WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Стрельцов Александр Владимирович Биокаталитический синтез электропроводящего полианилина в растворах мицелл додецилбензолсульфоната натрия с участием грибной лакказы Trametes hirsuta и свойства полученного полимера Специальность 03.00.04 – биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2009

Работа выполнена в лаборатории химической энзимологии Учреждения Российской академии наук Института биохимии им. А.Н. Баха РАН

Научный консультант: доктор химических наук, профессор А.И. Ярополов

Официальные оппоненты: доктор химических наук В.Г. Сергеев доктор химических наук, профессор Б.И. Курганов

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт физиологически активных веществ РАН

Защита состоится «_» _ 2009 г. в часов на заседании 14 26 ноября диссертационного совета (Д 002.247.01) при Учреждении Российской академии наук Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке биологической литературы РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33, корп. 1.

Автореферат разослан «_» _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук А.Ф. Орловский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из актуальных направлений развития науки и техники является разработка и получение новых материалов с уникальными свойствами. С этой точки зрения большой интерес представляют электропроводящие полимеры. Важнейшим и наиболее распространенным представителем данного класса полимеров является электропроводящий полианилин (ПАНИ). Это обусловлено простотой его получения, устойчивостью в условиях окружающей среды, термической стабильностью, а также низкой стоимостью мономера. Уникальные электрические, электрохимические и оптические свойства электропроводящего полианилина обуславливают возможность его использования для создания «легких» органических батарей, аккумуляторов, гибких дисплеев, органических светоизлучающих диодов, химических сенсоров, покрытий защищающих от электромагнитного излучения, коррозии и электростатических зарядов.

Как правило, электропроводящий полианилин получают методами химической и электрохимической полимеризации. Традиционный химический метод синтеза далек от экологически совместимого, так как требует сильнокислой среды и больших (эквивалентных мономеру) количеств окислителя, а также может приводить к образованию токсичных побочных продуктов, таких как бензидин. При этом процесс химической полимеризации является экзотермическим, реакция кинетически неконтролируема и протекает по автокаталитическому механизму с большим индукционным периодом. Образующийся в результате экзотермической реакции полианилин практически нерастворим в большинстве известных полярных и неполярных органических растворителей.

В последние годы тенденцией стало внедрение биотехнологических процессов и принципов «зеленой» химии в практику производства. В отношении электропроводящих полимеров, в том числе и полианилина, это означает, что альтернативой классическим химическим методам их получения может стать ферментативный синтез, благодаря которому полимеризация проходит в кинетически контролируемом режиме и в мягких условиях, что делает процесс экологически чистым, позволяет получать с высоким выходом полимер, не загрязненный продуктами разложения окислителя, и управлять его свойствами.

Эффективным биокатализатором реакции ферментативной окислительной полимеризации анилина может являться лакказа [КФ 1.10.3.2] – фермент, относящийся к классу «голубых» медьсодержащих оксидаз. Лакказы катализируют реакции окисления органических субстратов, в том числе мономеров многих электропроводящих полимеров: анилина, пиррола, тиофена и их производных. При этом окислителем в данных реакциях является кислород воздуха, а единственным побочным продуктом его восстановления – вода. Кроме того, катализ реакции окислительной полимеризации анилина с участием лакказы представляет интерес с точки зрения изучения механизма реакции и выяснения его принципиальных отличий от механизма химической полимеризации.

Другим важным аспектом получения электропроводящего полианилина является улучшение эксплуатационных свойств полимера. Наиболее распространенным подходом в данном направлении является использование матричного (template) синтеза. При этом химическая природа и свойства матрицы подбираются в зависимости от используемого метода полимеризации и желаемых свойств конечного продукта. Эффективным способом получения псевдорастворимого полианилина является его синтез в водных мицеллярных растворах анионных поверхностноактивных веществ (ПАВ), таких как додецилсульфат натрия (ДДС), додецилбензолсульфоновая кислота (ДБСК) и ее натриевая соль (ДБСNa). При этом электропроводящий ПАНИ получается в виде соли с гидрофобными анионами, что может улучшать эксплуатационные свойства этого комплекса.

Таким образом, изучение возможностей и перспектив ферментативного синтеза электропроводящего полианилина на мицеллярной матрице с использованием лакказы в качестве биокатализатора представляет большой теоретический и практический интерес.

Научная новизна работы. В настоящей работе предложен и реализован способ ферментативного синтеза электропроводящего полианилина в водных мицеллярных растворах ДБСNa с использованием в качестве биокатализатора высоко редокспотенциальной лакказы базидиального гриба Trametes hirsuta. Оптимизированы условия проведения синтеза. Показано, что в результате синтеза образуется электропроводящий полианилин в виде комплекса с ДБСNa. Методом просвечивающей электронной микроскопии показана фибриллярная структура ферментативно синтезированных комплексов ПАНИ/ДБСNa и их кристаллическое строение. Различными физико-химическими методами установлено подобие основных свойств комплексов ПАНИ/ДБСNa, полученных с помощью лакказы, свойствам полимера, полученного традиционным химическим синтезом с использованием в качестве окислителя персульфата аммония.

Сравнительное изучение реакций ферментативной и химической полимеризации анилина позволило приблизиться к пониманию механизмов обоих процессов.

Впервые экспериментально установлено, что ферментативное и химическое окисление не подвергающегося полимеризации модельного соединения анилина (N,N,N`,N`-тетраметил-п-фенилендиамина) протекает по различным механизмам.

Таким образом, принципиальное различие в механизмах ферментативной и химической полимеризации анилина может быть обусловлено различием в кинетике накопления промежуточных продуктов в ходе этих процессов. С целью изучения отдельных стадий ферментативной полимеризации анилина впервые была изучена лакказа-катализируемая реакция окислительного сочетания его димера (N-фенил-пфенилендиамина) в составе комплекса димер/ДБСNa и показано образование электропроводящего продукта.

Практическая значимость работы. Показано, что высоко редокспотенциальная лакказа базидиального гриба Trametes hirsuta является эффективным биокатализатором ферментативного синтеза электропроводящего ПАНИ в мицеллярных растворах ДБСNa, и реакцию полимеризации с ее участием можно проводить в экологически приемлемых условиях. Экспериментально подтверждены и изучены антистатические и антикоррозионные свойства ферментативно синтезированного комплекса ПАНИ/ДБСNa. Показана возможность использования полученного полимера для создания эффективных защитных покрытий.

Продемонстрирована возможность осуществления и преимущества комбинированного (ферментативно-химического) синтеза электропроводящего полианилина в водных растворах мицелл ДБСNa, с использованием для инициирования реакции полимеризации как очищенного, так и технического препарата лакказы. Проведено масштабирование процесса ферментативного синтеза электропроводящего полианилина в мицеллярных растворах ДБСNa с использованием лакказы. Исследованы основные физико-химические свойства полученного продукта.

Цели и задачи исследования. Целями настоящей работы являлись:

– разработка метода ферментативного синтеза электропроводящего полианилина на прямых мицеллах додецилбензолсульфоната натрия, оптимизация условий синтеза и изучение физико-химических свойств полученного продукта с целью его последующего использования для создания защитных антистатических и антикоррозионных покрытий;

– определение подходов к изучению механизма ферментативного синтеза ПАНИ с участием лакказы и выяснение принципиальных различий в механизмах ферментативной и химической полимеризации анилина;

– масштабирование процесса синтеза электропроводящего полианилина на пилотной установке.

Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи:

1. Оценить возможность и эффективность использования высоко редокспотенциальной лакказы базидиального гриба Trametes hirsuta в качестве биокатализатора реакции окислительной полимеризации анилина в водных мицеллярных растворах ДБСNa. Изучить свойства и роль мицеллярной матрицы.

2. Оптимизировать условия ферментативного синтеза электропроводящего полианилина в мицеллярных растворах ДБСNa.

3. Изучить физико-химические и защитные (антистатические и антикоррозионные) свойства синтезированных комплексов ПАНИ/ДБСNa и оценить возможность их использования для создания защитных покрытий.

4. Провести сравнительное изучение отдельных стадий ферментативной и химической полимеризации анилина с использованием неполимеризующегося аналога анилина N,N,N`,N`-тетраметил-п-фенилендиамина и димера анилина (N-фенил-пфенилендиамина) в качестве модельных соединений.

5. Разработать подходы к масштабированию процесса ферментативного синтеза электропроводящего полианилина в мицеллярных растворах ДБСNa. Оценить возможность проведения, преимущества и недостатки комбинированного ферментативно-химического способа синтеза ПАНИ.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, РФ, 23-28 сентября 2007 г); XXII Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, РФ, 3-6 июня 2008 г);

III Международная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, РФ, 24-28 июня 2008 г); II Научно-практическая конференция «Перспективы развития инноваций в биологии» (Москва, РФ, 5-7 ноября 2008 г);

International Baltic Sea Region conference «Functional materials and nanotechnologies 2009» (Riga, Latvia, 31 March – 3 April 2009).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, и 5 тезисов в материалах конференций.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 227 наименований.

Сокращения, принятые в тексте. FT-IR – инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье; АБТС – (2,2`-азино-бис(3-этилбензтиазолин-6-сульфонат)) диаммония; АСМ – атомно-силовая микроскопия; ДБСК –додецилбензолсульфоновая кислота; ДБСNa – додецилбензолсульфонат натрия; ДДС – додецилсульфат натрия;

ДМСО – диметилсульфоксид; ИК – инфракрасный; ККМ – критическая концентрация мицеллообразования; НВЭ – нормальный водородный электрод; ПАВ – поверхностноактивное вещество; ПАНИ – полианилин; ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия; СКК – сульфокамфорная кислота; ТГА – термогравиметрический анализ; ТМПД – N,N,N`,N`-тетраметил-п-фенилендиамин; УФ – ультрафиолет; ЭПР – электронный парамагнитный резонанс.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, изложена актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава представляет собой обзор литературы. В первой части рассматриваются распространение лакказ в природе, их структура, каталитический механизм и свойства. Особое внимание уделено роли этих ферментов в органическом синтезе. Вторая часть посвящена полианилину как представителю класса органических металлов. Подробно рассмотрены вопросы структуры, свойств и механизма электропроводности полианилина. Проведено сравнение различных способов синтеза данного полимера.

Во второй главе представлены материалы и методы исследования.

Очистка фермента. Фильтрат культуральной жидкости гриба Trametes hirsuta был любезно предоставлен к.б.н. Е.С. Горшиной (МГУИЭ, Москва). Из культуральной жидкости фермент осаждали сульфатом аммония с последующей очисткой методом ионообменной хроматографии низкого давления. До гомогенного состояния по данным ДДС-электрофореза лакказа была очищена методом гель-проникающей хроматографии.

Определение концентрации и активности фермента осуществляли спектрофотометрическим методом. Концентрацию белка определяли по разности оптической плотности при длинах волн 228,5 нм и 234,5 нм с использованием соответствующей калибровочной кривой.

Контроль активности лакказы осуществляли, используя в качестве хромогенного субстрата 10 мМ раствор пирокатехина (410 = 740 M-1 cм-1) в 0,1 М Na-цитратнофосфатном буферном растворе, рН 4,5. За одну единицу активности (МЕ) принимали количество фермента, которое необходимо для окисления 1 мкмоль пирокатехина за минуту. Удельную активность выражали в МЕ/мг белка.

Определение операционной стабильности фермента проводили в течение 2-х суток в 0,1 М Na-цитратно-фосфатном буферном растворе (рН 4,5), измеряя через равные промежутки времени активность лакказы с использованием АБТС в качестве субстрата (436 = 36000 M-1 см-1).

Ферментативный синтез полианилина в мицеллярных растворах ДБСNa проводили при t ~ 22°С в 50 мM Na-цитратно-фосфатном буферном растворе, рН 3,5.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»