ВОДНЫЙ МОЛЕКУЛЯРНО-КОЛЛОИДНЫЙ РАСТВОР, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОГО ГИДРАТИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНА Российский патент 2003 года по МПК C01B31/02 

Изобретение относится к области химии и химическим технологиям и может быть использовано при биохимических, биофизических исследованиях, а также при получении лекарственных препаратов и косметических средств. Рассматриваемые молекулярно-коллоидные растворы могут быть использованы для получения мембранотропных лекарственных препаратов, которые целенаправленно регулируют структурно-функциональные характеристики клеточных мембран, а также защищают клеточные мембраны от воздействия различных вредных физических, химических и биологических факторов.

Известны биологически активная добавка, содержащая водный раствор фуллерена (UA 27669, А 23 L 1/29, 15.09.2000), и водный раствор, содержащий частицы фуллеренов с размерами (UA 29540, С 01 В 31/00, 15.11.2001). Недостатками этих растворов являются большой разброс размеров частиц фуллеренов и, как следствие, невысокая стабильность этих растворов.

Известны водные дисперсии коллоидных частиц, ядро которых составляют фуллерены С₃₀-С₁₀₀, содержащие включения парамагнитных металлов и покрытые водорастворимыми полисахаридами (JP 143478, А 61 К 49/00, 1996). Подобные частицы могут применяться в биохимии и при изготовлении фармацевтических препаратов. Однако растворы, содержащие такие кристаллоподобные частицы, имеют недостаточную стабильность, что ограничивает их использование.

Известны мелкодисперсные водные коллоидные растворы фуллеренов С₆₀ и С₇₀, содержащие частицы с размерами менее 0,22 мкм (Andrievsky G.V. et al. On the Production of an Aqueous Colloidal Solution of Fullerenes, J. Chem. Soc. , Chem. Commun., 1995, p. 1281-1282). Эти растворы стабильны в течение трех месяцев и могут быть использованы при биохимических и биофизических исследованиях, однако их чистота, стабильность и концентрация в них фуллеренов является недостаточными для изготовления на их основе лекарственных препаратов. В работе (Andrievsky G.V. et al. Colloidal Dispersions of Fullerene С₆₀ in Water: Some Properties and Regularities of Coagulation by Electrolytes, The Electrochem. Soc. Interface, 195-th Meeting, Seattle, 1999) показано, что коллоидные растворы фуллеренов являются типичными гидрофобными гидрозолями, в которых частицы имеют поверхностный отрицательный заряд. Сами частицы имеют, преимущественно, сферическую форму. В этой же работе сообщалось, что получены коллоидные растворы с концентрацией фуллеренов С₆₀ вплоть до 2•10^-3 моль/дм³, которые являются стабильными в течение 12-18 месяцев. Эти растворы коагулируют при добавлении к ним электролитов.

Наиболее близким к настоящему изобретению является водный молекулярно-коллоидный раствор (С_NFWS), по меньшей мере, одного гидратированного фуллерена, описанный в статье G.V. Andrievsky, V.K. Klochkov, E.L. Karyakina, N.O. Mchedlov-Petrossyan. STUDIES OF AQUEOUS COLLOIDAL SOLUTIONS OF FULLERENE С₆₀ BY ELECTRON MICROSCOPY. Chem. Phys. Lett, 300 (1999) 392-396). Минимальный размер кластерных частиц в таких растворах составляет , а сами частицы представляют собой агрегаты, состоящие из 13 молекул фуллерена С₆₀, причем каждая из них окружена 20-24 молекулами Н₂О (G.V. Andrievsky, V.К. Klochkov, L. I. Derevyanchenko. FWS - MOLECULAR-COLLOID SYSTEMS OF HYDRATED FULLERENES AND THEIR FRACTAL CLUSTERS IN WATER SOLUTIONS. The Electrochemical Society Interface (195-th Meeting, May 2-6, 1999, Seattle, Washington) Spring 1999, Abs# 710).

Недостатком этого раствора, как и всех вышеуказанных, является его недостаточно высокая стабильность, что непосредственно зависит от ионного состава таких растворов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка и создание водных молекулярно-коллоидных растворов (C_NFWS) гидратированных фуллеренов C_N, обладающих улучшенными характеристиками.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что повышается стабильность водных молекулярно-коллоидных растворов гидратированных фуллеренов, что выражается в увеличении срока их хранения без изменения физико-химических свойств в течение 3 лет и более.

Данные технические результаты достигаются тем, что в водном молекулярно-коллоидном растворе C_NFWS, по меньшей мере, одного гидратированного фуллерена C_N, по меньшей мере, один гидратированный фуллерен представляет собой супрамолекулярный комплекс с общей формулой:
С_N@{m(OH)^-•nH₂O}^m-...mH⁺, (1)
где N ≥60; (m+n)≥20; m>1; n>1, в котором, по меньшей мере, часть противоионов H⁺ замещена ионами металлов, причем замещена в такой степени, при которой концентрация ионов металлов в растворе такого комплекса не превышает порога коагуляции соответствующего C_NFWS.

В целом, фуллерены представляют собой шарообразные сетчатые полые молекулы, в которых число атомов углерода (N) может быть различным, начиная с 60 (с диаметром ). Наиболее распространенным, изученным и типичным представителем фуллеренов является С₆₀. Известны молекулы фуллеренов С_N, содержащие 70, 76, 82, 84 и до 240 атомов углерода. Очевидно, что чем больше число атомов углерода в молекуле фуллерена, тем больше по размеру и сама молекула. С увеличением N фуллерены становятся менее доступными и более редкими, однако основные физико-химические свойства у них достаточно близки, поэтому в водных растворах они ведут себя одинаково, и закономерности формирования коллоидных растворов фуллеренов, независимо от N, также одинаковы.

Символ @ в формуле означает, что сферическая молекула фуллерена C_N окружена сферической сеткой, состоящей из адсорбированных молекул воды, связанных между собой водородными связями. Как было показано в статье G.V. Andrievsky еt al. FWS - MOLECULAR-COLLOID SYSTEMS OF HYDRATED FULLERENES AND THEIR FRACTAL CLUSTERS IN WATER SOLUTIONS. The Electrochemical Society Interface (195-th Meeting, May 2-6, 1999, Seattle, Washington) Spring 1999, Abs# 710, количество молекул воды (m+n), адсорбированных на поверхности каждой молекулы фуллерена С₆₀, равно или больше 20. Соответственно, чем больше N (>60), тем больше количество молекул воды будет адсорбировано на поверхности молекулы фуллерена. Из курса коллоидной химии известно, что часть молекул воды (m) вблизи поверхности коллоидной частицы находится в более сильном диссоциированном состоянии в соответствии с известной реакцией:
mH₂O-->mH⁺+m(OH)^-. (2)
Ранее было показано, что поверхностный заряд гидратированных фуллеренов имеет отрицательное значение (N.O. Mchedlov-Petrossyan et al. COLLOIDAL DISPERSIONS OF FULLERENE C₆₀ IN WATER: SOME PROPERTIES AND REGULARITIES OF COAGULATION BY ELECTROLYTES. J. Chem. Soc. , Faraday Trans., 93, 4343-4346 (1997)). Из этого следует, что гидратированные фуллерены имеют в своем составе гидроксидные группы (ОН)^-, которые непосредственно связаны с поверхностью фуллеренов, а противоионы Н⁺ связаны с ней слабее и поэтому способны замещаться на ионы металлов. Как следствие, коллоидные растворы таких комплексов (1) обладают свойствами слабых поликислот. В том случае, если они имеют в своем составе только противоионы Н⁺, то в водных растворах нельзя достичь концентраций С₆₀ больших, чем 90•10^-6 M/л, и они при хранении в стеклянной посуде стабильны не более 3-4 месяцев. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при замене, по крайней мере, части противоионов H⁺ на ионы металлов стабильность подобных растворов резко возрастает.

В качестве ионов металлов, замещающих противоионы Н⁺, могут быть использованы ионы многих металлов, например ионы К⁺ и/или Na⁺, и/или Са²⁺, и/или Mg²⁺, и/или La³⁺, и/или Fe³⁺, и/или Th⁴⁺.

Также было обнаружено, что гидратированный фуллерен существует в водных растворах, как в виде изолированной структуры (1), так и в виде его ассоциатов - сферических фрактальных кластеров. Причем, степень ассоциации закономерно возрастает с увеличением концентрации гидратированных фуллеренов в растворе. Размер сферических фрактальных кластеров составляет .

Максимальное содержание, по меньшей мере, одного фуллерена составляет 6•10^-3 М/л, а показатель кислотности рН в растворе составляет 4-12.

Настоящее изобретение реализуют следующим образом.

Готовят водный молекулярно-коллоидный раствор по известной методике, описанной, например, в (Andrievsky G.V. et al. On the Production of an Aqueous Colloidal Solution of Fullerenes, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1995, p. 1281-1282). Для этого используют фуллерены С₆₀ с чистотой >99,5% (или коммерческие препараты, или полученные по методу Крэчмера).

Для специалиста в данной области очевидно, что используя метод, приведенный в вышеуказанной работе, можно получить водные молекулярно-коллоидные растворы любых фуллеренов.

При этом суть метода заключается в том, что под действием ультразвуковых воздействий осуществляется перевод фуллеренов из раствора их в органическом растворителе (несмешивающимся с водой) в водную среду. После этого водную среду, содержащую фуллерены, дополнительно подвергают фильтрации через микрофильтры ("Millipore", USA, размер пор 0,22 мкм и менее). Получают полностью прозрачный раствор коричневато-оранжевого цвета, но который опалесцирует в отраженном свете, что свидетельствует о коллоидных свойствах полученного раствора (с размером частиц менее 0,22 мкм).

В общем, применение ультразвуковой обработки способствует внедрению молекул фуллерена в промежутки между молекулами воды и формированию сферической сетки молекул воды вокруг молекул фуллерена. При этом молекулы фуллеренов связаны с атомами кислорода этих молекул воды посредством слабых донорно-акцепторных (с переносом заряда) связей, а при этом сами молекулы воды являются взаимосвязанными друг с другом за счет водородных связей.

Другими словами, образуется водный раствор гидратированных фуллеренов (1), в котором гидратированные фуллерены в зависимости от их концентрации способны самоассоциировать и образовывать сферические, фрактальные кластеры различного размера . Последние и обуславливают коллоидный характер C_NFWS.

Как было показано выше, коллоидные частицы в полученном растворе, C_NFWS, имеют только противоионы Н⁺. Для их замещения катионами металлов применяют метод титрования или метод катионного обмена на ионообменных смолах.

Пример 1. Метод титрования.

20 мл раствора C₆₀FWS, полученного в соответствии с вышеуказанной методикой, с концентрацией С₆₀=20•10^-6 М/л при тщательном перемешивании титруют, добавляя по каплям раствор, содержащий 10•10^-3 М/л NaOH. Таким образом, с учетом поправки расхода щелочи на титрование растворенной в воде угольной кислоты (вследствие растворения в воде атмосферного СО₂) получается раствор, содержащий супрамолекулярные комплексы (1), в которых часть противоинов Н⁺ замещена катионами натрия. Соотношение Na⁺/C₆₀=6-40.

Пример 2. Метод катионного обмена на ионообменных смолах.

Через колонку 4•0,5 см с катионитом Dowex 50•8 (2 г) в К⁺-форме пропускают 20 мл раствора C₆₀FWS, полученного в соответствии с вышеуказанной методикой и с концентрацией С₆₀=20•10^-6 М/л. Раствор, полученный на выходе из колонки, содержит (15-18)•10^-6 М/л С₆₀ в виде супрамолекулярных комплексов (1), в которых часть противоинов H⁺ замещена катионами калия. Соотношение К⁺/С₆₀=20-24. Точное значение этого соотношения контролируют методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, а в растворе, C₆₀FWS, концентрацию гидратированных С₆₀ измеряют с помощью УФ-спектрофотометрии при λ_max = 343 нм (ε= 68000 дм³моль^-1см^-1), где ε - коэффициент молярной экстинкции в законе Бугера-Ламберта-Берра. В соответствии с последним, как известно, оптическая плотность поглощения растворов линейно зависит от концентрации растворенного вещества. Значение этого коэффициента является величиной постоянной для каждой определенной длины волны, что позволяет определить точную концентрацию растворенного вещества, а в нашем случае - фуллеренов С₆₀.

Растворы, полученные по примерам 1 и 2, являются стабильными и не изменяют своих физико-химических свойств в течение трех лет и более.

Полученные таким образом растворы C₆₀FWS можно сконцентрировать путем испарения водной фазы до достижения конечной концентрации ионов металлов, которая не должна превышать порога коагуляции C₆₀FWS. В таблице приведены пороги коагуляции для различных ионов металлов.

Очевидно, что в соответствии с предложенным изобретением можно получать растворы (C_NFWS) любых фуллеренов (C_N), содержащие супрамолекулярные комплексы (1), в которых, по крайней мере, часть противоинов Н⁺ замещена как однозарядными, так и многозарядными ионами металлов. При условии, что концентрация этих ионов не будет превышать пороги коагуляции, указанные в таблице, то такие растворы будут стабильными и не будут менять своих физико-химических свойств в течение трех лет и более.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить водные молекулярно-коллоидные растворы гидратированных фуллеренов и их сферических фрактальных кластеров. Такие растворы стабильны в течение длительного времени и могут быть использованы в нанотехнологиях, фармацевтике, медицине, пищевой и косметической промышленности.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано в нанотехнологиях, фармацевтике, медицине, пищевой и косметической промышленности. Водные молекулярно-коллоидные растворы (C_NFWS) гидратированных фуллеренов содержат, в частности, их сферические фрактальные кластеры. При этом гидратированные фуллерены представляют собой супрамолекулярные комплекы с общей формулой CN@{ m(OH)^-nH₂О} ^m-. . .mH⁺, где N≥60; (m+n)≥20; m>1; n>1. В этих комплексах, по меньшей мере, часть противоинов H⁺ замещена ионами металлов, например, К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, La³⁺, Fe³⁺, Th⁴⁺. Концентрация ионов металлов не превышает порога коагуляции таких растворов. Растворы по изобретению можно получить титрованием растворов C₆₀FWS растворами щелочи, например NaOH, или методом катионного обмена на ионообменных смолах, пропуская растворы C₆₀FWS через колонку с катионитом в К⁺-форме. Растворы по изобретению являются стабильными и не изменяют своих физико-химических свойств в течение трех лет и более. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Водный молекулярно-коллоидный раствор, по меньшей мере, одного гидратированного фуллерена, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один гидратированный фуллерен представляет собой супрамолекулярный комплекс с общей формулой
C_N@{m(OH)^-•nН₂О}^m-...mH⁺,
где N ≥ 60; (m+n) ≥ 20; m> 1, n>1,
в котором, по меньшей мере, часть противоионов H⁺ замещена ионами металлов, причем замещена в такой степени, при которой концентрация ионов металлов в растворе такого комплекса не превышает порога коагуляции. 2. Раствор по п. 1, отличающийся тем, что содержит сферические фрактальные кластеры, по меньшей мере, одного гидратированного фуллерена. 3. Раствор по п.2, отличающийся тем, что размер сферических фрактальных кластеров составляет . 4. Раствор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве ионов металлов использованы ионы К⁺, и/или Na⁺, и/или Са²⁺, и/или Mg²⁺, и/или La³⁺, и/или Fe³⁺, и/или Th⁴⁺. 5. Раствор по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что максимальное содержание, по меньшей мере, одного фуллерена составляет 6•10^-3 М/л. 6. Раствор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что показатель кислотности рН в растворе составляет 4÷12.