Сорбция ионов Н+ и ОН – на хлорофилле, влияние рН на устойчивость водных дисперсий хлорофилла

Полная исследовательская публикация ___ Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Силаева Д.С., Сенина А.С.,

Кошевенко А.С. и Назипова А.Р.

Размещено на http://www.allbest.ru/

130 _____________ http://butlerov.com/ _____________ ©--Butlerov Communications. 2013. Vol.34. No.5. P.124-130.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сорбция ионов Н⁺ и ОН ^- на хлорофилле, влияние рН на устойчивость водных дисперсий хлорофилла

В последние десятилетие стремительно развиваются исследования в области порфиринов и аналогичных молекул, о чем свидетельствует интерес проявляемый к природным порфиринам, а также к синтезу более сложных порфиринпроизводных [1, 2]. Порфиринсо-держащие объекты широко распространены в природе.

Прежде всего, это хлорофилл - зеленый пигмент растений, с помощью которого растения улавливают световую энергию и осуществляют фотосинтез. Впервые производные хлорофилла для медицинских целей были использованы Е. Шнайдером (США) в 1942 г. Со временем они стали применяться для профилактики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний, обменных, инфекционных заболеваний, атеросклероза и онкологических заболеваний.

Работа входит в цикл работ проводимых в рамках нашей научной группы и посвященной исследованию сорбции Н⁺ и ОН ^- - ионов на биологически значимых макромолекулах, влиянию простых электролитов и сложных органических веществ на устойчивость и коллоидные свойства их водных дисперсий [3-5], в том числе и порфиринов [6, 7].

Порфирины являются весьма своеобразными макроциклами, которые из-за своей много-контурной ароматической структуры, особенностей электронных спектров, способности образовывать сверхпрочные внутрикомплексные соединения практически со всеми металлами периодической системы и способности к сверхкоординации (экстракоординации) принципиально отличаются от макроциклов типа краун-эфиров, криптандов и тому подобных молекул с макрокольцом.

Изучение физико-химических свойств хлорофилла, его водных дисперсий способствуют развитию коллоидной химии биологически активных органических соединений и, в частности, порфиринов, расширяют область их практического применения.

По мнению Дарвина хлорофилл «одно из интереснейших веществ на земной поверхности», так как благодаря ему возможен синтез органических веществ из неорганических с использованием всего лишь воды, углекислого газа и солнечного света. Его можно встретить не только в приятной для глаза окружающей массе привычной зелени, но и у водорослей, даже мельчайших диатомовых и даже у бактерий - этих первых предвестников зарождающейся жизни.

Растениям этот зеленый пигмент необходим для осуществления процесса фотосинтеза, но для представителей животного мира - это великолепное лекарственное средство, благодаря тому, что структура его молекулы практически идентична структуре молекулы гемоглобина.

Единственное, что отличает эти два близнецовых вещества - центральные атомы металлов: в гемоглобине это, как известно, - железо, а хлорофилл несет в себе магний.

Благодаря такому строению, хлорофилл способен оказывать сходное с гемоглобином воздействие: повышать уровень кислорода, ускорять азотистый обмен, что благоприятствует быстрому восстановлению поврежденных тканей и полноценному питанию здоровых.

Новые лечебные свойства хлорофилла, как борца с инфекционными и даже раковыми заболеваниями. Стоматологи теперь считают, что найден самый эффективный препарат для санации полости рта и очищения дыхания.

Хлорофилл укрепляет клеточные мембраны, способствует формированию соединительных тканей, что помогает в заживлении эрозий, язв, открытых ран. Хлорофилл усиливает иммунную функцию организма, ускоряя фагоцитоз. Кроме этих удивительных качеств, хлорофилл способен предотвращать патологические изменения молекул ДНК.

Некоторые исследователи считают, что хлорофилл блокирует первый этап превращения здоровых клеток в раковые. Таким образом, он является еще и антимутагеном. В составе хлорофилла имеется витамин К, что делает его прекрасным средством для профилактики мочекаменной болезни, так как он сдерживает образование кристаллов оксалата кальция в моче.

Хлорофилл выводит из организма токсины, а также действует как слабое мочегонное средство. Он обладает дезодорирующим свойством, в частности удаляет неприятный запах изо рта. Помогает при анемических состояниях, регулирует кровяное давление, усиливает работу кишечника, снижает нервозность.

Хлорофилл необходим людям, по каким-либо причинам, получающим мало солнечного света, - офисным работникам и всем тем, кто безвыездно живет в крупных городах. Водорастворимый экстракт хлорофилла получен из люцерны и называется хлорофиллином. Кроме использования в качестве биологически активной добавки, жидкий хлорофилл может применяться для спринцевания при трихомонадном кольпите, а также для полоскания носоглотки при ЛОР-патологии.

однозарядный электролит сорбция ион

Одно из самых удивительных свойств хлорофилла - это антибактериальное действие, причем, не имеет значения идет ли речь о банальной простуде, остром синусите или хроническом воспалении, в том числе, хронической кожной язве или эрозии шейки матки. Всегда клиницисты отмечают определенные положи-тельные сдвиги. И это при полной безопасности использования хлорофилла как местно, так и во внутрь [8-10].

Хлорофилл обладает способностью к флуоресценции. Флуоресценция представляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10^-8-10^-9 с). Свет, испускаемый при флуоресценции, имеет всегдa большую длину волны по срaвнению с поглощенным. Это связано с тем, что чaсть поглощенной энергии выделяется в виде теплa. Хлорофилл обладaет красной флуоресценцией [11].

Целью нашей работы являлось изучение физико-химических свойств хлорофилла: сорбции Н⁺ и ОН^--ионов на хлорофилле в зависимости от состава водной фазы (концентрации КС1); изучение устойчивости водных дисперсий хлорофилла и исследование влияния электролитов на их коагуляцию.

В качестве объекта исследования использовался хлорофилл - фирмы Nature's Sunshine Products (NSP) и хлорофилл (спиртовой раствор хорофиллипта) - фирмы Артериум.

Все использованные в работе реактивы соответствовали марке ч.д.а. Все растворы готовились на бидистиллированной воде. Концентрированные растворы готовились по точной навеске, растворы HCl и KCl готовились из фиксаналов, разбавленные - методом последовательного разведения.

Исследования сорбции Н⁺ и ОН^--ионов на хлорофилле проводились методом непрерывного потенциометрического титрования [12]. В ячейку для потенциометрического титрования помещали 25 мл исследуемого раствора, 30 минут пропускали воздух, освобожденный от СО₂ и титровали раствором КOH (0.0129 моль/л) или НС1 (0.010 моль/л).

Титрант вводили порциями по 0.1 мл с помощью микробюретки с интервалом в 1 минуту. Растворы КOH готовили на дистиллированной воде, предварительно освобожденной от СО₂ воздуха кипячением в течение 30 минут. После каждой добавленной порции титранта измеряли значения рН раствора. Регистрация рН осуществляется на рН-метре - милливольтметре рН-673 с точностью измерения рН ±0.05 единиц рН.

По результатам потенциометрического титрования были построены зависимости рН исследуемого раствора от объема добавленного титранта (V, мл) для растворов без адсорбента и с адсорбентом. Расчет величины адсорбции проводился по следующему алгоритму. В кислой области преобладает адсорбция ионов водорода, а в щелочной области ионов ОН^-.

Значение рН точки пересечения кривых титрования с адсорбентом и без него соответствует условию равенства адсорбированных Н⁺ и ОН^--ионов - это называется рН точки нулевого заряда (рН_ТНЗ). Слева от рН_ТНЗ преобладает адсорбция ионов Н⁺ в результате чего поверхность заряжается положительно, а справа преобладает адсорбция ОН^- - поверхность хлорофилла заряжается отрицательно. Таким образом, методом потенциометрического титрования определяется разница между адсорбцией ионов Н⁺ и ОН^-.

Кривые титрования с адсорбентом и без сравнивают и рассчитывают разницу между количеством адсорбированных ионов Н⁺ - (ОН^-) отнесенное к единице массы или поверхности адсорбента:

(ОН^- - H⁺) = [1]

где (H⁺-ОН^-) - разница между количеством адсорбированных ионов Н⁺ и ОН ^- отнесенная к единице массы адсорбента, моль/г; С_титр - концентрация титранта КOH (HCl), моль/л;

V₁ - объем раствора титранта, пошедший на титрования раствора без адсорбента, мл;

V₂ - объем раствора титранта, пошедший на титрование раствора с адсорбентом, мл;

m - масса адсорбента, г.

Важно отметить, что:

(ОН^- - H⁺)= - (Н⁺ - ОН^-) [2]

Расчет - (Н+ - ОН-) производят для одинаковых значений рН раствора с адсорбентом и без, в нашей работе при значениях рН равных: 3.0; 3.5; 4.0; 4.5; 5.0. Через заданное значение рН проводят линию параллельную оси абсцисс и находят V₁ и V₂.

Погрешность измерения значений рН составила 0.05 единиц рН.

Изучение устойчивости водных дисперсий хлорофилла, определение порогов коагуляции в растворах хлоридов одно-, двух- и трехзарядных катионов проводилось спектрофотометрическим методом, на спектрофотометре КФК-4 при длине волны л = 315 нм. Для изучения устойчивости готовили 6 коллоидных растворов: 20 мл KCl 10^-1 моль/л + 6 мл дисперсии хлорофилла + HCl 10^-1 моль/л (10 мл, 2 мл, 1 мл, 0.22 мл, 2 капли, 0). Ионная сила I составила 10^-2 моль/л. Измерили оптическую плотность приготовленных дисперсий, предварительно диспергируя ультразвуком в течение 5 минут. Опыт неоднократно повторялся.

Определение изоэлектрической точки хлорофилла осуществлялось вискозиметрически [13, 14]. Относительную вязкость находили с помощью капиллярного вискозиметра Оствальда. Измерение вязкости проводили для серии дисперсий хлорофилла в зависимости от состава дисперсионной среды (ионной силы, значения рН). Для этого готовили по 6 проб, имеющих одинаковое содержание КС1 (1•10^-2 или 1•10^-3) моль/л и хлорофилла, но различное содержание НС1. Для расчета относительной вязкости (з) измеряли времена истечения дисперсии хлорофилла (t₂) и дистиллированной воды (t₁) через узкий капилляр вискозиметра при одинаковых давлениях. Плотность находили, как отношение массы к объему. Относительную вязкость рассчитывали по формуле:

[3]

где з₂ - вязкость водной дисперсии, з₁ - вязкость растворителя-дистиллированной воды,

с₂ и с₁ - плотности водной дисперсии и дистиллированной воды соответственно.

Для каждого раствора определяли значение рН и относительную вязкость (з), затем строили графическую зависимость относительной вязкости коллоидных растворов от рН. Для надежности изоэлектрическую точку (рН_ИЭТ) дисперсий определили также спектрофотометрическим методам, по стандартной методике [13, 14]

По экспериментальным результатам были построены кривые потенциометрического титрования исходного раствора в присутствии различных концентраций КС1 - 0; 0.0001; 0.001; 0.01 моль/л. Была установлена оптимальная концентрация дисперсий хлорофилла, необходимая для получения надежных результатов адсорбции. Она составила величину 0.25%.

Рассмотрим результаты потенциометрического титрования. На рис. 2-4 и рис. 1 при-ведены кривые потенциометрического титрования дисперсий хлорофилла в присутствии КС1 (c = 0.0001; 0.001; 0.01 моль/л) и в отсутствии соответственно.

Рис. 1. Кривые потенциометрического титрования растворов KCl (с = 0 моль/л), то есть воды - 1 и дисперсной системы вода + хлорофилл при t_к = 30 мин - 2

Рис. 2. Кривые потенциометрического титрования растворов KCl (с = 1•10^-2 моль/л) - 1 и дисперсной системы KCl (с = 1•10^-2 моль/л) + хлорофилл при t_к = 30 мин - 2

Рис. 3. Кривые потенциометрического титрования растворов KCl (с = 1•10^-3 моль/л) - 1 и дисперсной системы KCl (с = 1•10^-3 моль/л) + хлорофилл при t_к = 30 мин - 2

В положительной области по оси абсцисс титрование осуществлялось раствором КОН, а в отрицательной раствором HCl.

Цифры соответствующие точкам на зависимости, соответствуют объемам растворов пошедших на титрование. По пересечению кривых потенциометрического титрования с хлорофиллом и без, была определена рН_ТНЗ хлорофилла.

Рис. 4. Кривые потенциометрического титрования растворов KCl (с = 1•10^-4 моль/л) - 1 и дисперсной системы KCl (с = 1•10^-4 моль/л) + хлорофилл при t_к = 30 мин - 2

Результаты расчетов величин адсорбции Н⁺ и ОН ^- - ионов на хлорофилле в диапазоне рН от 3.0 до 4.5 представлены на рис. 5. Установлено преобладание адсорбции ОН^--ионов. При этом установлено влияние концентрации солевого фона на величину адсорбции Н⁺ и ОН ^- - ионов.

Рис. 5. Зависимости x/m_(H+-OH-) - pH для дисперсий КС1 (c = 0.0001 - 1; 0,001 - 2; 0,01 - 3 моль/л) + хлорофилл для t_k = 30 мин

Нужно отметить, что значение рН_ТНЗ водных дисперсий хлорофилла смещается в кислую область с увеличением концентрации КС1 и изменяется в диапазоне рН от 4.0 до 3.5.

Это свидетельствует о том, что катионы калия взаимодействуют с хлорофиллом не только за счет простого электростатического притяжения и подтверждает влияние концент-рации солевого фона на величину адсорбции Н⁺ и ОН^- ионов.

На рис. 6 представлена зависимость вязкости (з) от рН для дисперсий хлорофилла. Минимум на кривой з от рН соответствует значению рН_ИЭТ. Полученная вискозиметрическим методом величина изоэлектрической точки составила 3.35±0.1 ед. рН.

Следует отметить, что изоэлектрическая точка соответствует состоянию, когда электрокинетический потенциал дисперсной фазы равен нулю. В этом состоянии дисперсные системы обладают наименьшей устойчивостью. В отсутствии специфической адсорбции изо-электрическая точка и точка нулевого заряда совпадают. В случае специфической адсорбции рН_ИЭТ и рН_ТНЗ смещаются и не совпадают.

Рассмотрим влияние рН на устойчивость дисперсий хлорофилла. На рис. 7 представлена зависимость оптической плотности от рН системы.

Из рисунка видно, что на кривой имеется ярко выраженный минимум, соответствующее минимуму значение рН является рН_ИЭТ равное 3.47 ед. рН и отвечает устойчивости системы.

Спектрофотометрический метод дал практически одинаковые значения рН_ИЭТ. В области рН > рН_ИЭТ хлорофилл заряжен отрицательно вследствие преобладания адсорбции ионов ОН^-.

Рис. 6. Зависимость вязкости (з) от рН для водных дисперсий хлорофилла

Рис. 7. Зависимость оптическая плотность (D) - рН для водных дисперсий хлорофилла

Исходя из полученных результатов, можно сказать, что значение рН_ИЭТ, определенное спектрофотометрическим и вискозиметрическим методом, и рН_ТНЗ, определенное из результатов потенциометрического титрования, совпадают в диапазоне допустимой погрешности.

Также, спектрофотометрическим методом определен размер ассоциированных частиц хлорофилла в водных растворах по методу Рэлея, он составил r = 130±10 нм.

Определение порогов коагуляции мы проводили в области рН > рН_ИЭТ. В качестве коагулирующих электролитов были выбраны растворы КС1, ВаС1₂ и А1С1_3.

В этом случае согласно правилу Шульце-Гарди коагулирующим действием обладают ионы, имеющие заряд противоположный заряду дисперсной фазы, - катионы, так как в этой области рН хлорофилл заряжен отрицательно.

Количество электролита, пошедшее на коагуляцию, находили титрованием. Конечную точку титрования определяли визуально по помутнению дисперсии хлорофилла по сравнению с исходным образцом. Из результатов титрования рассчитывали порог коагуляции, то есть минимальную концентрацию электролита, при которой начинается быстрая коагуляция, соответствующая максимальной скорости коагуляции, не зависящей от дальнейшего возрастания концентрации коагулирующего электролита.

Порог коагуляции уменьшается в ряду КС1 > ВаС1₂> А1С1₃ как 0.94 - 0.0024 - 0.00021 согласно правилу Шульце-Гарди.

При увеличении рН дисперсий хлорофилла порог коагуляции возрастает и составляет 1.10 - 0.0037 - 0.0027 соответственно. Это происходит вследствие возрастания устойчивости коллоидной системы при удалении от изоэлектрической точки.

Изучение коагуляции дисперсий хлорофилла показали, что коагуляция водных дисперсий хлорофилла подчиняется классическим представлениям о коагуляции дисперсных систем, то есть порог коагуляции уменьшается с ростом заряда коагулирующего иона:

Ш недиспергированный раствор С_к(К⁺):С_к(Са²⁺):С_к(Al³⁺) = 1000:100:1

Ш диспергированный раствор С_к(К⁺):С_к(Са²⁺):С_к(Al³⁺) = 4000:40:1.

Сравнение дисперсий хлорофилла обработанных ультразвуком и необработанных показывает, что устойчивость первых значительно выше.

В ходе работы были изучены такие важные характеристики как: изоэлектрическая точка и точка нулевого заряда хлорофилла, и влияние на них состава водной фазы (природы и концентрации неорганических электролитов, значения рН), изучили устойчивость водных дисперсий хлорофилла и исследовали влияние электролитов на их коагуляцию.

Выводы

1. Установлено, что точка нулевого заряда хлорофилла в смешанных растворах КС1-НС1 изменяется в диапазоне рН от 4.0 до 3.5, подтверждено влияние концентрации солевого фона на величину адсорбции Н⁺ и ОН^- ионов.

2. Показано, что изоэлектрическая точка и точка нулевого заряда хлорофилла в присутствии ионного фона совпадают.

3. Установлено, что диспергирование дисперсий хлорофилла ультразвуком увеличивают устойчивость системы. Показано, что порог коагуляции уменьшается в ряду КСl > ВаС1₂ > А1С1₃ как 0.94 - 0.0024 - 0.00021 согласно правилу Шульце-Гарди. При увеличении рН дисперсий хлорофилла порог коагуляции возрастает и составляет 1.10 - 0.0037 - 0.0027 соответственно.

Литература

однозарядный электролит сорбция ион

[1] Мамардашвили Г.М., Мамардашвили Н.Ж. Роль темплатов в синтезе каликс[4] арен-бис [порфиринатов рутения(II)]. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С. 1-6.

[2] Королева А.А., Карманова Л.П., Белых Д.В., Кучин А.В. Синтез пренилированных производных хлорина Е6. Бутлеровские сообщения. 2006. Т.8. №1. С. 33-36.

[3] Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Колодеева С.С., Мартынов Д.В. Адсорбция ионов Н⁺ и ОН ^- на коллагене. Вестник СПбГУ. 2011. Сер.4. Вып.3. С. 87-96.

[4] Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Мартынов Д.В. Влияние солей одно-, двух- и трехзарядных катионов металлов на сорбцию Н+ и ОН^- ионов на декстране. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27. №14. С. 47-54.

[5] Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Мартынов Д.В. Изоэлектрическая точка белков в водных растворах азолов. Вестник СПбГУ. 2011. Сер.4. Вып.2. С. 124-134.

[6] Родионова Е.Ю., Дмитриева И.Б., Чухно А.С. Электрокинетические свойства гемоглобина в водных растворах НСl и KCl. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.30. №6. С. 103-107.

[7] Васильева Д.В., Хомутова О.С., Петрова С.А., Родионова Е.Ю. Исследование потенциометрическим методом адсорбции Н+ и ОН- ионов на хлорофилле. Тезисы докладов межвузовской научной конференции, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова и 150-летию создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений 29 ноября 2011 г. Санкт-Петербург. 2011. С. 49-51.

[8] Балаев Т.А., Молдавер Б.Л. Галенофиллипт-препарат из листьев эвкалипта прутовидного. Фармация. 2008. №3. С. 35-37.

[9] Балаев Т.А., Молдавер Б.Л., Бадюгина И.Б. Идентификация феофитинатов меди в галенофиллипте и хлорофиллипте. Фармация. 2008. №4. С. 13-16.

[10] A. Patek. Chlorophyll and regeneration of blood; effect of administration of chlorophyll derivatives to patients with chronic hypochromic anemia. Archives of Internal Medicine. 1936. No.57. P.73-84.

[11] Луценко Н.Г. Начала биохимии. Курс лекций. М.: Наука. Интерпериодика. 2002. 125 с.

[12] Григоров О.Н., Карпова И.Б, Козьмина З.П. и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. Л. 1964. 336 с.

[13] Бугреева Е.В., Евстратова К.И., Купина Н.А., и др., Практикум по физической и коллоидной химии. Под ред. проф. К.И. Евстратовой. М.: Высшая школа. 1990. 255 с.

[14] Беляев А.П., Скворцов А.М., Кучук В.И., и др. Физическая и коллоидная химия. Руководство к практическим занятиям: учебное пособие. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2012. 320 с.

Размещено на Allbest.ru