Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Соединения включения катионов металлов в наноструктуры амилозы

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, катионов металлов , спиралевидная структура амилозы, учителю

Автор(ы): Игорь Андреевич Иванов

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

29 мая 2011

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 100оС. 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):

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 


Комментарии
её целлюлозы образуют спиралевидную структуру
Опечатка: её глюкозы.

Период спирали – шесть витков
Опечатка: период спирали - шесть звеньев (молекул глюкозы).

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Капля L-валина
Капля L-валина

Территория STEM 2020
20 ноября в онлайн-формате состоится ежегодная конференция проекта "Стемфорд" - Территория STEM 2020. Тема 2020 года - "Подготовка инженеров будущего: партнерство образования, науки и бизнеса".

Актуальные проблемы неорганической химии 2020
Приглашаем студентов, аспирантов и молодых ученых принять участие в XIX Всероссийской конференции «Актуальные проблемы неорганической химии: материалы для генерации, преобразования и хранения энергии», которая будет проходить 13-15 ноября 2020 г. в on-line формате

Начинается XV Олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!"
Совсем скоро начнется юбилейная XV Всероссийская Интернет-олимпиада по нанотехнологиям «Нанотехнологии – прорыв в будущее!». Предлагаем ознакомиться с актуальной информацией и расписанием Олимпиады.

Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя
Алексей Арсенин
О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — заместитель директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидат физико-математических наук Алексей Арсенин

Летние лектории для школьников
ФНМ
Сотрудники Факультета наук о материалах и химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова участвуют в лекториях двух летних школ, организованных Фондом Инфраструктурных и Образовательных Программ (группа РОСНАНО) - Нанограде и летней школе МФТИ.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.