WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Реакционная смесь состояла из эквимолярных количеств анилина и ДБСNa, растворенных в 10 мл буферного раствора до концентрации 10 мМ (если не оговорено особо). Значение рН реакционной среды доводили до 3,8 раствором H3PO4. Реакцию полимеризации инициировали путем добавления фермента при постоянном перемешивании. Активность лакказы в реакционной среде составляла ~ 13,3 МЕ.

Реакцию проводили в течение 24 часов.

Химический синтез полианилина в мицеллярных растворах ДБСNa осуществляли в условиях, аналогичных условиям ферментативного синтеза. Реакцию инициировали постепенным добавлением в реакционную смесь 0,1 М раствора персульфата аммония в 50 мM Na-цитратно-фосфатном буферном растворе (рН 3,5) к реакционной смеси, при этом соотношение окислитель/мономер равнялось 0,5.

Итоговые концентрации анилина и ДБСNa составляли (если не оговорено особо) 10 мМ.

Выделение и очистка полианилина. Синтезированный полианилин осаждали из реакционной среды этанолом. Полученный осадок отделяли центрифугированием, дважды промывали 96 % и 50 % этанолом, после чего высушивали при 37°С на протяжении 72 часов.

Экстракцию комплексов ПАНИ/ДБСNa неполярными органическими растворителями осуществляли добавлением к реакционной среде соответствующего растворителя (толуола) с периодическим перемешиванием до полного перехода зеленой окраски в органическую фазу.

Спектральные исследования синтезированного ПАНИ. Спектры оптического поглощения комплексов ПАНИ/ДБСNa регистрировали в интервале длин волн 300 – 900 нм с использованием спектрофотометра «Shimadzu UVmini-1240» (Япония), при различных скоростях сканирования длин волн.

ИК-Фурье-спектроскопию полученных образцов полимера проводили на спектрометре «Magna-750» («Nicolet», США). Образцы для анализа готовили путем прессования таблеток ПАНИ и ПАНИ/ДБСNa с KBr. Полученные результаты интерпретировали согласно литературным и справочным данным.

Электрохимические исследования проводили на вольтамперометрическом анализаторе «CV-50W» («BAS», США) по трехэлектродной схеме. Все потенциалы в данной работе приведены относительно хлорсеребряного электрода («BAS», США). В качестве рабочего электрода использовали стеклоуглеродный электрод фирмы «BAS» (США). Измерения проводили как в водной дисперсии комплексов ПАНИ/ДБСNa полученных в результате ферментативного синтеза и не подвергавшихся дополнительной обработке, так и с использованием пленок полианилина, нанесенных на поверхность электрода из раствора ПАНИ в ДМСО (концентрация ~ 20 мг/мл).

Электрохимическое изучение антикоррозионных свойств ПАНИ осуществляли методом линейной анодной вольтамперометрии. Рабочими электродами являлись полоски медной фольги (99,9 % чистоты). На рабочую поверхность (S = 10 мм2) электродов методом полива наносили пленки из экстракта ПАНИ/ДБСNa в толуоле.

Линейную вольтамперометрию проводили в интервале потенциалов от -500 до 500 мВ в 0,1 М HCl при скорости развертки потенциала 10 мВ/с.

Измерение электропроводности синтезированного полианилина после его осаждения, промывки и высушивания проводили стандартным четырехточечным методом с помощью прибора «Loresta GP» («Mitsubishi», Япония).

Микроскопия и дифракция электронов на образцах ПАНИ. Визуальное изучение комплексов анилин/ДБСNa осуществлялось с помощью оптического микроскопа «Olympus BX-41», с использованием различных режимов фазового контраста и увеличения.

Морфология образцов ПАНИ/ДБСNa была изучена на электронном микроскопе «Tecnai G-2» с ускоряющим потенциалом от 300 кВ. Дифракцию электронов на образцах комплексов ПАНИ/ДБСNa изучали с использованием специальной камеры «ESR-102» (Украина).

Пленки комплексов ПАНИ/ДБСNa полученные по технологии ЛенгмюраБлоджетт исследовали на атомно-силовом микроскопе «SOLVER P47» («NT-MDT», Россия) в прерывисто-контактном режиме с использованием кремниевой подложки.

Термогравиметрический анализ синтезированных комплексов ПАНИ/ДБСNa был выполнен с использованием анализатора «Netzsch TG 209 F1» (Германия) в атмосфере аргона при скорости изменения температуры 20°С/мин. Предварительно все образцы были высушены при температуре 100°С в течение 2 часов.

Изучение антистатических свойств синтезированного полианилина проводили на образцах хлопковой ткани одинакового размера, обработанных водной дисперсией ПАНИ/ДБСNa, полученной в результате синтеза, а также раствором ДБСNa (контроль). Обработанную ткань заряжали положительно или отрицательно путем ее контакта с электродом под напряжением «+» или «–» 18 кВ, после чего измеряли скорость стекания зарядов.

В третьей главе приводятся собственные результаты и их обсуждение.

Лакказа как биокатализатор окислительной полимеризации анилина.

Перспективы использования лакказы для получения электропроводящего полианилина определяются способностью данного фермента катализировать реакцию окислительной полимеризации мономера, стабильностью фермента в условиях синтеза, а также наличием у данного способа ряда преимуществ по сравнению с традиционным химическим и другими ферментативными способами синтеза ПАНИ.

Одним из основных параметров, от которого зависит скорость окисления субстратов лакказ, является разница между значениями редокс-потенциалов субстрата-донора и первичного акцептора электронов – Т1 центра фермента.

Непосредственно (без участия редокс-медиаторов) лакказы катализируют окисление соединений, редокс-потенциалы которых не превышают или превышают незначительно значение редокс-потенциала иона меди Т1 центра. Окисление анилина протекает при достаточно высоких потенциалах (~ 950 мВ, относительно НВЭ).

Следовательно, для протекания ферментативной окислительной полимеризации анилина редокс-потенциал Т1 центра лакказы должен приближаться к потенциалу начала окисления анилина.

Редокс-потенциал Т1 центра для лакказы Trametes hirsuta по литературным данным составляет 780 ± 10 мВ (относительно НВЭ), поэтому данный фермент относят к группе высоко редокс-потенциальных лакказ. Высокое значение редокспотенциала Т1 центра позволяет лакказе Trametes hirsuta весьма эффективно катализировать реакцию окисления анилина, в то время как низко редокспотенциальные лакказы (например, лакказа из сока лакового дерева Rhus vernicifera, потенциал Т1 центра ~ 430 мВ, относительно НВЭ) не способны катализировать эту реакцию.

Таким образом, эффективную полимеризацию анилина можно осуществить только с использованием высоко редокс-потенциальных лакказ.

Другим важным для биокатализатора параметром является его стабильность в условиях синтеза. Изучение операционной стабильности лакказы Trametes hirsuta в водных мицеллярных растворах ПАВ при ферментативном синтезе полианилина (Рис. 1) показало, что в условиях синтеза ПАНИ (кривая 1) инактивация фермента протекает несколько быстрее, чем в контрольном эксперименте, в отсутствие обоих компонентов (ДБСNa и анилина) и при том же значении рН раствора (кривая 2). Повидимому, к воздействию кислого значения рН раствора в данном случае добавляется инактивирующее действие на лакказу радикалов анилина или его олигомеров.

Рис. 1. Стабильность лакказы в различных условиях: 1 – в стандартных условиях синтеза (операционная стабильность); 2 – в отсутствие анилина и ДБСNa (рН-стабильность); 3 – в 10 мМ растворе ДБСNa.

Условия: 50 мМ Na-цитратнофосфатный буферный раствор, рН 3,5.

Из рисунка также видно, что в растворах ДБСNa, не содержащих анилина происходит быстрая и полная инактивация фермента (Рис. 1, кривая 3). По-видимому, инактивация лакказы в данном случае объясняется денатурацией молекул белка под действием ПАВ.

Следует отметить, что в целом лакказа обладает довольно высокой операционной стабильностью, сохраняя, как видно из рисунка, до 20 % своей начальной активности в течение суток. Кроме того, в отличие от пероксидаз, также используемых для синтеза полианилина, окислителем в реакции полимеризации анилина с участием лакказ является кислород воздуха, поэтому введения в реакционную среду дополнительных компонентов (таких как пероксида водорода) не требуется, что упрощает процедуру синтеза.

Таким образом, к основным преимуществам ферментативного синтеза электропроводящего полианилина с участием лакказы относится значительное сокращение индукционного периода реакции, простота её проведения, экологичность и отсутствие токсичных побочных продуктов. Исследование продуктов ферментативного синтеза ПАНИ на наличие бензидина с помощью газохроматографического метода с масс-спектральной детекцией, показало полное его отсутствие на всех этапах синтеза. Кроме того, синтезированный с использованием лакказы полианилин, в отличие от полимера, полученного химическим способом, не загрязнен продуктами разложения окислителя.

Свойства и роль мицеллярной матрицы ДБСNa в процессе ферментативного синтеза электропроводящего полианилина.

Еще одной существенной проблемой при синтезе полианилина является крайне плохая растворимость получаемого полимера. Для её улучшения, как правило, используют матричный синтез. В процессе синтеза ПАНИ матрица обеспечивает нужную ориентацию и концентрирование мономера на своей структуре, а также допирование полианилина, и, главное, существенно влияет на его эксплуатационные характеристики.

В настоящей работе был предложен способ лакказа-катализируемого синтеза электропроводящего полианилина на мицеллярной матрице додецилбензолсульфоната натрия. В основу метода положена способность данного вещества при концентрации выше критической спонтанно образовывать в водных растворах устойчивые мицеллярные структуры. Молекулы анилина, находящиеся при кислых значениях рН в протонированной форме, включаются в эти мицеллы в виде положительно заряженных ионов. Термодинамическую устойчивость таким комплексам придают многочисленные силы слабых (электростатических и гидрофобных) межмолекулярных взаимодействий. Формальная схема мицеллярного комплекса анилин/ДБСNa представлена на Рис. 2.

Рис. 2. Формальная схема Рис. 3. Микрофотография комплекса ДБСNa с анилином и комплексов анилин/ДБСNa.

упрощенная схема процесса Условия: 50 мМ Na-цитратнополимеризации. фосфатный буферный раствор (рН 3,5), [анилин] = [ДБСNa] = 10 мМ.

Образование комплексов анилина и ДБСNa было подтверждено оптической микроскопией с использованием фазового контраста. Микрофотография наблюдаемых комплексов приведена на Рис. 3. Видно, что они представляют собой структуры сложной формы линейного строения, и их морфология принципиально отличается от формального изображения мицеллярных комплексов ПАВ и анилина, приведенного на Рис. 2.

Необходимость участия мицеллярной матрицы в синтезе электропроводящего полианилина была доказана экспериментально. Было показано, что при концентрациях анилина и ДБСNa в реакционной среде 1 мМ (что ниже величины ККМ для ДБСNa) после инициирования реакции ферментом не наблюдалось никаких признаков протекания реакции на протяжении всего эксперимента. Напротив, при концентрации реагентов 10 мМ образование комплексов анилин/ДБСNa сопровождалось характерным помутнением раствора, а основным признаком реакции являлось изменение цвета реакционной смеси во времени от голубовато-зеленого, через изумрудный, к темнозеленому, что характерно для образования электропроводящего ПАНИ.

Таким образом, сочетание ферментативного и мицеллярного подходов может обеспечить эффективный синтез электропроводящего полимера с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Оптимизация условий лакказа-катализируемого синтеза электропроводящего полианилина в водных растворах прямых мицелл ДБСNa.

Для УФ-видимого спектра электропроводящего полианилина характерны три основные полосы оптического поглощения в области 360, 420 и 750 нм. Согласно литературным данным полоса поглощения в области 360 нм отвечает -* электронным переходам в ароматических кольцах. Две другие полосы поглощения в области 420 и 750 нм указывают на формирование полярона (квазичастицы) в структуре полианилина, что обуславливает его электропроводящие свойства.

Таким образом, зависимость формы спектров оптического поглощения полианилина от его молекулярного строения позволяет в первом приближении характеризовать синтезируемую водную дисперсию частиц ПАНИ и сделать предварительные выводы о его электропроводности.

Оценку зависимости скорости полимеризации анилина от концентраций реагирующих веществ проводили, варьируя концентрации анилина и ДБСNa в интервале от 3 до 20 мМ при постоянном значении их молярного соотношения (1:1).

Спектры оптического поглощения, записанные в ходе данного эксперимента, позволяют сделать вывод, что продуктом синтеза во всех случаях являлся электропроводящий полианилин. Однако из-за низкой скорости реакции при концентрациях реагентов 3 мМ, пики поглощения в области 700 – 800 нм, соответствующие электропроводящему ПАНИ, были выражены крайне слабо.

Наоборот, спектры, записанные при более высоких концентрациях анилина и ДБСNa (10 мМ, 20 мМ), имели все характерные для электропроводящего полианилина полосы оптического поглощения.

Влияние соотношения реагентов на ход реакции полимеризации изучали, изменяя концентрацию анилина от 2 до 30 мМ, в то время как концентрация ДБСNa (10 мМ) и активность фермента в реакционной среде (~ 13 МЕ) были фиксированы. В результате были получены различные молярные соотношения анилин/ДБСNa: 0,2; 0,5; 1; 2; 3.

Показано, что скорость реакции возрастала с увеличением молярного соотношения анилин/ДБСNa (Рис. 4). По-видимому, это связано с увеличением локальной концентрации анилина в составе мицеллярных комплексов. Однако при величине молярного соотношения анилин/ДБСNa более 2,5 происходит образование осадка.

Рис. 4. Спектры оптического поглощения комплексов ПАНИ/ДБСNa, синтезированных при следующих значениях соотношения анилин/ДБСNa:

1 – 0,2; 2 – 0,5; 3 – 1; 4 – 2; 5 – 3.

Условия: 50 мМ Na-цитратнофосфатный буферный раствор, рН 3,5;

[ДБСNa] = 10 мМ; [анилин] = 2 – 30 мМ;

температура ~ 22°С; время реакции 1,5 ч.

Изучение влияния концентрации лакказы на скорость синтеза ПАНИ проводили путем измерения оптической плотности растворов при 750 нм через заданные интервалы времени (1,5 ч; 3 ч; 72 ч). Концентрацию фермента варьировали от 30 до 180 нМ. Полученные зависимости носили линейный характер: с увеличением концентрации фермента скорость реакции возрастала (Рис. 5).

Рис. 5. Влияние концентрации лакказы на скорость синтеза комплексов ПАНИ/ДБСNa. Время реакции: (1) – 1,5 ч; (2) – 3 ч; (3) – 72 ч (оптические плотности образцов полимера через 72 ч после начала синтеза приведены при 5кратном разбавлении исходного раствора).

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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