«На стыке наук. Физико-химическая серия I Международная Интернет-конференция Казань,24-25 января 2013 года Сборник трудов Казань Казанский университет 2013 УДК 544 (082) ББК 22.36 Н12 НА СТЫКЕ НАУК. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ...»

ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский)

федеральный университет",

кафедра вычислительной физики и моделирования

физических процессов

Сервис виртуальных конференций Pax Grid

На стыке наук

.

Физико-химическая серия

I Международная Интернет-конференция

Казань,24-25 января 2013 года

Сборник трудов

Казань

"Казанский университет"

2013 УДК 544 (082) ББК 22.36 Н12

НА СТЫКЕ НАУК. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СЕРИЯ

cборник трудов I международной Интернет-конференции.

Казань, 24-25 января 2013 г. /Редактор Изотова Е.Д. - ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский) федеральный университет, Н12 кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов; Сервис виртуальных конференций Pax Grid.- Казань: Изд-во "Казанский университет", 2013. с.

Сборник составлен по материалам, представленным участниками I международной Интернет-конференции "На стыке наук. Физико-химическая серия". Конференция прошла 24-25 января 2013 года. Издание освещает вопросы, связанные с моделированием классической и квантовомеханической молекулярной динамики, построением моделей и разработкой методов обработки сигналов и шумов в сложных (живых и неживых) системах, а так же методов исследования физико-химических свойств молекул. В сборнике представлены работы по кристаллографии, биофизике, физике полимеров и медицинской химии. Книга будет представлять интерес для преподавателей, научных работников, аспирантов и учащихся соответствующих специальностей.

Редактор: Изотова Е.Д.

Материалы представлены в авторской редакции © ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский) федеральный университет, кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов, © Система виртуальных конференций Pax Grid, © Авторы, указанные в содержании, Оргкомитет Председатель:

Мокшин Анатолий Васильевич - к.ф.-м.н., доцент зав. кафедрой вычислительной физики и моделирования физических процессов Казанского (Приволжского) федерального университета Сопредседатель:

Алимова Фарида Кашифовна - д.б.н., проф., зав. кафедрой биохимии Казанского (Приволжского) федерального университета Программный комитет:

Сафаров Рафкат Хабибулаевич - д.ф.-м.н., профессор, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Нефедьев Юрий Анатольевич - д.ф.-м.н., профессор, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Ситдиков Айрат Салимович - д.ф.-м.н., доцент, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Акберова Наталья Ивановна - к.б.н., доцент, Казанский (Приволжский) q федеральный университет Хуснутдинов Рамиль Миннегаязович к.ф.-м.н., доцент, Казанский (Приволжский) федеральный университет Панищев Олег Юрьевич - старший преподаватель, Казанский (Приволжский) федеральный университет Дёмин Сергей Анатольевич - старший преподаватель, Казанский (Приволжский) федеральный университет Тарасов Д.С. - координатор Pax Grid Изотова Е.Д. - координатор Pax Grid Алишева Д.А. - исполнительный секретарь

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСОРНОЙ СПОСОБНОСТИ БИСЛОЙНЫХ

ЛИПИДНЫХ МЕМБРАН

Адельянов А.М., Яковенко Л.В., Башкиров П.В., Ожередов В.А.

МГУ имени Ломоносова Физический Факультет, ИФХЭ имени Фрумкина, ЗАО "Российские Высокие Технологии" Известно, что наиболее интересные явления в природе происходят на различных границах. К одной из таких границ в биофизике можно отнести клеточную мембрану. Мембраны в клетке выполняют несколько важных метаболических функций. Известно, что метаболизм клетки определяет состав и состояние мембраны, что отражается на мембранном потенциале. В свою очередь, изменение мембранного потенциала может приводить к изменениям в метаболизме клетки.

Такая взаимная связь между клеточной мембраной и клеточным метаболизмом дает возможность связать задачу диагностики состояния клетки в зависимости от воздействия на нее внешних физико-химических факторов с задачей диагностики состояния ее мембраны.

Можно сформулировать вопрос о чувствительности мембраны, как клеточной структуры, к воздействию химических и физических факторов.

Поэтому в работе поставлена цель показать, что для мониторинга состояния мембраны можно использовать каналоформер грамицидин в качестве зонда-сенсора.

Применяемый в работе грамицидин D это смесь линейных пентадекапептидов A, B, C, вырабатываемых бактерией Bacillus brevis.

Димеры грамицидина D, массой около 3800 кДа, образованные по принципу голова к голове (т.е. N-конец к N-концу), способны проводить моновалентные катионы (проводимость порядка 107 ионов/с). В качестве мембраны в работе выбирали искусственные бислойные липидные мембраны известного состава. Мембрану погружали в буфер из соляной кислоты или смеси растворов хлоридов калия и натрия. На мембране с помощью микроэлектродов формировали пэтч, снимали его вольтамперную характеристику в присутствии и в отсутствие грамицидина. Опыты ставили в двух условиях: 1) без специального химического агента, 2) в присутствие некого вещества влияющего на состояние мембраны.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Данные, представляющие собой запись тока через участок мембраны во времени при различных разностях потенциалов на микроэлектроде, обрабатывались специально сформированной и обученной нейросетью, реализованной на программном пакете MATLAB.

Первая серия опытов проводилась в условиях добавления специального химического агента в кювету с мембраной, погруженной в буфер, в присутствии и в отсутствии в растворе грамицидина. Условия:

грамицидин D 10 -10 М, буфер HCl 0,1 М, мембрана DOPC:DOPE (3:1, v/v), температура 21-22° С.

Расчеты показали, что при добавлении грамицидина нейросеть способна различить два состояния мембраны (присутствие и отсутствие специального химического агента) безошибочно. Однако, в отсутствие грамицидина в растворе нейросеть различает те же состояния мембраны не лучше, чем с 10% ошибкой (см.рис.1).

Вторая серия опытов проводилась только в присутствии грамицидина в растворе, при участии, либо не участии специального химического агента. Сравнение проводили между аналогичными опытами при указанных условиях, проведенных в разные дни, 30 ноября и 7 декабря 2012 года. Таким образом, проверяли воспроизводимость результатов обработки данных. Из рисунка видно, что нейросеть в одном случае различает два состояния мембраны (ошибка 0,9%), а в другом случае не различает (ошибка 50%). Объяснением этого может служить то, что нейросеть обучалась на данных одного экспериментального дня. Таким образом, нейросеть не может учесть всех неизбежных малых «флуктуаций» условий эксперимента при его повторении (см.рис.2).

Недостатком работы относится отсутствие исследований состояния мембраны при воздействии физико-химических факторов другими методами, такими как, например, метод флуоресцентных зондов, метод компенсации внутри-мембранного поля, т. к. изменение состояния мембраны необходимо проверить разными независимыми методами.

Тем не менее, изложенный метод работоспособен, а недостатки работы определяют перспективу ее дальнейшего развития.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 1. Слева результат работы нейросети в отсутствие грамицидина (ошибка 10%), справа результат обработки с грамицидином (ошибки нет). Число полос на левом рисунке показывает количество ошибок в распознавании. Справа же четко разделены два состояния 0(нет воздействия) и 1(есть воздействие).

Рис. 2. Слева обученная на опыте 7 декабря нейросеть распознала состояния мембраны в опыте 30 ноября (ошибка 0,9%). Справа обученная на опыте 30 ноября нейросеть не распознала состояния мембраны в опыте 7 декабря (одно состояние, ошибка 50%).

Литература 1. Р. Геннис. Биомембраны: структура и функции. «Мир», перевод с английского, 1997, 600 с.

2. Meyer B. Jackson. Molecular and cellular biophysics. Cambridge University Press, 2006, p. 512.

3. Devaki A. Kelkar. The gramicidin ion channel: a model membrane protein.

Biochimica et Biophysica Acta, v. 1768, 2007, p. 2011-2025.

4. Andersen O.S. Ion movement through gramicidin A channels:

single-channel measurements at very high potentials. Biophys. J., v. 41, feb 1983, p. 119-133.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕСКРИПТОРОВ РАССЧИТАННЫХ В ВОДНОЙ

ФАЗЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДНЫХ N–АРИЛЗАМЕЩЕННЫХ

АНТРАНИЛОВЫХ КИСЛОТ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ КОНСТАНТ

ЛИПОФИЛЬНОСТИ

ГБОУ ВПО Пермская государственная фармацевтическая академия Для надлежащего предсказания способности эффективного взаимодействия молекулы лекарственного средства с биологической мишенью, должны быть определены количественно: распределение, в липофильную окружающую среду, при различных значениях pH, и структурная близость. Проникновение биологически активного соединения к участку действия, представлено гидрофобностью, чаще всего определяемой количественно коэффициентом распределения 1-octanol/water (logP) [1, 2]. В течение многих лет logP использовался как мера липофильности/гидрофобности, где гидрофобность описывает способность к агрегации органических соединений в воде, а липофильность определена как мера межмолекулярных отношений между органическим веществом и растворителем. Липофильность главный физико-химический показатель, влияющий на бионакопление, проницаемость и часто на токсичность лекарств. Этот коэффициент обычно определяется количественно, как logP, и является важной молекулярной характеристикой в медицинской химии. Однако экспериментальное определение липофильности часто затруднено отсутствием достаточного количества реагента и его недостаточной чистотой, трудоемкостью и длительностью стандартной «Shake flask»

процедуры и поэтому проблеме, связанной с расчётом констант липофильности посвящены работы [3, 4, 5].

Цель данной работы заключается в изучении зависимости констант липофильности от структурных параметров N-арилзамещенных производных антраниловой кислоты рассчитанных методом Хартри-Фока в водной фазе.

Для изучения связи структуры с константами липофильности мы использовали из рассчитанных электронных параметров суммарные значения напряженности электрического поля (Е), потенциала () и абсолютной величины заряда (|q|) на атомах кислорода, азота, углерода На стыке наук. Физико-химическая серия. и гидрофобного фрагмента (Н). Структура гидрофобного фрагмента получена с помощью программы Ligand Scout 3,01. Квантово-химические параметры рассчитаны неэмпирическим методом Хартри – Фока в базисе 3-21G с полной оптимизацией геометрии молекул, с использованием программы Gaussian 03. Эффект растворителя учитывали проводя расчёты в модели PCM (Polarizable Continuum Model).

С целью установления корреляционной зависимости между константой липофильности и квантово-химическими параметрами был проведен множественный линейный регрессионный анализ, в ходе которого были использовано 5 переменных: N(E), О(), O(|q|), N() и Н (|q|), которые характеризуют электронные свойства. Всего было сгенерировано свыше 27 уравнений регрессии, из которых были отобраны 3 наиболее значимых уравнения.

Разработанные уравнения были использованы для расчёта значений logP 8 соединений общей формулы: 1–COR 1 –2–R 2 –5–R 3 –C 6 H 3, где R 1 = NHCH2CH=CH2, R2= NHCO(2-фурил), R3= H (I); R1= NHCH2CH2OH, R2= NHCOCH2C6H5, R3= I (II); R1= NHCH2CH2OH, R2= NHCO(2-фурил), R3= I (III); R1= N(CH3)2, R2= NHCO(2-фурил), R3= I (IV); R1= NHC6H4(4-Br), R2= NHCH2C6H5, R3= H (V); R1= NHC6H4(4-Br), R2= N(COCH3)CH2C6H5, R3= H (VI); R1= NHC6H4(4-CH3), R2= NHCH2C6H5, R3= H (VII); R1= NHC6H4(4-CH3), R2= N(COCH3)CH2C6H5, R3= H (VIII).

Для проведения сравнительной оценки прогнозирования logP, с помощью полученных уравнений 1 – 3, вычислены значения средней квадратичной ошибки прогноза: S 1 = 1,04, S 2 = 1,24 и S 3 = 1,20.

Величина средней квадратичной ошибки свидетельствует о том, что использование уравнения №1, приводит к более высоким результатам расчёта logP (S1 = 1,04), в сравнении с уравнениями 2 и 3 (S2 = 1,24 и S = 1,20).

Проведенное исследование показало, что составленное уравнение вполне адекватно позволяет рассчитывать константы липофильности Nарилзамещенных производных антраниловой кислоты, с учетом растворителя – вода и будет использовано в дальнейших исследованиях для прогнозирования констант липофильности вновь синтезированных соединений.

Литература 1. Abhishek K. Jain, Ravichandran Veerasamy, Ankur Vaidya, Medicinal Chemistry Research, 21(2), pp 145-151 (2012).

2. T.W. Schultz, Chem. Res. Toxicol., 12, p. 1262 (1999).

3. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Изучение взаимосвязи «структура-свойство» констант липофильности N- алкилзамещенных производных антраниловой кислоты с квантово-химическими параметрами, рассчитанными неэмпирическим методом Хартри-Фока // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2; URL:

http://www.science-education.ru/102-6083 (дата обращения: 26.04.2012).

4. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И., Визгунова О.Л. Зависимость константы распределения в системе октанол-вода от структурных параметров N-алкилзамещенных производных антраниловой кислоты, рассчитанных полуэмпирическими методами // Фундаментальные исследования, №7.

2012, Ч. 2. – С. 437 – 440.

5. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И. Оценка полуэмпирических методов расчёта структуры N-арилзамещенных производных антраниловой кислоты для прогнозирования коэффициента распределения октанол-вода // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2; URL:

www.science-education.ru/102-6083 (дата обращения: 21.05.2012).

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРНЫМИ

РАСТВОРИТЕЛЯМИ

Артемкина Ю.М., Саркисян А.Э., Щербаков В.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Сверхвысокочастотные (СВЧ) технологии в настоящее время используются в различных секторах экономики, в том числе в авиационной, медицинской и биотехнологической промышленностях, атомной энергетике и освоении космоса. В результате воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона на твердые, жидкие или газообразные среды возможно ускорение технологических процессов и существенное сокращение затрат [1]. Эффективное использование СВЧ облучения в химии и в химической технологии тормозится отсутствием теоретических представлений, описывающих взаимодействие электромагнитного поля высокой частоты с веществом. В особенности это касается жидких растворов, в которых протекает значительное число химико-технологических процессов. В настоящей работе на основе фундаментальных теоретических представлений рассматривается взаимодействие СВЧ электромагнитного поля с водой и некоторыми другими полярными растворителями.

Поглощаемая веществом энергия электромагнитного поля прямо пропорциональна величине активной составляющей его высокочастотной (ВЧ) удельной электропроводности (ЭП) [2]. При этом, поглощаемая электрическая мощность Р связана с напряженностью электрического поля Е соотношением:

В этом выражении Е – напряженность высокочастотного поля, – круговая частота, о – абсолютная диэлектрическая проницаемость (ДП) вакуума, - коэффициент диэлектрических потерь. Таким образом, чем больше ВЧ ЭП вещества, тем интенсивнее это вещество поглощает энергию СВЧ поля.

В практике СВЧ облучения при проведении процессов в полярных растворителях обычно выбирают частоту, отвечающую максимуму коэффициента диэлектрических потерь [2]. Однако, как показано в работе [3], максимальная активная проводимость и, следовательно, максимальная поглощаемая мощность СВЧ излучения не соответствуют На стыке наук. Физико-химическая серия. максимуму. Для иллюстрации этого утверждения рассмотрим зависимость активной ЭП полярного растворителя от частоты. В дипольной релаксационной области зависимость активной составляющей комплексной ЭП полярного растворителя от частоты описывается выражением [3]:

= ()2/[1+()2],(2) в котором величина – предельная ВЧ ЭП полярного растворителя.

Она определяется отношением статической диэлектрической проницаемости s к времени релаксации [4]:

=so/.(3) При повышении частоты электромагнитного поля происходит увеличение активной составляющей ВЧ ЭП, которая при условии >>1 достигает своего предельного максимального значения, равного. Коэффициент диэлектрических потерь достигает своего максимального значения при условии = 1. В этом случае, уравнение (2) преобразуется к виду:

Таким образом, при частоте, отвечающей максимуму коэффициента диэлектрических потерь, активная проводимость составляет лишь половину значения предельной ВЧ ЭП растворителя и, следовательно, выделяемая в веществе мощность будет составлять половину от максимально возможной.

Рассчитанные с использованием уравнения (3) и величин s и [5] значения некоторых полярных растворителей приведены в таблице.

Сопоставление приведенных в таблице значений показывает, что растворители с развитой системой водородных связей и, соответственно, с большими величинами s располагаются как в верхней (вода, формамид), так и в нижней (N-метилформамид, метанол) частях таблицы.

В то же время, при переходе от ацетона к бутанолу наблюдается тенденция значительного возрастания времени дипольной диэлектрической релаксации (увеличение почти в 150 раз), что и вызывает снижение величины предельной ВЧ ЭП. Таким образом, величина предельной ВЧ ЭП рассматриваемых полярных растворителей определяется, главным образом, подвижностью их молекул. СВЧ энергию электромагнитного поля при условии >>1 более интенсивно будут поглощать вода и ацетон и слабее всего – спирты.

Приведенные в таблице значения предельной ВЧ ЭП полярных растворителей могут использоваться для оценки эффективности поглощения СВЧ электрической энергии полярными растворителями при условии >>1.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Таблица 1. Статическая ДП s, время дипольной релаксации и предельная высокочастотная ЭП некоторых полярных растворителей;

t=25 оС Для большинства рассматриваемых в данной работе полярных растворителей предельная ВЧ ЭП достигается при частотах электромагнитного поля, превышающих десятки ГГц. Исследовательская и промышленная аппаратура работает, как правило, на частоте МГц. В этой связи представляет интерес рассмотреть ВЧ ЭП полярных растворителей на этой частоте. Проведенные нами оценки показывают, что при температуре 25 оС и на частоте 2450 МГц только формамид, пропиленкарбонат и N-метилформамид существенно (в 3 – 7,5 раз) превосходят воду при их использовании в качестве растворителей в условиях воздействия СВЧ облучения при этой температуре.

В результате поглощения электромагнитного поля происходит активация реагирующих частиц, а также повышение температуры реакционной смеси. Второй эффект следует рассмотреть более детально, поскольку с ростом температуры изменяется ВЧ ЭП полярных растворителей [4,6]. Поскольку только для воды и спиртов получены надежные диэлектрические характеристики в широком интервале частот и температур, рассмотрим влияние температуры на ВЧ ЭП на примере этих полярных растворителей.

На рисунке приведены зависимости рассчитанной на частоте МГЦ ВЧ ЭП воды и спиртов от температуры. Необходимые для расчетов значения s и воды и спиртов взяты из работ [5, 7-10]. На этой частоте условие = 1 выполняется при значении времени диэлектрической На стыке наук. Физико-химическая серия. релаксации, равном 65 пс. В результате, в дипольную релаксационную область попадают все рассматриваемые спирты, для которых при низких температурах > 1. При высоких температурах для спиртов < 1.

Для воды лишь при низких температурах < 1. При высоких температурах для воды выполняется неравенство 0 о С ВЧ ЭП метанола превышает воды. ВЧ ЭП этанола и пропанола превосходят воды при t > 40 оС. Поэтому воздействие СВЧ поля при повышенных температурах будет более эффективным в растворах спиртов, чем в воде. Что касается воды, то наиболее эффективным воздействие СВЧ электромагнитного поля на частоте МГц будет наблюдаться при низких температурах. В метаноле процессы в условиях наложения СВЧ поля желательно проводить также при сравнительно невысоких температурах, в то время, как в этаноле и пропаноле наиболее интенсивно воздействие СВЧ поля будет наблюдаться при повышенных температурах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения 14.В37.21.0797 по мероприятию 1. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы и Государственного задания ВУЗам на 2013 год (проект № 3.4487.2012).

На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 1. Зависимость высокочастотной электропроводности воды (1), метанола (2), этанола (3) и пропанола (4) от температуры; частота 2450 МГц Литература 1. Бердоносов С.С., Бердоносова Д.Г., Знаменская И.В //Химическая технология. 2000. № 3. С. 2.

2. Нетушил А.В., Жуховицкий Б.Я., Кудин В.Н., Парини Е.П.

Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. –М.-Л.:

Госэнергоиздат. 1959.

3. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1994. Т. 30. C. 1367.

4. Щербаков В., Артемкина Ю., Ермаков В. Растворы электролитов.

Электропроводность растворов и диэлектрические свойства полярных растворителей. –М.: Palmarium Academic Publishing. 2012.

5. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей:

Справочник. –М.: Изд-во МАИ, 1999. –856 с.

6. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1998. Т. 34. C. 1349.

7. Hiejima Y., Kajihara Y., Kohno H., Yao M. //J. Phys.: Condens. Mater.

2001. V. 13. P. 10307.

8. Hiejima Y., Yao M. //J. Chem. Phys. 2003. V. 119. P. 7931.

9. Hoshina T., Tanaka K., Tsichihashi N., Ibuki K., Ueno M. //J. Chem. Phys.

2004. V. 121. P. 9517.

10. Takahata K., Hoshina T., Tsichihashi N., Ibuki K., Ueno M. //J. Chem.

Phys. 2010. V. 132. 114501; doi: 10.1063/1.3353955.

11. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1997. Т. 33. C. 493.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

СТРУКТУРА АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗЫ КАК МОДЕЛЬНЫЙ

ОБЪЕКТ ПРИ ПОИСКЕ СПЕЦИФИЧНЫХ ИНГИБИТОРОВ

БИОИНФОРМАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ

Казанский (Приволжский) федеральный университет Ингибиторы блокируют работу фермента и таким образом оказывают необходимый лечебный эффект. Однако ингибитор может взаимодействовать и с другими биологическими молекулами, схожими по структуре блокируемого фермента, вызывая побочный эффект.

Поэтому очень важна разработка специфических ингибиторов, которые блокировали бы функцию только одного фермента. Для разработки методики создания специфических ингибиторов использовали модельный объект, фермент ацетилхолинэстеразу (АХЭ), имеющую жизненно важные функции, нарушения которых приводит к ряду серьезных заболеваний, в том числе нейродегенеративных. Поэтому АХЭ активно изучаются [1] и на данное время известны пространственные структуры АХЭ различных видов.

В данной работе анализируется возможность прогнозировать структуру специфичных ингибиторов, исходя из пространственных структур ферментов, и на основании этого детализируются методические подходы. Для анализа были использованы результаты исследования [2], где проводились измерения в структурах АХЭ мыши, взятых из PDB. Всего было сделано два типа расчетов для 40 ферментов АХЭ: 1) между атомами азота(N), находящимися в пептидных связях и 2) атомами кислорода(О), находящимися в боковых радикалах.

Эксперимент показал, что отличие структур основывается на различном положение боковых радикалов и совсем не значительно для пептидных групп. Существенные отличия, появляющиеся среди боковых радикалов, обусловлены их подвижностью. Вследствие этого нельзя использовать их в качестве маркера различия между АХЭ. И, следовательно, такой подход для поиска специфичных ингибиторов не приведет к нужному результату. Однако разберем детально объект исследования. Структуры ферментов в PDB были получены с помощью кристаллографии и рентгенограммы обрабатывались компьютерными программами [3]. В ходе этих работ нативная структура фермента претерпела определенные На стыке наук. Физико-химическая серия. изменения при кристаллизации. При интерпретации рентгенограмм всегда возможны определенные погрешности, и на последнем этапе, компьютерной обработке, происходит «доводка» полученной модели фермента [3], где чаще всего используется принцип гомологии с уже известными структурами. При этом отличия, если они будут найдены, скорее всего будут объяснены нарушениями в ходе эксперимента. В результате могут быть потеряны некоторые индивидуальные особенности ферментов АХЭ одного вида из разных органов и тканей.

С другой стороны, в исследовании [2] анализировались расстояния для трех аминокислотных остатков активного центра. Возможно, проведении измерений для большего количества аминокислотных остатков позволит выявить существенное структурное отличие одной АХЭ от другой, извлеченной из разных тканей одного вида. Следует отметить, что в анализируемой работе использовались структуры АХЭ мыши, для которых неизвестно, из каких органов или тканей были извлечены ферменты АХЭ, однако выявленные (хотя и незначительные) отличия могут быть следствием именно ткане-специфических различий АХЭ.

бутирилхолинэстераза (БХЭ). БХЭ функциональный аналог АХЭ, обладает более широким спектром действия и менее специфична.

Следовательно, любой ингибитор для блокирования АХЭ будет так же взаимодействовать с БХЭ, но с другой степенью связывания. Очень важно при создании ингибиторов для АХЭ учитывать тот факт, что значение степени связывания с БХЭ должно быть как можно меньше, чтоб ингибитор слабее связывался с ним. Возможно, в этом случае придется создавать ингибиторы для АХЭ, исходя из различий в активном центре двух ферментов (или других значимых областей ферментов), но тогда есть вероятность снижения специфичности для конкретной АХЭ.

Кроме БХЭ ингибиторы могут взаимодействовать и с другими ферментами, которые располагаются "на пути" ингибитора, либо рядом с АХЭ. Данные ферменты могут иметь схожие с АХЭ участки «зацепления»

ингибитора. Изучение структур этих ферментов важно, так как позволит избежать некоторых побочных эффектов и снизить дозу лекарств.

В какой же последовательности проводить исследование?

Изначально надо выбрать фермент, чью функцию надо блокировать.

Далее, исходя из структурных особенностей фермента, сконструировать структуру ингибитора, особое внимание следует уделить активному центру и каналу, ведущему в активный центр с поверхности фермента.

Следующим шагом должен быть докинг ингибитора (или целого ряда На стыке наук. Физико-химическая серия. сконструированных ингибиторов) с ферментом. Для более точной картины взаимодействия необходимо провести молекулярную динамику ингибитора с ферментом, изучить структуры при пиковых значениях энергии. Это позволит выбрать из ряда ингибиторов тот, который наилучшим образом взаимодействует с ферментом. Следующим шагом должна быть проверка выбранного ингибитора на способность взаимодействовать с близкородственными ферментами. При этом надо учитывать те функциональные группы ингибитора, которые способствуют взаимодействию с другими ферментами, и модифицировать их так, чтобы не снизить степень сродства к блокируемому ферменту. На этом этапе с помощью различных модификаций будет подбираться структура радикальных групп ингибитора, которые позволят взаимодействовать ингибитору лишь с необходимым ферментом.

Литература 1. Silman, I., Sussman J.L. Acetylcholinesterase: ‘classical’ and ‘non-classical’ functions and pharmacology // Current Opinion in Pharmacology. – 2005. – v. 5. – p. 293–302.

2. Аюпов Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С.. Компьютерный анализ активных центров ацетилхолинэстераз мышей. IV Съезд биофизиков России. Симпозиум IV «Новые тенденции и методы в биофизике» год – стр 17.

3. М. Членов. Современные методы определения пространственной структуры белков // Молекулярная биология. – 2007 – кн.1 – стр.

202– На стыке наук. Физико-химическая серия.

НОВАЯ ПАРАДИГМА МЕДИЦИНСКОЙ ХИМИИ –

МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А.

Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) Основания медицинской химии были заложены Паулем Эрлихом, который первым предложил «использовать синтетическую химию, чтобы химически модифицировать стартовый материал в различных направлениях, и анализировать полученные продукты на их способность излечивать (болезни)». Он также сформулировал понятие «магической пули» – химической субстанции, которую можно использовать для уничтожения патогенного организма за счёт специфической аффинности к этому патогену [1]. Сегодня «магическая пуля» чаще всего рассматривается как лекарство без побочных эффектов, специфически направленное против конкретной болезни конкретного человека. Эта концепция базируется на философии «одно лекарство-одна мишень-одна болезнь». Эта философия получила наибольшее развитие в эру геномного проекта, когда конкретное патофизиологическое состояние стали ассоциировать с нарушениями работы единственного гена и с дисфункцией определённого белка. В соответствии с этой господствующей до сих пор парадигмой магистральным направлением медицинской химии остаётся достижение наибольшей специфичности лекарственного препарата. Принимая, что одна функция молекулы фармакологически активного вещества отвечает за взаимодействие с одной определенной мишенью (рецептор, фермент, регуляторный белок, липидный рафт и др.), монофункциональным следует считать соединение, предназначенное для воздействия на одну, строго определенную биологическую мишень. Соответственно, полифункциональные соединения способны взаимодействовать с двумя и более биологическими мишенями. Современные монофункциональные соединения конструируются с помощью методов компьютерного моделирования и молекулярного докинга для достижения наибольшего соответствия структуры действующего вещества и активного центра (ортостерического или алостерического) белковой молекулы.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Предполагается, что подобные вещества будут высокоселективными с минимальными побочными эффектами. Наибольшего успеха препараты данного типа достигли в так называемой молекулярной хирургии и гораздо менее эффективны при молекулярной терапии.

Искусственное расчленение общего заболевания организма на частные диагнозы-симптомы вынуждает назначать пациенту значительное количество монофункциональных лекарств, которые часто приводят к обратному эффекту, а иногда – к смертельному исходу.

Организм человека представляет собой очень сложную систему, управляемую информационными сетями и потоками. Добавление каждого нового элемента к этой системе, в качестве которого может выступать лекарственный препарат, многократно увеличивает динамическую сложность системы. Происходит активное взаимодействие организма, как единого целого, и лекарства. Любое лекарство вмешивается в работу информационной сети организма, нарушая её функционирование. Чрезмерное воздействие на один из компонентов патологического процесса вызывает ответное стремление организма сохранить стабильность, поскольку болезнь есть способ приспособления к измененным внутренним и внешним условиям его жизнедеятельности. Воздействие организма на лекарство определяется состоянием его внутренней среды и, в частности, функционированием транспортной, рецепторной и метаболической систем. Результирующее воздействие будет определять фармакологический эффект препарата.

Созданные как монофункциональные лекарства, они, большей частью, воспринимаются организмом как ксенобиотики, и чтобы преодолеть сопротивление организма приходится существенно увеличивать дозу препарата. Следует отметить, что истинных монофункциональных лекарств не бывает, все они в той или иной степени мультифункциональны. Только длительное изучение фармакологических свойств лекарственного средства позволяет раскрыть дополнительные механизмы его активности. Примером могут служить нестероидные противовоспалительные препараты, второе поколение которых (после аспирина) конструировалось как ингибиторы циклооксигеназы (фермента, ответственного за синтез провоспалительных простагландинов). Оказалось, что кроме ингибирования циклооксигеназы ибупрофен и другие препараты этой группы ингибируют образование лейкотриенов и функцию лейкоцитов, ингибируют синтез цитокинов, некоторых факторов транскрипции, MAP-киназу, ядерные рецепторы, белки теплового шока, увеличивают внутриклеточное содержание эндоканнабиноида анандамида путём На стыке наук. Физико-химическая серия. ингибирования его гидролиза, снижают уровень экспрессии гена индуцибельной синтазы оксида азота и др. Таким образом, разработанные как монофункциональные эти препараты на деле оказались мультифункциональными, чем, по-видимому, и объясняется успешная история их клинического применения.

Существенные ограничения монофункциональных лекарств стали очевидны в последнее десятилетие, когда значительное количество таких препаратов было возвращено с рынка или клинические испытания которых были прекращены. Характерный пример – селективный ингибитор циклооксигеназы-2 рофекоксиб, предназначенный для борьбы с воспалением, был безопасен для желудочно-кишечного тракта, но вызывал серьезные осложнения сердечнососудистой системы со смертельными исходами [2]. В то же время достигнуто понимание сложности, многофакторности и системности хронических заболеваний (атеросклероз, нейродегенеративные, аутоиммунные и онкологические заболевания). Это способствовало осознанию необходимости замены парадигмы монофункциональных «магических пуль», воздействующих на одну конкретную мишень, парадигмой полифармакологии – одновременного воздействия на много мишеней. Такого воздействия можно достичь несколькими способами: а) одновременным приёмом нескольких монофункциональных препаратов, что широко практикуется сегодня и уже признаётся малоэффективным; б) комбинацией двух препаратов в одной лекарственной форме – способ лишь частичного преодоления ограничений монофункциональных лекарств; в) с помощью рационального дизайна мультифункциональных лекарственных препаратов по принципу «одно лекарство-много мишеней».

В простейшем случае для увеличения функциональности используют соединение в одной молекуле двух монофункциональных веществ с образованием так называемых бивалентных лигандов [3]. Более продуктивным оказывается создание гибридных мультифункциональных соединений. Такие вещества способны воздействовать на различные звенья патологического процесса, оказывая комплексное регулирующее воздействие. Мультифункциональность определяется не структурной сложностью молекулы, а количеством способов взаимодействия с организмом на всех уровнях его организации. Одни из наиболее мультифункциональных – самые простые молекулы газообразных биорегуляторов (называемых также газотрансмиттерами) – оксиды азота и углерода и сероводород. В физиологических концентрациях они взаимодействуют со многими мишенями в организме и оказывают положительное регулирующее воздействие. Неудивительно, что На стыке наук. Физико-химическая серия. фармакологический потенциал газотрансмиттеров был востребован медицинской химией. Наибольшее применение нашли доноры оксида азота (NO). Было синтезировано большое количество разнообразных гибридных NO-донорных препаратов (стероидных гормонов, антибиотиков, антиоксидантов, кардиопрепаратов, противовоспалительных и бронхолитических средств и др.). Введение в молекулу известного лекарства NO-генерирующего фрагмента придает «старому» препарату новые свойства за счет вовлечения в фармакологический эффект физиологических механизмов, активируемых NO, при одновременном восполнении недостаточности генерации окиси азота, сопровождающую многие патологические состояния. Это существенно увеличивает и расширяет фармакологический потенциал и эффективность лекарственного препарата. Возникает истинная многофункциональность гибридных молекул, получающих возможность комплексно воздействовать на несколько механизмов патологического процесса. Как правило, введение в молекулу лекарственного вещества донора NO позволяет снизить негативные побочные эффекты этого лекарства [4].

Наилучшая альтернатива «магической пуле» для лечения хронических заболеваний – мультифункциональное вещество, которое воздействует на различные звенья патологического процесса, восстанавливая нормальное функционирование организма на разных уровнях организации. Такие препараты могут быть разработаны в соответствии с предложенной нами концепцией «информационного лекарства». С информационной точки зрения, каждый биологический организм имеет мощный, хорошо структурированный, иерархический информационный каркас. Его функциональность обеспечивается постоянными потоками информационных молекул, состав и концентрация которых строго регулируется живой системой. Сбои в многоуровневой разветвленной информационной сети выражаются в недостатке или избытке сигнальных молекул. Лекарственное средство, построенное на основе эндогенных для данного организма сигнальных молекул и способное исправлять нарушения в системе регуляции, можно назвать «информационным» [5]. Любое химическое соединение с информационной точки зрения может рассматриваться как сложное сообщение (текст на универсальном языке), смысл которого распознаётся на уровне целого организма на основании синтеза частных смыслов, улавливаемых на более низких уровнях организации специфическими системами распознавания (рецепторы и другие эффекторные молекулы). Важно, чтобы в этом тексте не было На стыке наук. Физико-химическая серия. бесполезной информации, т.е. в структуре информационного лекарства не должно быть чужеродных для организма молекулярных фрагментов.

Это требование особенно актуально при создании комплексных информационных лекарств, в молекулах которых объединены структуры нескольких эндогенных сигнальных молекул, одной из них является липид. Именно соединения последнего типа, на наш взгляд, наиболее перспективны.

Работа частично поддержана грантом РФФИ (проект 12-04-00608) и программой Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине».

Литература 1. Strebhardt K., Ullrich A. Paul Ehrlich’s magic bullet concept: 100 years of progress. // Nature Rev. Cancer. — 2008. — V. 8. — P. 473–480.

2. Drews J. Case histories, magic bullets and the state of drug discovery. // Nat. Rev. Drug Discov. — 2006. — V. 5. — P. 635–640.

3. Lenhart J. A., Ling X., Gandhi R., Guo T. L., Gerk P. M., Brunzell D. H., Zhang S. “Clicked” Bivalent ligands containing curcumin and cholesterol as multifunctional Abeta oligomerization inhibitors: Design, synthesis, and biological characterization. // J. Med. Chem. — 2010. — V. 53. — P.

61986209.

4. Серков И.В., Безуглов В.В. Многофункциональные соединения, содержащие органические нитраты, – прототипы гибридных лекарственных препаратов. // Успехи химии. — 2009. — Т. 78. — С.

442–465.

5. Безуглов В.В., Коновалов С.С. в книге: Акимов М.Г., Безуглов В.В., Бобров М.Ю., Варфоломеева А.Т., Грецкая Н.М., Дятловицкая Э.В., Кисель М.А., Коновалов С.С., Сергеева М.Г. Липиды и рак. Очерки липидологии онкологического процесса. Под ред. В.В. Безуглова и С.С.

Коновалова// СПб.: ПраймЕВРОЗНАК, 2009. — С. 294–306.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЗИОКРИСТАЛЛОСКОПИЧЕСКОГО МЕТОДА

В ДИАГНОСТИКЕ АУТОИММУННОГО ТИРЕОИДИТА

Бейникова И.В., Синтюрина А.В., Нургалиева А.С., Василечко С.В.

Карагандинский государственный медицинский университет Введение. В наше время аутоиммунный тиреоидит – одно из самых распространенных заболеваний щитовидной железы [1]. Нарушение деятельности щитовидной железы при данном заболевании оказывает влияние работу всех органов и систем организма, прежде всего на сердце, сердечно-сосудистую систему, костную систему, развивается остеопороз [2]. Аутоиммунный тиреоидит не является изолированным заболеванием. Как правило, аутоиммунный процесс затрагивает практически все органы и ткани и является проявлением нарушения иммунитета.

Результаты лечения напрямую зависят как от своевременно поставленного диагноза, так и от начала лечения на ранних стадиях болезни. При своевременно начатом и грамотно проведенном лечении прогноз заболевания благоприятный. При несвоевременной диагностике аутоиммунного тиреоидита может развиться гипотиреоз, лечение которого является более сложной задачей [3]. В связи со столь широким распространением и частотой встречаемости заболевания, особенно актуально встает вопрос выработки относительно простых в исполнении и применении методов диагностики аутоиммунного тиреоидита, которые не требуют дорогостоящих реактивов и оборудования, и могут быть проведены практически в любой лаборатории. Одним из таких методов является тезиокристаллоскопия [4].

Особенности кристаллизации плазмы крови человека, могут служить объективными показателями функционального состояния организма [5, 6].

Цель исследования: выявить возможность использования тезиокристаллоскопического метода для диагностики аутоиммунного тиреоидита.

Материалы и методы исследования. В эксперименте использовалась плазма крови 30 больных аутоиммунным тиреоидитом.

Кровь забиралась после подтверждения клинического диагноза, до начала проведения терапии. Тезиокристаллоскопическое исследование На стыке наук. Физико-химическая серия. проводилось методом клиновидной дегидратации с добавлением 0,9% раствора NaCl. На промытое и обезжиренное предметное стекло наносили каплю плазмы крови с растворенным в ней 0,9% раствором NaCl объемом 50 мкл. Каплю высушивали в обычных условиях при минимальной подвижности воздуха. Время высыхания до проведения исследования составляло 18 – 24 ч. [7]. Полученные фации сканировали на сканере CanoScanLine20 при разрешении 1200dpi и изучали в программе ACDSeePro5.

Результаты исследования. Тезиокристаллограммы плазмы крови практически здорового человека характеризуются наличием 3 зон:

краевой, промежуточной и центральной. Лучевая симметрия представлена равнорадиальным растрескиванием. Густота растрескивания в фации очень высокая. Количество конкреций в фации высокое. Краевая зона представлена тонкой полосой, состоящей из мелких отдельностей с конкрециями вытянутой овальной формы, увеличенных размеров. Промежуточная и центральная зоны состоят из отдельностей правильной тетраэдрической формы и четких папоротниковидных форм кристаллических структур с отсутствием выраженного центра кристаллизации. Конкреции в отдельностях круглой формы и мелких размеров.

Изучение тезиокристаллограмм плазмы крови больных показало (рис.1), что краевая очерченность фации полностью отсутствует.

Зональность почти не прослеживается: краевая зона выражена, но не имеет четких границ; промежуточная зона практически не выражена, центральная зона отсутствует. Преобладающее положение занимает аморфная область. Лучевая симметрия полностью отсутствует из-за наличия аморфной области. Количество конкреций по всей фации очень низкое. Краевая зона представлена отдельностями полигональной формы и разного размера. Отдельности краевой зоны почти не содержат конкреций. Имеющиеся конкреции имеют атипичную форму в виде лепестков или брусьев, но разные размеры.

Все конкреции располагаются у края отдельности. Промежуточная зона представлена отдельностями, многие из которых не имеют своей завершенности из-за наличия на большей площади промежуточной зоны аморфной области и патологических особенностей. Центральная зона полностью занята аморфной областью. На границе с большей частью краевой зоны аморфная область зачастую содержит широкую полосу патологических образований в виде «черной сети» и в виде спирали, с преимущественным числом нитевидных извитых трещин.

Такие изменения тезиокристаллографической картины могут На стыке наук. Физико-химическая серия. объясняться предположительно сопутствующими аутоиммунному тиреоидиту гипоальбуминемией и гипоглобулинемией, что приводит к нарушению в структуре краевой и промежуточной зон. В свою очередь, гиперхолестеринемия и увеличение количества липопротеинов способствуют разрастанию аморфной области в центральной зоне.

Таким образом, нами выявлены закономерные изменения формы, размеров, степени формирования кристаллов, очевидно вызванные изменением химического состава плазмы крови в условиях исследуемой патологии, что может быть в дальнейшем апробировано во врачебной практике в качестве метода дифференциальной диагностики аутоиммунного тиреоидита.

Рис. 1. тезиокристаллограмма плазмы крови больных Литература На стыке наук. Физико-химическая серия. 1. Knudsen N., Jorgensen T., Rasmussen S et al. The prevalence of thyroid disfunction in a population with a borderline iodine deficiency // Clinical Endocrinology – 1999.- Vol.51. – P. 361-367.

2. Валеева Ф.В., Киселева Т.А., Ахунова Г.Р. Проблемы взаимосвязи патологии щитовидной железы и ревматологических заболеваний // Сибирский журнал.- 2011. - Т.26, №4. – Вып.2 – С. 22- 28.

3. Насонов Е.Л. Современные направления иммунологических исследований при хронических воспалительных и аутоиммунных заболеваниях человека // Терапевтический архим.- 2001. – Т. 73, №8. – С. 43-46.

4. Максимов С.А. Морфология твердой фазы биологических жидкостей как метода диагностики в медицине // Бюллетень сибирской медицины. – 2007. - №4. – С. 80-85.

5. Курбатова, Л. А. Кристаллизация в биологических средах и ее применение в медицине // Автореф. на соискание уч. степени.к.х.н. – Тверь. – 1995. - 18 С.

6. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. Морфология биологических жидкостей в клинической лабораторной диагностике // Клин.лабораторная диагностика -2002.- №3.- С.25-32.

7. Матрусевич А.К. и др. Условия кристаллизации как один из факторов, влияющих на результат тезиокристаллографического теста // Сб.

работ 68 науч. сессии КГМУ и отдел.медико-биол. наук Центрально-Черноземного НЦ РАМН. – Курск: КГМ 2002. – Ч.1. – С. 43.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО

ПОВЕДЕНИЯ ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ИЗИНГОВСКИХ СИСТЕМ

Омский государственный университет им. Ф.М.Достоевского Критическое поведение модели Изинга принято рассматривать в бесконечных системах, предполагая, что реальные системы достаточно велики, чтобы характеризоваться близкими значениями критических индексов. Однако плоская свободная поверхность может вносить существенные поправки в режим критического поведения. В частности наблюдается явление поверхностного магнетизма, при котором упорядочение спинов на поверхности происходит при температуре, отличной от объемного упорядочения [1, 2, 3, 4].

H=JBB SiSj+ JSS SiSj.

Здесь Si - значения спина в соответствующем узле (+1/2 или -1/2). Все суммирования производятся только по ближайшим соседям. В первом слагаемом суммирование производится по всем спинам, кроме находящихся на поверхности, во втором - только по спинам на поверхности. Величина обменного взаимодействия, описывающего поверхностные спины отличается от объемного обменного интеграла в силу особых условий, в которых находится слой свободной поверхности.

Как хорошо известно, обменный интеграл экспоненциально убывает с расстоянием и считается постоянным в силу малого изменения расстояния между узлами решетки. В случае поверхностных спинов расстояние между ними может отличаться от расстояний между спинами внутри системы, что приводит к другому значению обменных интегралов. Величина отношения поверхностных обменных интегралов к объемным зависит как от состава вещества, так и внешних условий. Для удобства введено отношение обменных интегралов R = JS=JB.

Исследование системы осуществлялось методом Монте-Карло с помощью алгоритма Метрополиса. Изучались трехмерные системы с кубической решеткой линейных размеров L*L*L. Для наблюдения за поведением теплоемкости и восприимчивости в зависимости от температуры были использованы флуктуационные соотношения [5]:

C = (NK2)( -2), = (NK)( -2), На стыке наук. Физико-химическая серия. где K = |JB|/kBT, N = L3 – число узлов, U – внутренняя энергия, m – намагниченность системы, угловые скобки означают термодинамическое усреднение.

Критическая температура перехода определялась с помощью кумулянтов Биндера четвертого порядка [6]:

В рамках компьютерного эксперимента были исследованы системы с линейными размерами от L=8 до L=40 с шагом 8. Компьютерный эксперимент показал, что при отношении обменных интегралов JS/JB99,7 %) с использованием современных методов их синтеза и очистки от технологических примесей. Спектральное разрешение при регистрации спектров паров ВВ составляло 1,0 см-1, а для ВВ в таблетках KBr – 3,0 см-1.

Поиск равновесных геометрических конфигураций молекул ВВ c последующим расчетом частот колебаний в гармоническом приближении проводили в приближении метода теории функционала плотности с использованием трехпараметрического гибридного корреляционно-согласованного базиса Даннинга (cc-pvDz). Для расчетов На стыке наук. Физико-химическая серия. использовали квантово-химический пакет ORCA. Построение геометрических структур и отнесение частот колебаний проводили с помощью программы Chemcraft 1.6.

Структуры молекул ТНТ, гексогена и тэна, полученные путем квантово-химических расчетов, представлены на Рис.1.

В качестве примера на Рис.2 приведены экспериментальный (Т= К), а также теоретические спектры паров ТНТ, полученные в настоящей работе и авторами [2]. Значения теоретических (теор) и экспериментально наблюдаемых ( эксп ) колебательных частот для молекул ТНТ, гексогена и тэна, а также их отнесение приведены в Табл.1-3. Отнесение частот в спектрах ТНТ, гексогена и тэна, в целом согласуется с отнесением авторов [2-4]. В то же время отнесение, выполненное в данной работе, учитывает практически все типы колебаний молекул ТНТ, гексогена и тэна, попадающих в диапазон 3500-500 см-1.

Из данных Табл.1 и Рис.2 видно, что наиболее интенсивные полосы ИК поглощения паров ТНТ с частотами вблизи 1350 и 1530 см - 1, относятся к валентным колебаниям группы NO2. Полосы в области 3 и 9-12 мкм, обладающие заметно меньшей интенсивностью, характеризуют различные колебания С-Н связей и кольца, включая целый набор изгибных, маятниковых и др. колебаний, характерных для органических соединений.

Вид ИК спектров паров гексогена (Т=370 К) и тэна (Т=340 К) в диапазоне 3500-500 см-1 представлены на Рис.3. Из данных Табл.2,3 и Рис.3 видно, что в отличие от ИК спектров твердой фазы, спектры паров гексогена и тэна имеют ряд характерных особенностей. Так, полосы валентных колебаний связей С-Н молекул гексогена в области 2800- см -1 сравнимы по интенсивности с полосами вблизи 1270 и 1600 см - валентных колебаний NO2. Кроме того, присутствуют полосы в области 1700-1800 см -1, а также группа полос в диапазоне 2200-2400 см -1, интенсивность которых более чем в два раза превышает соответствующую величину для наиболее сильных полос NO2.

В спектре тэна наибольшей интенсивностью обладают полосы с частотами 1370 и 1740 см -1, хотя наиболее интенсивные полосы, отнесенные к валентным колебаниям NO 2, расположены в спектре твердого тэна вблизи 1280 и 1620 см -1. В спектре парообразного тэна указанные колебания наблюдаются в виде относительно слабых полос 1274,7 и 1634,4 см-1. Группа полос в диапазонах 1700-1800 и 2200- см -1 в ИК спектре паров гексогена наблюдались также в работе [5], однако их присутствие в спектре авторами практически не было На стыке наук. Физико-химическая серия. прокомментировано. Однако геометрическая структура [6], результаты наших теоретических расчетов и расчетов [3], данные по колебательным спектрам твердого гексогена [7,8] свидетельствуют о том, что в этой молекуле отсутствуют колебания, к которым можно отнести перечисленные полосы поглощения.

Таблица 1. Теоретические (теор, см-1) и экспериментальные (эксп, см-1) частоты и их отнесение для молекул ТНT в газовой и твердых фазах теор эксп (тв) эксп (газ) Отнесение Примечания. Применяются следующие обозначения: – валентное, – деформационное, w – изгибное, – маятниковое, q – ножничное, s – симметричное, as – антисимметричное колебания.

Таблица 2. Теоретические (теор, см-1) и экспериментальные (экспб см-1) частоты и их отнесение для молекул гексогена в твердой и газовой фазах На стыке наук. Физико-химическая серия. Примечания. См. примечание к Табл.1; акс - аксиальная, экв – экваториальная мода.

Таблица 3. Теоретические (теор, см-1) и экспериментальные (эксп, см-1) частоты и их отнесение для молекул тэна в твердой и газовой фазах теор эксп (тв) эксп (газ) Отнесение На стыке наук. Физико-химическая серия. Примечание. См примечания к Табл.1; r – крутильное, u – зонтичное колебания По литературным данным [9] термическое разложение гексогена и тэна, которое начинается с отщепления NO 2, быстро приводит к стабильным продуктам превращения: N 2 O и CH 2 O. Хотя скорость термического разложения этих ВВ при Т=370 и 340 К невелика, из-за значительного времени прогрева в процессе регистрации ИК спектров количество образовавшихся продуктов может быть сравнимо с содержанием гексогена и тэна в паровой фазе. Для выяснения этого вопроса были специально записаны ИК спектры N2O и CH2O, а также ацетона, который может присутствовать в качестве примеси, оставшейся при дополнительной очистке ВВ путем перекристаллизации.

В спектре паров ацетона наибольшей интенсивностью обладает полоса вблизи 1730 см-1, отвечающая колебанию карбонильной группы.

Достаточно интенсивные полосы в области 1200-1400 см-1 относятся к деформационным колебаниям СН3 – группы и могут обладать большей интенсивностью, нежели полосы валентных колебаний в диапазоне 2800-3200 см-1. В спектре N2O наибольшую интенсивность имеет полоса =2240 см-1, а спектре CH2O наибольшую интенсивность имеют валентные колебания СН 2, а также колебание связи С=О, характеризующиеся полосами в области 2800-3100 и 1710-1770 см-1, соответственно.

Сравнительный анализ параметров полос в ИК спектрах паров ВВ, ацетона, N2O, CH2O позволил сделать вывод, что в парах гексогена при Т=370 К в заметных количествах присутствуют продукты его разложения: оксиды азота и формальдегид. В ИК спектрах паров тэна при Т=345 К, что заметно ниже температуры его интенсивного термического разложения, по-видимому, наблюдаются, в основном, продукты его распада – формальдегид. Что касается ацетона, то он может находиться в капсулированном виде и выделяться при частичной деградации кристаллической структуры гексогена и тэна при На стыке наук. Физико-химическая серия. повышенных температурах.

Проведенный цикл исследований показал, что в ИК спектрах газовой фазы гексогена и тэна присутствуют интенсивные полосы продуктов их разложения, в первую очередь формальдегид и оксиды азота.

Проведенные дополнительные исследования методами терагерцовой спектроскопии и масс - спектрометрии подтвердили результаты ИК Фурье - анализа.

Наличие заметного количества продуктов распада при сравнительно невысоких температурах в совокупности с низкой упругостью насыщенных паров гексогена и тэна и пластичных ВВ на их основе при Т=293 К [1,5] могут заметно усложнить задачи их обнаружения и идентификации в атмосфере. Учет указанных факторов позволит успешно решать задачи по обнаружению паров различных ВВ ИК абсорбционными, в т.ч. лазерными методами диагностики в реальном времени.

Рис. 1. Структуры ТНТ, гексогена и тэна, рассчитанные на основе теории функционала На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 2. Экспериментальный (Т=358 К) и теоретические спектры паров На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 3. ИК спектры паров гексогена (Т=370 К) и тэна (Т=340 К) в Литература 1. Карапузиков А.И., Набиев Ш.Ш. и др. // Оптика атмосферы и океана.

2010. Т.23. №10. С.894-904.

2. Alzate L.F., Ramos C.M., et al. // Proc. SPIE. 2004. Vol.5415. Р.1367-1376.

3. Gruzdkov Y.A., Gupta Y.M. // J. Phys. Chem. A. 2001. Vol.105. №25.

Р.6197-6202.

4. Banas A., Banas K., et al. // Vibrational Spectroscopy. 2009. Vol.51. №2.

Р.168-176.

5. Janni J.A., Gilbert B.D., et al. // Spectrochim. Acta. Part A. 1997. Vol.53.

№9. Р.1375-1381.

6. Millar D.I.A. In: Energetic Materials at Extreme Conditions. Berlin:

Springer. 2012. P.55-93.

7. Infante-Castillo R.,Pacheco-Londoo L, et al. // Spectrochim. Acta. Part A.

На стыке наук. Физико-химическая серия. 2010. Vol.76. Р.137-141.

8. Akhavan J. // Spectrochim. Acta. Part A. 1991. Vol.47. №9-10. P.1247-1250.

9. Манелис Г.Б., Назин Г.М., Рубцов Ю.И., Струнин В.А. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. М.: Наука. 1996.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО СКРИНИНГА

ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИГАНДОВ В БЕЛКАХ С

НЕУСТАНОВЛЕННОЙ ФУНКЦИЕЙ.

Горбачева М.А.1,2, Шумилин И.А.3, Бойко К.М.1, Учреждение РАН Институт биохимии им. А.Н. Баха, Москва Виргинский университет, г. Шарлоттсвилл, Виргиния, США В настоящее время возможности в области секвенирования геномов привели к быстрому накоплению большого количества данных о первичных последовательностях белков, функциональная роль которых остаётся неизвестной. В связи с чем, в международном банке данных RCSB (www.rcsb.org) находится большой массив пространственных структур белков, функция которых остается невыясненной.

Предлагаемый нами подход по определению белковой функции базируется на постулате, согласно которому определение химической природы низкомолекулярного лиганда, способного селективно связываться с молекулой белка, существенно приближает нас к пониманию функции этого белка. Аналогичный подход широко используется в фармацевтической промышленности при скрининге лекарственных средств и поиске биологических мишеней. Подход основан на инкубации белковых кристаллов в коктейлях (растворах), содержащих низкомолекулярные соединения, представляющие собой основные клеточные метаболиты и их структурные элементы с последующим определением соединения или соединений, связавшихся с белком-мишенью с помощью рентгеноструктурного анализа инкубированных кристаллов. Основным преимуществом данного метода является возможность поиска лигандов со средней и низкой константой связывания, что недоступно стандартным методам поиска, в связи с чем разработанный метод может найти применение в исследованиях, направленных на создание новых модуляторов (ингибиторов или активатор) белков, имеющих фармакологический или биотехнологический потенциал.

К настоящему моменту в рамках проекта получены следующие результаты. В Бактериальной системе Escherichia coli была получена продукция четырех белков из экстремофильных бактерий:

На стыке наук. Физико-химическая серия. монооксигеназы Dr_2100 из Deinococcus radiodurans, гипотетической нуклеотидилтрансферазы Tm_1012 из Thermotoga maritimа и гипотетического белка из Salmonella typhimurium LT2 Stm4435, а также белка-шаперона из Homo sapiens DJ-1. Подобраны условия выделения и очистки рекомбинантных белков, позволяющие получать белковые препараты со степенью чистоты, достаточной для проведения кристаллизации. Проведен первичный скрининг условий кристаллизации; подобраны условия кристаллизации, обеспечивающие стабильный рост кристаллов, пригодных для РСА. Проведены предварительные рентгеноструктурные эксперименты с целью проверки качества кристаллов. Показано, что разрешение полученных структурных данных составляет от 1.2 до 2.4. Для проведения кристаллографического скрининга разработаны и приготовлены смеси основных клеточных метаболитов и их структурных элементов (коктейли) для последующей инкубации с полученными кристаллами. Также проведен подбор условий инкубации (настаивания) кристаллов в приготовленных коктейлях.

Таким образом, нами получены кристаллы нативной формы всех исследуемых белков в количествах, достаточных для проведения параллельной инкубации в трёх повторах со всеми приготовленными коктейлями метаболитов (т.е. не менее 20-30-ти кристаллов для каждого отобранного белка). В дальнейшем планируется проведение поиска и идентификация связанных с белками лигандов, на основании чего будут предположены функции исследуемых белков.

Данный проект выполняется при поддержке гранта РФФИ № 12-04-31450.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ЗЕРНОГРАНИЧНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД СМАЧИВАНИЯ

ВТОРОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

Горнакова А.С., Семенов В.Н., Страумал Б.Б.

Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Россия Титановые сплавы широко используются в современном авиастроении, машиностроении и в медицинских целях. Их поведение при термомеханической обработке и последующее изменение свойств во время эксплуатации (коррозия, охрупчивание) зависят от морфологии и взаимного расположения фаз a-Ti и b-Ti. Поэтому для достижения оптимальной эффективности материалов на основе титана необходимо знать соответствующие фазовые диаграммы и особенности фазовых превращений. Это относится как к объемным диаграммам и превращениям, так и к зернограничным превращениям. Особенно важны превращения, которые происходят в титановых сплавах при интенсивной пластической деформации. Недавно были впервые обнаружены зернограничные фазовые превращения смачивания второй твердой фазой (в системах Zn–Al, Fe–C, Co–Cu, Zr–Nb). Предварительные эксперименты и анализ существующей литературы показывают, что такие превращения происходят и в сплавах на основе титана.

Цель данной работы было исследовать микроструктуры поликристаллических сплавов Ti–V, Ti–Cr и Ti–Fe в температурном интервале от 600 до 880°С (в вакууме). Была исследована микроструктура и определена температура начала и конца зернограничного фазового перехода «смачивания» твердой фазой в двухфазной области -Ti + -Ti выше температуры монотектоидного превращения на объемных фазовых диаграммах. Результаты микроструктурных исследований показали, что очень сильное влияние на зернограничный фазовый переход смачивания оказывает второй компонент и его концентрация. В частности, наблюдается как монотонное (в сплавах с железом), так и немонотонное (например, в сплавах с хромом) изменение доли полностью смоченных границ зерен с температурой.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-03-00894).

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ИЗУЧЕНИЕ АДДИТИВНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ НОРБОРНЕНА С

УЧАСТИЕМ ПАРАМАГНИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ Ni (I) И Ni (III)

ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный университет" Одним из современных направлений в области аддитивной полимеризации циклоолефинов является получение высокочистых полимеров циклических олефинов для нужд оптоэлектроники, машиностроения и медицины [1-3]. Для осуществления аддитивной полимеризации норборнена находят все большее распространение каталитические системы на основе комплексов никеля в сочетании с кислотами Льюиса. На практике необходимо получать полинорборнен чистым и с определенными заданными свойствами, что диктует использование каталитических систем “безлигандного” типа.

Нам удалось получить первую каталитическую систему, не требующую введения избытка кислоты Льюиса. В данной работе показано, что в системе Ni(COD)2/BF3OEt2 протекает полимеризация норборнена, при этом фактическая активность системы составляет 1930(kgNB/molNih). Впервые показано, что полимеризация норборнена сопровождается формированием в системе металлоциклических комплексов трехвалентного никеля. Прекурсором катализатора выступают комплексы одновалентного никеля. Методом operando-IRFT спектроскопии проведено исследование изменения активности каталитической системы во времени (рис. 1) Ранее подобные результаты не были описаны в литературе, по причине сложности анализа содержания остаточного норборнена в системе в начальный момент реакции.

Процесс формирования и фунцкионирования катализатора в системе Ni(COD)2/2BF3OEt3/NB был изучен методом ЭПР-спектроскопии (рис. 2) При введении в систему норборнена (NB:Ni = 50) интенсивность сигнала 3 быстро падает и появляется новый интенсивный сигнал 5, в котором хорошо разрешается СТС от одного ядра со спином. Сигнал ЭПР c, содержащий дублет, характеризуется следующими параметрами:

g,779,1 = g = 2,65, A621 = G, A=51G. В изучаемой системе присутствует только два типа ядер со спином 1/2, это ядра 1 H и 19 F.

Анализируя СТС можно утверждать, что она относится к ядру 19F, так На стыке наук. Физико-химическая серия. как ее значение на порядок превышает известные константы СТС от 1H для гидридных комплексов Ni(I) и практически совпадает с константой СТС от ядер 19 F для металлоциклического комплекса Ni(III), что указывает на возможность металлоциклического механизма аддитивной полимеризации норборнена с участием комплексов Ni(I) и Ni(III), формируются в системе Ni(COD)2/BF3·OEt2.

Полученные полинорборнены растворимы в толуоле, циклогексане и хлорбензоле, в отличие от полинорборненов, получаемых на палладиевых катализаторах. По эффективности данная система превосходит описанные на сегодняшний день в литературе никелькомплексные катализаторы полимеризации норборнена.

Рис. 1. Массив колебательных спектров наиболее характеристичного участка ИК диапазона, полученный методом operando-IRFT На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 2. Спектральная картина ЭПР, наблюдаемая в системе Ni(COD)2/2BF3OEt3/NB непосредственно при формировании и Литература 1. К.Л. Маковецкий, ВМС, Б 1999, 41, 1525-1543.

2. C.Janiak, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2001, 166, 193-209.

3. F. Blank, Coord. Chem. Rev 2009, 253, 827-861.

4. V.V. Saraev, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2010, 315, 231–238.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

КЕРАМИКИ ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА

Воронежский государственный университет Среди многообразных составов керамических сегнетоэлектриков цирконат-титанат свинца (ЦТС) является одним из наиболее активно исследуемых материалов. Это связано с тем, что в широком интервале температур ЦТС демонстрирует высокие значения остаточной поляризации, хорошие пиро- и пьезоэлектрические свойства. При этом следует учитывать, что для многих рассматриваемых сегодня вариантов практического использования, наибольший интерес представляют именно поликристаллические (керамические) сегнетоэлектрики, которые предполагают большие, чем монокристалл, возможности получения множества композиционных модификаций и значительно легче синтезируются. Изменяя состав керамики и размеры зерен, можно сформировать ряд свойств, необходимых для конкретного практического применения. В то же время, воздействие лазерного излучения на сегнетокерамику позволяет локально влиять на свойства материала, что особенно важно для современных технологий микро- и наноэлектроники.

В настоящей работе выполнены исследования микроструктурных характеристик и электрических свойств твердого раствора (Pb0,94Sr0.06)(Zr0. Ti0.47)O3, синтезированного по стандартной керамической технологии [1].

Образцы подвергали воздействию лазерного импульса с энергией 17, кДж. В работе использовался лазер ГОС-301 с длиной волны 1,06 мкм.

При этом плотность мощности излучения определялась по формуле [2] P = QF2/(tR2(F-L)2), где Q - энергия импульса, t - время импульса,F - фокусное расстояние линзы, R – радиус линзы,L - расстояние между линзой и мишенью. В нашем случае t = 0,8 мс, F = 1 м, R = 0,03 м, L = 0,67 м, Q = 250 Дж, что приводит к значению Р = 4.1105 Вт/см2.

Исследования диэлектрических свойств образцов в виде таблеток диаметром 12 мм и толщиной около 2 мм проводились с помощью прибора Tesla BM-507 методом импедансной спектроскопии. Электроды получали втиранием эвтектики InGa в поверхность образца до получения На стыке наук. Физико-химическая серия. равномерного тонкого слоя. Затем на обе стороны накладывались полированные металлические пластинки. Перед воздействием лазерного луча электроды удалялись, а после – наносились снова. Температура измерялась термопарой и определялась с помощью потенциометра постоянного тока ПП–63 с точностью до 1°С. Непосредственно на заданной частоте измерялся модуль импеданса и угол сдвига фаз между током и напряжением на образце. Импеданс соединительных проводов был незначителен по сравнению с импедансом образца.

На рис. 1 показаны два участка поверхности образца: светлая полоса в левой части рисунка соответствует необлученной области, остальная часть рисунка относится к области, подверженной облучению.

Последняя область содержит участки оплавления в виде лунок размерами от одного до четырех мкм. Данная картина есть следствие следующих процессов: поглощения световой энергии с переходом ее в тепловую, резкого нагревания объема образца при наличие градиента температуры, испарения части поверхностных атомов, последующего быстрого остывания. В результате происходит диффузионное перераспределение атомов, нарушение стехиометрии и появление неоднородности структуры. Наибольшие изменения происходят в приповерхностных слоях. Анализ элементного состава поверхности образцов, проведенный с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6380 LV, показал существенную перестройку структуры. Как видно из таблицы, в лунках процентное содержание свинца заметно уменьшилось, что можно объяснить его испарением. В то же время соседние области содержат избыток свинца. По-видимому, при нагреве свинец диффундирует к поверхности, а в областях повышенной температуры происходит его испарение.

На рис. 2 и 3 показаны результаты электрических измерений. Из рис.

2 видно, что объемные свойства образца после облучения изменяются:

точка Кюри (Т К = 330 °С), определяемая по максимуму зависимости действительной части диэлектрической проницаемости от температуры, немного смещается в сторону высоких температур, а значение самого максимума возрастает. В то же время на врезке к рисунку, где показана температурная зависимость обратной величины диэлектрической проницаемости, на исходном образце можно наблюдать три характерных прямолинейных участка с разным наклоном. Согласно [3], это может указывать на существование размытого фазового перехода при Т Литература 1. Джигадло М.И., Джигадло Е.Н. Использование эффекта Кирлиан в селекции плодовых растений (метод. рек.). – Орёл : ВНИИСПК, 2010. – 2. Кирлиан В.Х., Кирлиан С.Д. В мире чудесных разрядов. – М.: Знание, 1964. - 40 с.

3. Коротков К.Г., Виллиамс Б., Виснески Л.А. Биофизические механизмы метода ГРВ биоэлектрографии // Изв. вузов. Приборостроение. – 2006.

– Т. 49, № 2. – С. 16-18.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ХОЛЕСТЕРИНОВЫЕ ЭФИРЫ КАРБОРАНКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В

КАЧЕСТВЕ АГЕНТОВ БОР-НЕЙТРОНОЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ

ОПУХОЛЕВЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ – СИНТЕЗ И

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Дикусар Е.А., Поткин В.И., Пушкарчук А.Л., Зеленковский В.М., Рудаков Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси, Институт ядерных проблем при БГУ, Беларусь В мировую практику клинической онкологии внедряются новые современные технологии лечения опухолевых заболеваний – монарная (радиологическое уничтожение новообразований с помощью радионуклидов) [1]; бинарная (или нейтрон-захватная): эта технология разработана для избирательного воздействия на злокачественные новообразования и используюет тропные к опухолям препараты, содержащие нуклиды (B10, Cd113, Gd157 и др.), которые, поглощая тепловые нейтроны, способны генерировать вторичное -излучение, губительное для целевых опухолевых клеток-мишеней и достаточно безопасное для нормальных, здоровых органов и тканей [2, 3]; и триадная – последовательное введение в организм комбинации из двух и более, по отдельности неактивных компонентов, тропных к опухолевым тканям и способным в них селективно накапливаться, вступать друг с другом в химическое взаимодействие и уничтожать опухолевые новообразования под действием слабых сенсибилизирующих внешних излучений.

Актуальной задачей многих научных коллективов, работающих в области фармокинетики и радиологии, является разработка новых высокоэффективных агентов для бор-нейтронозахватной диагностики и терапии онкологических заболеваний. Введение в состав молекул такого рода соединений структурных фрагментов природного происхождения, полученных на основе терпеновых спиртов, стеринов, растительных фенолов и оксимов природных карбонильных соединений, является удобным и перспективным методом современной фармацевтической химии. Синтез подобных соединений, например, холестериновых эфиров o-, м- и п-карборан-С-карбоновых кислот, обогащенных изотопом В10, является достаточно трудоемкой и дорогостоящей процедурой. С целью оценки устойчивости изомерных холестериновых эфиров o-, м- и п На стыке наук. Физико-химическая серия. -карборан-С-карбоновых кислот, изучения их электронной структуры и строения, были проведены неэмпирические квантово-химические расчеты этих соединений с использованием метода DFT с применением уровня теории B3LYP1/6-31++(d, p) по программе GAMESS. В результате было установлено, что наиболее перспективным соединением для создания агентов для бор-нейтронозахватной диагностики и терапии онкологических заболеваний, является холестериновый эфир м -карборан-С-карбоновой кислоты.

Литература 1. Дикусар Е.А. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов : межвуз. сб. науч. тр. / под общей редакцией В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2012. – Вып. 4. – С. 80-84.

2. Boron and Gadolinium Neutron Capture Therapy for Cancer Treatment / N.S. Hosmane, J.A. Maquire, Y. Zhu. – World Scientific Publishing Co. Pte.

Ltd., 2012. – 300 p.

3. Перспективы использования бинарных технологий в медицине / К.В.

Котенко [и др.] // Мед. радиобиол. и радиац. безопаст. – 2012. Т. 57, № 3. – С. 66-67.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ЖИДКОСТЬ –

ТВЕРДОЕ В БИНАРНЫХ СИСТЕМАХ

Есина З.Н., Корчуганова М.Р., Мурашкин В.В.

Кемеровский государственный университет Математическое моделирование фазового равновесия жидкость – твердое для бинарных смесей имеет значение для многих областей промышленности, таких как химическая, пищевая, фармацевтическая и др. Методы математического моделирования находят применение при решении задач выбора составов и расчете термодинамических параметров антифризов, теплоаккумуляторов, теплозащитных покрытий и др. Термин “прогнозирующие термодинамические модели” характеризует типы моделей, которые могут описывать фазовое равновесие при условии, что молекулярные структуры или физические свойства чистых компонентов смеси известны.

Избыточная свободная энергия Гиббса G E является разностью между свободной энергией Гиббса реальной и идеальной систем. Для идеальных систем, где отсутствует взаимодействие между молекулами, избыточная свободная энергия Гиббса равна нулю. Если происходит образование соединения чистых компонентов в растворе, то суммарная молярная масса i-го компонента Mi с учетом числа молекул данного вида i, входящих в соединение, может быть рассчитана по формуле: Mi = i M i. Среднее соотношение числа молекул в сольватах чистых компонентов = 1/2 будем называть коэффициентом сольватации.

В данной работе для построения математической модели применяется минимизация свободной энергии Гиббса по параметру сольватации [1, 2]. Модель PCEAS (Фазовые переходы в эвтектических и азеотропных системах) [3], в которой используется минимизация по параметру сольватации, может быть отнесена к прогнозирующей модели потому, что она не требует ввода данных о взаимодействии в растворе, а основана только на экспериментальных данных о температуре и энтальпии плавления чистых компонентов.

Избыточная свободная энергия Гиббса бинарной системы дается выражением:

где i – коэффициент активности компонентa, i = 1, 2; xi – мольная доля iНа стыке наук. Физико-химическая серия. го компонента.

Разность уравнений состояния бинарной системы для реальной и идеальной равновесных фаз можно представить в виде:

где HE – энтальпия смешения; VE – избыточный объем;

Растворимость компонента, образующего однокомпонентную фазу в многофазной, многокомпонентной смеси конденсированных сред при постоянном давлении, описывается уравнением:

где Hi – парциальная молярная теплота растворения i-го компонента в насыщенном им растворе.

Теплота перехода компонента, образующего твердую фазу, в жидкое состояние H i складывается из теплоты плавления H i п л и дифференциальной теплоты разбавления компонента H i р а з б до концентрации, соответствующей насыщенному раствору [4]. Теплота разбавления зависит от характера взаимодействия компонентов в растворе и может быть как положительной, так и отрицательной.

Для идеальных систем ( i = 1 и H i = H i п л ) растворимость подчиняется уравнению:

Теплота плавления Hiпл зависит от температуры:

Hiпл = Hi0 + (ciж – сiт)(T – Ti0), где Hi0 – теплота плавления чистого i-го компонента при температуре Ti0;

c i ж – с i т – разность молярных теплоемкостей i-го компонента при постоянном давлении в жидком и твердом состоянии при постоянном давлении.

С учетом изменения молярной массы эффективные мольные доли компонентов бинарной смеси вычисляются по формуле [4]: z1 = x1 /(x1 + x 2 ), z 2 = x 2 /(x 1 / + x 2 ). Отличие коэффициента от единицы свидетельствует о наличии отклонения от идеальности в бинарной системе и необходимости перехода к эффективным мольным долям. Для реальных систем, в которых возможно образование молекулярных соединений, называемых сольватами, необходимо в уравнении (1) сделать переход к эффективным мольным долям:

где Hi = Hiпл+ Hi разб = Hi0 +(ciж – сiт)(T – Ti0) + Hi разб.

В том случае, если теплоемкости в жидком и твердом фазовом состоянии различаются незначительно и диапазон температур плавления невелик, пренебрегая теплотой разбавления, парциальные коэффициенты активности можно представить в виде:

На стыке наук. Физико-химическая серия. ln i = Hi0 (1 – Ti0/T)/(RT i0) – ln zi + ln Fi ( zi ), где Fi ( zi ) – произвольные функции от состава.

При постоянном давлении и малом интервале температур плавления избыточную энергию Гиббса как функцию от эффективной мольной доли компонента находим из уравнения:

выбирается из условия термодинамической согласованности модели по методу Херингтона и Редлиха – Кистера [4]:

Согласно этому условию, площади, ограниченные кривой lg 1/2 и осями координат должны быть равны. Минимизация избыточной энергии (2) по внутреннему параметру приводит к уравнению Бернулли:

где f1( z1 ) = /( H10/R – z1), f2 ( z1 ) = – (+ ln (1 – z1)/ z1)/(H10/R – z1), = (H10 – H20)/R, = H20/RT20 – H10/RT10.

Решение уравнения (3) имеет вид:

T( z1 ) = (H10 z1+ H20(1 – z1))/( H10 z1/T10+ H20(1 – z1) T20 – где T – температура раствора; H i 0 – энтальпия плавления; T i 0 – температура плавления компонента, образующего однокомпонентную фазу, i = 1, 2.

Таким образом, минимизация избыточной энергии Гиббса GE по параметру сольватации позволяет найти уравнение, моделирующее T-z диаграмму фазового равновесия при постоянном давлении.

Из условия экстремума функции (4) получено алгебраическое уравнение:

ln ((1 – z1) H10/R /( z1 ) H20/R ) = H10 H20(1/ T10 – 1/ T20)R2.

Решение уравнения имеет вид:

z1Э= (3+H10/H20)/(3 – H10/H20) ± ± ((3+H10/H20)2/(3– H10/H20)2+ + ((2 H10/R (1/ T10 – 1/ T20)-11/3)/(3 – H10/H20))1/2.

Мольная доля компонента в растворе не превышает единицы, поэтому выбираем решение z, принадлежащий отрезку (0,1). Подставляя z 1 = z 1 Э в функцию (4), можно найти температуру плавления в эвтектической точке. В общем случае, если известна парциальная молярная теплота растворения i-го компонента в насыщенном им На стыке наук. Физико-химическая серия. растворе Hi, то в уравнениях следует заменить энтальпию плавления чистого компонента H i 0 на H i. Из условия термодинамической согласованности построенной модели определяется коэффициент ассоциации k = k 1 /k 2, имеющий смысл отношения числа молекул компонента А, объединившихся в кластер до образования раствора или непосредственно в данном растворе, к числу молекул в кластере компонента В. В том случае, если функции ln 1s, ln 1s удовлетворяют условию термодинамической согласованности, представим их в виде ряда Редлиха – Кистера:

ln 1s = z22(B+C(3z1 – z2)), ln 2s = z12(B+C(3z1 – z2)), (5) или аппроксимируем их уравнениями Ван-Лаара:

ln 1s = A(Bz2/(Az1+Bz2))2, ln 2s = B(Az1/(Az1+Bz2))2.(6) По эвтектическим данным: z 1 Э, z 2 Э, ln 1 Э, ln 2 Э находим коэффициенты моделей Редлиха – Кистера и Ван-Лаара. Найдем зависимость состава раствора от температуры на ветвях ликвидуса:

ln v1 = H10/RT10(1– T10/T) – ln 1, ln v2 = H20/RT20(1– T20/T) – ln 2, где 1 – мольная доля 1-го компонента раствора на левой ветви кривой ликвидуса; v2 – мольная доля 2-го компонента раствора на правой ветви кривой ликвидуса; ln 1, ln 2 – логарифмы коэффициентов активности по модели Редлиха – Кистера, рассчитанные по формулам (5) или (6).

Используя полученные выражения (5)-(6) для логарифмов коэффициентов активности, находим функции, аппроксимирующие кривые ликвидуса. На рис. (1 – 4) приведены результаты расчетов кривых ликвидуса разных бинарных систем при P = 101,3 кПа. В таблице приведены расчетные эвтектические параметры в бинарных системах, содержащих спирт.

В заключение отметим, что предлагаемая математическая модель может использоваться для построения кривых ликвидуса бинарных систем жидкость – твердое, при прогнозировании составов и температур плавления эвтектик бинарных систем, а также для уточнения формул возможных молекулярных соединений в изучаемой системе. Модель PCEAS также может применяться для описания равновесия жидкость – пар [8]. Преимуществом описываемого метода моделирования фазового равновесия является использование малого числа параметров, необходимых для расчета; для идеальных систем – это температура и энтальпия фазового перехода.

Таблица 1. Эвтектические параметры бинарных систем при Р=101, кПа На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 1. Kривые ликвидуса в системе этанол – гексан при P = 101,3 кПа, На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 2. Kривые ликвидуса в системе октанол-октан при P = 101,3 кПа, Рис. 3. Kривые ликвидуса в системе тридекан-циклогексан при P = Рис. 4. Kривые ликвидуса в системе и гексадекан-циклогексан при P = 101,3 кПа, расчет по На стыке наук. Физико-химическая серия. Литература 1. Есина З. Н. Математическое моделирование фазового перехода жидкость – твердое / З. Н. Есина, М. Р. Корчуганова, В. В. Мурашкин // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. – 2011. – №3 (16). – С. 13 23.

2. Есина З. Н. Математическое моделирование фазовых переходов в реальных растворах: монография / Кемеровский государственный университет. Кемерово, 2011. 228 с.

3. Есина З. Н., Мурашкин В. В., Корчуганова М. Р. «Phase Chart Eutectic and Azeotropic System (PCEAS)»: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012618394 (RU) - № 2012616324;

заявл. 25.07.2012; Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ, г.

Москва, 17 сентября 2012 г.

4. Коган В. Б. Гетерогенные равновесия / В. Б. Коган. – Л.: Химия, 1968. – 5. Yang M. Solid–liquid phase equilibria in binary (1-octanol + n-alkane) mixtures under high-pressure. Part 2. (1-Octanol + n-octane, n-dodecane) systems / M. Yang, T. Narita, Y. Tanaka, T. Sotani, S. Matsuo // Fluid Phase Equilibria. – 2003. – № 204 – P. 55–64.

6. Yang M., Solid–liquid phase equilibria in binary (1-octanol + n-alkane)mixtures under high pressure Part 1. (1-Octanol + n-tetradecane or n-hexadecane) / M. Yang, E. Terakawa, Y. Tanaka, T. Sotani, S. Matsuo // Fluid Phase Equilibria. – 2002. – № 194–197. – P. 1119–1129.

7. Domanska U. Solid + liquid equilibria of (n-alkane + cyclohexane) mixtures at high pressures / U. Domanska, P. Morawski // Fluid Phase Equilibria. – 2004. – № 218. P. 57–68.

8. Мурашкин В. В. Моделирование равновесия жидкость твердое и жидкость пар в бинарных системах при постоянном давлении. / В. В.

Мурашкин, З. Н. Есина, М. Р. Корчуганова // Ресурсосбережение в химической технологии. Сборник трудов международной конференции. – СПбГТИ (ТУ), 2012. – 134 с. – С. 72 – 74.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ОСНОВ В

ПРОЦЕССЕ ГИДРИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

ДГП «Центр физико-химических методов исследования и анализа»

Для получения экологически чистых основ в процессе гидрирования растительных масел необходима замена никелевого катализатора на безопасный и эффективный аналог.

Альтернативу могут составить низкопроцентные нанесенные палладиевые катализаторы, которые уменьшают вероятность попадания палладия в пищевой продукт, снижают содержание вредных транс -изомерных жиров, также может использоваться безфильтрационная технология отделения катализатора от продукта. При этом процесс гидрирования проводят при более низких температурах, тем самым снижаются энергозатраты.

С целью достижения необходимых физико-химических свойств и соответствия разрабатываемого катализатора экологическим нормам, исследуемый природный диатомит был подвергнут химической и термической обработке. Методами ЭДС, ТГА, тепловой адсорбции азота, ртутной порометрии, РФА и СЭМ изучены химический состав, удельная поверхность, объем, размеры и распределение пор по размерам, фазовый состав и морфология исходного и модифицированного диатомита.

Рассмотрим зависимость на примере следующих образцов: исходный диатомит, высушенный при 110С (Дисх.), диатомит, обработанный при 500С (Д500), диатомит, обработанный при 500С и модифицированный соляной кислотой (Д500_HCl).

Определение химического состава образцов диатомита было проведено ЭДС INCA Energy-350.

Таблица 1. Химический состав исходного и обработанных термически и химически диатомитов Модифицирование диатомита соляной кислотой (0,5N) повышает На стыке наук. Физико-химическая серия. содержание SiO2 при некотором уменьшении содержания Al2O3, Fe2О3, Na О, CaО и MgО.

Текстурные свойства были исследованы с помощью прибора «АccuSorb» методом низкотемпературной адсорбции Таблица 2. Влияние кислотной и термообработки на свойства образцов диатомита По данным метода РФА в образце исходного диатомита присутствует фаза кварца -SiO2, рентгеноаморфная низкосимметричная фаза.

Обнаруживается следы слюды, а также возможно серпентина, которые практически исчезают при кислотной и термообработке.

На основании результатов в качестве носителя катализатора был выбран диатомит, обработанный соляной кислотой при 500С. Были приготовлены 0,2-1% нанесенные палладиевые катализаторы.

Активность приготовленных катализаторов испытана в процессе гидрирования различных растительных масел в интервале температур 110-150°С и давления водорода в пределах 0,5-1,0 МПа на кинетической установке высокого давления.

Главным показателем, характеризующим товарное качество пищевого саломаса, используемого в производстве маргариновой продукции, является его температура плавления. Низкоплавкие жиры лучше усваиваются организмом человека.

Таблица 3. Температура плавления и твердость по Каминскому гидрированных образцов рапсового масла на катализаторах Pricat-10 и 0,2% Pd/D при различных условиях гидрирования процесса, p/t На стыке наук. Физико-химическая серия. Палладиевый катализатор обеспечивает требуемую твердость, что связано с низким содержанием в составе саломаса линолевой кислоты и практическим отсутствием линоленовой кислоты, что говорит о высокой селективности палладиевого катализатора.

Разработанный нами палладиевый катализатор обладает следующими преимуществами:

Модифицирование диатомита приводит к существенному изменению содержания его основных компонентов, в том числе повышение содержания SiO2.

Установлено, что также модифицирование кислотой приводит к увеличению удельной поверхности диатомита.

Саломасы, полученные на палладиевом катализаторе, по основным характеристикам превосходят саломасы, полученные гидрированием на промышленно используемом никелевом катализаторе.

Таким образом, разработанный низкопроцентный палладиевый катализатор на основе диатомита характеризуется наибольшей селективностью и активностью, что позволяет рекомендовать его для промышленных испытаний в процессе гидрирования растительных масел.

На стыке наук. Физико-химическая серия.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АЛЛОТРОПНЫХ ФОРМ УГЛЕРОДА

Центральный Институт Авиационного Моторостроения (ЦИАМ) Впечатляющие успехи последних лет в области нанотехнологий и методов сканирующей зондовой микроскопии позволили исследовать свойства и выполнить визуализацию многих молекулярных соединений, вплоть до определения формы отдельных атомов и молекул. Регистрация близкой к шарообразной формы отдельных атомов наглядно подтвердила существование ван-дер-ваальсовых сфер, приближенно определяющих атомарные размеры [1] и широко используемых в кристаллохимии [2].

Указанные сферы являются внешними границами атомов и с достаточной степенью обоснованности в ряде случаев полагают, что они отделяют «поляризованное» пространство, принадлежащее непосредственно атому и содержащее электронные оболочки, от внешнего пространства (и, в частности, от других атомов). Для моделирования «поляризованных» пространств около электрически заряженных «точечных» частиц (электронов, позитронов, протонов, ядер атомов и др.) используют как виртуальные подходы, например, виртуальное описание с помощью электрон-позитрон-фотонного облака [3], так и реальное описание, например, с помощью поляризованных частиц суббарионной материи [4]. Отметим, что существование суббарионной (темной) материи в доминирующем количестве 96 % от всего состава вещества в нашей Метагалактике является в настоящее время убедительно доказанным фактом [5, 6]. Ниже использовано реальное механическое описание ван-дер-ваальсовых сфер атомов при изучении атомарных и молекулярных структур и, в частности, при моделировании формы и свойств молекулярных соединений углерода.

Атомы углерода обладают повышенной способностью соединяться между собой, образуя различные аллотропные модификации.

Молекулярные связи, реализующиеся в аллотропных модификациях, традиционно описываются гибридизацией соответствующих орбиталей валентных электронов внешней оболочки атомов углерода (например, -гибридизация для алмаза и лонсдейлита, -гибридизация для графита и графена, -гибридизация для карбина). Однако выполнить оценку прочности молекулярных соединений на основе квантово-механического На стыке наук. Физико-химическая серия. подхода весьма затруднительно.

В настоящей статье с помощью единого механического подхода представлено описание молекулярных связей различных соединений углерода. В основе подхода лежит моделирование ван-дер-ваальсовых сфер атомов, как реальных поляризованных пространств [4]. Сначала демонстрируются механические модели отдельного атома углерода, его простых молекулярных соединений (оксида и диоксида углерода, предельных углеводородов), а затем подробно рассматриваются структуры алмаза, лонсдейлита, графита, графена, карбина, углеродных трубок и фуллеренов. Указанные механические модели используют эффективный метод СТационарных ЭЛектронов (СТЭЛ) [4] и позволяют наглядно иллюстрировать основные свойства и структуры аллотропных модификаций углерода, в том числе графена, углеродных трубок и фуллеренов [7]. Предложенные в работе модели также весьма удобны для оценки прочности молекулярных соединений.

Литература 1. Зефиров Ю.В., Зоркий П.М. Ван-дер-ваальсовы радиусы атомов в кристаллохимии и структурной 2. химии. // Успехи химии. Т. 58, вып. 5. – М., 1989. С. 713-746.

3. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. – М.: Наука, 1971.

4. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. – М.: Едиториал УРРС, 2005.

5. Иванов М.Я. О физических моделях ван-дер-ваальсовых сфер атомов и структуры молекул //Конверсия в машиностроении. № 2. –М., 2008. С.

35-41.

6. Dark Matter 2002. Nuclear Physics B. (Proc. Suppl.), 2003. N 124.

7. The Identification of Dark Matter. Ed. N.J.C. Spooner, V. Kudryavtsev.

World Scientific, 2001.