Публикации: Каталог проектных работ

Введение.

Ионы металлов в определенных дозах обладают терапевтическим действием на организм. В связи с этим возникает проблема, связанная с использованием наиболее подходящих способов доставки катионов металлов до выбранного участка организма. В данной работе предлагается для достижения поставленной задачи использовать стабильные соединения включения катионов металлов в спиралевидную структуру амилозы. Более того, предложенный метод позволяет извлекать из воды избыточные вредоносные количества тяжелых металлов.

Гипотеза. Предлагаемый подход позволит извлекать комплексные ионы металлов из смеси, прочно инкапсулировать эти ионы в виде соединений включения, и, в случае терапевтического применения ионов металлов, доставлять их к мишени в организме. В ходе работы возникли вопросы, связанные с ограничением инкапсуляции молекул вещества в спиралевидную структуру амилозы. Было сделано предположение, что проникнуть в полость со строго определенным диаметром амилозы может молекула вещества, не превышающая эту размерную характеристику.

Методы решения задачи.

Для проверки размерного влияния молекулы на поглощательную способность амилозы был приготовлен водный раствор сульфата меди в присутствии хлорид- и бромид-анионов выше 3 моль/л. С такой концентрацией галагенидных анионов в водном растворе происходит замещение из внутренней координационной сферы пятиводного сульфата меди [Cu(H₂O)₄]SO₄*H₂O молекул воды хлорид- и/или бромидионами: [Cu (H₂O)₄]⁺²+ 4Hal^- ↔ [Cu (Hal)₄]^-2 +4H₂O Реакция обратима, установившееся равновесие может быть легко смещено увеличением концентрации одного из реагентов. При этом образуются растворы зеленого и темно-коричного цвета в случае присутствия хлорида и бромида натрия соответственно, тогда как цвет традиционного раствора аквакомплекса меди голубой. Образовавшиеся в растворах комплексы с галогенид анионами имеют большие размеры в сравнении с аквакомплексами. Отметим, что замещение нейтральных молекул воды на отрицательно заряженные ионы приводит к изменению заряда внутренней координационной сферы. Перезарядка комплексного иона может повлиять на его взаимодействие со средой и веществом-поглотителем. Амилоза – полисахарид белого цвета, растворимый в воде. В отличие от изомерной, её целлюлозы образуют спиралевидную структуру (рис. 2) с полым каналом внутри, диаметр которого равен 0.5 нм [2]. Период спирали – шесть витков. Спиралевидные (геликоидные) структуры проявляются в йод - крахмальной реакции: при контакте с йодом амилоза приобретает фиолетовый цвет. Объясняется это внедрением I₂ в полость спирали с образованием соединения включения.

Получение амилозы: Амилозу получали медленным выпариванием водного раствора при комнатной температуре, либо на водяной бане. Для приготовления раствора амилозы использовали стандартную методику [2], основанную на значительно более высокой растворимости амилозы в воде по сравнению с амилопектином. Навеску крахмала массой около 1 г, взвешенную на школьных технических весах, помещали в 50 мл воды и нагревали на водяной бане до 100^оС. Не растворившуюся часть крахмала, представляющую собой преимущественно амилопектин, отделяли декантацией раствора. Получившийся раствор охлаждали, выпавший гелеобразный осадок отделяли фильтрованием. Изменения цвета раствора контролировали визуально.

Результаты исследования и их анализ.

Основной результат работы получен в ходе наблюдения за изменением окраски амилозы при помещении ее в водные растворы, содержащие галогенидные комплексы меди (II), и водный раствор роданида калия. Амилоза, добавленная в раствор, независимо от его цвета (зеленый в избытке ионов Cl^- и коричневый в избытке Br-) окрашивается исключительно в голубой цвет. Также установлено, что амилоза, хранившаяся долгое время в сухих условиях, постепенно окрашивается в течение 2 часов, тогда как свежеприготовленная – почти сразу принимает голубую окраску. Нагревание заметно ускоряет процесс окрашивания амилозы. Если в растворе предварительно получен комплекс ионов железа (III) с роданид-анионом, интенсивно окрашенный в красный цвет, то амилоза приобретает при контакте с таким раствором желтую окраску, характерную для Fe³⁺. На основании полученных результатов мы предполагаем, что голубой цвет свидетельствует о проникновении меди (II) в составе исключительно аквакомплексов и желтый цвет о проникновении Fe(III) в структуру амилозы. В то же время, в случае меди (II), галогенидные комплексы не могут внедряться в спиралевидные каналы полисахарида независимо от концентраций галогенид-ионов в растворе. По-видимому, основной причиной наблюдаемого эффекта является геометрическое соответствие аквакомплексов и роданида железа с пустотами в структуре амилозы и его отсутствие в случае галогенидных комплексов Cu²⁺. В таблице 1 приведены размеры всех комплексов, использованных в настоящей работе [4]. Из перечисленных данных следует, что эффективный радиус аквакомплексов близок к значению радиуса канала в спиралевидной структуре амилозы. В то же время, бромид- и хлоридсодержащие комплексы превышают по размерам свободное пространство канала амилозы. В результате, их проникновение внутрь структуры амилозы становится невозможным. Как вывод, можно предположить, что проникающую способность комплексов металлов в структуру амилозы определяет в первую очередь их геометрическое соответствие с веществом хозяином - амилозой.

Таблица 1. Ионные и ковалентные радиусы лигандов и эффективный радиус комплексного иона Cu (II) [4].

Ион/молекула Радиус,нм Расстояние до лиганда,нм

Cu²⁺ 0.08 -

H₂O 0,096 0.156

Cl^- 0.181 0.261

Br^- 0.196 0.276

CNS^- 0.37 0,43

Важно отметить, что образующиеся соединения включения достаточно устойчивы и при нагревании в воде цвет не меняют. В кислой среде изменение цвета амилозного соединения включения связанно, прежде всего, с гидролизом углевода и высвобождением части поглощенных катионов металлов. В подтверждение предположения были проведены аналогичные опыты с участием целлюлозы. Как изомер, целлюлоза с химической точки зрения повела бы себя подобно амилозе. Однако отсутствие наблюдаемого в случае с амилозой эффекта дает основание утверждать, что изменение цвета изначально белой амилозы на дне пробирки в растворе солей с присутствием катионов вышеуказанных металлов не связано с гидролизом солей, а связанно со стереометрической структурой углевода (в отличие от амилозы целлюлоза не образует спиралевидных структур). Косвенным подтверждением определяющей роли наноструктур вещества-хозяина могут также служить следующие результаты:

1) Силикагель, представляющий собой пористый адсорбент, при помещении в раствор, содержащий те или иные комплексы Cu²⁺, приобретал цвет раствора. По-видимому, такое поведение связано с поглощением любого комплексного иона микропорами адсорбента с одинаковой вероятностью. Независимость вероятности поглощения от размера комплексного иона определяется тем, что размер поры во много раз превосходит эффективный размер комплексного иона Cu²⁺ независимо от лигандного состава.

2) Важным подтверждением определяющей роли геометрического соответствия поглощаемого иона и наноструктур вещества-хозяина служит совпадение условий, при которых наблюдается рассматриваемый в работе эффект и иод-крахмальная реакция для используемого образца амилозы. Все наши эксперименты свидетельствуют о том, что, если йодкрахмальная реакция с амилозой проходит, то проявляется описанное избирательное поглощение аквакомплексов; если нет, то и эффекта избирательного поглощения не наблюдается.

Заключение

Обнаруженное явление можно использовать для выделения из раствора необходимых комплексов ионов меди. Оно может применяться для очистки воды от тяжелых металлов. Можно предположить, что соединение включения в полисахарид способно доставить терапевтические дозы ионов меди к поврежденным органам без взаимодействия со здоровыми тканями. Экспериментально показана решающая роль наноструктуры в избирательном поглощении веществом сложных комплексных соединений. Определен ограничивающий образование соединения включения параметр – размер комплекса, определяемый лигандным составом.

Игорь Андреевич Иванов (11 класс, лицей 1586, г.Москва)

Литература

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия, Москва «Высшая школа», 1998, с. 683 – 686.
2. Дядин Ю.А. Супрамолекулярная химия: клатратные соединения, Соросовский образовательный журнал, № 2, с. 79-88, 1998.
3. Вяземский А.Д. Урок 37. Химические свойства углеводов. Первое сентября. Химия, № 44, 2004.

Номер в каталоге: 14

Классификатор (предмет): химия

Область знания: методы получения наноструктур

Тип работы: исследовательская работа под руководством учителя

Другие работы кластера "Каталог проектных работ" (гипертекстовый навигатор):

• 1. Носители лекарственных препаратов на основе природных полимеров, Шарип Айгуль (10 класс, Карагандинская областная специализированная школа-интернат для одаренных детей)
• 2. Изучение токсического действия суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (Fe3O4) на организм мыши, Павел Михайлович Павлушин (11 класс, гимназия 10, г. Новосибирск)
• 3. Новые материалы на основе нанолент оксида ванадия и графена для положительных электродов литиевых батарей, Евгения Михайловна Бовина (11 класс, гимназия 1515, г. Москва)
• 4. Исследование роста кристаллитов оксида вольфрама в ходе химического осаждения из газовой фазы, Анна Николаевна Федотова (11 класс, лицей 1511, г. Москва)
• 5. Исследование влияния внешних условий на формирование карбонатных ядер, используемых для инкапсулирования лекарственных препаратов, Юлия Павловна Соколова (10 класс, Аничков лицей, Санкт - Петербург)
• 6. Изучение свойств субмикронных органических пленок и разработка химического наносенсора на их основе, Руслан Рафаэлевич Балтин (11 класс, МОУ СОШ 58, г.Уфа)
• 7. Биохимическая активность силикатных частиц, модифицированных аминогруппами, по отношению к системе индуцируемая протеиназа Сandida albicans – гемоглобин, Галаутдинова Диана (11 класс, гимназия 7, г.Казань),
• 8. Система поддержки экспериментов с клеточными культурами, Наталья Сергеевна Николаева (11 класс, Лицей Информационных Технологий, г. Москва)
• 9. Получение наночастиц серебра методами «зеленой химии» и исследование их противогрибковой активности и антибактериальных свойств, Елизавета Александровна Никитина (11 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 10. Изучение изменений структуры крови человека, Дарья Сергеевна Петрова (10 класс, лицей г. Лесной, Свердловская область)
• 11. Получение пленок наночастиц CdSe/ZnS, Кириллов Александр, Кучеров Максим, Латышев Евгений, Ломоносов Владислав, Парамонов Александр, Федорченко Кристина (гимназия 1583, г.Москва)
• 12. Автономный источник электроэнергии для частного дома, Илназ Алмазович Мингазов (9 класс, МОУ СОШ 1, с. Кутлушкино, Татарстан)
• 13. Нано в природе и медицине, Кирилл Владимирович Заяц (7 класс, СОШ 12, г. Одинцово),
• 15. Размышления в тиши гармонии наук, Петр Киволи (8 класс, лицей 1575, г.Москва)
• 16. Исследование физических свойств кутикулы волоса человека, Ольга Степановна Иджилова (9 класс, лицей 4, г.Таганрог)
• 17. Изменение рельефа поверхности тефлона при термической обработке с помощью атомно-силовой микроскопии, Анастасия Дмитриевна Левченко (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 18. Оптический датчик магнитного поля, Владимир Владимирович Ефремов, Л.Н.Нам (10 класс, СОШ 725, г. Москва)
• 19. Путешествие в будущее, Мария Александровна Лабендик (8 класс, СОШ 13, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 20. Наноновинки в одном футляре, Михаил Александрович Лабендик (5 класс, СОШ 14, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 21. Изучение слоистой структуры в сегнетовой соли, Владимир Михайлович Сидоров (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 22. Вспенивающийся огнезащитный материал, Оксана Ярославовна Круглик (10 класс, гимназия 3, г. Дзержинск, Беларусь)
• 23. Энергосберегающее стекло, Ирина Владимировна Лабутина (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 24. Перспективы применения наноалмазов в медицине, Денис Владимирович Завацкий (8 класс, СОШ 37, г. Москва)
• 25. Борьба с нефтяными пятнами, Алексей Владимирович Мальков, Тимофей Панфилов (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 26. Коллоидные растворы в быту или о пользе киселя и чая, София Дмитриевна Логвинова (7 класс, лицей 1575, г. Москва)
• 27. Морфология прочных углеродных структур, Даниил Андреевич Козлов (10 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 28. Магнитная жидкость: опять и снова, но интересно..., Елизавета Александровна Никитина (10 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 29. Магнитная жидкость и ее свойства, Норкин Максим Владимирович (11 класс, СОШ 60, г. Набережные Челны)
• 30. Школьная газета "Физикон"
• 31. НАНОЗНАЙКА: поверхностно-активные вещества, Елизавета Александровна Никитина (9 класс, лицей 1586, г.Москва)

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.