Сорбционные свойства новых материалов на основе яблочного пектина, модифицированного салициловой, антраниловой, 5-аминосалициловой, никотиновой кислотами по отношению к ионам переходных металлов (Cu2+, Co2+, Mn2+) и йоду

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, представлены научная новизна, практическая значимость работы и
положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, в
котором представлена общая характеристика пектиновых веществ, методы их модификации, биологическая роль ионов металлов, основные механизмы процесса сорбции ионов металлов пектиновыми материалами, рассмотрены йодсодержащие материалы на основе полисахаридов и их биологические свойства.
Вторая глава содержит описание объектов и методов исследования, методику получения фармакофорсодержащих пектинов (ФП). Для получения сорбентов в работе использовали природный полимер – яблочный пектин (ПК) марки Unipectine XPP240 с молекулярной массой 26 кDa и степенью этерифицирования 66%. В качестве фармакофоров (ФК) использованы органические биологически активные кислоты – салициловая (СК), антраниловая (АК), никотиновая (НК) и 5-аминосалициловая (5АСК). Методы исследования: ИК-, УФ-, 13С ЯМР-спектроскопия, элементный, термогравиметрический анализ, вискозиметрия, поляриметрия, титриметрия, электронная микроскопия, гранулометрия.
Третья глава посвящена обсуждению и интерпретации полученных экспериментальных результатов.
1. Получение и характеристика фармакофорсодержащих пектинов
Комплексообразование пектина с фармакофорами изучалось методами УФ-, ИК- и 13С ЯМР-спектроскопии. Спектрофотометрические исследования с применением метода мольных отношений и изомолярных серий показали, что при модификации ПК фармакофорами образуются комплексы состава 1:1. В ИК- спектрах наблюдаются смещения полос поглощения (С=О), (ОН), (С-О, С-С) групп ПК в низкочастотную область. Наиболее значительные сдвиги полос поглощения зафиксированы для (С=О) группы ПК, (NH2-) групп 5АСК и АК, (OH-) групп СК и (С-N) НК. В 13С ЯМР-спектрах химические сдвиги всех ядер углерода ФК смещаются в сторону как слабого, так и сильного поля. Наибольшие изменения химических сдвигов ядер 13С АК и 5АСК наблюдаются для сигналов атомов углеродов непосредственно связанных с амино-группой, в случае НК – с гетероатомом, а для СК – с гидроксильной группой. Эффективность комплексообразования существенным образом зависит от структуры фармакофора (табл. 1). Согласно полученным результатам, устойчивость комплексов (βк)·увеличивается в ряду ПК-СК < ПК-5АСК < ПК-АК < ПК-НК. Как и следовало ожидать, азотсодержащие фармакофоры проявляют большее сродство к пектину по сравнению с СК. Это вполне согласуется со склонностью гетероатома внутри второго периода к перераспределению и подаче электронной плотности акцептору (NOF). Таблица 1. Физико-химические характеристики фармакофорсодержащих пектинов Показатель Сэксп./Стеор., % Нэксп./Нтеор., % Nэксп./Nтеор., % D, мкм W по СН3СОСН3, см3/г Sуд, м2/г Sуд (теор.), м2/г Влажность, % Свободные СООН- группы, % [η] в 0.3 М NaCl, дл/г рКа 20D, (град·см3)/(дм·г) lg βк max, нм, Н2О Полисахаридная матрица ПК ПК-СК ПК-АК ПК-5АСК ПК-НК 40.25/42.11 47.22/46.15 46.01/44.40 45.33/44.30 44.79/42.90 5.49/4.86 - 1.79 0.63±0.10 179.6±1.5 210.8 2.30 7.65 2.3±0.1 4.50±0.10 2.45±0.10 3.90±0.10 3.64±0.10 4.06±0.10 4.97/4.61 - 0.71 0.90±0.15 229.5±2.1 240.8 3.93 5.54 5.21/4.70 4.95/3.45 1.08 0.75±0.10 - 228.7 3.98 7.56 5.02/4.92 5.01/3.44 0.84 0.77±0.10 - 219.2 3.39 7.25 4.80/4.20 5.44/3.59 1.40 0.87±0.10 219.5±2.0 218.2 3.05 6.17 0.9±0.1 1.1±0.1 0.8±0.1 3.5±0.2 +180±2 +84±2 +47±1 - 3.1 3.4 210 303 304 +52±2 +115±2 3.3 3.5 310 265 Согласно полученным спектральным данным предполагаемую структуру ФП можно представить следующей схемой: где R = H, CH3; R1= , , , Гранулометрическое исследование фармакофорсодержащих пектинов показало мономодальное распределение частиц по размерам (рис. 1). Для ФП по сравнению с нативным пектином характерно уменьшение размеров частиц примерно в 1.3-2.5 раза в зависимости от природы модифицирующего агента (табл. 1). Известно, что с уменьшением размера частиц сорбционного материала площадь удельной поверхности возрастает. Действительно, площадь удельной поверхности изменяется в ряду ПК-СКПК-АКПК-5АСКПК-НКПК и возрастает в 1.1-1.2 раза. Рис. 1. Дифференциальное распределение частиц фармакофорсодержащих пектинов по размерам. Методом световой микроскопии обнаружено, что модификация пектина гетероароматической кислотой (НК) приводит к формированию линейных структур матрицы, тогда как ароматические кислоты (например, 5АСК) образуют гранулярные структуры (рис. 2). Биологические испытания показали, что ФП обладают противомикробной активностью на уровне свободных фармакофоров. Рис. 2. Микроструктура образцов: ПК (1), НК (2), ПК- НК (3), 5АСК (4), ПК-5АСК (5). Таким образом, модификация ПК биологически активными органическими кислотами привела к изменению структуры, удельной поверхности, пористости, молекулярно-массовых характеристик и кислотно-основных свойств пектиновых материалов, что может сказаться на их способности адсорбировать ионы металлов. 2. Сорбционные свойства пектинов, модифицированных биологически активными органическими кислотами, по отношению к ионам Cu2+, Co2+ и Mn2+ Для оценки сорбционных свойств ФП по отношению к ионам Cu2+, Co2+ и Mn2+ проведены кинетические исследования сорбционного процесса, рассчитаны термодинамические параметры, подобраны оптимальные условия проведения процесса сорбции, предложен механизм взаимодействия катионов металлов (II) с модифицированными пектинами. 8 Для определения предельной сорбционной емкости (А∞) сорбентов получены изотермы сорбции ионов Cu2+, Со2+ и Mn2+ из водных растворов их солей. На примере сорбции ионов Со2+ пектином/фармакофорсодержащими пектинами (рис. 3) показано, что по форме экспериментальные изотермы сорбции ионов Со2+ исследуемыми сорбентами соответствуют изотермам Ленгмюра. Это свидетельствует в пользу того, что на поверхности сорбента образуется мономолекулярный сорбционный слой и все активные центры обладают равной энергией сорбции. С Экспериментальные изотермы сорбции ионов Сu2+ и Mn2+ исследуемыми сорбентами являются аналогичными изотермам сорбции ионов Со2+. Рис. 3. Изотерма сорбции ионов Со2+ пектином/фармакофорсодержащими пектинами из водного раствора хлорида кобальта (II) Экспериментальные изотермы сорбции ионов Cu2+, Со2+ и Mn2+ из водных растворов их солей обработаны в рамках двух уравнений адсорбции: Ленгмюра и Фрейндлиха, наиболее часто используемых исследователями при описании полученных изотерм сорбции ионов различных металлов пектинсодержащими материалами. Обнаружено, что по сравнению с моделью Фрейндлиха модель Ленгмюра дает хорошую сходимость с экспериментальными результатами, о чем свидетельствуют высокие коэффициенты корреляции, полученные при линеаризации экспериментальных изотерм (табл. 2). Таблица 2. Параметры обработки изотерм сорбции ионов Co2+ фармакофорсодержащими пектинами по уравнению Ленгмюра и Фрейндлиха орбция, в таком случае, является локализованной и происходит за счет водородных связей, которые обеспечивают когезионную прочность между сорбатом и сорбентом. Сорбент Обработка изотерм по уравнению Ленгмюра Обработка изотерм по уравнению Фрейндлиха А∞ КD, л/ммоль R2 0.998 0.996 0.996 0.996 0.990 K, ммоль/г n 0.62 1.18 0.78 1.64 0.76 1.55 0.68 1.31 0.73 1.54 R2 0.979 0.978 0.974 0.985 0.957 ПК 1.59 ПК-СК 1.78 ПК-АК 1.73 ПК-5АСК 1.60 ПК-НК 1.74 0.53 0.67 0.65 0.63 0.61 9 Константа сорбционного равновесия KD в уравнении Ленгмюра и параметр К в уравнении Фрейндлиха характеризуют химическое сродство сорбата к сорбенту. Сродство сорбата к сорбенту определяется его свойствами и, следовательно, степень влияния сорбента на величину сорбционной емкости определяется химической природой его поверхности и размером пор. Из полученных результатов видно, что наибольшим сродством к катионам Cо2+ обладает система ПК-СК, что закономерно для данной системы, обладающей самой высокой сорбционной емкостью и площадью удельной поверхности. 2.1. Кинетические закономерности сорбции ионов переходных металлов (II) нативным и модифицированными пектинами Исследование кинетических закономерностей сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ из водных растворов их солей пектином и его модифицированными образцами показало, что время достижения равновесия в системе «фармакофорсодержащий пектин-водный раствор соли металла (II)» сокращается по сравнению с нативным пектином в 1.3-6.0 раз, а степень извлечения (α) ионов металлов (II) увеличивается на 0.1-12.5% в зависимости от природы ФП и иона металла (II) (рис. 4, табл. 3). Рис. 4. Интегральные кинетические кривые сорбции ионов Со2+ пектином/фармакофорсодержащими пектинами из водного раствора хлорида кобальта (II) Таблица 3. Сорбционные характеристики биосорбентов по отношению к ионам Cu2+, Co2+, Mn2+ Показатель ПК α (Cu2+), % 83.0 Аэксп, ммоль/г 1.66 Сорбент ПК-СК ПК-АК 95.5 84.4 ПК-5АСК ПК-НК 85.7 83.6 1.71 1.67 1.91 1.69 t,мин 60 10 45 15 45 α (Cо2+), % 79.5 89.1 86.7 80.1 87.2 Аэксп, ммоль/г 1.59 1.78 1.73 1.60 1.74 t,мин 60 45 40 45 45 α (Mn2+), % Аэксп, ммоль/г t, мин 74.4 86.0 1.49 1.72 120 90 85.2 1.70 90 80.1 74.5 1.60 1.49 90 60 10 Различия в сорбционной способности ФП по отношению к катионам Cu2+, Co2+ и Mn2+ можно объяснить появлением новых функциональных групп, ответственных за взаимодействие с катионами металлов (II), а также изменением структурно-адсорбционных характеристик ФП, что приводит к повышению доступности активных центров сорбентов. В процессе обмена, происходящего между функциональными группами ФП с катионами металлов (II), можно выделить три последовательных стадии массопереноса ионов металлов (II) на поверхность ФП. Первая стадия характеризует диффузию катионов металлов (II) из объема водного раствора через внешний диффузионный слой (неподвижную водяную пленку, образующуюся при контакте сорбентов с водным раствором) к поверхности частиц ФП (внешнедиффузионный массоперенос). Вторая стадия относится к диффузии катионов металлов (II) в частицах ФП к активным центрам (внутридиффузионный массоперенос). Вытесняющий катион перемещается сквозь слой уже адсорбированных поверхностью сорбента катионов вглубь частиц ФП через систему пор и капилляров. Третья стадия - собственно ионообменный процесс. Для определения лимитирующей стадии сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ исследуемыми сорбентами, полученные кинетические кривые сорбции представляли в координатах уравнения Бойда-Адамсона, которое возможно применять для случая внешней и внутренней диффузии: где F - степень завершенности процесса сорбции; At – количество сорбированного катиона металла в момент времени t (ммоль/г); A∞ - количество сорбированного катиона металла в состоянии равновесия (ммоль/г); t – время, мин; D - эффективный коэффициент диффузии вещества внутри зерна сорбента (см2/мин); n - число слагаемых - целые числа 1, 2, 3 и т.д.; r - средний радиус зерна сорбента (см); D·/r2 - кинетический коэффициент. Преобладание внешнедиффузионного механизма адсорбции характеризуется линейной зависимостью в координатах «–ln (1-F) = f(t)». На примере сорбции ионов Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами на рисунке 5 приведена зависимость –ln (1-F) = f(t). Линейность зависимости в исследуемом диапазоне концентраций характеризуется достаточно высокими коэффициентами корреляции, что позволяет сделать предположение о преобладании внешнедиффузионного механизма сорбционного процесса. Для оценки вклада внутренней диффузии проведена обработка кинетических кривых в координатах «F = f(t1/2). Результаты показывают (рис. 6), что по мере увеличения продолжительности контактирования ФП с катионами Mn2+, количество сорбированных катионов возрастает пропорционально величине t1/2 вплоть до достижения равновесия. Полученные зависимости являются мультилинейными и не выходят из начала координат, что свидетельствует о многостадийном взаимодействии сорбата с сорбентом. Рис. 5. Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внешнедиффузионные процессы. Рис. 6. Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внутридиффузионные процессы. Анаморфозы кинетических кривых сорбции ионов Cu2+ и Co2+ фармакофорсодержащими пектинами в координатах уравнений, описывающих внешне- и внутридиффузионные процессы являются аналогичными анаморфозам кинетических кривых сорбции ионов Mn2+. Известно, что значения энергии активации при диффузионном механизме сорбции не должны превышать 50 кДж/моль. Значения энергии активации для процессов, скоростьопределяющей стадией которых является химическая реакция, как правило, еще выше. В таблице 4 приведены значения кажущейся ∆Еа процесса сорбции ионов переходных металлов на фармакофорсодержащих пектинах, из которых видно, что энергия активации находится в пределах значений, характерных для диффузионного процесса. Таблица 4. Значения кажущейся энергии активации сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами Сорбент - ∆Ea процесса сорбции ионов Cu2+, кДж/моль - ∆Ea процесса сорбции ионов Co2+, кДж/моль - ∆Ea процесса сорбции ионов Mn2+, кДж/моль ПК 3.7±0.1 ПК-СК 24.7±0.4 ПК-АК 2.2±0.1 ПК-5АСК 7.9±0.2 ПК-НК 9.2±0.2 32.4±0.5 29.0±0.3 18.6±0.3 20.2±0.4 34.4±0.5 21.8±0.5 46.2±0.4 43.1±0.5 35.0±0.3 20.9±0.4 Таким образом, исследование кинетических закономерностей процесса сорбции ионов переходных металлов (II) пектином/фармакофорсодержащими пектинами показало, что в изучаемом диапазоне значений концентраций и температуры лимитирующей стадией сорбции является внешняя диффузия. 2.2. Исследование влияния кислотности среды на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов Зависимость степени извлечения ионов металлов (II) биосорбентами от кислотности водной фазы имеет экстремальный характер с максимумом сорбции в интервале рН 6.0-7.0 для ионов Cu2+ (рис. 7), рН 4.0-7.2 для ионов Cо2+, pH 4.0-6.0 для ионов Mn2+ в зависимости от структуры введенного в пектин фармакофора. В области низких рН отсутствие сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ можно объяснить тем, что происходит конкуренция за сорбционные центры сорбента между ионами M2+ и H+. С ростом рН среды возрастает количество свободных сорбционных центров на сорбенте, что приводит к существенному росту величины сорбционной емкости. В области максимума сорбционно-активные группы сорбента находятся в диссоциированном состоянии (СОО-). В сильно щелочной области рН происходит образование осадка гидроксида металла (II). Рис. 7. Зависимость степени извлечения ионов Cu2+ пектином/фармакофорсодержащими пектинами от рН водного раствора 2.3. Исследование влияния температуры на сорбционные свойства фармакофорсодержащих пектинов Обнаружено, что с увеличением температуры от 273 до 333 К степень извлечения ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами заметно снижается. Причиной этого, вероятно, является ослабление взаимодействия между ионами металлов (II) и сорбентом, а также улучшение растворимости сорбента в растворителе (водной фазе). На примере сорбции ионов Cu2+ пектиновыми биосорбентами показано, что влияние температуры хорошо описывается линейными зависимостями в координатах lnKD – 1/T (рис. 8), из которых следует, что сорбция катионов металлов (II) фармакофорсодержащими пектинами представляет собой экзотермический процесс, который можно рассматривать как физическую адсорбцию с участием сорбционных центров сорбентов и молекул растворителя (воды) в реакциях сольватации и комплексообразования. Такой характер зависимости является достаточно распространенным для сорбционных процессов в целом. Рис. 8. Температурная зависимость сорбционного равновесия в системе ФП-ион Cu2+ в координатах lnKD – 1/T Термодинамические параметры ΔH°, ΔS° и ΔG° сорбционного процесса представлены в таблице 5. Таблица 5. Термодинамические параметры сорбции ионов Cu2+, Со2+ и Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами Соединение ∆Ho, кДж/моль ∆So, Дж/моль·К ПК-Cu2+ -6.2±0.2 35.9±0.8 ∆Go298, кДж/моль -16.7±0.4 -19.0±0.2 -16.9±0.2 -16.9±0.2 -16.5±0.3 -14.9±0.5 -17.8±0.4 -17.0±0.1 -15.4±0.2 -16.7±0.5 -16.4±0.1 -15.4±0.2 -16.2±0.3 -15.7±0.5 -14.7±0.2 ПК-СК-Cu2+ ПК-АК-Cu2+ ПК-5АСК-Cu2+ ПК-НК-Cu2+ ПК-Со2+ ПК-СК-Со2+ ПК-АК-Со2+ ПК-5АСК-Со2+ ПК-НК-Со2+ ПК-Mn2+ ПК-СК-Mn2+ ПК-АК-Mn2+ ПК-5АСК-Mn2+ ПК-НК-Mn2+ -27.2±0.5 -4.7±0.1 -10.4±0.5 -11.7±0.2 -34.9±0.5 -31.5±0.5 -21.1±0.6 -22.7±0.5 -36.9±0.2 -24.3±0.5 -48.7±0.4 -45.6±0.6 -37.5±0.7 -23.4±0.5 -27.9±0.7 41.8±0.2 22.4±0.6 16.3±0.4 -68.3±0.8 -46.5±0.4 -14.0±0.6 -25.2±0.4 -68.8±0.3 -26.8±0.4 -113.7±0.7 -100.5±0.5 -74.0±0.6 -29.5±0.7 Значения ΔH° имеют отрицательные величины, что свидетельствует об экзотермичности процесса сорбции. °<0). Отрицательное значение ΔG° свидетельствует о смещении равновесия в сторону перехода ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ из водного раствора в фазу сорбента. °<0), взаимодействие ионов металлов (II) менее интенсивно, чем биосорбента, сорбция протекает с уменьшением свободной энергии поверхности и выделением тепла Как правило, межмолекулярное (уменьшением энтальпии ΔН При адсорбции уменьшается и энтропия (ΔS поскольку катионы металла (II) ограничивают подвижность молекул биополимеров, уменьшая возможное число конформаций, что приводит к компактизации полимерных матриц. В случае сорбции ионов Cu2+ нативным пектином, ПК-5АСК, ПК-АК и ПК-НК, ΔS что, вероятно, связано с небольшим изменением сорбционной емкости с ° принимает положительные значения, увеличением температуры. И сследование равновесия сорбции ионов Cu2+, Co2+, Mn2+ фармакофорсодержащими пектинами в интервале температур 273-333 К показало, что оптимальные условия процесса для каждого образца индивидуальны и зависят от температурного режима. Проведение процесса при температурах выше 333 К нежелательно, поскольку это может приводить к разрушению структуры пектинового сорбента. 3. Предполагаемый механизм взаимодействия ионов Cu2+, Co2+, Mn2+ с фармакофорсодержащими пектинами Разнообразие моделей и механизмов сорбции, описывающих распределение веществ между фазами, во многом определяется многообразием природы межмолекулярных взаимодействий. Чтобы определить характер взаимодействия металлов с исследуемыми сорбентами, важно определить какие функциональные группы отвечают за связывание ионов металлов. Известно, что в качестве активных групп пектиновых полисахаридов могут выступать -ОН, СООН и С-О группы элементарного звена ПК, способные связывать ионы металлов по механизму ионного обмена и комплексообразования. Возможность комплексообразования ФП с катионами Cu2+, Co2+ и Mn2+ изучали методами УФ- и ИК-спектроскопии. Так, при взаимодействии ФП с ионами металлов (II) образуются комплексные соединения, что подтверждается смещением их max в УФ-спектрах и увеличением интенсивности полос поглощения (ПП) по сравнению с индивидуальными компонентами системы. С помощью метода ИК-спектроскопии выявлены спектральные области, в которых наиболее заметно наблюдались различия в характере и интенсивности полос поглощения ФП по сравнению с их металлокомплексами. Первая область изменений относится к ПП валентных колебаний гидроксильных групп, ассоциированных водородной связью (3400-3200 см-1). Значительный сдвиг ПП (OH-) в низкочастотную область в присутствии катионов металлов (10-150 см-1) свидетельствует о разрыве водородных связей в результате координации катионов металлов к гидроксильным группам ФП, что приводит к образованию прочных хелатных комплексов. Во второй области ИК-спектров наблюдается исчезновение ПП карбоксильных групп 1740-1700 см-1 и появление характерной ПП для карбоксианиона 1610-1590 см-1. .В третьей из наблюдаемых областей в ИК- спектрах металлокомплексов происходит изменение контура ПП (С-О) пиранозного цикла (1200-1000 см-1), наблюдается высокочастотный сдвиг, обусловленный образованием связи ионов указанных металлов с кислородным атомом пиранозного цикла. Данные УФ- и ИК-спектров свидетельствуют о координационном взаимодействии ПК и ФП с катионами М2+ не только за счет СООН - групп, но и посредством ОН- и С-О групп полимерной матрицы. На основании литературных и полученных нами спектральных данных, можно предположить, что основным механизмом взаимодействия ионов металлов (II) с ФП является ионный обмен, сопровождающийся образованием комплексных соединений. Ниже представлена предполагаемая схема взаимодействия ионов M2+ (Cu2+, Co2+ и Mn2+) с модифицированным пектиновым сорбентом (рис. 9). Рис. 9. Предполагаемая схема взаимодействия ионов M2+ (Cu2+, Co2+ и Mn2+) с фармакофорсодержащим пектином на примере салициловой кислоты. Таким образом, систематическое исследование сорбции ионов переходных металлов (Cu2+, Co2+ и Mn2+) модифицированными пектинами (ПК-СК, ПК-АК, ПК-5АСК, ПК-НК) позволило выявить ряд общих закономерностей и некоторых специфических особенностей сорбционного процесса: - более высокая сорбционная емкость ФП и быстрое время установления сорбционного равновесия в системе «ФП-ион металла (II)» по сравнению с нативным ПК. Быстрое время установления равновесия может быть обусловлено уменьшением размера частиц биосорбентов (ПКПК-НКПК-АКПК-5АСКПК- СК), повышением их пористости (ПК-СК>ПК-НК>ПК-5АСК>ПК-АКПК) и площади удельной поверхности (ПК-СКПК-АКПК-5АСКПК-НКПК) за счет модифицирования полисахарида фармакофорами, имеющими полярные функциональные группы;
– изотермы сорбции ионов металлов (II) фармакофорсодержащими пектинами соответствуют изотермам Ленгмюра, что свидетельствует о мономолекулярном механизме сорбции;
– увеличение степени сродства ионов металлов (II) к поверхности ФП в ряду Cu2+>Co2+>Mn2+, что соответствует эмпирическому ряду Ирвинга-Уильямса. Порядок расположения ионов металлов (II) также чувствителен к выбранным лигандам. В целом возрастание степени извлечения ионов исследуемых металлов происходит при переходе от ионов металлов с большим радиусом к ионам с наименьшим радиусом, из чего следует, что ряд Ирвинга-Уильямса отражает влияние электростатических эффектов на величины сорбционной емкости сорбентов;
– исследование кинетики процесса сорбции ионов переходных металлов (II) пектином/фармакофорсодержащими пектинами показало, что лимитирующей стадией сорбции является внешняя диффузия;
– увеличение сорбции ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ модифицированными пектинами с ростом рН в интервале от 0 до 4.0-7.0, за которым следует достаточно заметное ее снижение;
– существенное увеличение эффективности извлечения ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ модифицированными пектинами с понижением температуры процесса;
– сорбция ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ модифицированными пектинами представляет собой экзотермический процесс;
– сорбция ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ модифицированными пектинами протекает по механизму ионного обмена, который сопровождается образованием комплексных соединений;
– пектин, модифицированный салициловой кислотой, обладает наиболее высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам Cu2+, Co2+ и Mn2+ в ряду фармакофорсодержащих пектинов;
– положительные значения энтропии в процессах сорбции ионов Cu2+ такими биосорбентами как ПК-5АСК, ПК-АК и ПК-НК могут свидетельствовать об изменении структуры биополимерного материала, приводящее к росту беспорядка системы, тогда как отрицательные величины энтропии в процессах сорбции ионов Co2+ и Mn2+ пектиновыми сорбентами могут указывать на увеличение упорядоченности при взаимодействии иона металла с поверхностью сорбента.
Таким образом, проведенные исследования показали, что модифицированные пектины проявляют высокое сродство к ионам Cu2+, Co2+ и Mn2+ и могут быть использованы в качестве энтеросорбентов. Для улучшения равновесно-кинетических характеристик полисахаридных сорбентов необходимо проводить их направленное модифицирование путем увеличения количества
ионообменных кислотных или электронодонорных групп с разной дентатностью и основностью.
4. Допирование фармакофорсодержащих пектинов йодом
В качестве материалов с мягким пролонгированным антисептическим действием получены йодсодержащие порошки на основе ФП. Для этого использовали диффузионный метод допирования – насыщение порошков ФП сублимированным йодом при комнатной температуре. Время предельного насыщения йодом ФП в условиях диффузионного процесса зависит от природы ФК, введенного в полимерную матрицу. Быстрее всего насыщение йодом происходит для ПК-НК, дольше всего допируется образец ПК-5АСК (рис. 10(А)), что может быть связано с поверхностными свойствами ФП. Так как модификация пектина НК приводит к упорядочиванию поверхности полимерной матрицы (рис. 2), то процесс диффузии йода в образец может протекать значительно быстрее. В то же время, амино- и гидроксикислоты за счет хелатирования с гидроксильными группами ПК, напротив, создают стерические препятствия для проникновения йода внутрь образца (рис. 11).
АБ Рис. 10. Сорбция (А) и десорбция (Б) йода из порошков ФП-I2
Определение массовой доли йода в образцах сразу после десорбции показывает, что, кроме нативного пектина, все модифицированные образцы сохраняют достаточное количество йода до 26-40% (табл. 5, рис. 10(Б)). Кривые десорбции йода показывают, что в образцах сосуществуют как минимум 2 различные формы йода. Одна форма довольно летучая и может быть легко удалена из образца простым воздействием воздуха. Ее можно отнести к молекулярному йоду. Другая форма стабильна и сохраняется даже после длительной десорбции йода на воздухе. Можно предположить, что эта форма состоит из I3- и некоторых высших полийодидов. Существование различных форм йода подтверждается также йодометрическим титрованием образцов после десорбции (табл. 6). Определение концентрации йода в образцах после 11-12 месяцев выдержки на воздухе не уменьшается, что свидетельствует о получении устойчивых йодсодержащих материалов на основе ФП.
18

Таблица 6. Максимальное содержание йода в образцах после допирования и после десорбции
Соединение
ПК-I2 ПК-НК-I2 ПК-АК-I2 ПК-5АСК-I2 ПК-СК-I2
Содержание йода в образце После После десорбции
допирования [Iобщ], % масс [Iобщ], % масс
12.1 5.3 46.8 29.7 64.1 39.5 69.5 39.8 36.3 26.3
[I2], % масс
1.4
8.3 18.6 21.6 5.4
123
Рис. 11. Микроструктура полимерных матриц: ПК-НК-I2 (1), ПК-I2 (2), ПК-5АСК-I2 (3).
Десорбция ионов I3- из ФП-I2 в воду сопровождается набуханием и растворением самой пектиновой матрицы. Полное высвобождение I3- из ПК происходит через 25-30 мин, в то время как из ФП время высвобождения I3- увеличивается до 6-12 ч, обеспечивая пролонгирующий эффект (рис. 12).
Рис. 12. Кинетические кривые выхода трийодид-ионов из образцов: 1 – ПК, 2 – ПК-АК, 3 – ПК-5АСК, 4 – ПК-СК, 5 – ПК-НК. λ = 290 нм, l = 1.0 см, Т = 25 oC, растворитель- дистиллированная вода.
Определение констант устойчивости для ФП-I2 показало, что модификация пектина фармакофорами увеличивает стабильность йодсодержащих образцов в 50- 250 раз по сравнению с ПК-I2. Интересно отметить, что ряд устойчивости: ПК-I2 (lgβк=2.85) < ПК-АК-I2 (lgβк=3.79) < ПК-5АСК-I2 (lgβк=3.80) < ПК-СК-I2 (lgβк=4.84) < ПК-НК-I2 (lgβк=5.28) коррелирует с кинетикой выхода I3- из порошковых композиций. Согласно данным ИК-спектроскопии, при допировании йодом ФП наблюдается изменение контура и уменьшение интенсивности ПП (-ОН) групп в области 3500-3100 см-1. Происходит значительное уменьшение интенсивности ПП (С=О) и низкочастотный сдвиг ПП (С-С, С-О) на 3-7 см-1. На основании спектральных данных можно сделать вывод, что в системе ФП-I2 йод координируется главным образом по кислороду карбонильных и гидроксильных групп полимерных матриц. 5. Антибактериальная активность йодсодержащих материалов на основе фармакофорсодержащих пектинов Оценка антибактериальной активности йодсодержащих порошкообразных композиций осуществлялась методом диффузии раствора исследуемого вещества в питательную среду (рис. 13). Представленные результаты показывают, что выраженным антибактериальным эффектом обладают образцы: ПК-5АСК-I2 и ПК- СК-I2. Среднюю активность продемонстрировал образец ПК-АК-I2. В отношении культуры B. megaterium наиболее активным оказался KI+I2, а в отношении P. aureofaciens и L. lactis – образец ПК-СК-I2. Наиболее чувствительной культурой оказалась P. aureofaciens, наименее чувствительной – L. lactis. Таким образом, использование соединения ПК-СК-I2 в качестве антибактериального агента в отношении некоторых грамположительных и грамотрицательных бактерий в ряде случаев может обеспечить больший эффект, чем отдельно взятые компоненты комплекса и устранить раздражающее воздействие йода. 1а 1б 2а 2б3а3б Рис. 13. Зона задержки роста микроорганизмов 1 а, б – B. megaterium; 2 а, б – P. aureofaciens; 3 а, б – L. Lactis образцами: 1-ПК, 2-ПК-АК, 3-ПК-5АСК, 4-ПК-5АСК-I2, 5-5АСК, 6-ПК-СК- I2, 7-вода, 8-ПК-АК-I2, 9- KI+I2, 10-АК, 11-СК, 12-ПК-СК, 13-вода+KI. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования данных материалов в медицинской практике что, наряду с пролонгированностью действия и отсутствием агрессивности присущей йоду, делает эффективным их применение в качестве антисептических материалов мягкого действия. ВЫВОДЫ: 1. Рядом физико-химических методов анализа изучены структурно- адсорбционные характеристики пектинов, модифицированных биологически активными органическими кислотами. Обнаружено, что комплексообразование пектина с фармакофорами приводит к увеличению пористости и удельной поверхности, уменьшению размера частиц и изменению кислотно-основных свойств в зависимости от природы органической кислоты, что обуславливает более высокую адсорбционную способность фармакофорсодержащих пектинов по отношению к ионам Cu2+, Co2+, Mn2+ по сравнению с нативным пектином. 2. Установлено, что сорбционная емкость фармакофорсодержащих пектинов изменяется в рядах: ПК-СК>ПК-5АСК>ПК-АК>ПК-НКПК при извлечении ионов Cu2+; ПК-СКПК-НКПК-АКПК-5АСКПК при извлечении ионов Co2+; ПК-СКПК-АКПК-5АСКПК-НКПК при извлечении ионов Mn2+. Обнаружено, что зависимость величины сорбционной емкости от равновесной концентрации ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ подчиняется уравнению Ленгмюра.
3. Обнаружено, что процесс сорбции ионов переходных металлов (Cu2+, Co2+, Mn2+) фармакофорсодержащими пектинами протекает в диффузионном режиме.
4. Выявлено, что максимальные значения сорбционной емкости пектиновых материалов достигаются в диапазоне значений ионов Cu2+ – рН 6.0-7.0, ионов Cо2+ – рН 4.0-7.2, ионов Mn2+ – pH 4.0-6.0 в зависимости от структуры биосорбента. Обнаружено, что увеличение модуля раствор/сорбент с 50 до 1000 л/кг уменьшает степень извлечения ионов Cu2+ на 8.1-44.8%, ионов Co2+ на 21.5-30.6% и ионов Mn2+ на 13.7-36.6% в зависимости от введенного в пектин фармакофора.
5. Рассчитаны термодинамические параметры процесса извлечения ионов Cu2+, Co2+ и Mn2+ пектиновыми сорбентами. Установлено, что сорбция ионов металлов полисахаридными материалами представляет собой экзотермический процесс, который можно рассматривать как физическую сорбцию.
6. На основании полученных результатов предложен возможный механизм сорбции ионов переходных металлов (Cu2+, Co2+ и Mn2+) фармакофорсодержащими пектинами, который представляет собой сложный процесс, включающий как ионный обмен, так и образование металлокомплексов.
7. Показано, что включение в пектин органического фармакофора способствует увеличению содержания йода в полимерных материалах в 5-8 раз и позволяет получать образцы не только с высоким содержанием йода, но и его контролируемым и пролонгированным выделением. По результатам микробиологических испытаний установлено, что образцы на основе систем ПК- СК-I2, ПК-5АСК-I2 проявляют антибактериальную активность на уровне свободного йода при существенном снижении дозы действующего вещества.