Влияние физико-химических свойств среды и поверхности мезопористых диоксидов кремния на адсорбцию лекарственного препарата молсидомин

Алёшина, Нонна Андреевна

Влияние физико-химических свойств среды и поверхности мезопористых диоксидов кремния на адсорбцию лекарственного препарата молсидомин тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Алёшина, Нонна Андреевна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иваново МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Влияние физико-химических свойств среды и поверхности мезопористых диоксидов кремния на адсорбцию лекарственного препарата молсидомин»

Автореферат диссертации на тему "Влияние физико-химических свойств среды и поверхности мезопористых диоксидов кремния на адсорбцию лекарственного препарата молсидомин"

На правах рукописи

005535438

Алёшина Нонна Андреевна

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕДЫ И ПОВЕРХНОСТИ МЕЗОНОРИСТЫХ ДИОКСИДОВ КРЕМНИЯ НА АДСОРБЦИЮ ЛЕКАРСТВЕННОГО ПРЕПАРАТА МОЛ'СИДОМИН

02.00.04 - физическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

г 4 ОКТ 2013

Иваново 2013

005535438

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии растворов имени Г. А. Крестова РАН (ИХР РАН)

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Парфенюк Елена Владимировна

Официальные оппоненты:

Шилова Ольга Алексеевна, доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов имени И. В.Гребенщикова Российской академии наук, заведующая лабораторией неорганического синтеза

Перлович Герман Леонидович, доктор химических наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г. А. Крестова РАН, заведующий лабораторией «Физическая химия лекарственных соединений»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева»

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 10 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 002.106.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии растворов им. Г. А. Крестова РАН, 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХР РАН.

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Антина Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы состоит в получении разносторонней и систематической информации об адсорбционных взаимодействиях лекарственного препарата молсидомин с поверхностью мезопористых частиц диоксида кремния, которая может быть полезна как для развития теории адсорбции органических веществ на пористых поверхностях, так и для решения важнейших прикладных проблем (очистка сточных вод от лекарственных препаратов сиднониминовой природы, очистка и разделение смесей лекарственных препаратов, разработка новой лекарственной формы молсидомина пролонгированного действия). Указанная информация практически полностью отсутствует в литературе.

Цель работы заключалась в синтезе мезопористых материалов диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами и изучении влияния физико-химических свойств их поверхности, рН среды и температуры на адсорбционную емкость материалов и термодинамику адсорбции молсидомина

Для достижения указанной цели решались следующие задачи :

— синтезировать мезопористые материалы диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами, изучить влияние природы и структурных особенностей молекул темплатов на характеристики их пористой структуры;

— изучить влияние физико-химических свойств поверхности, рН среды и температуры на адсорбционную емкость материалов диоксида кремния по отношению к молсидомину; выяснить, какой из исследуемых материалов адсорбирует наибольшее количество молсидомина и при каких условиях;

— изучить влияние химических свойств поверхности на термодинамические характеристики адсорбции молсидомина на материалах диоксида кремния;

— выявить природу адсорбционных взаимодействий между материалами диоксида кремния и молсидомином;

— выявить наиболее эффективный адсорбент для лекарственного препарата молсидомин

Научная новизна

Впервые на основе анализа экспериментальных и литературных данных установлено, что пористая структура материалов диоксида кремния, полученная после удаления полигидроксильных темплатов (moho-, ди-, полисахаридов, поливинилового спирта), не зависит от стереохимической структуры сахаридов, размера молекул темплатов, а определяется их конформационным состоянием, а также объемом их мономерных звеньев и количеством гидроксильных групп в молекулах.

Впервые изучено состояние молекул молсидомина в водных растворах в широком интервале рН (рН=2-9) и показано, что молсидомин может существовать в виде катионной, анионной и электронейтральной формы. Определены константы кислотно-основных равновесий и изоэлектрическая точка молсидомина.

Впервые проведено комплексное систематическое исследование адсорбционных взаимодействий молсидомина с материалами диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами. Получены количественные характеристики адсорбции (адсорбционная емкость материалов по отношению к молсидомину, термодинамические характеристики адсорбции), изучено влияние рН

среды, способа синтеза и температуры на количество адсорбированного препарата. Выявлена природа взаимодействий, ответственных за адсорбцию препарата на синтезированных материалах. На основе сравнительного анализа полученных характеристик адсорбции доказано, что среди исследованных материалов наиболее эффективным адсорбентом для молсидомина является фенилмодифицированный диоксид 1фемния, синтезированный методом «прививки», который адсорбирует наибольшее количество молсидомина при пониженном значении pH и температуре и связывает препарат наиболее прочно.

Практичная значимость

Выявленные особенности взаимодействий мезоионного соединения молсидомин на материалах диоксида кремния с различными химическими свойствами поверхности вносят вклад в развитие теории адсорбции органических молекул на границе раздела фаз раствор/твердый адсорбент. Характеристики синтезированных материалов диоксида кремния могут быть использованы при разработке катализаторов, поглотителей, стационарных фаз для хроматографии и пр. Полученные данные по адсорбционным характеристикам молсидомина на диоксидах кремния (адсорбционная емкость, термодинамические характеристики) могут найти применение при разработке адсорбентов для очистки сточных вод от лекарственных препаратов сиднониминовой природы, технологий разделения смесей и очистки лекарственных веществ от примесей. Эти данные могут быть использованы для разработки новых лекарственных форм препарата молсидомин с улучшенными фармакологическими и потребительскими свойствами.

Достоверность получепных результатов работы подтверждается их воспроизводимостью, согласованностью выводов, полученных с помощью различных методов исследования, между собой и положениями физической химии, касающихся поверхностных явлений на границе раздела фаз

Вклад автора состоит в проведении работ по синтезу исследуемых материалов диоксида кремния, в постановке и выполнении основных экспериментальных исследований, проведении расчетов, обработке, анализе и обобщении экспериментальных и литературных данных, участии в написании научных публикаций, формулировке основных положений и выводов диссертации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III, VI и VII Региональных конференциях молодых ученых «Теоретическая экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2008, 2011, 2012 гг.), V и VII Международных научных конференциях «Кинетика и механизмы кристаллизации» (Иваново, 2010, 2012 г.г.), 3-ей Конференции с элементами научной школы для молодежи «Органические и гибридные наноматериалы» (Иваново, 2011г.), XI международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011г.), II Международной научной школе - Нано-2011. «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина» (Москва, 2011г.), III Международной научной конференции «Наноструктурные Материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь», (Санкт-Петербург, 2012г.), Второй конференции стран СНГ: Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель-2012», (Севастополь, 2012г.), Международной междисциплинарной научной конференции «Биологически активные вещества и материалы: фундаментальные и прикладные вопросы получения

и применения» (Крым, 2013г.), IX Всероссийской конференции Химия и Медицина с Молодежной научной школой по органической химии, (Уфа, 2013г.)

Публикации

Основное содержание работы изложено в монографии, 3 статьях, опубликованных в отечественных и иностранных рецензируемых научных журналах, а также в тезисах 11 докладов, опубликованных в трудах научных конференций различного уровня.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 157 страницах, содержит 9 таблиц, 40 рисунков, 39 формул и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных выводов, библиографического списка, содержащего 256 ссылок на цитируемые литературные источники.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности исследуемой темы, сформулирована цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Обзор литературы содержит пять разделов. Первые три раздела посвящены описанию свойств мезопористых материалов диоксида кремния, способов их синтеза и модификации, применений в области биологии и медицины. Обсуждено влияние различных факторов (природы темплата, его концентрации, температуры, времени синтеза, рН среды), а также способов модификации диоксида кремния различными функциональными группами на параметры пористой структуры и адсорбционную способность полученных материалов. В четвертом разделе приведена информация о мезоионных соединениях и о представителе этого класса веществ -молсидомине, его структуре и свойствах. Пятый раздел посвящен обзору литературы, касающейся адсорбции из растворов на твердых поверхностях. Рассмотрены основные подходы и теоретические модели, применяющиеся для изучения этого процесса, особенности указанного вида адсорбции. Особое внимание уделено описанию природы адсорбционных взаимодействий органических молекул с поверхностью диоксида кремния, влияния рН среды и ионной силы на эти взаимодействия. Заключительная часть этого раздела посвящена термодинамическим характеристикам адсорбции органических веществ и ионов из растворов на пористых материалах диоксида кремния.

Глава 2. Экспериментальная часть В данном разделе диссертационной работы охарактеризованы используемые в работе реактивы, приводятся методики синтеза немодифицированного и модифицированных различными функциональными группами частиц диоксида кремния. Описаны физико-химические методы исследования полученных материалов и их композитов с молсидомином (ИК- УФ-спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, метод низкотемпературной адсорбции/десорбции азота, элементный анализ, термический анализ), а также характеристики используемого оборудования. Приведено описание методик эксперимента по адсорбции молсидомина на синтезированных материалах, проведения кислотно-основного титрования молсидомина в растворе и определения точки нулевого заряда материалов диоксида кремния. Показаны способы расчета

термодинамических характеристик адсорбции. Подробно описано определение погрешностей полученных экспериментальных и расчетных данных.

Глава 3. Обсуждение результатов

Глава содержит три раздела. Первый раздел посвящен обсуждению характеристик пористой структуры и морфологии частиц немодифицированного и модифицированного различными функциональными группами диоксида кремния. Немодифицированный диоксид кремния (НМДК) был получен золь-гель синтезом с использованием полигидроксильных темплатов. Обсуждается влияния природы и размера молекул темплатов, условий синтеза и способа удаления темплатов на характеристики пористой структуры полученных материалов.

В данной работе были синтезированы образцы диоксида кремния, поверхность которых модифицирована фенильными (СбН5-) (ФМДК), меркаптопропильными (БЩСНгЭз-) (ММДК) и аминопропильными (Ш2(СН2)3-) (АМДК) группами. Фенилмодифицированный диоксид кремния был получен двумя способами: методом соконденсации (ФМДК(сс,кон.)) и методом «прививки» (ФМДК). Введение функциональных групп в матрицу диоксида кремния подтверждается данными ИК-Фурье спектроскопии и методом элементного анализа.

В таблице 1 представлены характеристики пористой структуры синтезированных адсорбентов. В этой же таблице указаны концентрации органических функциональных групп (Сфгр), которые для материалов модифицированного диоксида кремния были рассчитаны из данных элементного анализа по формуле (1):

содержание элемнта, %

фгр-= Лг-п-100% ( }

Концентрация гидроксильных групп на поверхности НМДК была оценена из данных термогравиметрического анализа по соотношению (2):

2{Щ{Та)-\У{Тгт))

С(ОН) ~ '

М*

(2)

где и 1У(ття) - вес частиц диоксида кремния (г) при начальной и конечной

температурах процесса дегидроксилирования соответственно,

н,о

молекулярная

масса воды.

Таблица 1. Характеристики пористой структуры и концентрации поверхностных

Образец Удельная повер-ть, м /г Объем пор, см /г Средний размер пор, нм Концентрация поверхностных групп, ммоль/г ммоль/м

НМДК 694 0.53 2.8 6.62

ФМДК (сокон.) 640 0.57 3.1 0.54 8.4-10"4

ФМДК 626 0.50 2.7 0.47 7.5-10-"

АМДК 403 0.32 2.6 1.40 3.5-10^

ММДК 563 0.48 2.6 0.14 2.5-10"4

пор 3%, в величине размера пор 1%.

Анализ полученных в первом разделе данных показывает, что синтезированные диоксиды кремния являются мезопористыми, имеют аморфную структуру, высокую удельную поверхность, обладают большим объемом пор и узким распределение пор по размерам.

Во втором разделе проводится сравнительный анализ экспериментальных данных по адсорбционной емкости материалов диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами по отношению к молсидомину, исследуются эффекты рН среды и температуры на указанную характеристику.

Молсидомин (Ъ1-этоксикарбонил-3-(4-NMD || морфолиносиднонимин)) является N-

экзоциклическим производным сиднонимина и _ . - .. U относится к классу мезоионных соединений,

которые, с одной стороны, обладают ароматичностью, а с другой - являются высоко полярными соединениями. Поэтому нельзя сказать a priori, какой из синтезированных материалов адсорбирует наибольшее количество молсидомина, при каких условиях и какие силы управляют процессом адсорбции.

Количественное распределение молсидомина между раствором и поверхностью адсорбентов, когда процесс адсорбции достигает равновесия, отражают изотермы адсорбции - зависимости количества адсорбированного вещества от его равновесной концентрации в растворе, qpam = f(cpalH). В представленной работе были экспериментально получены изотермы адсорбции молсидомина на синтезированных материалах диоксида кремния из растворов со значениями рН = 4.8, 7.4, 8.0 (Фосфатные буферные смеси, 50мМ) и температуре 298 К. При значении рН = 7.4 адсорбция молсидомина исследовалась при температурах 290, 293, 298, 303, 310 и 313 К. Концентрация молсидомина в начальном растворе (до адсорбции) (С0), а также в надосадочном растворе, т.е. равновесная концентрация молсидомина, оставшегося в

Рисунок 1. Снимки НМДК (а) и ФМДК (сокон.) (б, в), полученные методом просвечивающей

микроскопии.

Синтезированные адсорбенты были изучены методом просвечивающей электронной микроскопии (Рисунок 1), Снимки свидетельствуют о сферических наноразмерных (20-30 нм) частицах синтезированных адсорбентов. Материалы имеют аморфную структуру.

растворе после адсорбции (С рат), определялись спектрофотометрически по

интенсивности полосы поглощения молсидомина при >^„2КС=310 нм. Количество адсорбированного молсидомина (его концентрация на поверхности диоксида кремния) рассчигавалось по формуле (3): ^ ^

Чравн — ~ ' (3),

адс-та

где V- объем раствора, т№В- масса адсорбента.

Для описания экспериментальных изотерм адсорбции были применены четыре теоретические модели: двухпараметровые модели Ленгмюра (4) и Фрейндлиха (5) и трехпараметровые модели Сипса (6) и Редлиха-Петерсона (7):

ТГ /П

_ Чмакс-"-Л^ равн _ ^ ^1/п

1равн" 17Же"

'•Л равн

-11/П 'рат

'(4), Чравн -Кф'Сравн (5),

ТГ /^1/П V С

Чмакс К Страви _ Р-П^ равн

" I

Чравн - 1 к г1/„ (6), ]+а СР (7),

где Ямакс- максимальная емкость адсорбента, Кл, Кф, Кс, КР.П- константы Ленгмюра, Фрейндлиха, Сипса и Редлиха-Петерсона, 1/п и р - показатели гетерогенности поверхности адсорбента.

Для большинства полученных экспериментально изотерм адсорбции модель Сипса описывает их наиболее точно. Так как модель Сипса является комбинацией моделей Ленгмюра и Фрейндлиха, то применение этой модели к полученным экспериментальным данным указывает, с одной стороны, на гетерогенность поверхностей синтезированных материалов, а с другой - на монослойную адсорбцию.

Было изучено влияние природы поверхностных функциональных групп, рН раствора и температуры на максимальную адсорбционную емкость синтезированных материалов диоксида кремния по отношению к молсидомину.

Влияние поверхностных функциональных групп материалов диоксида кремния на их адсорбционную емкость по отношению к молсидомину.

В таблице 2 приведены величины ям„с, характеризующие максимальную адсорбционную емкость синтезированных диоксидов кремния по отношению к молсидомину, рассчитанную на г адсорбента и на м2 его удельной поверхности, при температуре 298 К и различных значениях рН, полученных при описании изотерм моделью Сипса. Как следует из таблицы 2, практически при всех значениях рН наибольшее количество молсидомина адсорбируют фенилмодифицированные материалы диоксида кремния. Следует отметить, что не наблюдается корреляция величины с величиной удельной поверхности материалов, а также с

концентрацией функциональных групп на поверхности материалов (см. таблицу 1). Отсюда можно предположить, что ароматическая природа функциональных групп адсорбентов вносит свой вклад в эффективную адсорбцию молсидомина на фенилмодифицированных адсорбентах. Так как частицы диоксида кремния содержат поверхностные фенильные группы, а молекулы молсидомина содержат

электронодифицитный гетероцикл, то они способны к к-к специфическому взаимодействию. Данное предположение подтверждают спектральные исследования.

Таблица 2. Величины максимальной адсорбционной емкости материалов диоксида кремния (ям„с) при температуре 298 К и различных значениях рН

рН=4.8 рН=7.4 рН=8.0

нмдк Чмакс! ммоль/г Чмакс» дмоль/м2 * 1.20-10"3±6-10"5 1.8-10"3 1.09-10"3±5-10"5 1.610'3 0.48-10"3±1-10"5 0.7-10"3

ФМДК (сокон.) Чмакс) ммоль/г я„якс, дмоль/м2 * 1.86,10"3±4-10"5 2.9-10"3 1.75-10"3±8-10"5 2.7-10"3 1.35-10"3±1-10"4 2.1-10"3

ФМДК Чмакс' ММОЛь/г Чмак« цмоль/м2 * 2.65-10"3±6-10"5 4.2-10"3 1.29'10"3±2-10"5 2.1-10'3 0.73-10"3±1-10"5 1.2-10"3

ммдк Чмакс, ммоль/г Чмакс, ЦМОЛЬ/М2* 2.03'10"3±4-10"5 4.1-10"3 0.90-10"3±Ы0"5 1.6-10"3 0.40-10"3±1-10"5 0.7-10"3

АМДК Чмакс, ММОЛЬ/Г Чмакс, ЦМОЛЬ/М2" 0.48-10"3±2-10"5 1.2-10"3

*Рассчитаны как чнакс/удельная поверхность

В качестве примера на рисунке 2 приведены УФ-спектры свободного молсидомина в растворе и суспензии его композита с ФМДК (сокон.) при рН=7.4. При адсорбции на

фенилмодифицированном диоксиде

кремния (спектр 2) полоса поглощения, ответственная за сиднониминовое ядро, проявляет батохромный сдвиг (с Хмакс= 310 НМ ДО Хмакс = 313 нм). «Красный» сдвиг полосы л—»я* перехода свидетельствует о том, что сиднониминовый гетероцикл участвует во взаимодействии с поверхностью адсорбента.

Участие фенильных групп адсорбента в этом взаимодействии подтверждают ИК-Фурье спектры. На рисунке 3 в качестве примера приведены спектры кристаллического молсидомина, ФМДК (сокон.) и их композита, полученного из раствора с рН=4.8. Сравнение ИК-Фурье спектров адсорбента и композита показывает, что полосы валентных колебаний связи С=С (1434 см'1) и внеплоскостных деформационных колебаний группы С-Н (750 см"1) ароматического кольца адсорбента сдвигаются в низкочастотную область на 7 см"1 и 5 см"1 соответственно, что указывает на

X, ни

Рисунок 2. УФ-спектры раствора молсидомина (1) и суспензии композита молсидомина с ФМДК (сокон.) (2) в буфере при рН=7.4. (Спектры сняты относительно бубеоа).

взаимодействие сиднонимина с фенильными группами диоксида кремния. Такие же изменения в спектрах наблюдаются и для композитов другого исследуемого фенилмодифицированного диоксида кремния (ФМДК). Таким образом, исследования спектральными

методами показали, что

взаимодействия с участием л -систем адсорбента и молсидомина играют важную роль в его количественной адсорбции (рисунок 4).

Однако, как свидетельствуют приведенные на рисунках 2 и 3 спектры, п-я взаимодействие - не единственный вид взаимодействий, приводящих к адсорбции молсидомина на фенилмодифицированных диоксидах кремния. Гипсохромный сдвиг полосы п—>л* перехода молсидомина в композите (с Как<г 229 нм до 223 нм, Д=6 нм)

(рисунок 2, спектр 2) свидетельствует о взаимодействии - экзоциклической группы

Рисунок 3. ИК-Фурье спектры кристаллического молсидомина (1), ФМДК (сокон.) (2) и их композита, полученного при рН=4.8 (3).

>«Ч/-

он

.0 — 81— нЬ

4,-

\я_

в!—он N=0

СГ

—о

у I

но^

хт

но /

■ гг

Рисунок 4.

изображение молсидомина с

фенилмодифицированого кремния.

Схематическое взаимодействия матрицей диоксида

и может быть следствием образования водородной связи между гидроксильными группами адсорбентов и электронодонорными атомами экзоциклической группы молсидомина (¡рисунок 4). Это подтверждается батохромными сдвигами полос V (С=0) (1651 см"1 до 1645 см"1) и V (С=Ы) (1562 см"1 до 1545 см"1), а также сдвигом V (вьО) в 81-ОН (960 см"1 до 971см ) поверхностных групп адсорбентов в ИК-Фурье спектрах композита молсидомина с ФМДК (сокон.) по сравнению с кристаллическим молсидомином и указанным адсорбентом (Рисунок 3, спектр 3).

Поверхности других синтезированных материалов (НМДК, ММДК, АМДК) содержат только кислотно-основные группы и адсорбируют меньшее количество молсидомина по сравнению с фенилмодифицированными образцами. Наименьшее количество препарата адсорбирует АМДК.

Так как молсидомин является мезоионным соединением, его состояние в растворе, а также состояние поверхностных функциональных групп будет зависеть от рН раствора, из которого осуществляется адсорбция.

Влияние рН на максимальную адсорбционную емкость материалов диоксида кремния.

Чтобы выяснить состояние молсидомина в растворах, впервые было проведено кис- лотно-основное титро- вание его водных растворов в широком интервале рН от (2 до 9) при 298 К. В исследованном интервале рН молсидомин

1 испытывает два кис-

^ 5 л 4Ц * 5 5 6 6* 7 7.5 8 8,5

11,= . ■ 1)Н лотно-основных равно-

Рисунок 5. Эффект рН среды на адсорбционную весия, которые характе-

емкость материалов диоксида кремния по отношению ризуются значениями

к молсидомину при 298 К (Величины цтх рассчитаны констант рК1=3.2 и

по модели Сипса). рК2-5.6.

Изоэлектрическая точка

(р1) составляет 4.4. Таким образом, молсидомин может существовать в катионной форме (М1"), анионной форме (М") и в виде электронейтральных молекул (М*).

Как видно из рисунка 5, наибольшее количество молсидомина адсорбируется при рН=4.8. Это связано с тем, что при этом значении рН, близком к изоэлектрической точке молсидомина, большая часть его молекул находится в электронейтральной форме, что способствует взаимодействию нейтральных частиц молсидомина (акцепторов протонов) с поверхностными группами адсорбентов (донорами протонов) за счет образования водородных связей. Подробно образование водородных связей при адсорбции молсидомина на фенилмодифицированном диоксиде кремния обсуждалось выше и подтверждается данными ИК-Фурье спектроскопии (рисунок 3). Подобные изменения в ИК-Фурье спектрах наблюдаются при адсорбции молсидомина на НМДК, ММДК. Кислотность (протонодонорная способность) групп снижается в ряду ЭН > ОН > ЫН, поэтому адсорбция

ч мажс, ММОЛЬ'Г

0,005 •

ФМДК

0,0025 ■ 0.002 0,0015 0,001 -0.0005 -

»ада

ФМДК(сокон) х"-

нмдк «_

АМДК

молсидомина уменьшается при переходе от ММДК к НМДК, а на АМДК не зафиксирована вовсе. С ростом рН раствора количество электронейтральной формы молсидомина уменьшается, а количество его анионной формы растет. Кроме того, поверхностные кислотно-основные группы адсорбентов депротонируются, приобретая отрицательный заряд. Число адсорбционных центров, способных к образованию водородных связей, уменьшается. Это приводит к уменьшению величины дшкс с ростом рН.

Адсорбционное поведение АМДК по отношению к молсидомину отличается от всех остальных исследуемых материалов диоксида кремния. Этот материал адсорбирует наименьшее количество препарата, и адсорбция наблюдается только при рН=7.4. Возможно, адсорбция происходит, главным образом, за счет электростатического (кулоновского) взаимодействия. При рН=7.4 молсидомин практически полностью находится в анионной форме, а аминопропильные группы диоксида кремния частично протонированы, т.к. определенная точка нулевого заряда (ТНЗ) АМДК, синтезированного в данной работе, составила 8.0. Подтверждением этого является тот факт, что при рН=4.8, когда анионной формы молсидомина очень мало, и при рН=8, когда поверхность АМДК становится нейтральной, адсорбция молсидомина не наблюдается.

Влияние температуры на максимальную адсорбционную емкость материалов диоксида кремния.

Влияние температуры на максимальную адсорбционную емкость материалов диоксида кремния по отношению к молсидомину было исследовано при рН=7.4. С ростом температуры процесс адсорбции становится все менее благоприятным.

Третий раздел главы 4 посвящен обсуждению термодинамических характеристик адсорбции молсидомина на диоксидах кремния. Экспериментально определенные равновесные величины при различных температурах из растворов с рН=7.4 позволили рассчитать термодинамические характеристики процесса адсорбции молсидомина на исследуемых материалах диоксида кремния. Расчет термодинамических характеристик адсорбции молсидомина основывается на существующем в исследуемых системах равновесии:

молсидомин ( в растворе) «-» молсидомин (адсорбированный) и проводился по соотношениям (8-10):

К0 = Нт

У аде Я равн

у Г \ / равн ,

равн )

(8), А-адс^ =~ЯТ]пК (9),

---д-г(Ю).

где К - стандартная термодинамическая константа адсорбционного равновесия, ущс и Уравн - коэффициенты активности адсорбированного молсидомина и молсидомина в растворе, 11-универсальная газовая постоянная, Т- температура, АадсО°, Дад^0, А^Н0-изменения стандартной свободной энергии Гиббса, энтропии и энтальпии процесса адсорбции. Рассчитанные величины термодинамических характеристик адсорбции

молсидомина на синтезированных материалах диоксида кремния представлены в таблице 3.

Как следует из данных, представленных в таблице 3, процесс адсорбции молсидомина самопроизвольный, о чем свидетельствуют отрицательные величины Процесс адсорбции сопровождается отрицательными изменениями энтальпии, что указывает на доминирующий вклад специфических взаимодействий молсидомина с поверхностью частиц диоксида кремния в эту величину. Среди изученных материалов диоксида кремния адсорбция молсидомина на ФМДК является наиболее экзотермичной, что может быть объяснено значительным вкладом я-я взаимодействий в общую энергию процесса.

Таблица 3. Термодинамические характеристики адсорбции молсидомина на материалах диоксида кремния: из раствора (рН=7.4)____

Диоксид кремния Тем перату ра, К ^адсС1, кДж-моль"1 ДадсН"*, кДж-моль" Дадс^" , Дж-моль^-К"

НМДК 290 293 298 303 310 313 -6.2±0.2 -б.1±0.2 -5.9±0.2 -5.5±0.2 -5.4±0.2 -5.2±0.2 -19 -44

ФМДК (сокон.) 290 293 298 303 310 313 -8.4±0.2 -8.0±0.2 -7.6±0.2 -7.2±0.2 -6.9±0.2 -6.1±0.2 -25 -59

ФМДК 290 293 298 303 310 313 -8.9±0.2 -8.6±0.2 -8.5±0.2 -7.3±0.2 -6.1±0.2 -5.7±0.2 -52 -146

ММДК 290 293 298 303 310 313 -7.2±0.2 -6.8±0.2 -6.6±0.2 -6.Ш.2 -5.5±0.2 -4.1±0.2 -40 -114

АМДК 290 293 298 303 310 313 -5.7±0.2 -5.5±0.2 -5.1±0.2 -4.7±0.2 -4.0±0.2 -3.7±0.1 -31 -87

"Погрешностив величинах ДадсН" и Доас8° составляет 10%

Более отрицательная величина ДоасЯ° при адсорбции на ФМДК по сравнению с ФМДК (сокон.) может быть связана с бблыней доступностью фенильных групп «привитого» образца для взаимодействия с молсидомином.

Обращает на себя внимание большая отрицательная величинаД^Я0 при адсорбции на ММДК. По-видимому, более сильная протонодонорная способность поверхностных SH-групп по сравнению с другими кислотно-основными группами материалов диоксида кремния способствует образованию более прочных водородных связей с адсорбированным молсидомином. Изменения AoA.S° при адсорбции молсидомина также отрицательны. Этот факт свидетельствует об уменьшении степени свободы молекул адсорбированного молсидомина по сравнению с молекулами молсидомина в растворе. Такое ограничение в подвижности молекул молсидомина связано со специфическими взаимодействиями адсорбент - адсорбат. Отметим, что наиболее отрицательное изменение энтропии наблюдается при адсорбции на ФМДК, полученным способом «прививки».

Таким образом, полученные термодинамические характеристики адсорбции молсидомина на синтезированных материалах диоксида кремния полностью подтверждают предположения и выводы, сделанные в предыдущих разделах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ влияния размера молекул полигидроксильных темплатных соединений (moho-, ди-, полисахаридов, поливинилового спирта) и их состояния в растворе на характеристики пористой структуры материалов диоксида кремния. Показано, что пористая структура материалов, образующихся после удаления темплатов, не зависит от стереохимической структуры сахаридов, размера молекул темплатов, а определяется их конформационным состоянием, а также объемом их мономерных звеньев и количеством гидроксильных групп в молекулах.

2. Впервые проведено систематическое экспериментальное исследование адсорбции молсидомина на мезопористых диоксидах кремния с различными физико-химическими свойствами поверхности. Изучено эффекты рН среды и температуры на процесс адсорбции. Установлено, что

- количество адсорбированного препарата определяется не параметрами пористой структуры и концентрацией поверхностных функциональных групп, а их химической природой, а также состоянием молекул молсидомина в растворе;

- адсорбционная емкость исследованных диоксидов кремния по отношению к молсидомину уменьшается в ряду:

ФМДК > ФМДК (сокон.) > ММДК > НМДК » АМДК, а также с ростом рН среды и температуры;

- различие в адсорбционной способности ФМДК, синтезированных двумя способами, связано с различной доступностью поверхностных функциональных групп для взаимодействий с молсидомином.

3. Выявлена природа взаимодействий, приводящих к адсорбции молсидомина на исследованных диоксидах кремния:

- адсорбция молсидомина на фенилмодифицированных диоксидах кремния происходит за счет к-к взаимодействий и образования водородных связей, вклады которых меняются в зависимости от рН среды;

- водородные связи вносят основной вклад в адсорбцию молсидомина на НМДК иММДК;

- адсорбция на АМДК происходит за счет кулоновских взаимодействий и зафиксирована только при рН=7.4.

Полученные термодинамические характеристики адсорбции свидетельствуют о доминирующем вкладе указанных специфических взаимодействий в этот процесс.

4. Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что мезопористые частицы фенилмодифицированного диоксида кремния, полученного методом «прививки» (ФМДК), являются наиболее эффективным адсорбентом для молсидомина. При пониженном значении pH и пониженной температуре они способны «загрузить» наибольшее количество препарата и адсорбировать его наиболее прочно.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Parfenyuk E.V. Silica Nanopaiticles as Drug Delivery System for Immunomodulator GMDP / E.V. Parfenyuk, NA. Alyoshina, Yu.S. Antsiferova, N.Yu. Sotnikova // ASME Press. New York. - 2012. -69 p.

2. Alyoshina NA Effect of surface properties of mesoporous silica on adsorption of mesoionic compound molsidomine / NA Alyoshina, E.V. Parfenyuk // Journal ofMaterial Research.- 2012. - V.27, №22. - P.2858-2866.

3. Алёшина НА Синтез и характеристика мезопористых материалов диоксида кремния, полученных с использованием полигидроксильных соединений в качестве темплатов / НА Алёшина, Е.В Парфенюк. //Перспекгавные материалы. -2013. - №3. - С.27-34.

4. Alyoshina NA Functionalized Mesoporous silica materials for molsidomine adsorption: Thermodynamic study / NA Alyoshina, E.V. Parfenyuk // Journal of Solid State Chemistry - 2013. -V.205. (September) - P.211 -216.

5. Алёшина НА. Синтез и исследование композитов лекарственного препарата молсццомин с кремнезёмом. / НА Алёшина, Е.С. Долинина, ЕВ. Парфенюк // Тезисы докладов IX Всероссийской конференции Химия и Медицина с Молодежной научной школой по органическойхимии.-Уфа-4-8июня2013.-С. 173.

6. Долинина Е.С. Разработка улучшенной лекарственной формы препарата молсидомин: термодинамическое и кинетическое исследование адсорбции молсидомина на мезопористых материалах диоксида кремния. / Е.С. Долинина, НА. Алёшина, ЕВ. Парфенюк // Сборник материалов международной междисциплинарной научной конференции «Биологически активные вещества и материалы: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» - Крым - 27 мая-1 моги 2013. - Т.1. - С.37.

7. Алёшина НА Нанопорисше носители для лекарственного препарата молсидомин: термодинамика адсорбции. / НА. Алёшина, ЕВ. Парфенюк // Тезисы докладов Ш Международной научной конференции «Наностругаурные Материаты - 2012: Россия - Украина -Беларусь». - Санкт-Петербург -19 - 22 ноября 2012. - С. 165.

8. Алёшина НА. Термодинамика адсорбции молсидомина на фенилмодифицированных диоксидах кремния. / НА Алёшина, ЕВ. Парфенюк // Тезисы докладов VII Всероссийской шксшы-конференции Молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» - Иваново -12-16 ноября 2012. - С.121.

9. Алёшина НА. Термодинамика взаимодействия молсидомина с материалами диоксида кремния, как потенциальными носителями лекарственного препарата. / НА Алёшина, Е.В. Парфенюк // Тезисы докладов VII Международной научной конференции "Кинетика и механизм

кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения" - Иваново - 25-28 сетября 2012.-С.217.

10. Алёшина НА Влияние химической природы поверхности мезопорисшх материалов на адсорбцию лекарственного препарата молсвдомин. / НА. Алёшина, ЕВ. Парфенюк // Сборник тезисов докладов Второй конференции стран СНГ Зсшь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель-2012». - Севастополь -18-20 сентября 2012. - С. 180.

П.Алёшина НА Темплатный синтез мезопористых материалов диоксида кремния -адсорбента лекарственного препарата молсвдомин. / НА Алёшина, ЕВ. Парфенюк, Е.С. Долинина. // Тезисы докладов VI конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жвдкофазных систем» - Иваново - 8-12 ноября 2011. - С.7.

12. Алёшина НА Применение растворов в золь-гель синтезе нанопористых материалов: влияние pH среды на характеристики материалов диоксида кремния. / НА Алёшина, Е.В. Парфенюк // Тезисы докладов XI международной конференции «Проблемы сольватации и комшексообразования в растворах» и IV конференции молодых учёных « Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем». - Иваново -10-14 октября 2011. - С. 205.

13. Алёшина НА Синтез нанопористых материалов кремнезёма и их адсорбционные свойства по отношению к молевдомину. / НА Алёшина, ЕВ. Парфенюк // Тезисы лекций и докладов 2-ой Международной школы « Наноматериалы и наногехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина.» - Москва- 19-24сенгября2011.-С.64.

14. Алёшина НА Синтез и исследование нанопористых материалов диоксида кремния, модифицированного фенильными группами. / НА Алёшина, Е.В. Парфенюк // Сборник материалов третьей конференции с элементами научной школы для молодёжи «Органические и гибридные Наноматериалы». - Иваново - 30 июня- 3 июля 2011. - С. 67.

15. Сазанова НА. Синтез и исследование биокомпозигов 1фемнезема с моносахаридами как потенциальных систем для распознавания биологических объектов. / НА Сазанова, ГА Куликова, ЕВ Парфенюк // Тезисы доклада Ш Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая экспериментальная химия жидкофазных систем». - Иваново -18-21 ноября 2008-С. 127.

Подписано в печать '2.10.2013. Формат 60x84 1/16. Печать плоская. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,2. Заказ №226т. Тираж 80 экз.

Изд. Лицензия ЛР №010221 от 03.04.1997

Отпечатано в ОАО «Издательство ^Иваново» 153012, г. Иваново, ул. Советская, 49. Тел. (4932) 32-67-91, 32-47-43 E-mail: riaivan37@mail.ru, www.ivanovo.ucos.com

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Алёшина, Нонна Андреевна, Иваново

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ХИМИИ РАСТВОРОВ ИМ. Г.А. КРЕСТОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи ¡>«01364549 Л«*»"* '

Алёшина Нонна Андреевна

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕДЫ И ПОВЕРХНОСТИ МЕЗОПОРИСТЫХ ДИОКСИДОВ КРЕМНИЯ НА АДСОРБЦИЮ ЛЕКАРСТВЕННОГО ПРЕПАРАТА МОЛСИДОМИН

02.00.04 - физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель:

к.х.н., ст.н.с. Парфенюк Е.В.

Иваново 2013

Оглавление:

Введение..............................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы..........................................................................................9

1.1. Мезопористые материалы диоксида кремния. Их применение в биотехнологиях и медицине..............................................................................9

1.2. Синтез мезопористых материалов диоксида кремния...................................16

1.3. Модификация поверхности материалов диоксида кремния.........................23

1.3.1. Модифицирование методом «прививки».......................................................24

1.3.2. Модифицирование методом соконденсации..................................................27

1.3.3. Метод введения органических групп в виде мостиковых компонентов матрицы диоксида кремния.............................................................................28

1.4. Мезоионные соединения. Молсидомин. Структура и свойства..................31

1.5. Адсорбция из растворов на твердых поверхностях......................................42

1.5.1. Подходы, используемые для изучения адсорбции из растворов.................42

1.5.2. Особенности адсорбции из растворов на твердых адсорбентах. Типы изотерм адсорбции............................................................................................45

1.5.3. Природа адсорбционных сил...........................................................................47

1.5.4. Теоретические модели, применяемые для описания процессов адсорбции из растворов....................................................................................56

1.5.5. Влияние величины рН и ионной силы раствора на адсорбцию на диоксиде кремния..............................................................................................................60

1.5.6. Термодинамические характеристики адсорбции из растворов....................63

Глава 2. Экспериментальная часть...........................................................................71

2.1. Материалы.........................................................................................................71

2.2. Синтез материалов диоксида кремния............................................................74

2.2.1. Золь-гель синтез немодифицированного (НМДК) и фенилмодифицированного (ФМДК (сокон.)) диоксидов кремния..............74

2.2.2. Модифицирование поверхности диоксида кремния методом «прививки».................................................................................76

2.3. Методы исследования и оборудование...........................................................77

2.3.1. Низкотемпературная адсорбция/десорбция азота..........................................77

2.3.2. Элементный анализ...........................................................................................78

2.3.3. ИК - Фурье спектроскопия...............................................................................78

2.3.4. УФ - спектроскопия..........................................................................................78

2.3.5. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).....................................79

2.3.6. Метод термического анализа.............,.............................................................79

2.4. Кислотно-основное титрование молсидомина в растворе............................80

2.5. Определение точки нулевого заряда (ТНЗ) диоксида кремния....................80

2.6. Методика определения характеристик адсорбции молсидомина на материалах диоксида кремния.........................................................................81

2.6.1. Методика эксперимента и оборудование........................................................81

2.6.2. Методика приготовления буферных растворов (рН=4.8-8.0).......................81

2.6.3. Расчет количества адсорбированного молсидомина и термодинамических характеристик его адсорбции на материалах диоксида кремния................82

2.6.4. Оценка погрешностей полученных экспериментальных и расчетных данных.................................................................................................................84

Глава 3. Обсуждение результатов............................................................................89

3.1. Характеристики пористой структуры синтезированных адсорбентов и морфология их частиц..................................................................89

3.1.1. Характеристики синтезированных материалов немодифицированного диоксида кремния.............................................................................................89

3.1.2. Характеристики материалов модифицированного диоксида кремния.......100

3.2. Сравнительная характеристика адсорбционной емкости материалов диоксида кремния по отношению к молсидомину.......................................106

3.3. Термодинамические характеристики адсорбции молсидомина

на материалах диоксида кремния..................................................................127

Основные выводы...........................................................................................130

Список литературы..........................................................................................132

Введение

Актуальность работы

Исследования адсорбционных взаимодействий лекарственных препаратов с поверхностью пористых частиц диоксида кремния представляют большой интерес не только для развития теории адсорбции, но и для решения важнейших прикладных проблем. Одна из них - очистка сточных вод от лекарственных препаратов и продуктов их метаболизма, загрязняющих водные ресурсы планеты. Благодаря пористой структуре и высокоразвитой поверхности, частицы диоксида кремния могут служить высокоэффективными адсорбентами лекарственных препаратов при их удалении из сточных вод фармацевтических предприятий и животноводческих ферм [1,2]. Адсорбционные процессы на пористых материалах диоксида кремния лежат в основе технологий разделения смесей и очистки

лекарственных веществ от примесей [3,4], количественного определения

}

препаратов в плазме крови [5]. Обладая рядом свойств, необходимых для функционирования в биологической среде (нетоксичностью, биодеградируемостью, устойчивостью к микробным атакам), пористый диоксид кремния является одним из эффективных материалов для разработки улучшенных систем доставки лекарственных препаратов [6,7].

Молсидомин - это типичный представитель широко применяемых клинически донаторов оксида азота, которые обладают вазодилатирующим и антитромбоцитарным свойствами. Химически он относится к группе сиднониминов и является мезоионным соединением. Разработка эффективного адсорбента для молсидомина невозможна без знания природы адсорбционных взаимодействий препарата с поверхностью частиц диоксида кремния и их количественных характеристик (адсорбционной емкости, энергии адсорбции). Указанные характеристики зависят от параметров пористой структуры адсорбента, природы поверхностных функциональных групп, от свойств среды, из которой осуществляется адсорбция, температуры. Эти сведения являются

фундаментальной основой для разработки новой лекарственной формы препарата молсидомин пролонгированного действия. Клиническое применение показало, что молсидомин довольно быстро выводится из организма, и поэтому длительность действия его одной дозы составляет только 2-3 часа, что требует многократного приема препарата в течение суток [8], а созданные ретардированные формы содержат повышенную дозу препарата и часто вызывают побочные эффекты [9]. В то же время хорошо известно, что адсорбция лекарственных препаратов на поверхности пористых частиц диоксида кремния может обеспечить контролируемое поступление лекарственных веществ в организм [7].

Тем не менее, информация о взаимодействиях сиднониминовых препаратов и, в частности, молсидомина с пористыми частицами диоксида кремния в литературе полностью отсутствует. Поэтому актуальность данной работы заключается во всестороннем физико-химическом исследовании адсорбционных взаимодействий молсидомина с поверхностью мезопористых частиц диоксида кремния, которые позволят выбрать наиболее эффективный адсорбент для этого лекарственного препарата.

Исходя из выше сказанного, цель представленной диссертационной работы заключалась в синтезе мезопористых материалов диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами и изучении влияния физико-химических свойств их поверхности, рН среды и температуры на адсорбционную емкость материалов и термодинамику адсорбции молсидомина

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- синтезировать мезопористые материалы диоксида кремния с различными поверхностными функциональными группами, изучить влияние природы и структурных особенностей молекул темплатов на характеристики их пористой структуры;

- изучить влияние физико-химических свойств поверхности, рН среды, способа синтеза и температуры на адсорбционную емкость материалов диоксида кремния по отношению к молсидомину; выяснить, какой из исследуемых

материалов адсорбирует наибольшее количество молсидомина и при каких условиях;

- изучить влияние химических свойств поверхности на термодинамические характеристики адсорбции молсидомина на материалах диоксида кремния;

- выявить природу адсорбционных взаимодействий между материалами диоксида кремния и молсидомином;

- выявить наиболее эффективный адсорбент для лекарственного препарата молсидомин

Научная новизна

Впервые разработаны условия синтеза и получены композиты мезопористых диоксидов кремния с молсидомином. Проведено комплексное систематическое исследование адсорбционных взаимодействий молсидомина с материалами диоксида кремния, приводящих к образованию указанных композитов. Получены количественные характеристики адсорбции (адсорбционная емкость материалов по отношению к молсидомину, термодинамические характеристики адсорбции), изучено влияние природы поверхностных функциональных групп адсорбентов, рН среды, способа синтеза и температуры на количество адсорбированного препарата. Выявлена природа взаимодействий, ответственных за адсорбцию

препарата на синтезированных материалах. На основе сравнительного анализа полученных характеристик адсорбции доказано, что среди исследованных материалов наиболее эффективным адсорбентом для молсидомина является фенилмодифицированный диоксид кремния, синтезированный методом «прививки», который адсорбирует наибольшее количество молсидомина при пониженном значении рН и температуре и связывает препарат наиболее прочно.

Практическая значимость

Личный вклад автора состоит в проведении работ по синтезу исследуемых материалов диоксида кремния, в постановке и выполнении основных экспериментальных исследований, проведении расчетов, обработке, анализе и обобщении экспериментальных и литературных данных, участии в написании научных публикаций, формулировке основных положений и выводов диссертации

Апробация работы

Основные результаты и выводы, представленные в диссертации, обсуждались и докладывались на III, VI и VII Региональных конференциях молодых ученых «Теоретическая экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2008, 2011, 2012 гг.), V и VII Международных научных конференциях «Кинетика

и механизмы кристаллизации» (Иваново, 2010, 2012 г.г.), 3-ей Конференции с элементами научной школы для молодежи «Органические и гибридные наноматериалы» (Иваново, 2011г.), XI международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011г.), II Международной научной школе - Нано-2011. «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина» (Москва, 2011 г.), III Международной научной конференции «Наноструктурные Материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь», (Санкт-Петербург, 2012г.), Второй конференции стран СНГ: Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель-2012», (Севастополь, 2012г.), Международной междисциплинарной научной конференции «Биологически активные вещества и материалы: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Крым, 2013г.), IX Всероссийской конференции Химия и Медицина с Молодежной научной школой по органической химии, (Уфа, 2013г.)

Публикации

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных итогов работы, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 157 страницах, содержит 40 рисунков, 9 таблиц, 39 формул и библиографический список, содержащий 256 ссылок на цитируемые литературные источники

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Мезопористые материалы диоксида кремния. Их применение в биотехнологиях и медицине

В настоящее время мезопористые материалы диоксида кремния интенсивно исследуются и находят широкое применение в самых различных областях жизнедеятельности человека. Эти материалы стали объектами многочисленных публикаций, с тех пор как Mobil Oil группа в 1992 году осуществила синтез мезопористых материалов диоксида кремния (так называемых M41S материалов) с упорядоченной структурой мезопор, узким распределением пор по размеру, высокой удельной поверхностью [10,11]. В отличие от уже известной в то время микропористой структуры цеолитов (диаметр пор около 1.5 нм) мезопористые материалы имели размер пор 3-5 нм. Новая концепция процедуры синтеза этих материалов заключалась в использовании супрамолекулярных агрегатов ионных ПАВ в качестве структурообразующих агентов (темплатов). Сейчас этот класс материалов значительно расширен путем разработки различных стратегий синтеза и применения разнообразных темплатов.

Согласно классификации ИЮПАК [12], к мезопористым относятся материалы с диаметром пор от 2 до 50 нм. Адсорбция газа пористыми материалами с различным размером, формой пор имеет свои особенности. Эти особенности проявляются на изотермах адсорбции газа, т.е. зависимостях количества адсорбированного материалом газа как функции давления при постоянной температуре. Выделяют шесть типов изотерм: тип I характерен для микропористых материалов с высокой удельной поверхностью, а тип II - для монослойной-мультислойной адсорбции на непористых или макропористых материалах. Тип III свидетельствует о том, что взаимодействие адсорбент-адсорбат очень слабое. Изотермы типа IV характеризуют мезопористые материалы. Тип V не является распространенным. Так же, как изотермы типа III, характерны для слабых взаимодействий адсорбент-адсорбат. Иногда наблюдается

при адсорбции полярных молекул на гидрофобных поверхностях. Тип VI характеризует мультислойную адсорбцию на непористых адсорбентах [12] (Рисунок 1). Таким образом, для мезопористых материалов характерны изотермы типа IV с гистерезисами. Наличие петли гистерезиса обусловлено явлением объемной конденсации пара в капиллярах пористого материала. Гистерезисные петли могут иметь различный вид в зависимости от формы пор. Согласно классификации ИЮПАК [12], Н1 тип гистерезиса свидетельствует о цилиндрической форме пор в материале или об агломератах приблизительно одинаковых сфер, имеющих узкое распределение пор по размерам. Тип Н2 указывает либо на

г.

с.

1т

в и

Относительное давление -*■ Относител