Самоорганізація водно-органічних систем в розчинах, пористих матеріалах та біологічних об’єктах - Автореферат

Національна Академія наук України Інститут хімії поверхні ім.Роботу виконано в Інституті хімії поверхні імені О.О. Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Туров Володимир Всеволодович, Інститут хімії поверхні ім. Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Запорожець Ольга Антонівна, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри аналітичної хімії доктор хімічних наук, доцент Зуб Юрій Леонідович, Інститут хімії поверхні імені О.О. Чуйка НАН України, завідувач відділу хімії поверхні гібридних матеріалів Захист відбудеться “15” грудня 2011 р. о 1530 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні ім.В просторі, обмеженому твердими стінками адсорбентів, структурними елементами макромолекул або біологічних обєктів, замерзлої рідини при низьких температурах, вода набуває характеристик нанорозмірних частинок, тобто проявляє кластерні властивості. Особливості взаємодії кластеризованої води з розчиненими в воді речовинами, стінками пор або фрагментами біомакромолекул є визначальними для ряду адсорбційних явищ (зокрема конкурентної адсорбції та молекулярно-ситового ефекту), біохімічних процесів, що протікають в клітинних обєктах, а також процесів заморожування-відтавання складних гетерогенних систем, які лежать в основі кріоконсервування або довгострокового зберігання харчових продуктів. Хоча методом низькотемпературної 1Н ЯМР спектроскопії в попередніх дослідженнях було виявлено можливість формування значної кількості слабоасоційованої води в дегідратованих клітинах, порах та міжчастинкових проміжках низки кремнеземних адсорбентів, актуальним завданням залишається вивчення будови кластерів води в водно-органічних системах при їх заморожуванні, впливу на них частинок високодисперсного кремнезему, біополімерних молекул або фрагментів клітинних структур та пошук шляхів використання кластеризованих форм води в хімії поверхні та біомедицині. Показано, що в замороженому бінарному розчині вода-ДМСО (що відноситься до ефективних кріопротекторів) спостерігаються процеси формування надмолекулярних кластерних структур, впорядкованих водневими звязками, причому, навіть при великій концентрації ДМСО вода зберігає структуру нанорозмірних поліасоціатів, з якими молекули ДМСО можуть утворювати водневі звязки шляхом взаємодії лише з периферійними молекулами води. Зокрема, в ізобаричних умовах зниження температури стабілізує формування водно-органічних кластерів в мезопорах, завдяки чому відбувається перерозподіл речовин між системою мікро-та мезопор; слабополярні адсорбати (метан, хлороформ, бензол) здатні витісняти воду із мікропор в пори більшого діаметру або (при наявності обємної органічної фази) на зовнішню поверхню гранул адсорбенту; при спільній адсорбції в порах активованого вугілля води і електронодонорних речовин, молекули останніх можуть руйнувати частину водневих звязків в кластерах сильноасоційованої води, однак, при відсутності абсолютного надлишку органічної фази, для води більш термодинамічно вигідним є збереження кластерної структури, що взаємодіє з електронодонорними молекулами, як єдина колігативна система.Досліджено вплив полярного органічного розчинника - ДМСО та його суміші з слабополярним хлороформом на ступінь асоційованості води у подвійних та потрійних системах, визначено величину координаційного числа молекул води в кластерах та їх розподіл за розмірами. Оскільки хімічний зсув протонів води (?Н = 4,8-5,5 м.ч.) виявився дещо більшим, ніж у рідкій воді (?Н = 4,5 м.ч.) можна зробити висновок, що вклад від комплексів НО-Н…OS(CH3)2 (в яких ?Н = 2,5 м.ч.) відносно малий, тобто вода знаходиться переважно у вигляді кластерів сильноасоційованої води. 1H ЯМР спектри водного розчину ДМСО при співвідношенні обємів вода/ДМСО (9:1), зняті при різних температурах (а); температурна залежність відносного зменшення інтенсивності сигналу води при заморожуванні системи вода/ДМСО (б); розподіл за розмірами водних структур в заморожених розчинах ДМСО (в); структура кластера вода-ДМСО розміром 2,4 ? 1,5 нм, який містить 19(CH3)2SO і 37H2O (г). 1, б, з використанням інтегрального рівняння Гіббса-Томсона можуть бути розраховані розподіли водних структур за їхніми радіусами, що знаходяться в матриці льоду розчинів вода/ДМСО різної концентрації (рис. Слід відмітити, що на відміну від води в порах, для заморожених розчинів це рівняння можна використовувати тільки у випадку, коли розчин зосереджений в нанорозмірних порожнинах, оточених льодом (зліва від точки перегину кривої графіка залежності ?I/I0(T), рис.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ