Название: Получение и исследование новых медь-селективных производных хитозана
Основной предмет (школа): химия, биология
Область знания (ВУЗ): органическая химия, аналитическая химия, физическая
Актуальность: Целый ряд направлений использования биополимера хитозана и его производных основан на способности этого полимера образовывать комплексы с различными ионами металлов. Гидрофильная природа этого полисахарида, наличие большого количества свободных аминогрупп, гибкая структура полимерной цепи, позволяющая принимать подходящую конформацию при взаимодействии с ионами металлов, – все эти факторы создают весомые преимущества при использовании его в процессах комплексообразования и сорбции. Наряду с этим, одним из наиболее существенных недостатков нативного хитозана остается его нерастворимость в нейтральной и щелочной средах, в условиях которых происходит большинство биохимических и технологических процессов. Расширение диапазона рН применения биополимера возможно благодаря химической модификации, которая, в свою очередь, приводит к изменению комплексообразующих и других физико-химических характеристик.
Известно, что ароматические производные β-аланина (ADP) проявляют исключительную избирательность к ионам Cu2+, которая обусловлена совокупностью энергетических и пространственных факторов, ведущих к понижению устойчивости комплексов с ионами металлов с одновременным увеличением дифференцирующей способности по отношению к ионам Cu2+. Таким образом, можно ожидать, что введение ADP в структуру хитозана приведет, с одной стороны, к приобретению полимером свойств полиамфолита (и увеличению растворимости в нейтральной и щелочной среде), а с другой стороны, к увеличению избирательности комплексообразования с ионами Cu2+. Настоящий проект посвящен синтезу производных хитозана, содержащих в своей структуре ADP (ADP-хитозаны) и исследованию их сорбционных характеристик по отношению к ионам тяжелых металлов. Новые сорбенты на основе хитозана позволят разработать экспрессные методы количественного определения ионов Cu2+ в объектах окружающей среды и продуктах питания.
Новизна: Впервые будут разработаны удобные и легкодоступные методы получения новых медь-селективных полимеров на основе хитозана, обладающие высокой сорбционной емкостью и избирательностью комплексообразования с ионами Cu2+. Впервые будут разработаны методы количественного определения содержания Cu2+ в объектах окружающей среды (вода, сок) с использованием новых сорбентов.
Цель: Синтез и исследование сорбционных характеристик новых производных хитозана, содержащих в структуре фрагменты функционально-аналитических групп - ароматические производные β-аланина. Разработка методов определения содержания Cu2+ в объектах окружающей среды и продуктах питания (вода, сок) с использованием новых сорбентов.
- Разработка методов иммобилизации функционально-аналитических групп - ароматических производных β-аланина в структуру биополимера хитозана.
- Поиск условий реакций, которые не вызывали бы деструкции или сшивания полимера и приводили к единственному типу связи низкомолекулярного реагента с полимерной матрицей.
- Исследование влияния условий проведения реакций (мольное соотношение реагентов, растворитель, pH реакционной массы и др.) на степень замещения полученных производных и кинетику процессов.
- Оптимизация методов выделения и очистки новых лекарственных биополимеров.
- Идентификация новых биополимеров методами элементного анализа, ЯМР, ИК, УФ-спектроскопии.
- Изучение сорбционных характеристик новых биополимеров.
- Разработка методов количественного определения Cu2+ в объектах окружающей среды (вода, сок) с использованием новых сорбентов.
Материалы: Хитозан, ряд ароматических производных β-аланина, дистиллированная вода, активаторы функциональных групп (дициклогексикарбодиимид, N-гидроксисукцинимид), катализаторы, проточная вода, сок
Экспериментальные подходы: Модификация полимерной цепи хитозана ароматическими производными β-аланина с использованием методов активированных эфиров и карбодиимидной активации. Изучение структуры новых медь-селективных полимеров (ЯМР, ИК, УФ - спектроскопия, элементный анализ). Разработка методов количественного определения содержания Cu2+ в объектах окружающей среды (вода, сок) с использованием новых сорбентов.
Навыки, получаемые школьниками в ходе выполнения проекта: освоение простейших методов синтеза полимеров (двухстадийный синтез), ознакомление с основными методами идентификации макромолекул (ЯМР, ИК, УФ, элементный анализ), ознакомление с методами изучения физико-химических свойств высокомолекулярных соединений
Предшествующий материал по школьной программе: школьный курс органической химии (разделы высокомолекулярные соединения, вода и ее свойства, металлы и их биологическая активность, очистка промышленных вод).
Роль учителя: общая организация процесса обучения, неспецифическая литература.
Роль тьютора: общее руководство проектом, обеспечение реактивами и специальной
литературой, обучение работе на современном оборудовании химических лабораторий, самостоятельное проведение некоторых сложных анализов (съемка ЯМР спектров) в присутствии школьников, обсуждение результатов.
Техника безопасности: стандартная техника безопасности работы в химической и биологической лаборатории.
