАН «ОрХиМед: Разработка лекарственных и физиологически активных соединений на основе природных веществ» (Санкт-Петербург, 2010); Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2011); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); 6th International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Страсбург, Франция, 2012); VI Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации по работе По материалам диссертации опубликованы 11 статей, все в изданиях, рекомендованных ВАК, и тезисы 20 докладов на конференциях различного уровня.

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2) и тематически разделенного обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 2 таблицы, 92 рисунка и список литературы из 288 наименований.

Основное содержание работы

Глава 1. Литературный обзор

В рамках литературного обзора проанализированы работы, касающиеся агрегационного поведения, физико-химических и биологических свойств растворов функционализированных каликсаренов и поверхностно-активных веществ (ПАВ) в широкой области концентраций, включая низкие. Приведенные литературные данные свидетельствуют о существовании сложной зависимости самоорганизации и физико-химических свойств растворов от концентрации и химического строения растворенного вещества. В той же главе обсуждены результаты экспериментальных исследований, выполненных различными физико-химическими методами, позволившими установить ранее неизвестные факты, касающиеся наноструктур, образующихся в водных растворах. В цикле работ /М. Sedlak. J. Phys.Chem.B-2006.-V.110,-Р.4329-4338; Р.4339-4345; Р.13976-13984/, посвященных исследованию структуры водных растворов, выполненных главным образом методом динамического и статического светорассеяния, показано, что в водных растворах органических и неорганических веществ при концентрациях 0.07-47 г/л формируются супрамолекулярные домены - гигантские кластеры размером сотен нм, состоящие из молекул растворенного вещества и растворителя. При изучении кинетики образования и стабильности доменов установлено, что в зависимости от природы растворенного вещества временная шкала образования доменов меняется от нескольких минут до нескольких недель, а время стабильности лежит в интервале от 1 до 15 месяцев. Делается заключение о том, что наиболее вероятным механизмом формирования супрамолекулярных доменов является образование нековалентных связей между молекулами растворенного вещества и растворителя. Эти результаты, а также результаты изучения растворов гидратированного фуллерена низких концентраций согласуются с данными, полученными автором работы при исследовании разбавленных растворов биологически значимых и поверхностно-активных веществ (размерный диапазон доменов порядка сотен нанометров, время образования и стабильности доменов, отрицательный ¿¡-потенциал частиц в разбавленных растворах). Анализ данных показал, что проблема научного обоснования возникновения нелинейных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и биоэффектов растворов низких и сверхнизких концентраций является все еще весьма

актуальной. Созданная недавно в ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН новая оригинальная методология поиска, направленная на сопоставление и совместное объяснение процессов самоорганизации, физико-химических и биологических свойств растворов в естественных и гипоэлектромагнитных условиях, открывает путь для решения этой проблемы. В настоящее время следует, используя предложенную методику, расширить круг исследуемых растворов БАВ. Сделан вывод о том, что тема работы является новой и практически значимой, так как направлена на дальнейшее углубленное изучение растворов низких и сверхнизких концентраций ряда биологически активных веществ, позволяющее выявить влияние пониженного уровня внешних ЭМП и строения вещества на самоорганизацию и на физико-химические свойства растворов.

Глава 2. Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования выбраны простые (фенозан калия, ихфан С-10 и а-токоферол) и сложные производные фенола (амфифильный каликс[4]резорцинарен с трис(гидроксиметил)метиламидными фрагментами и октальными углеводородными радикалами (KPА) и ряд л-сульфонатокаликс[п]аренов (п=4, 6, 8, СКА) с различной длиной углеводородных радикалов), а также катионное ПАВ бромид цетилтриметиламмония (БЦТА), которое было исследовано в индивидуальных водных растворах и смешанных системах БЦТА/СКА. Образцы фенозана калия и а-токоферола предоставлены д.б.н., профессором Е.Б. Бурлаковой и д.б.н., профессором Н.П. Пальминой (ИБХФ им. Н.М. Эмануэля РАН).

Размер (эффективный гидродинамический диаметр кинетически подвижной частицы в максимуме кривой распределения, D) и ¿¡-потенциал (электрический потенциал кинетически подвижной частицы на границе скольжения в постоянном электрическом поле) частиц регистрировали методом динамического светорассеяния (ДСР) и микроэлектрофореза на высокочувствительном анализаторе Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments), поверхностное натяжение растворов - на высокоточном тензиометре Sigma 720ЕТ (KSV Instruments), удельную электропроводность растворов - на кондуктометре inoLab Cond Level 1 (WTW) и pH растворов -на иономегре InoLab pH 720 (WTW) в условиях термостатирования при 25±0.1 °С. Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе MultiMode V (Veeco) проведены исследования образцов, полученных из растворов КРА различной концентрации. Величина микровязкости частиц в растворе БЦТА оценивалась по времени корреляции вращательной диффузии (т0) спиновой метки ТЕМПО, рассчитанном из спектров ЭПР (Elexsys Е500, Brucker). Исследование растворов методами АСМ и ЭПР-спекгроскопии было проведено совместно с асп. Сафиуллиным P.A., асп. Литвиновым А.И. и д.х.н. Кадировым М.К. (ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН).

Изучение влияния внешних ЭМП на водные растворы исследуемых веществ в широкой области концентраций проводилось сопоставлением данных по параметрам частиц и физико-химическим свойствам для двух параллельных серий одного и того же раствора, выдержанных в течение 24 часов на лабораторном столе и в трехслойном пермаллоевом экранирующем контейнере, защищающим содержимое от воздействия ЭМП.

Приготовление растворов осуществляли с использованием только свежеприготовленной бидистиллированной воды, в которой анализатором фиксировалось полное отсутствие частиц. Удельная электропроводность такой воды не превышала 1.5 мкСм-см"1. Концентрации растворов достигались путем последовательных десятичных разбавлений исходного раствора вещества в концентрации 1-10"2 или 1-10"3 моль-л"1. Полученные для каждой концентрации вещества средние значения параметров частиц и физико-химических характеристик растворов легли в основу построения соответствующих концентрационных зависимостей.

Относительные ошибки измерения размера частиц в растворах лежат в интервале 2-15 %, ¿¡-потенциала - 4-20 %, поверхностного натяжения - 0.5-1.5 %, электропроводности и pH - 5-12 %. Значения ошибок измерения зависят от концентрации раствора и природы вещества.

Выражаю благодарность академику РАН Коновалову Александру Ивановичу за помощь в работе и ценные советы.

Глава 3. Самоорганизация и физико-химические свойства водных растворов амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония низких концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных условиях

С целью изучения влияния пониженного уровня внешних ЭМП на самоорганизацию высокоразбавленных растворов БАВ, установления взаимосвязи между самоорганизацией, физико-химическими свойствами и биоэффектами растворов низких концентраций, выявления влияния строения вещества на процесс структурообразования водных растворов и физико-химического обоснования причин появления синергетического эффекта в смешанной системе, содержащей растворенное вещество в низких концентрациях, комплексом физико-химических методов проведено сравнительное исследование растворов ряда амфифильных БАВ, выдержанных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях.

3.1. Взаимосвязь самоорганизации, физико-химических свойств и биоэффектов растворов а-токоферола в области низких концентраций

он

(СНзЬС

С(СН3)э

СН2СН2СООК j

он

(СНз)эС--^А|р--С(СН3)з

I о

Ш2СН2£оСН2СН21?(СНз)2С1оН21Вг

Н3С СН2(СН2СН2СН(СНз)СН2)зН

Для выявления влияния строения вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов низких концентраций выбран ряд 2,6-диалкилфенолов, способных к проявлению биоантиоксидантных свойств в высокоразбавленных водных растворах - фенозан калия (1), ихфан С-10 (2) и а-токоферол (3). В выбранном ряду соединений, имеющих пространственно затрудненную гидроксильную группу, ответственную за антиоксидантные свойства 1-3, и различные по природе заместители в бензольном кольце, обеспечивающие гидрофильность (1), амфифильность (2) и липофильность (3) этих биоантиоксидантов, самоорганизация растворов 1 в естественных условиях и соединения 2 в естественных и гипоэлектромагнитных условиях была изучена ранее. Поэтому прежде чем приступить к сравнительному анализу растворов 1-3, нами впервые изучена самоорганизация и физико-химические свойства растворов 3, выдержанных в естественных условиях и в условиях пониженного уровня внешних ЭМП.

Изучение водных растворов 3 (1-10"20 - 1-Ю'3 моль-л"1) методом ДСР показало, что распределение частиц по размерам носит мономодальный характер во всем изученном интервале концентраций, в растворе образуются стабильные во времени частицы размером от 150 до 300 нм (рис. 1 А).

Использование экранирующего контейнера, защищающего растворы от воздействия внешних ЭМП, позволяет выяснить природу частиц, образующихся в различных концентрационных интервалах. Исследование растворов 3, выдержанных в гипоэлектромагнитных условиях (рис. 1 Б), выявило пороговую концентрацию (cn) 1-10"8 моль-л"1, ниже которой частицы в растворе 3 не образуются. Таким образом, частицы размером сотен нм, образующиеся в естественных условиях в растворе ниже с„ (ЫО20 - 1 • 10 9 моль-л"1), являются наноассоциатами, состоящими преимущественно из структур воды с особыми свойствами, для формирования которых требуется воздействие внешних ЭМП.

Отсутствие частиц

А Б

Рис. 1. Распределение частиц по размерам в водных растворах а-токоферола в концентрации!-10'3 (7), 1 ■ 10"8 (2), 1 ■ 10"® (5) и 1-Ю"19 (4) моль-л"1, выдержанных на лабораторном столе (А) и в пермаллоевом контейнере (5), 25°С. Здесь и далее распределение частиц по размерам приведено в координатах размера частиц (нм) и интенсивности (%).

На рис. 2 и 3 приведены концентрационные зависимости размера (Б) и ¡¡-потенциала частиц в растворах 3, выдержанных в естественных (кривые 1) и гипоэлектромагнитных (кривые 2) условиях, на которых пунктирной линией обозначена с„.

Б, нм

Рис. 2. Зависимость размера частиц от концентрации а-токоферола в водных растворах, выдержанных на лабораторном столе (1) и в пермаллоевом контейнере (2), 25 "С

Рис. 3. Зависимость ^-потенциала частиц от концентрации а-токоферола в водных растворах, выдержанных на лабораторном столе (1) и в пермаллоевом контейнере (2), 25 "С

Частицы, образующиеся в интервале с„ - 1-10'3 моль-л"1, представляют собой супрамолекулярные домены, формирующиеся за счет нековалентного связывания между молекулами вещества и структурами воды. Как видно из данных рис. 2 и 3, гипоэлектромагнитные условия оказывают существенное влияние на размер и ^-потенциал супрамолекулярных доменов, формирующихся в растворах 3.

Изучение физико-химических свойств растворов 3, выдержанных в пермаллоевом контейнере, показало, что гипоэлектромагнитная среда оказывает влияние не только на параметры частиц, но и на физико-химические свойства растворов. На рис. 4 приведена концентрационная зависимость удельной электропроводности растворов, выдержанных в естественных (кривая 1) и гипоэлектромагнитных (кривая 2) условиях. При концентрациях ниже сп наблюдается потеря уникальных свойств водных растворов 3.

Как было показано ранее, появление высокой физиологической активности растворов в области низких и сверхнизких концентраций некоторых БАВ связано с образованием и перестройкой наноассоциатов. Анализ данных рис. 2, 4 и 5 свидетельствует о совпадении интервалов концентраций, в которых наблюдаются экстремальные значения размера частиц, удельной электропроводности и биоэффекта растворов 3. Таким интервалами являются 1-10"16 -1-Ю"11 и 1-10 - 1-Ю"2 моль-л"1 с максимумами при 1-10"14 моль-л"1 и при МО'4 моль-л"1. Полученные данные указывают на то, что появление максимального биоэффекта при 1-Ю"14 и 1-Ю"4 моль-л"1 связано с образованием и перестройкой наноассоциатов и супрамолекулярных доменов в соответствующих областях концентраций.

X, мкСм'см"1

Рис. 4. Зависимость удельной электропроводности растворов а-токоферола, выдержанных на лабораторном столе (/) и в пермаллоевом контейнере (2), от концентрации, 25°С

И, НМ Ингибированне протеинкиназы С, %

Рис. 5, Зависимость степени ингибирования протеинкиназы С * (1) и размера частиц (2) в растворах а-токоферола от концентрации, 25°С

* Концентрационная зависимость «биоэффекта» на рис. 5 приведена по данным работы Н.П. Пальмина, Е.Л. Мальцева, Е.И. Пынзарь, Е.Б. Бурлакова //Рос. хим. ж. - 1999. - Т. ХШ1. -С. 55-63.

3.2. Изучение влияния строения вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства высокоразбавленных водных растворов фенольных биоантиоксидантов

Изучение самоорганизации растворов 1-3 методом ДСР показало, что распределение частиц по размерам практически во всей изученной области концентраций носит сходный мономодальный характер. В растворах соединений 1-3 образуются стабильные во времени частицы размером от 100 до 350 нм. На рис. 6 и 7 приведены концентрационные зависимости С,-потенциала частиц и удельной электропроводности растворов 1-3, которые имеют выраженный нелинейный вид. Наиболее высокие значения ¿¡-потенциала и удельной электропроводности во всей изученной области концентраций наблюдаются для гидрофильного соединения солевой структуры фенозана калия 1 (рис. 6, 7, кривая 1), наименьшие значения ¿¡-потенциала и удельной электропроводности раствора - для гидрофобного а-токоферола 3 (рис. 6, 7, кривая 3), в то время как растворы амфифильного соединения 2 занимают промежуточное положение в этом ряду. Полученные результаты свидетельствуют о том, что строение вещества, из которого приготовлены растворы, значительно влияет как на параметры наноассоциатов, так и на свойства растворов низких концентраций.

С, мВ

X, мкСм'см"

Рис. 6. Зависимость ¡¡-потенциала частиц в Рис. 7. Зависимость удельной электропроводности водных растворах фенозана калия (1), ихфана С- водных растворов фенозана калия (]), ихфана С-10 10 (2) и а-токоферола (3) от концентрации, 25 °С (2) и а-токоферола (3) от концентрации, 25 °С

Совместное изучение самоорганизации и физико-химических свойств растворов биоантиоксидантов 1-3, выдержанных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях, показали, что всю область концентраций растворов (1-10"20 - 1-Ю"3 моль-л"1) можно условно разделить на два участка с пороговой концентрацией (с„), зависящей от строения вещества и лежащей в интервале от 1-Ю"8 до 1-Ю"5 моль-л"1. Ниже с„ наноассоциаты в гипоэлектромагнитных условиях по данным ДСР не образуются, что приводит к заметному ослаблению или потере уникальных свойств водных растворов низких концентрации. Выше сп гипоэлектромагнитные условия могут дифференцированно влиять на параметры частиц и физико-химические свойства растворов веществ, приводя к изменению размера, ¡¡-потенциала частиц и удельной электропроводности растворов. Сравнительное исследование растворов 1-3 свидетельствует о том, что, вероятно, именно фенольный антиоксидантный фрагмент, общий для соединений 1-3, играет важную роль в процессе образования наноассоциатов, обеспечивая симбатность концентрационных зависимостей параметров наноассоциатов и физико-химических свойств растворов 1-3 в области 1-Ю"17 - МО"'2 моль-л"1 с максимумом при 1-10*15 — 1-10"13 моль-л"1 (рис. 6, 7). В этом интервале концентраций растворов 1-3 методом

корреляционного анализа установлена высокозначимая зависимость (г>0.8, р<0.05) между удельной электропроводностью растворов и ^-потенциалом наноассоциатов (табл. 1).

Таблица 1. Коэффициенты корреляции Пирсона (г) и критические уровни значимости (р) зависимости удельной электропроводности растворов 1-3 и ^-потенциала частиц, а также области концентраций, в которых эти зависимости найдены

Из данных таблицы 1 видно, что при переходе от гидрофильной органической соли фенозана калия 1 к липофильному а-токоферолу 3 область концентраций растворов, в которых установлена взаимосвязь между этими параметрами, сильно сужается, что указывает на значительное влияние структуры вещества, а именно, заместителей в бензольном кольце, на процесс самоорганизации водных растворов биоантиоксидантов 1-3 в области низких и сверхнизких концентраций.

3.3. Самоорганизация и физико-химические свойства растворов низких концентраций бромида цетилтриметиламмония

Самоорганизация и физико-химические свойства растворов бромида цетилтриметиламмония (БЦТА), выдержанных на лабораторном столе и в пермаллоевом контейнере, изучены в области концентраций МО"20 - МО'2 моль-л"1 комплексом физико-химических методов, таких как динамическое светорассеяние, микроэлектрофорез, кондуктометрия, тензометрия и ЭПР-спектроскопия.

А Б

Антиоксидант Область концентраций, моль-л"1 г Р

1 10 ги - ю-3 0.843 0.000001

2 10"" -10"* 0.810 0.003

3 10 17 - 10 12 0.892 0.05

Рис. 8. Распределение частиц по размерам в водных растворах БЦТА в концентрации 1-10"2 (/), 1-10"3 (2), 1 -10"5 (5), 1 ■ 10"6 (4), МО"10 (5) моль-л"', выдержанных в естественных (А) и гипоэлектромагнитных (Б) условиях, 25 °С

По данным ДСР в интервале концентраций МО"11 - 1 • 10"2 моль-л"1 растворы БЦТА характеризуются би- или мономодальным распределением частиц по размерам (рис. 8 А). При концентрации 1-Ю"2 моль-л"1 в растворе образуется примерно одинаковое количество мицелл размером 4 нм и супрамолекулярных доменов размером сотен нм. С уменьшением концентрации содержание мицелл в растворе уменьшается, при МО"4 моль-л"1 они не регистрируются. В области концентраций МО"14 - 1-Ю"12 моль-л"1 распределение частиц по размерам становится полимодальным, дальнейшее снижение концентрации до 1-Ю"20 моль-л"1 приводит к невозможности определения размера частиц методом ДСР.

Изучение растворов БЦТА, выдержанных в гипоэлектромагнитных условиях, показало, что в области концентраций 1-Ю"12 - 1-Ю"6 моль-л"1 частицы в растворе не обнаруживаются, т.е. концентрация 1-10"5 моль-л"1 является пороговой (рис. 8 Б). Таким образом, в области концентраций 1 ■ 10"12 - МО"6 моль-л"1 в растворах БЦТА образуются наноассоциаты, ¿¡-потенциал которых лежит в интервале от -2 до -10 мВ, а в области 1-10" — 1-Ю"2 моль-л"1 — супрамолекулярные домены и мицеллы, ¿¡-потенциал которых изменяется от 0 до +70 мВ (рис. 8, 9). Из данных рис. 8, 9 видно, что гипоэлектромагнитные условия влияют на размер супрамолекулярных доменов, образующихся в области концентраций МО"5 - МО"2 моль-л"1, но не влияют на размер мицелл (рис. 8 А и Б).

О, нм

260-1

рН о,

7,06,56,0-

мН'м"1

X, мкСм см"1

75 60 45 30 15

Рис. 9. Зависимости размеров частиц (1, 2) и ¡¡-потенциала (5) в растворах БЦТА, выдержанных на лабораторном столе (/) и в пермаллоевом контейнере (2), от концентрации, 25°С

Рис. 10. Зависимость поверхностного натяжения (ст) (7), удельной электропроводности (х) (2) и рН (3) водных растворов БЦТА от концентрации,25 °С

Изучение физико-химических свойств растворов БЦТА показало, что концентрационные зависимости удельной электропроводности и рН нелинейно изменяются в области концентраций МО"14 - МО"5 моль-л"1 (рис. 10, кривые 2 и 3), экстремально возрастая при 1-Ю"6, 1-Ю"9 моль-л"1 и в интервале 1-Ю"13 - 1-Ю"12 моль-л" . Образование и перестройка супрамолекулярных доменов и наноассоциатов в низкой области концентраций практически не отражается на значениях поверхностного натяжения растворов (рис. 10, кривая 1). Сравнение данных рис. 9, 10 показывает, что в области концентраций МО"12 - МО"6 моль-л" образуются наноассоциаты, параметры (Б, ¡¡-потенциал) которых изменяются нелинейно в зависимости от концентрации БЦТА, что обуславливает появление необычных физико-химических свойств высокоразбавленных растворов. С целью изучения свойств наноассоциатов, в частности, их микровязкости, растворы БЦТА в интервале 1-Ю"11 - 1-Ю"2 моль-л"1 изучены методом ЭПР с

использованием нитроксильного зонда ТЕМПО в концентрации 5-10 моль-л". Для подтверждения связывания молекул ТЕМПО с наноассоциатами предварительно изучена самоорганизация и физико-химические свойства растворов БЦТА/ТЕМПО. Методом ДСР показано, что в водном растворе ТЕМПО частицы не образуются, в то время как в смешанном растворе БЦТА/ТЕМПО достоверно наблюдается образование частиц в интервале 1-10"5 - МО"2 и 3-10 - 1 ТО"8 моль-л"1.

Концентрационные зависимости размеров частиц в индивидуальных растворах БЦТА и смешанных растворах БЦТА/ТЕМПО приведены на рис. 11. В области концентраций БЦТА 1.1 /И 1.1 п- моль.л-' зависимость размера частиц в смешанном растворе БЦТА/ТЕМПО мало

МО

отличается от размера частиц, образующихся в растворе БЦТА. В интервале МО"7 - 1-Ю"4 моль-л"1 достоверно размеры частиц в смешанной системе определить не удается вследствие полимодальности распределения. Однако, в интервале концентраций 3-Ю"10 - МО"8 моль-л"1 распределение частиц по размерам становится опять мономодальным, при этом размер частиц, образующихся в смешанном растворе БЦТА/ТЕМПО (рис. 11, кривая 2), значительно превышает размер наноассоциатов в растворе индивидуального БЦТА (рис. 11, кривая 1). Изменение самоорганизации растворов БЦТА в присутствии ТЕМПО (отсутствие частиц в интервале концентраций МО" - МО"6 моль-л"1 и рост размера частиц в интервале 3-Ю"10 - 1-Ю"8 моль-л"1) указывает на связывание молекул зонда наноассоциатами.

с„

Рис. 11. Зависимость размера частиц в растворах БЦТА (7) и БЦТА/ТЕМПО (2) от концентрации БЦТА, 25 °С

Рис. 12. Зависимость размера частиц в растворе БЦТА/ТЕМПО (1) и То (2) от концентрации БЦТА, 25 °С

Методом ЭПР показано, что концентрационная зависимость времени корреляции вращательной диффузии То зонда имеет нелинейный вид, симбатный изменению концентрационной зависимости размеров частиц в смешанном растворе БЦТА/ТЕМПО (рис. 12). Так как ю связано прямопропорциональной зависимостью с микровязкостью, то по значениям То оценивалась величина микровязкости наноассоциатов и супрамолекуляркых доменов. Микровязкость наноассоциатов, образующихся в интервале МО"10 - 1Т0"8 моль-л , составляет 1.8-1.9 мПа-с, что приблизительно в 2 раза выше вязкости воды в объеме (0.9 мПа-с) и сопоставимо с микровязкостью супрамолекулярных доменов (2.0 мПа-с), образующихся в интервале концентраций 1-10"5

3.4. Самоорганизация и физико-химические свойства водных и водно-

диметилформамидных растворов широкой области концентраций амфифильного производного калик[4]резорцинарена с трис(гидроксиметил)метиламидными фрагментами

Функционализированные каликсарены обладают широким спектром потенциального применения, в частности, возможностью использования в бионанотехнологии в качестве мультивалентных лигандов, однако плохая растворимость каликсаренов в воде приводит к необходимости изучения свойств этих соединений в водно-органических растворителях.

На рис. 13 приведено распределение частиц по размерам в водном растворе диметилформамида (30 об. % ДМФА). Как видно из данных рис. 13 А, в водном ДМФА доминируют частицы размером около 120 нм, которые представляют собой структуры, образованные водой и ДМФА. В интервале концентраций КРА 1-Ю"11 -5-10 моль-л"1 распределение частиц по размерам практически полностью соответствует раствору водного ДМФА (рис. 13 Б), а в интервале концентраций

от 1-10"3 до 5 ■ 10"3 моль-л"1 в растворе

фиксируются частицы других размеров ■ что присутствие КРА 5 в концентрациях 1-Ю"11 - 5-10"4

КРА 5

около 1 нм, 4 нм и 200 нм (рис. 13 В). Несмотря на то, моль-л"1 не изменило распределения частиц по размерам в водно-органическом растворителе, в растворах КРА возможно достоверное определение ¡¡-потенциала частиц (рис. 14). Это свидетельствует о том, что в интервале концентраций КРА МО"11 - 5-Ю"3 моль-л"' в растворе образуются структуры, ¡¡-потенциал которых меняется нелинейно с максимумами в интервале 1-Ю"10 - 1-10"9, 5-10"5 -1-10"4 моль-л"1 и при 5-10"3 моль-л"1. Значение ¡¡-потенциала увеличивается по мере возрастания

концентрации КРА в растворе (рис. 14).

А I ■

Б I

В Г

Рис. 13. Распределение по размерам частиц в растворе водного ДМФА в отсутствие (А) и в присутствии КРА в концентрации 1-Ю"11 (£) и 1-Ю"3 (В) моль л"1, 25°С

Рис. 14. Зависимость поверхностного натяжения (/) водно-органического (30 об. % ДМФА) раствора КРА и ¡¡-потенциала (2) частиц от концентрации КРА, 25°С

Изучение самоорганизации водно-органического растворителя и растворов КРА 5, выдержанных в гипоэлектромагнитных условиях, показало, что частицы размером 120-140 нм исчезают как в растворителе (рис. 13 А), так и в растворах КРА при концентрации 1-Ю'11- МО"6 моль-л"1 (рис. 13 Б), то есть концентрация 1-Ю"5 моль-л"1 является пороговой (рис. 14). Частицы размером 4 нм и сотен нм (рис. 13 В), найденные в растворах в области концентраций КРА МО"5 - 5-Ю"3 моль-л" , фиксируются и после выдерживания в гипоэлектромагнитных условиях. Таким образом, в интервале концентраций КРА МО"11 - 1-Ю"6 моль-л"1 в органическом растворителе образуются наноассоциаты (рис.13 Б), а в интервале концентраций МО"5 - 5-Ю"3 моль-л"' - супрамолекулярные домены и агрегаты КРА 5 (рис.13 В).

Изотерма поверхностного натяжения растворов КРА 5 имеет сложный вид, содержит три плато (рис. 14). Совместное рассмотрение концентрационных зависимостей поверхностного натяжения растворов КРА и Ç-потенциала частиц свидетельствует о наличии взаимосвязи между ними: снижение поверхностного натяжения растворов наблюдается в интервалах концентраций, в которых происходит увеличение Ç-потенциал частиц. С учетом данных по ДСР, полученных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях, становится понятным, что плато в интервале концентрации 1-Ю"3-5-Ю"3 моль-л" обусловлено образованием мицелл, в интервале концентраций 1-10" - 5-Ю"5 моль-л"1 - образованием и перестройкой супрамолекулярных доменов, а небольшое плато при 1-Ю"7-МО" моль-л"1 - следствие образования наноассоциатов.

На рис. 15 приведено распределение по размерам частиц, образующихся в водном растворе КРА 5 при различных концентрациях. В интервале МО"3 - МО"6 моль-л"1 распределение частиц по размерам носит бимодальный характер, в растворе находятся частицы размером около 4 нм и сотен нм (120-180 нм) (рис. 15 А). При концентрации 1-Ю"7 моль-л"1 и ниже распределение частиц сохраняет бимодальный характер вплоть до концентрации 1-Ю"12 моль-л"1, однако в растворе находятся частицы размером сотен и тысяч нм (рис. 15 Б). В экспериментах с использованием экранирующего пермаллоевого контейнера найдено, что пороговая концентрация в водных растворах КРА 5 составляет 1-Ю"6 моль-л"1 (рис. 16).

■1 : 'ji а

Рис. 15. Распределение по размерам частиц, образующихся в водном Рис- 16> Зависимость размера (1) и ^-потенциала (2, 3)

растворе КРА 5 при концентрации: частиц в водном (1, 2) и водно-органическом (30 об. %

1-Ю"3 (А), МО"7 (Б) моль-л"', 25°С ДМФА) (3) растворе КРА 5 от концентрации, 25°С

На рис. 16 приведены концентрационные зависимости гидродинамического диаметра доминирующих в растворе частиц и ¿¡-потенциала в водном и водно-органическом растворах КРА. Ход концентрационных зависимостей ^-потенциала частиц в водном и водно-

Ç,MB

органическом растворе КРА совпадает (рис. 16, кривые 2, 3), однако значения ¿¡-потенциала в водных растворах на 2-8 мВ выше, чем в водном ДМФА. Общий ход зависимостей свидетельствует о том, что природа частиц, образующихся в воде и водно-органическом растворителе в интервале концентраций КРА 1-Ю"1 — 1-10"3 моль-л"1, по-видимому, одинакова.

На рис. 17 явно прослеживается взаимосвязь между концентрационными зависимостями параметров наноассоциатов (И и ¿¡-потенциал) и удельной электропроводности растворов,

.1 А 7 1 .1 Г\-12 .„-1 ---------------------т, . ,.. ----—........Д, ,.--

которые в интервале концентраций 1-10 Эта тенденция наиболее ярко выражена при концентрации 1-Ю"10 моль-л"1, при которой размеры наноассоциатов минимальны, а значения ¡¡-потенциала и удельной электропроводности максимальны.

С целью визуализации частиц, образующихся в области обычных и низких концентраций, а также изучения свойств наноассоциатов растворы КРА исследованы методом АСМ. В контактном режиме работы микроскопа из раствора концентрации 1-Ю"6 моль-л"1 (сп) (рис. 18 а, б) получены типичные изображения рельефных дискретных частиц с поперечными размерами от 100 до 600 нм и высотой до 35 нм, распределенных на подложке без признаков упорядоченности. При концентрации 1-10"7 моль-л" на подложке все еще видны аналогичные дискретные полусферические

частицы, но их количество значительно уменьшается (рис. 18 в). При этой концентрации раствора в основном фиксируются частицы другого характера, изображения которых могут быть получены только в прерывисто-контактном режиме. Практически всю подложку покрывают «мягкие» частицы размером около 80 нм (рис. 18 г, масштаб 200 нм) и высотой 1.3-1.7 нм, которые тесно прилегают друг к другу, формируя тонкую пленку, на которой видна цепочечная ориентация составляющих ее частиц (рис. 18 д, е). Изменение топографии АСМ-изображений после пороговой концентрации 1-Ю"6 моль-л"1 доказывает появление в растворе частиц другой природы -наноассоциатов, состоящих главным образом из структур воды.

- 1-10" моль-л" изменяются в фазе или противофазе.

X, мкСм'см"

40-, D, нм

Рис. 17. Зависимости размера (/), ¿¡-потенциала (2) частиц и удельной электропроводности (%) (3) растворов от концентрации КРА 5, 25°С

/it

о/*:

■Ь

У ' , •

Рис. 18. Изображения, полученные при изучении методом АСМ растворов КРА 5 в концентрации МО"6 (а, б), 1-Ю"7 (в, г), 1-Ю"8 (д) и МО"10 (е) моль-л"1

Таким образом, методом ДСР в области концентраций КРА МО"7 - МО11 моль-л установлено образование наноассоциатов, средний размер которых близок размеру «мягких» частиц, найденных методом АСМ, т.е. «мягкие» частицы на АСМ-изображениях являются результатом образования в растворах низких концентраций устойчивых во времени стабильных наноассоциатов.

3.5. Супрамолекулярные системы на основе алкилированных

и-еульфонатокаликс[п]аренов: самоорганизация широком диапазоне концентраций

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных н-сульфонато-каликс[п]аренам (СКА), агрегационное поведение и физико-химические свойства растворов алкилированных СКА в широком диапазоне концентраций, включая низкие, систематически не были изучены. На рис. 19 приведены изотермы поверхностного натяжения алкилированных производных л-сульфонатокаликс[4]арена с Ви (СКА 6), Oct (СКА 7) и Dod (СКА 8) заместителями, а также для сравнения изотерма поверхностного натяжения мицеллообразующего ПАВ додецилсульфата натрия (ДСН). Все эти соединения являются ПАВ. ККМ соединений 6-8 приблизительно на порядок ниже ККМ ДСН (табл. 2). В случае соединения 8 мицеллообразование носит ступенчатый характер. Этот процесс сопровождается двумя точками перелома на зависимости ст=Дlgc). С целью выяснения причин возникновения ступенчатого характера изотерм

поверхностного натяжения изучена самоорганизация раствора СКА 8 в диапазоне концентраций 1-10"20 - З-Ю"3 моль-л"1. Как видно из данных рис. 20 концентрационная зависимость размеров частиц в растворах СКА 8 имеет нелинейный вид.

физико-химические свойства в 803Н -|

СКА 6: п=4, Я=Ви; СКА 7: п=4, Я=Оа; СКА 8: п=4, К=Оос1; СКА 9: п=6, Я=Оос1; СКА 10: п=8, Ы=Оос1

Рис. 19. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов СКА 6 (1), СКА 7 (2), СКА 8 (3) и ДСН (0,25 °С

Таблица 2. Критические концентрации мицеллообразования (ККМ) алкилированных и-сульфонатокаликс[п]аренов 6-10, 25°С

Соединение ККМ, моль-л"1

Тензометрия Кондуктометрия

СКА 6 (n=4, R=Bu) 8-Ю"4 8-Ю"4

СКА 7 (n=4, R=Oct) 9Л0-* 1010^

СКА 8 (n=4, R-Dod ) & ю-4 4-10"4

СКА 9 (n=6, R=Dod) 6\0А 4-10"4

СКА 10 (n=8, R=Dod) 8-Ю"4 5-10^

ДСН 80-Ю"4 100-10"

Исследование размеров частиц в растворах, выдержанных в гипоэлектромагнитных условиях, показало, что пороговой концентрацией является 1-10"5 моль-л"1 (рис. 20). С учетом данных по поверхностному натяжению (табл. 2, рис. 19) структуры, найденные в естественных условиях в области МО"15 - 1-Ю"6 моль-л"1, являются наноассоциатами, в области 1-Ю"5 - 5-Ю"4 моль-л"1 - супрамолекулярными доменами, авб-104-3-10"3 моль-л"1 - мицеллами.

Рис. 20. Зависимость размера частиц в водном Рис. 21. Зависимость поверхностного натяжения растворе СКА 8 (п=4, 11=00(1) от концентрации, раствора (/) и размера частиц (2) от концентрации 25°С СКА 8, 25 °С

Б, нм

Как видно из данных рисунка 21, в интервале 510 - 1-10 моль-л" происходит перестройка супрамолекулярных доменов с формированием структур с экстремальными параметрами, что, также как и в случае КРА 5, сопровождается снижением поверхностного натяжения раствора.

Анализируя концентрационные зависимости размеров наноассоциатов, образующихся в водных растворах тетрамерных СКА 8 и КРА 5, молекулы которых находятся в конформации конус, можно отметить аналогию в изменении размера наноассоциатов практически во всем интервале низких концентраций (1-Ю-12 - 1-Ю"6 моль-л"1) (рис. 22). Это свидетельствует о важной роли пространственной организации сложных молекул в образовании наноассоциатов.

На рис. 23 представлены изотермы поверхностного натяжения СКА 8-10, из которого видно, что с ростом размера макроцикла

поверхностно-активные свойства

растворов ухудшаются, в то время как величина ККМ остается практически постоянной (см. табл. 2). Во всех случаях процесс мицеллообразования носит ярко выраженный ступенчатый характер.

Из данных рис. 24 видно, что ход концентрационных зависимостей размера частиц в растворе тетрамерного СКА 8 (конус) и гексамерного СКА 9 (конформационно-подвижный конус) значительно различается. Изменение размера частиц, образующихся в растворе СКА 9, выражено намного более резко, диаметр частиц достигает 400 нм при концентрациях раствора

350-

300

250-

200-

150

-14

-12

-10

Рис. 22. Зависимость размера частиц в растворах СКА 8 (/) и КРА 5 (2) от концентрации, 25°С

о, мН'м"1 72-.__

6966 6360 5754-5,

'8 С СКА С СКА

Рис. 23. Изотермы поверхностного натяжения Рис 24. Зависимость размера частиц в растворах растворов каликсаренов СКА 8 (/), СКА 9 (2) СКА 8 {1) и СКА 9 (2) от К0нцентрации, 25 °С и СКА 10 (3), 25 °С

В отличие от тетрамерного СКА 8 предел обнаружения наноассоциатов в растворе СКА 9 составляет только 1-10" моль-л"1.

Таким образом, комплексом физико-химических методов установлено, что ступенчатый характер изотерм поверхностного натяжения в домицеллярной области концентраций в растворах амфифильных СКА связан с образованием и перестройкой супрамолекулярных доменов. Различия в размерах и конформационной подвижности макроцикла, гидрофобности заместителей в молекуле СКА оказывают существенное влияние на процесс самоорганизации, пороговую концентрацию и физико-химические свойства растворов в области низких концентраций. Полученные данные создают предпосылки для дальнейшего совместного изучения самоорганизации в смешанных супрамолекулярных системах «амфифильный каликсарен/биологически важное соединение» в области низких концентраций компонентов.

3.6. Супрамолекулярные смешанные системы на основе алкилированных л-сульфонатокаликс[п]аренов и бромида цетилтриметиламмония

Как показано выше, процесс самоорганизации в растворе л-сульфонатокаликс[п]аренов в значительной степени зависит от концентрации. При изучении самоорганизации смешанной системы БЦТА/СКА представлялось важным установить оптимальные концентрации компонентов, при которых в системе могут возникнуть новые интересные свойства. На рис. 25 представлены изотермы поверхностного натяжения в смешанном растворе БЦТА/СКА 8, которые существенным образом зависят от концентрации компонентов.

При концентрации СКА 2-Ю"5 моль-л"' практически никаких изменений изотермы поверхностного натяжения смешанного раствора БЦТА/СКА 8 по сравнению с раствором БЦТА не наблюдается (рис. 25, кривая 1). Если концентрация СКА 8 составляет 2-104 моль-л"1, происходит резкое снижение ККМ до 1.5-104 моль-л"1 и уменьшение значений поверхностного натяжения смешанного раствора БЦТА/СКА 8 (рис. 25, кривая 2), что типично для образования смешанных мицелл. Более интересные результаты получены при концентрации СКА 1-104 моль-л"' (рис. 25, кривая 3), т.е. в области минимальных размеров супрамолекулярных доменов и плато на изотерме поверхностного натяжения в индивидуальном растворе СКА 8 (рис. 21). В этом случае ККМ смешанной системы составляет 1-10"3 моль-л" , т.е. почти как в индивидуальном растворе БЦТА. Однако в интервале концентраций БЦТА 1-Ю"4 - 3-Ю4 моль-л"1, который, как показано выше (рис. 9), также характеризуется минимальными размерами доменов в индивидуальном растворе БЦТА, неожиданно наблюдается синергетическое снижение поверхностного натяжения до 33-35 мН-м"1 (рис. 25, кривая 3).

В, нм

ст, мН'м"

бцтл

Рис. 25. Изотермы поверхностного натяжения растворов БЦТА в отсутствие (/) и в присутствии СКА 8 в концентрации 2-Ю"4 (2) и МО"* (3) моль-л'1,25°С

Так как домены включают в себя молекулы вещества, снижение поверхностного натяжения и наличие плато в области сопоставимых концентраций БЦТА (1-10"4 - 3-Ю"4 моль-л"1) и СКА 8 (1-10"4 моль-л"1) при соотношении компонентов (1:1)-(3:1) связано, вероятно, с формированием более липофилышх по сравнению с исходными компонентами комплексов, образующихся за счет электростатического взаимодействия сульфонатных групп каликсарена и аммонийной группы БЦТА при участии гидрофобных фрагментов обоих компонентов и структур воды.

С целью изучения влияния размера и конформационной подвижности макроцикпа СКА на самоорганизацию смешанной системы исследованы концентрационные зависимости размеров частиц и поверхностного натяжения растворов БЦТА и гексамерного СКА 9. Оказалось, что изотерма поверхностного натяжения смешанного раствора в присутствии 9 имеет более сложный вид, чем в присутствии 8 в той же концентрации (1-10-4 моль-л"1), в то время как ККМ обеих смешанных систем практически одинакова (рис. 26, кривая 1). Сопоставление концентрационных

зависимостей сг=Дсецта) и 1)=/(сбцта), представленных на рис. 26, показывает, что изменение а в растворе БЦТА/СКА 9 симбатно изменению размера частиц. Так же как и в случае смешанных систем БЦТА/СКА 8, снижение поверхностного натяжения в области концентраций БЦТА 1-Ю"4 - 3-Ю"4 моль-л"1 при соотношении компонентов (1:1)-(3:1) связано с образованием комплексов БЦТА/СКА 9. Чрезвычайно интересным оказалось то, что в отличие от всех предыдущих изученных систем значение а в начальных точках концентрационной зависимости с=^[сбцга) очень низкое (рис. 26, кривая 1).

Поиск оптимальной концентрации компонентов привел к изучению смешанных систем, в которых концентрация БЦТА варьировалась от 1-Ю"20 до 1-10"2 моль-л"1, гексамерного СКА 9 от 1-Ю"6 до 2.5-10 моль-л . При концентрациях СКА 1-Ю"6 - 2-10"5 моль-л"1 существенного отличия вида изотерм смешанной системы БЦТА/СКА 9 от изотермы раствора БЦТА не

п-5 ос.т-4 ..п^г.пт-1

Рис. 26. Зависимость поверхностного натяжения (/) растворов БЦТА/СКА 9 и размера частиц (2) от концентрации БЦТА, (сска9=1'Ю"4 моль-л"1), 25°С

первого плато на изотерме поверхностного натяжения и перестройки супрамолекулярных доменов в растворе СКА 9, рис. 23 и 24, кривые 2) приводит к значительному снижению ст (4550 мН-м"1) смешанного раствора в области концентраций БЦТА вплоть до 1-Ю"12 моль-л"1 (рис. 27, кривая 3). Дальнейшее уменьшение концентрации БЦТА сопровождается увеличением

ст системы, которая при концентрации БЦТА 1-Ю"15 моль-л'1 выходит на уровень, соответствующий поверхностному

натяжению растворов индивидуального СКА 9 при концентрациях 6-10"5, 1-Ю"4 и 2.5Т0"4 моль-л"1, соответственно. Сопоставление концентрационных

зависимостей поверхностного натяжения и размеров частиц (рис. 27, кривые 2 и 3) в смешанной системе указывает на схожесть концентрационных интервалов, в которых на зависимостях сг=/[сецта) и 1)=_/(сбцтл) происходят наиболее значительные изменения поверхностного натяжения и размеров. Найденная взаимосвязь дает основание считать, что

снижение ст смешанных растворов в

,-12

ст, мНи"

Б, нм

БЦГЛ

Рис. 27. Зависимость размеров частиц (1, 2) и поверхностного натяжения раствора (5) от концентрации БЦТА в отсутствие (7) и в присутствии (2,3) СКА 9, (сскл $-1 ТО"4 моль-л"') в области низких и сверхнизких концентраций, 25 °С

области концентраций БЦТА 1-10' 1-10"5 моль-л"1 обусловлено способностью наноассоциатов, формирующихся в растворе БЦТА (рис. 27, кривая 1), взаимодействовать с супрамолекуляр-ными доменами, образующимися в

растворах конформационно-подвижного гексамерного СКА 9, с образованием смешанных доменов (рис. 27, кривая 2).

Основные результаты и выводы

1. Предложена новая методика исследования растворов, содержащих растворенное вещество в широкой области концентраций (1Т0"2° - 1-Ю"3 моль-л"1), заключающаяся в сравнительном изучении самоорганизации и физико-химических свойств растворов, выдержанных в естественных условиях и в условиях пониженного уровня внешних ЭМП (экранирующий пермаллоевый контейнер).

2. С использованием разработанного подхода в растворах амфифильных производных фенолов и бромида цетилтриметиламмония впервые выявлена пороговая концентрация, лежащая в интервале 1-Ю"8 - МО"5 моль-л"1, ниже которой в естественных условиях образуются наноассоциаты, обуславливающие появление необычных физико-химических свойств растворов. Показано, что в пшоэлектромагнитных условиях в растворах, концентрация которых ниже пороговой, наноассоциаты не образуются. Это приводит к потере или заметному ослаблению возникающих физико-химических свойств водных растворов исследованных соединений низких концентраций.

3. Впервые на примере ряда биоантиоксидантов - фенозана калия, ихфана С-10 и а-токоферола, амфифильных производных л-сульфонатокапикс[п]аренов (п=4, 6) (СКА) и каликс[4]резорцинарена с трис(гидроксиметил)метиламидными фрагментами (КРА) показано, что природа заместителей в бензольном кольце, а также различия в размерах макроцшслической полости и гидрофобности молекул оказывают существенное влияние на процесс образования наноассоциатов, пороговую концентрацию и физико-химические свойства растворов в области низких концентраций.

4. Впервые на основе найденных значений пороговых концентраций комплексом физико-химических методов, включая ЭПР-спектроскопию, показано, что в растворах катионного поверхностно-активного вещества бромида цетилтриметиламмония (БЦТА) в широкой области концентрации (МО"12 - МО"2 моль-л") образуются наноассоциаты и супрамолекулярные домены, обуславливающие нелинейные концентрационные зависимости физико-химических

свойств раствора. Впервые установлено, что в растворах БЦТА микровязкость наноассоциатов, образующихся в интервале 1-Ю"10 - 1-Ю"8 моль-л"1, сопоставима с микровязкостью супрамолекулярных доменов в интервале 1-Ю"5- 1-Ю"4 моль-л"1.

5. Впервые при совместном изучении в широкой области концентраций 1-Ю"11 - 1-Ю"4 моль-л растворов амфифильного КРА методами динамического светорассеяния и атомно-силовой микроскопии подгверивдено образование наноассоциатов при концентрациях ниже 1-10"6 моль-л"1.

6. Комплексом физико-химических методов показано, что ступенчатый характер изотерм поверхностного натяжения в растворах амфифильных СКА и КРА (30 об. % ДМФА) в домицеллярной области концентраций обусловлен образованием супрамолекулярных доменов с экстремальными параметрами.

7. Впервые установлено, что синергетическое снижение поверхностного натяжения смешанной системы на основе бромида цетилтриметиламмония (БЦТА, 1-Ю12 - 1-Ю"6 моль-л" ) и додецильного л-сульфонатокаликс[6]арена, обладающего оптимальной гидрофобностью и конформационной подвижностью (СКА, 6-Ю"5 - 2.5-10"4 моль-л" ), обусловлено способностью наноассоциатов, формирующихся в растворе БЦТА, взаимодействовать с супрамолекуллярными доменами CICA с образованием смешанных супрамолекулярных доменов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: Статьи:

1. Рыжкина, И.С. Агрегация и физиологическое действие на растительные клетки амфифильных каликс[4]резорцинаренов с гидроксиметилметиламидными и карбоксиметильными группами [Текст] / И.С. Рыжкина, В.Д. Хабихер, Ю.В. Киселева, А.П. Тимошева, А.И. Коновалов, Ю.Н. Валитова, Т.Н. Марданова, А.Н. Ценцевицкий, JI.X. Гордон // Доклады АН. - 2007. - Т. 413. -№4.-С. 557-560.

2. Рыжкина, И.С. Свойства супрамолекулярных наноассоциатов, образующихся в водных растворах низких и сверхнизких концентраций биологически активных веществ [Текст] / И.С. Рыжкина, Л.И. Муртазина, Ю.В. Киселева, А.И. Коновалов // Доклады АН. - 2009,- Т. 428. -№ 4. - С. 487-491.

3. Рыжкина, И.С. Супрамолекулярные системы на основе амфифильных производных биологически активных фенолов: самоорганизация и реакционная способность в широкой области концентраций [Текст] / И.С. Рыжкина, Л.И. Муртазина, Ю.В. Киселева, А.И. Коновалов // Доклады АН. - 2009. - Т. 428. - № 5. - С. 628-632.

4. Рыжкина, И.С. Супрамолекулярные системы на основе алкилированных л-судьфонатокаликс[п]аренов: агрегация, каталитическая и биологическая активность [Текст] / И.С. Рыжкина, Ю.В. Киселева, С.Е. Соловьева, Л.М. Пилишкина, Ю.Н. Валитова, А.И. Коновалов // Изв. АН. Сер. хим. - 2009. - № 12. - С. 2424-2429.

5. Рыжкина, И.С. Наноразмерные смешанные агрегаты алкилированных л-сульфонатокаликс[п]аренов и цетилтриметиламмонийбромида: самоорганизация и каталитическая активность [Текст] / И.С. Рыжкина, Ю.В. Киселева, Л.И. Муртазина, Ю.Н. Валитова, С.Е. Соловьева, Л.М. Пилишкина, А.И. Коновалов // Изв. АН. Сер. хим. - 2010. -№7.-С. 1297-1305.

6. Рыжкина, И. С. Влияние концентрации а-токоферола на самоорганизацию, физико-химические свойства растворов и структуру биологических мембран [Текст] / И. С. Рыжкина, Ю. В. Киселева, Л. И. Муртазина, Н. П. Пальмина, В. В. Белов, Е. Л. Мальцева, Е. Д. Шерман, А. П. Тимошева, А. И. Коновалов // Доклады АН. - 2011. - Т. 438. - № 5. - С. 635-639.

7. Рыжкина, И.С. Взаимосвязь самоорганизации, физико-химических свойств и биологической активности водных растворов производных гемина [Текст] / И.С. Рыжкина, Ю.В. Киселева, Г.А. Желтухина, С.А. Окороченков, Л.И. Муртазина, А.П. Тимошева, В.Е. Небольсин, А.И. Коновалов //Доклады АН. - 2011. - Т.440. - № 1. - С.59-63.

8. Рыжкина, И.С. Сравнительное изучение самоорганизации и физико-химических свойств высокоразбавленных водных растворов фенольных биоантиоксидантов [Текст] / Рыжкина И.С.,

Киселева Ю.В., Муртазина Л.И., Мишина О.А., Шерман Е.Д., Коновалов А.И. // Доклады АН. -2012.-Т. 447,-№2.-С. 179-182.

9. Рыжкина, И.С. Водные растворы амфифильного производного каликс[4]резорцинарена низких концентраций: самоорганизация, физико-химические свойства и биологическая активность в нормальных и гипоэлектромагнитных условиях [Текст] / Рыжкина И.С., Киселева Ю.В., Тимошева А.П., Сафиуллин Р.А., Кадиров М.К., Валитова Ю.Н., Коновалов А.И. // Доклады АН. - 2012. - Т. 447. - № 1. - С. 56-62.

10. Рыжкина, И.С. Эффект ультранизких концентраций и электромагнитных полей [Текст] / И.С. Рыжкина, Ю.В. Киселева, Л.И. Муртазина, А.И. Коновалов // Доклады АН. - 2012. - Т. 446. -№3.-С. 303-307.

11. Валитова, Ю.Н. Влияние сульфонатных производных каликсаренов на физиологическое состояние корней пшеницы [Текст] / Ю.Н. Валитова, А.И. Хаирова, Л.Х. Гордон, Ю.В. Киселева, И.С. Рыжкина, С.Е. Соловьева, Л.М. Пилишкина // Ученые записки Казанского государственного университета. Естественные науки. - 2008. - Т. 150. - Кн. 1. - С. 126-132.

Тезисы основных докладов:

12. Ryzhkina, I.S. The effect of the structure and physicochemical properties of calix[4]resorcinarene derivatives on energy exchange in wheat root [Text] / Ryzhkina I.S., Valitova Yu.N., Habicher W.D., Krause Т., Kiseleva Yu.V., Mardanova G.N., Gordon L.Kh., Konovalov A.I. // IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures". Abstracts. - Kazan. - 2006. -P. 142.

13. Рыжкина, И.С. Супрамолекулярные системы на основе амфифильных производных каликс[4]резорцинаренов, синтетических и природных поверхностно-активных веществ в воде и хлороформе [Текст] / Рыжкина И.С., Тимошева А.П., Киселева Ю.В., Муртазина Л.И.,. Хабихер В.Д, Коновалов А.И. // XVIII Всероссийский Симпозиум "Современная химическая физика". Тезисы докладов. - Пансионат МГУ «Буревестник». - 2006. - С. 230-231.

14. Kiseleva, Yu.V. Supramolecular systems based on amphiphilic sulfonatocaIix[n]arenes: aggregation, catalytic activity, physiological effect on plant cells [Text] / Kiseleva Yu.V., Ryzhkina I.S., Solovieva S.E., Pilishkina L.M., Konovalov A.I., Valitova Yu.N. // XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. - Москва. - 2007. - Т. 5. - С. 87.

15. Киселева, Ю.В. Свойства супрамолекулярных систем на основе физиологически активных октапроизводных каликс[4]резорцинаренов [Текст] / Киселева Ю.В., Рыжкина И.С., Хабихер В.Д., Подьячев С.Н., Судакова С.Н., Валитова Ю.Н., Коновалов А.И. // XIX Всероссийский Симпозиум "Современная химическая физика". Тезисы докладов. - Пансионат МГУ «Буревестник». - 2007. - С. 377.

16. Ryzhkina, I.S. Amphiphilic derivatives of calix[4]resorcinarene as surfactants, catalysts and membrane modifiers of plant cells [Text] / Ryzhkina I.S., Kiseleva Yu.V., Timosheva A.P., Valitova Yu.N., Habicher W.D., Podiyachev S.N., Sudakova S.N., Konovalov A.I. // 1st International Symposium «Supramolecular and nanochemistry: toward applications». Abstracts. - Kharkov. - 2008. -P. 0-5.

17. Konovalov, A.I. The features of self-organization of individual and mixed solutions of some amphiphilic biological active compounds in large concentration region [Text] / Konovalov A.I., Ryzhkina I.S., Murtazina L.I., Kiseleva Yu.V., Manzhukova D.N. // XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Abstracts. - Kazan. - 2009. - V. 1. - P. 124.

18. Рыжкина, И.С. Самоорганизация и физико-химические свойства растворов некоторых антиоксидантов в сверхнизких концентрациях [Текст] / Рыжкина И.С., Муртазина Л.И., Киселева Ю.В., Манжукова Д.Н., Тимошева А.П., Пальмина Н.П., Коновалов А.И. // VIII Международная конференция «Биоантиоксидант». Тезисы докладов. - Москва. - 2010. - С. 410412.

19. Рыжкина, И.С. Супрамолекулярные системы на основе амфифильных производных каликс[4]резорцинаренов: самоорганизация, физико-химические свойства и биоэффекты растворов в широкой области концентраций [Текст] / Рыжкина И.С., Киселева Ю.В., Судакова С.Н., Подьячев С.Н., Тимошева А.П., Валитова Ю.В., Коновалов А.И. // I Всероссийский симпозиум по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (с международным участием). Тезисы докладов. - Казань. - 2011. - С. 108.

20. Рыжкина, И.С. Самоорганизация, физико-химические свойства и биологичекая активность растворов амфифильных аналогов а-токоферола [Текст] / Рыжкина И.С., Муртазина Л.И., Киселева Ю.В., Шерман Е.Д., Тимошева А.П., Пальмина Н.П., Коновалов А.И. // I Всероссийский симпозиум по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (с международным участием). Тезисы докладов. - Казань. -2011. - С. 109.

21. Киселева, Ю.В. Самоорганизация и необычные физико-химические свойства водных растворов бромида цетилтриметиламмония низких концентраций в нормальных и гипоэлекгромагнитных условиях [Текст] / Киселева Ю.В., Рыжкина И.С., Тимошева А.П., Литвинов А.И., Кадиров М.К., Коновалов А.И. // XXTV конференция «Современная химическая физика». Сборник тезисов. - Туапсе. - 2012. - С. 201-202.

22. Ryzhkina, I.S. Biomimetic Catalytic Systems Based on Aqueous Solutions of Surfactans at Normal and Hypogeomagnetic Conditions [Text] / Ryzhkina I.S., Kiseleva Yu.V., Konovalov A.I. // 6th International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology". Abstracts. -Strasbourg. - 2012. - P. 106.

23. Рыжкина, И.С. Самоорганизация, физико-химические свойства и биологическая активность водных растворов амфифильных каликсаренов низких концентраций в гипогеомагнитных условиях [Текст] / Рыжкина И.С., Киселева Ю.В., Сафиуллин Р.А., Кадиров М.К., Валитова Ю.Н., Коновалов А.И. // VI Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург. - 2012. - С.87.

24. Рыжкина, И.С. Сравнительное изучение самоорганизации и физико-химических свойств водных растворов антиоксидантов в нормальных и гипогеомагнитных условиях [Текст] / Рыжкина И.С., Киселева Ю.В., Муртазина Л.И., Мишина О.А., Коновалов А.И. // VI Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург. - 2012. - С. 89.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Киселева, Юлия Васильевна, Казань

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук

КИСЕЛЕВА ЮЛИЯ ВАСИЛЬЕВНА

На правах рукописи

04201 357828

02.00.04 - физическая химия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель:

доктор химических наук, доцент Рыжкина Ирина Сергеевна

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ........................................................ 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. САМООРГАНИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ АМФИФИЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ КОНЦЕНТРАЦИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)......................................................... 12

1.1. Роль самоорганизации в супрамолекулярной химии и нанотехнологии.................................................................. 12

1.2. Супрамолекулярные системы на основе амфифильных производных каликсаренов: самоорганизация, физико-

химические и биологические свойства...................................... ^

1.2.1. Введение в химию каликсаренов......................................... 14

1.2.2. Особенности самоорганизации растворов

амфифильных каликсаренов.............................................. 19

1.2.3. Влияние гидрофильных и гидрофобных групп на самоорганизацию амфифильных каликсаренов в

растворе..................................................................... 24

1.2.4. Влияние размера макроцикла и конформационной подвижности молекулы калике[п]аренов на самоорганизацию растворов.................................................................... 32

1.2.5. Биологическая активность производных каликсаренов........... 39

1.3. Физико-химические и биологические свойства растворов

низких концентраций............................................................ 40

1.3.1. Эффект сверхмалых концентраций.................................... 40

1.3.2. Самоорганизация и физико-химические свойства

растворов низких концентраций....................................... 43

1.4. Действие внешнего электромагнитного поля - условие образования наноассоциатов в высокоразбавленных водных

растворах...........................................................................

1.5. Заключение........................................................................ 61

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ. ПРИБОРЫ..........................................................................................................64

2.1. Объекты исследования......................................................................................................................64

2.1.1. Биоантиоксиданты................................................................................................................64

2.1.2 Бромид цетилтриметиламмония (БЦТА)..........................................................65

2.1.3. Калике[4]резорцинарен (ЮРА)..................................................................................65

2.1.4. и-Сульфонатокаликс[п]арены (CICA)..................................................................65

2.2. Приготовление растворов..............................................................................................................66

2.3. Методы исследования......................................................................................................................69

2.3.1. Определение поверхностно-активных свойств растворов..............69

2.3.2. Кондуктометрические измерения........................................................................70

2.3.3. Измерение размеров частиц методом динамического светорассеяния..........................................................................................................................71

2.3.4. Измерение электрокинетического потенциала методом микроэлектрофореза..........................................................................................................74

2.3.5. Измерение рН раствора................................................................................................75

2.3.6. Исследования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). 76

2.3.7. Изучение микровязкости методом ЭПР..........................................................77

2.3.8. Изучение влияния внешних электромагнитных полей......................77

2.3.9. Биологические эксперименты....................................................................................78

ГЛАВА 3. САМООРГАНИЗАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АМФИФИЛБНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ФЕНОЛОВ И БРОМИДА ЦЕТИЛТРИМЕТИЛАММОНИЯ НИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ В ЕСТЕСТВЕНЫХ И ГИПОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

УСЛОВИЯХ............................................................................. 79

3.1. Взаимосвязь самоорганизации, физико-химических свойств и биоэффектов растворов а-токоферола в области низких концентраций...................................................................... 79

3.2. Изучение влияния строения вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства высокоразбавленных водных

растворов фенольных биоантиоксидантов................................. 92

3.3. Самоорганизация и физико-химические свойства растворов низких концентраций бромида цетилтриметиламмония............................. 97

3.4. Самоорганизация и физико-химические свойства водных и водно-диметилформамидных растворов широкой области концентраций амфифильного производного

калик[4]резорцинаренатрис(гидроксиметил)метиламидными

, 108

фрагментами............................................................................

3.5. Супрамолекулярные системы на основе алкилированных п-сульфонатокаликс[п]аренов: самоагрегация и физико-

122

химические свойства в широком диапазоне концентраций.............

3.6. Супрамолекулярные смешанные системы на основе алкилированных и-сульфонатокаликс[п]аренов и бромида

132

цетилтриметиламмония.........................................................

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................... 143

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 145

Приложение............................................................................. 179

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АСМ - атомно-силовая микроскопия

АТФ - аденозинтрифосфат

БАВ - биологически активное вещество

БЦТА - бромид цетилтриметиламмония

ГС - граничные слои

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

дмсо - диметилсульфоксид

ДМФА - диметилформамид

ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия

ДСН - додецилсульфат натрия

ДСР — динамическое светорассеяние

ик - инфракрасная спектроскопия

ККА - критическая концентрация агрегации

ккм - критическая концентрация мицеллообразования

КРА - каликс[4]резорцинарен

КР - комбинационное рассеяние

МУРН — малоугловое рассеяние нейтронов

ПАВ - поверхностно-активное вещество

СКА - л-сульфонатокаликс[п]арен

ТЭМ - трансмиссионная электронная микроскопия

УФ - ультрафиолетовая спектроскопия

ФКС - фотон-корреляционная спектроскопия

ЭМП - электромагнитное поле

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

эсм - электронная сканирующая микроскопия

ЯМР — ядерный магнитный резонанс

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одной из проблем современной науки является установление механизма влияния слабых воздействий различной природы на живые организмы. По этой проблеме накоплен огромный экспериментальный материал, свидетельствующий о действии растворов низких (включая пикомолярные) и сверхнизких (фемтомолярные и ниже) концентраций и слабых полей на биологические процессы, среду обитания человека и его здоровье. Наиболее загадочное и практически важное явление, наблюдающееся в высокоразбавленных растворах -нелинейные концентрационные зависимости физико-химических свойств и биоэффектов. Важность этих явлений для естественных наук и жизнедеятельности человека (рациональное природопользование, создание лекарственных средств нового поколения, биомедицинские технологии) трудно переоценить. Однако до последнего времени физико-химическая причина этих явлений оставалась неизвестной.

Дель работы

Изучение влияния пониженного уровня внешних ЭМП и строения растворенного биологически активного вещества на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов низких и сверхнизких концентраций, установление взаимосвязи между параметрами наноассоциатов и физико-химическими свойствами растворов, а также физико-химическое обоснование возникновения синергетического эффекта в смешанной системе, содержащей растворенное вещество в низких концентрациях.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

Научная новизна полученных результатов

• В работе предложен и апробирован новый подход для исследования

самоорганизации и свойств растворов широкой области концентраций (1-10' -1 • 10"3 моль-л"1), заключающийся в сравнительном изучении комплексом физико-химических методов концентрационных зависимостей параметров частиц и

характеристик растворов, выдержанных в естественных и гипоэлектромагнитных условиях (в пермаллоевом контейнере).

0С\ 1 1 / л

области низких (1-1(Ги - 1-Ю" моль-л"), так и в области обычных (1-10" - 1-10" моль-л"1) концентраций. Характер и степень воздействия гипоэлектромагнитных условий на растворы зависит от химического строения растворенного вещества.

• На примере растворов производных 2,6-диалкилфенолов - биоантиоксидантов фенозана калия, ихфана С-10 и а-токоферола, а также амфифильных производных каликс[4]резорцинарена и п-сульфонатокаликс[п]аренов (п=4, 6), изученных в широкой области концентраций, впервые показано, что химическое строение вещества оказывает существенное влияние на интервал концентраций, в котором образуются наноассоциаты, и на их параметры.

Результаты работы обоснованы и достоверны

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

использованием высокоточной и высокочувствительной поверенной измерительной техники;

- обработкой экспериментальных данных по стандартным программам;

- согласованностью результатов экспериментов, полученных различными физико-химическими методами;

- воспроизводимостью результатов.

Практическая и теоретическая значимость полученных результатов

обоснования возникновения нелинейных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и высокой физиологической активности растворов биологически активных веществ низких концентраций, необходимого для создания новых экологически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также разработки лекарственных средств нового поколения (Программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН на 2013-2020 гг., п. 44, 45, 46 и 48).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 2007-2011); IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures" (Казань, 2006); Всероссийских симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006-2008, 2012); Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 2007, 2008); XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007); XIth International Seminar on Inclusion Compounds ISIC-11 (Киев, 2007); 1st International Symposium "Supramolecular and nanochemistiy: toward applications" (Харьков, 2008); IVth International Summer School "Supramolecular Systems in

Chemistry and Biology" (Туапсе, 2008); Научной конференции «Органическая химия

для медицины» (Черноголовка, 2008); XVIIth International Conference on Chemical

Thermodynamics in Russia (Казань, 2009); VIII Международной конференции

«Биоантиоксидант» (Москва, 2010); Симпозиуме некоммерческого партнерства

институтов РАН «ОрХиМед: Разработка лекарственных и физиологически

активных соединений на основе природных веществ» (Санкт-Петербург, 2010);

Научно-практической конференции «Биологически активные вещества:

фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет,

АР Крым, Украина, 2011); I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-

активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); 6 International Symposium "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (Страсбург, Франция, 2012); VI Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации по работе

По материалам диссертации опубликованы И статей, все в изданиях, рекомендованных ВАК, и тезисы 20 докладов на конференциях различного уровня.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2) и тематически разделенного обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 2 таблицы, 92 рисунка и список литературы из 288 наименований.

Автор выражает благодарность академику Коновалову Александру Ивановичу за помощь в работе и ценные советы, научному руководителю д.х.н. Рыжкиной Ирине Сергеевне за постановку цели и задачи исследования, а также поддержку в написании данной работы, сотруднику Дрезденского технического университета (Дрезден, Германия) доктору В.Д. Хабихеру, сотрудникам ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН д.х.н. Соловьевой С.Е, к.х.н. Пилишкиной JI.M. за синтез изученных соединений, сотрудникам ИБХФ им. Н.М. Эмануэля РАН д.б.н.,

профессору Е.Б. Бурлаковой и д.б.н., профессору Н.П. Пальминой за предоставленные образцы фенозана калия и а-токоферола, сотруднице КИББ КазНЦ РАН к.б.н. Валитовой Ю.Н. за биологические исследования, сотрудникам ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН к.х.н. Муртазиной Л.И. за консультацию и помощь в оформлении работы, Манжуковой Д.Н. за совместное исследование растворов методами динамического свекторассеяния, асп. Сафиуллину Р.А, асп. Литвинову А.И., д.х.н. Кадирову М.К. за совместное исследование растворов методами атомно-силовой микроскопии и ЭПР-спектроскопии, сотрудникам КФУ Шерману Е.Д. за помощь при исследовании систем методом корреляц�