Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системахНИР

Supercritical fluids in heterogeneous and spatially restricted systems

Соисполнители НИР

ИОНХ РАН Соисполнитель
ИПЛИТ РАН Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 15 сентября 2014 г.-31 декабря 2014 г. Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системах
Результаты этапа: 1. Разработаны методики экстракции эфирных масел из трёх эфироносов Крымской флоры - лаванды, полыни таврической и крымской розы. Показано, что рост давления экстракции во всех случаях приводит к увеличению массового выхода. Влияние температуры на массовый выход не столь однозначно. Для всех трёх видов сырья обнаруживалось т.н. явление кроссовера, характерное для сверхкритической флюидной экстракции - разнонаправленное влияние температуры при различных давлениях. Значения точек кроссовера для трёх исследованных объектов по предварительным данным, нуждающимся в верификации на материале урожаев других лет, лежат в диапазоне 250-350 бар. 2. Для крымской розы разработан способ онлайн СКФ фракционирования экстрактов методом двухступенчатого сброса давления. При проведении экстракции в условиях 350 бар, 40°С, M/m=30 и фракционировании в первом сепараторе в условиях 70 бар, 0°С - -10°С удаётся достичь остаточного содержания восков во втором сепараторе на уровне не больше 2% масс. 3. Показано, что наиболее технически эффективным дизайном установки для нестационарной экстракции является система с резким расширением в приёмный сосуд низкого давления с циклонной сепарацией.Сорбционное улавливание в нестационарной экстракции с резким расширением флюида показывает очень низкую эффективность. Сделан вывод, что комбинированный дизайн с использованием перепускного сосуда и циклонного сепаратора низкого давления обеспечит наибольшую универсальность в дальнейших исследованиях нестационарных процессов в сверхкритической флюидной экстракции. 4. Показано, что для сорбентов BEH, 2EP и Hypercarb значения дескрипторов Абрахама фактически не зависят от параметров состояния сверхкритической подвижной фазы. Следовательно, удерживание на этих сорбентах в основном определяется механизмами, не зависящими от плотности среды. Для сорбентов HSS C18 и PFP такой независимости не наблюдалось, для них характерны существенные изменения значений дескрипторов V (характеристический молекулярный объём) и E (поляризуемость, обусловленная вкладом пи-электроном и электронов неподелённых пар) при вариациях давления подвижной фазы. 5. Получены значения дескрипторов Абрахама для исследовавшихся хроматографических систем, которые оказались аналогичными полученным для схожих систем другими исследователями. Это подтверждает обоснованность выбранного нами набора тестовых соединений, определяющих точность установления ЛЗЭС параметров. 6. Показано, что, несмотря на наличие внутримолекулярной водородной связи в 2-метоксипроизводных фенола с участием фенольного протона, чётко фиксируемой как экспериментальными, так и расчётными данными,такие соединения могут участвовать в водородносвязных взаимодействиях с аминными сорбентами. Более того, именно эти взаимодействия по преимуществу обуславливают селективность аминных сорбентов по отношению к производным фенола. Наличие прочной водородной связи между фенолами как гваяколового (2-метоксизамещённые), так и сиреневого (2,6-диметоксизамещённые) рядов и аминными группами сорбентов регистрируется и в хроматографическом эксперименте, и в результатах NBO-анализа ab initio расчётов энергий димеризации фенольных соединений с пиридином. 7. Показано, что энергии димеризации фенольных кислот с пиридином по карбоксильной группе практически не зависит от структуры кислоты. При этом энергия димеризации по фенольной группе значительно варьируется в зависимости от наличия стерических препятствий - метоксильных групп. Их наличие понижает энергию взаимодействия на ~ 2.5 - 3 ккал/моль. 8. Обнаружено «двухточечное» водородносвязное взаимодействие пиридинов с карбокси-кислотами. Помимо очевидной сильной водородной связи O-H...N во всех испытанных системах обнаруживается также слабая водородная связь типа C-H...O альфа-протона пиридина с карбонильным кислородом карбоксильной группы. Димер при этом имеет плоскую конформацию, пиридин располагается в плоскости карбокси-группы кислоты.Сопоставление энергии такого комплекса с энергией комплекса перпендикулярной ориентации даёт оценку в энергию второй связи в ~ 2 ккал/моль. Это явление может быть релевантно для СФХна аминных сорбентах с различной стерической доступностью аминных групп. 9. Показано, что тейлинг (искажение формы хроматографического пика с уширением заднего фронта) карбоксильных кислот в СФХлегко подавляется введением сильной кислоты в состав элюента. Концентрации 10-20 мМ в модификаторе в случае трифторуксусной кислоты (ТФУ), как правило, бывает достаточно для полного подавления тейлинга одноосновных кислот. Тейлинг фенольных и полифенольных соединений не подавляется простым введением трифторуксусной кислоты в подвижную фазу. Полученные хроматографические данные свидетельствуют о том, что фенольные сорбаты взаимодействуют непосредственно с функциональными группами сорбентов по механизму сильной водородной связи, видимо, в режиме конкуренции с кислотным динамическим модификатором. 10. С использованием СК СО2 в качестве растворителя получены и охарактеризованы первые образцы олигомерных прекурсоров для лазерной стереолитографии дендримерного типа с метакрилоильными терминальными группами, пригодными для последующего фотохимического сшивания. 11. С целью разработки новых типов металлокомплексных катализаторов полимеризации сложных эфиров циклических соединений получены новые комплексы алюминия со связью CH3–Al или CH3О–Al: 2,6-С5Н3N(CH2–Z–O)2Al–X(Z = 1,1-циклогексилен, X= Me, X= OMe; Z = 2,2-адамантелен, X= Me). 12. Осуществлена реакция модификации концевых гидроксильных групп полилактида с м.м 18000 акрилатом этиленгликоля с использованием реакции уретанообразования через промежуточное образование изоцианатного производного акрилата этиленгликоля. Процесс проходит одностадийно без выделения промежуточного продукта. 13. Показано, что выход модифицированного акрилатом ПЛА увеличивался при у величении содержания диизоцианатного и акрилатного компонентов реакции (по отношению к полимеру). Показано, что модифицированный ПЛА способен к фотоотверждению с образованием прочной прозрачной полимерной пленки. 14. Разработан процесс микронизации гидроксипропилметилцеллюлозы методом сверхкритического антисольветного осаждения (SAS). Определено влияние различных параметров проведения процесса SAS,таких как тип растворителя, давление,концентрация полимера в растворе, соотношение скоростей потока раствора и сверхкритического СО2, на морфологию получаемых частиц. Показана возможность получения частиц гидроксипропилметилцеллюлозы сферической или эллиптической формы размером 190-620 нм в зависимости от выбора условий микронизации. 15. Изучено образование микрокапсул при импульсном расширении (длительность импульса 400 мкс)сверхзвуковой струи суспензии TiO2 в сверхкритическом растворе полиэтиленгликоля (PEG 8000) в CO2 в фоновый газ (He). Изучена зависимость размеров и состава микрокапсул от давления фонового газа (He) в камере напуска. Определены верхняя и нижняя границы интервала давлений фонового газа, в пределах которого образуются микрокапсулы с относительно высоким содержанием наночастиц . 16. Разработан двухступенчатый скрининг сокристаллов фармацевтического назначения, основанный на использовании метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и рентгеноструктурного анализа.Предложенный алгоритм отработан для модельных систем и для сокристаллов арбидола. Проведена оценка преимуществ каждой из методик, включенных в скрининговую схему. Продемонстрированы положительные стороны ДСК скрининга по сравнению с другими методиками, которые заключаются в том, что получение сокристалла из физической смеси происходит непосредственно в ходе эксперимента, а тепловые эффекты дают возможность делать вывод о наличии его получения. 17. Для устранения неоднозначности трактовок результата для соединений с близкими значениями температур плавления была введена вторая ступень скрининга, связанная с использованием рентгеноструктурного анализа. Предложенный алгоритм продемонстрировал высокую эффективность поиска новых сокристаллов при небольших затратах вещества и разумных временах проведения экспериментов. Это дает возможность уже на этапе ДСК анализа физических смесей отсеивать неблагоприятные конформеры и значительно ускорять процедуру комплексного скрининга. 18. В результате осуществленного ДСК скрининга сокристаллов арбидола обнаружилось, что для всех двойных систем в случае образования нового соединения (сокристалла или соли) наблюдается характерный экзоэффект 19. С помощью технологии СКФ пластификации с последующим сбросом давления сформированы биорезорбируемые полимерные скаффолды из полилактида и их композита с ПЭГом и или солютолом с пористостью 75-85 % для использования в составе тканеинженерных конструкций. 20. Получены образцы аэрогелей на основе SiO2, метилтриметоксисилана, TiO2, ZrO2 и Al2O3 с использованием различных растворителей в качестве среды для гелирования и сверхкритической среды (СКФ)для высушиваняи гелей. 21. Показано, что растворитель, применяемый как среда при гелировании, и растворитель, используемый в качестве сверхкритической среды (СКФ) для получения аэрогелей, самым существенным образом сказывается на текстурных свойствах аэрогелей – удельной площади поверхности, пористости и др. 22. Обнаружено, что при использовании полифторированных спиртов в качестве СКФ поверхность аэрогелей покрыта гидрофобными полифторалкокси-группами. Например, поверхность АГ SiO2, TiO2, ZrO2 и Al2O3,полученных в трифторэтаноле и гексафторизопропаноле, покрыта группами CF3CH2-O- и (CF3)2CH-Oсоответственно. 23. Исследованы особенности люминесценции мелкодисперсных композитов на основе квантовых точек CdSe,внедренных в порошкообразный полиэтилен низкой плотности и политетрафторэтилен с помощью сверхкритического диоксида углерода и показано роль фотоокислительными процессами на ядрах CdSe в наблюдаемых изменениях спектра флуоресценции 24. Методом СКФ импрегнации получены образцы аэрогелей из диоксида кремния с внедренными молекулами -дикетонатов серебра и европия. Импрегнация аэрогеля молекулами Eu(tta)3 придает ему фотолюминесцентные свойства, а импрегнация аэрогеля молекулами AgFOD и последующее лазерное облучение вызывают процесс формирования наночастиц серебра в матрице аэрогеля в результате фотолиза AgFOD и последующей диффузионной самосборки а также формирование структур из наночастиц серебра, вызванное эффектами самоорганизации. 25. Разработан метод оптического иммерсирования случайно-неоднородных сред с пористой структурой с использованием СКФ как иммерсионного агента с плавно изменяемым показателем преломления. 26. Экспериментально изучен процесс разделения термодиффузионной колонной модельной смеси диоксида углерода и гексафторэтана в широком диапазоне давлений и температур. и показано, что при переводе разделяемой смеси в сверхкритическое состояние степень разделения значительно возрастает по сравнению с газовой фазой. 27. Исследования фемтосекундная динамика водного коллоида Au при фемтосекундном лазерном возбуждение и выявлена зависимость динамики такого коллоида от энергии возбуждения. На кинетических кривых наблюдаются осцилляции, связанные с возбуждением когерентного колебательного волнового пакета, а также режимы, обусловленные термализацией неравновесного электрона, разогревом электронного газа. Дана оценка оценка толщины разогретого слоя воды dheat ~ 1,7 – 2 нм, и оценка температуры золотой наночастицы при плотностях энергии 2.3 и 4.6 мДж/см2 - 487 и 674 K соответственно, что существенно превышает критическую температуру воды. 28. Разработан программный пакет для расчета свободной энергии сольватации фармацевтических соединений в сверхкритических флюидах. 29. Получена зависимость свободной энергии сольватации от конформации ряда фармацевтических соединений( парацетамол, ибупрофен, дифлюнисал) и параметров состояния сверхкритического диоксида углерода. 30. Разработана теоретическая модель сольватации сольвофобных полимеров в СКФ. Получена система уравнений для вычисления радиуса гирации сольвофобного полимера и средней плотности СКФ в пределах гирационного объема в зависимости от параметров состояния СКФ. На основе полученной системы уравнений,проведен расчет свободной энергии сольватации полимера в зависимости от параметров состояния СКФ как разность термодинамических потенциалов полимера в растворе и в газовой фазе. 31. На основе теории функционала плотности (гибридный функционал pbe0) рассчитаны геометрические параметры прекурсора AgFOD (длины связей, углы), а также строение молекулярных орбиталей. Методом натуральных связевых орбиталей оценены заряды на атомах.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системах
Результаты этапа: 1. Получение кинетических кривых СФЭ эфироносов Крымской флоры. - Изучены кинетические закономерности сверхкритической флюидной экстракции для крымской лаванды (Lavandula officinalis) и облепихи (Hippophaе rhamnoides L). С использованием метода га зовая хроматография/масс-cпектрометрия (ГХ-МС) проведен анализ фракций, отбиравшихся на разных участках кинетической кривой экстракции лаванды, показано, что и терпеновые, и восковые компоненты извлекаются на протяжении всей экстракции. Соответственно, получение экстракта, обогащённого по целевым терпеновым компонентам, путём оптимизации времени экстракции, невозможно. Также методом ГХ-МС обнаружено, что извлечение восков из лаванды идёт в том числе и при низких давлениях экстракции (120 бар), а получение безвоскового экстракта путём оптимизации давления экстракции невозможно. Фракционирование восковых и терпеновых компонентов ступенчатым сбросом давления после экстракции возможно, но требует больших затрат энергии на охлаждение первого сепаратора, в котором осаждаются воска, и рециркуляции СО2 при низком давлении (< 20 бар) после осаждения во втором сепараторе. На уровне демонстрации концепта показано, что альтернативными путями для получения безвосковых экстрактов лаванды могут быть винтеризация восков из этанольного раствора экстракта либо селективная сорбция восков на сорбент с алкильными функциональными группами. - Проведены испытания различных режимов нестационарной сверхкритической флюидной экстракции древесины лиственницы Larix sibirica с целью получения дигидрокверцетина. Установлено, что ни в одном из режимов в экстрактах не обнаружено значительных количеств дигидрокверцетина. Даже применение дрейфовых эффектов не позволяет экстрагировать дигидрокверцетин без сорастворителей, по существу, единственный найденный способ извлечения этого вещества из древесины методом сверхкритической флюидной экстракции - использование больших долей водно-спиртовых сорастворителей. 2. Разработка методик разделения смесей летучих веществ в СФХ. - Разработана методика разделения низших алифатических спиртов (С1 - С4), включая все изомеры, методом сверхкритической флюидной хроматографии (СФХ) на углеродном сорбенте с использованием чистого СО2 в качестве элюента. По мере увеличения молекулярной массы времена удерживания спиртов растут. Для структурных изомеров спиртов время удерживания падает по мере роста разветвлённости структуры. Так, для бутанолов наблюдается следующий порядок элюирования: трет- < -изо < втор- < норм-. - Разработана методика разделения алкилпроизводных бензола методом СФХ на углеродном сорбенте с использованием чистого СО2 в качестве элюента. Обнаружено, что разделение параи мета-диметилбензолов обусловлено исключительно энтропийным фактором, энтальпии сорбции этих веществ на углероде в условиях СФХ равны. - Разработано несколько методик разделения 5 позиционных изомеров дихлоранилина методом СФХ. Обнаружено, что порядок элюирования этих веществ не зависит от типа используемого сорбента, что предположительно объясняется сонаправленностью векторов дипольных моментов этих молекул и линии, вдоль которой возможно осуществление водородной связи анилиновой аминной группы с донорами протонов. 3. Характеризация полученных биорезорбируемых полимеров и оптимизация процессов их СКФ модификации и синтеза. - Продолжены исследования по созданию масштабируемой технологии синтеза биоразлагаемых полимеров в условиях, отвечающих требованиям «зеленой химии». В полимеризацию вводили капролактон, процесс активировали октаноатом олова (II) и осуществляли его в среде суб- и сверхкритического CO2 (а также и в отсутствие CO2). Наиболее привлекателен синтез полимеров дендримерного строения, поэтому использовался пентаэритрит, порождающий из одного центра четыре ветви полимера. Показано, что рост цепей происходит неравномерно. Степень этерификации пентаэритрита (x) в зависимости от условий варьируется от 0.3 до 0.75, т.е. в среднем в процессе полимеризации задействованы максимум 3 спиртовые группы из 4-х. Наилучший результат получен в системе: лактон/пентаэритрит/Sn(Oct)2/CH2Cl2 =20 (2 г) / 1 / 0.3 / 10 мл; Средняя длина цепей n = 7.2, x = 0.74. Увеличение доли октанооата олова в реакционной смеси до соотношения лактон/пентаэритрит/Sn(Oct)2 = 20 / 1 / 4 не привело к увеличению степени этерификации (x = 0.63). - Изучен процесс селективного алкилирования по Гофману диаминов, содержащих одновременно алкил- и ариламиногруппы в присутствии диоксида углерода. Поскольку наиболее реакционноспособная алкиламиногруппа в этих условиях оказывается связанной в карбаминовое производное (карбамат аммония), то алкилирование протекает практически нацело по ариламиногруппе с образованием двойной аммониевой соли. Изучены реакции алкилирования иодистым метилом как модельных смесей аминов (о-толуидин + изопропиламин, о-толуидин + бензиламин), так и диаминов o-H2N(C6H4)CH2NH2 и m- H2N(C6H4)CH(CH3)NH2. Ключевым условием, необходимым на этой стадии, является невозможность образования арилтриалкильного производного o-H3C(C6H4)NMe3+I-. Для m-толуидина и mH2N(C6H4)CH(CH3)NH2 это условие в реакции с MeI не выполняется, и по окончании процесса получается смесь продуктов. Обойти это можно путем увеличения объема заместителя в алкилирующем агенте. Так, реакция EtBr с m-толуидином дает смесь трех нужных солей, однако протекает на порядок медленнее, чем с MeI. - Осуществлен одностадийный синтез акрилатных производных полилактида (ПЛА), способных к дальнейшей полимеризации и получению сшитых полимерных материалов, пригодных для создания биорезорбруемых матриц-носителей для тканевой инженерии. Реакцию проводили этерификацией концевых гидроксильных и карбоксильных групп. В первом случае использовали хл орангидрид акриловой кислоты и проводили процесс в хлористом метилене, модификацию карбоксильных групп проводили по методу равновесной конденсации с использованием моноакрилата этиленгликоля в присутствии п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора в растворе толуола. Оказалось, что наиболее эффективно протекает процесс этерификации карбоксильных групп полилактида с выходом целевого продукта (акрилатного производного полилактида) ~ 45-48%. После осуществления фотополимеризации ПЛА, содержащего акрилатные группы, введенные по реакции уретанообразования (получены на первом этапе выполнения проекта) и этерификацией карбоксильных групп методом равновесной конденсации с использованием моноакрилата этиленгликоля, оказалось, что ПЛА, модифицированный изоцианатным методом, образует при отверждении сшитую систему с хорошими механическими характеристиками. В тоже время этерифицированный ПЛА, очевидно, при фотополимеризации образует только разветвленный сополимер. 4. Получение микрочастиц СКФ методами и их физико-химичеcкая характеризация - Проведено исследование процесса сверхкритической флюидной инкапсуляции фа рмацевтической субстанции рисперидона в биорезорбируемые микрочастицы D,Lполилактидов методом PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions - получение частиц из насыщенных газами растворов). Экспериментально обнаружен и доказан факт заметной растворимости исходной субстанции рисперидона в алифатических полиэфирах пластифицированных сверхкритическим диоксидом углерода, что позволило реализовать возможность получения полимерных структур различной дисперсности (~10÷100 мкм) и морфологии, содержащих до 40 масс.% рисперидона без использования органических растворителей. Методом УФ-спектрофотометрии изучена кинетика высвобождения рисперидона из полимерных микрочастиц в физиологическом растворе. Показано, что используя D,Lполилактиды различной молекулярной массы, можно контролируемым образом пролонгировать время выхода рисперидона из биорезорбируемых полимерных частиц, полученных методом PGSS, вплоть до 10 суток. - Изучены особенности трансформации полиморфных форм рисперидона в результате его микронизации и инкапсуляции в алифатические полиэфиры (полилактид и полилактогликолид) с помощью сверхкритического диоксида углерода. Показано, что при микронизации рисперидона (первоначально находящегося в форме А) методами RESS и SAS рисперидон приобретает менее термодинамически стабильную полиморфную форму - В. При СКФ инкапсуляции этих микронизированных образцов в полилактиды и полилактогликолиды методом PGSS и методом монолитизации с последующим криоизмельчением (МПК) рисперидон опять приобретает исходную форму А с небольшой примесью формы В. В то же время при микронизации методом криоизмельчения исходного рисперидона (в полиморфной форме А) и дальнейшей инкапсуляции этих микронизированных образцов методами PGSS и МПК в полилактиды или полилактогликолиды не происходит какого-либо изменения полиморфного состояния рисперидона, и он всегда остается в исходной форме А. - Проведен направленный поиск (скрининг) многокомпонентных кристаллических форм (сокристаллов/солей) Арбидола с различными органическими кислотами (алифатические моно- и дикарбоновые кислоты, ароматические карбоновые кислоты). При скрининге использовалась вариация стехиометрических составов и различных способов приготовления сокристаллов/кандидатов (сухой перемол, перемол с добавлением растворителя, кристаллизация из растворителя). В результате скрининга были идентифицировано 6 новых многокомпонентных кристаллов Арбидола с малеиновой, фумаровой, янтарной, бензойной и салициловой кислотами, а также кристаллосольват салицилата арбидола с ацетонитриллом. Для всех указанных кристаллических форм были получены монокристаллы и проведены рентгеноструктурные эксперименты с полной расшифровкой их кристаллических структур. - Методом функционала плотности получены конформационные профили вращения для наиболее подвижных торсионных углов молекулы арбидола. Проведен анализ водородных связей в многокомпонентных кристаллах Арбидола с малеиновой, фумаровой, янтарной, бензойной и салициловой кислотами, а также кристаллосольват салицилата арбидола с ацетонитриллом. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа изучены процессы плавления и десольватации многокомпонентных кристаллов Арбидола. Определены температуры и энтальпии плавления, а также термодинамические характеристики связывания молекул растворителя с кристаллическим окружением в различных кристаллосольватах солей Арбидола. Методом калориметрии растворения получены термодинамические параметры процесса растворения и рассчитаны энтальпии образования многокомпонентных кристаллов Арбидола при 298K. Получены профили растворения многокомпонентных кристаллов Арбидола в буферных растворах с физиологическими значениями pH (1.2 и 6.8). Установлено, что при растворении солей в среде с pH 1.2 концентрация арбидола в растворе превышает растворимость коммерческой формы соединения (арбидола гидрохлорид моногидрат) в 3 раза. В буферном растворе с pH 6.8 все соли показывают незначительное ул учшение растворимости вследствие их низкой стабильности. Методом изотермического насыщения получены зависимости растворимости Арбидола в буфных растворах с рН 2.0, рН 7.4, н-гексане и 1-октаноле в интервале температур 293 – 313 К. Рассчитаны термодинамические фу нкции растворения Арбидола в указанных растворителях (энтальпия, энтропия, энергия Гиббса). Методом изотермического насыщения определены коэффициенты распределения Ар бидола в модельных системах буферный раствор pH 2.0 / н-октанол и буферный раствор pH 7.4 / н-октанол при 298K. 5. СКФ формирование и физико-химическая характеризация пористых материалов - Получены аэрогели (АГ) на основе SiO2 в метилтриметоксисилане (МТФП) и показано, что по своим свойствам они отличаются от ранее полученных АГ в гексафторацетоне (ГФА). Оказалось, что если при получении в ГФА и МТФП свойства аэрогелей из SiO2 практически не меняются, то аэрогель с метильным заместителем при кремнии имеет в МТФП в три раза меньшую площадь поверхности по сравнению с АГ, полученным в ГФА. При использовании ГФА в качестве растворителя для получения АГ на основе CF3CONH(CH2)3Si= получаются прозрачные гидрофобные образцы из SiO2 , CH3SiOR3, трифторацетат CF3CONH(CH2)3 с удельной поверхностью от 150 до 900 м2/г. При исследовании гидрофобности полученных образцов найдено, что АГ MeSi(O-)3, синтезированные в ГФА и МТФП, имеют контактный угол смачивания 142° и 135°, соответственно, т.е. являются гидрофобными. - Получены АГ на основе TiO2 с использованием МТФП и ГФА. Аэрогели представляют собой рассыпающиеся материалы, получить монолитные образцы не удалось. По данным EDX и элементного анализа образцы АГ TiO2 содержат фтор. Получить АГ на основе Al2O3 не представилось возможным из-за нерастворимости исходных солей алюминия в МТФП. Таким образом, МТФП отличается от ГФА при получении аэрогелей и может быть использован для модификации текстурных свойств АГ и введения атомов фтора в АГ матрицу. - Проведен синтез органических резорцин-формальдегидных аэрогелей (РФ АГ) в присутствии МТ ФП, а также их характеризация. Исследования показали, что МТФП алкилирует ароматическое кольцо с образованием фторсодержащих циклических структур бензофуранового типа. Получены образцы РФ АГ с содержанием фтора 0.6-4.0%, удельной площадью поверхности 5-400 м2/г и плотностью 0.2-0.6 г/см3. По нашим данным, это первый пример модификации и свойств РФ АГ методами органической химии. - Методом СКФ порообразования получены пористые сополимеры лактида и e-капролактона. Процесс вспенивания в среде СК СО2 осуществляли с помощью СКФ мини-лаборатории. Использовали СКФ реактор высокого давления, в который напускали СО2 до давления 14 МПа, после чего включали нагрев реактора и повышали температуру до 40° С. По мере нагрева реактора давление увеличивалось и достигало 22 МПа. Процесс пластификации полимера проводили в течение 2 часов, после чего нагреватель выключали и производили снижение давления до атмосферного с помощью вентиля, оснащенного игольчатым натекателем, обеспечивающим постоянную скорость сброса диоксида углерода из реактора. Такой подход обеспечивал равномерный сброс давления и воспроизводимость получаемых структур. Вспененные образцы извлекали из реактора и хранили в эксикаторе при температуре +3оС. Методом вспенивания в среде сверхкритического диоксида углерода сформированы пористые структуры. Показано, что с увеличением процентного содержания e-капролактона размер пор уменьшается, а степень пористости всего образца не изменяется. Показано, что при введении в исходную смесь 7 масс. % полиэтиленгликоля размер формируемых пор снижается, а модуль Юнга сформированных пористых материалов снижается как по мере увеличения содержания капралактона, так и при введении полиэтиленгликоля. 6. СКФ формирование и характеризация нанокомпозитных и структурированных материалов - На основе гибридных наночастиц Si/SiOx получены фотолюминесцирующие полимерные нанокомкомпозиты с использованием двух типов полимеров - политетрафторэтилена (ПТФЭ) и полибутилметакрилата (ПБМА). Для получения нанокомпозитов нчSi/SiOx/ПТФЭ использовали микродисперсный порошок ПТФЭ (Флуралит синтез, Россия) с размером частиц 1-2 мкм и долей аморфной фазы 90-95 масс % [25]. Внедрение нчSi/SiOx в микрочастицы ПТФЭ осуществляли с использованием ранее разработанного нами метода дрейфового внедрения наночастиц в полимер с помощью сверхкритического флюидного (СКФ) коллоида. Процесс получения нанокомпозитов нчSi/SiOx/ПТФЭ осуществляли в СКФ реакторе, соединенном с СКФ минилабораторией, в который вместе с порошком ПТФЭ (в количестве 150-200мг) вводили 100-200 мкл раствора нчSi/SiOx, покрытых оболочкой, сформированной 1-октадеценом, в толуоле. После этого СКФ реактор наполняли диоксидом углерода, который путем регулировки давления и температуры в реакторе переводили в сверхкритическую область (Т > 32C, P > 70 бар) и выдерживали в замкнутом реакторе в течение нескольких часов. В процессе дрейфового внедрения нчSi/SiOx в микрочастицы ПТФЭ с помощью СКФ наноколлоида и формировались композитные микрочастицы нчSi/SiOx/ПТФЭ. Для удаления нчSi/SiOx с поверхности микрочастиц ПТФЭ применяли промывку полученного порошка в гексане. Для получения нанокомпозитов нчSi/SiOx/ПБМА в раствор толуола с наночастицами Si/SiOx добавляли к бутилметакрилату, затем вводили инициатор (перекись дикумила) и проводили радикальную полимеризацию в запаянной стеклянной ампуле при 120С. Благодаря наличию на поверхности наночастиц большого количества Si-H групп, часть частиц присоединяется к цепям растущего полимера по механизму гидросилилирования. Непришитые частицы удаляли из полученного нанокомпозита нчSi/SiOx/ПБМА многократным растворением его в дихлорметане и осаждением гексаном. Из полученного образца толщиной не более 0.5мм получали пленку путем ее формования в чашке Петри из жидкого композита при растворении в дихлорметане.Полученные фотолюминесцирующие полимерные композиты в виде микродисперсных частиц ПТФЭ и пленок ПБМА были охарактеризованы спектроскопически. - Для исследования процессов импрегнации поликарбоната на основе бисфенола А (ПК), полиэтиленоксида (ПЭО) и сшитого сополимера акриловой кислоты и акриламида (ПАА) органическими молекулами в среде суб- и сверхкритического СО2 применен метод спиновых зондов. Методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) показано, что парамагнитные молекулы 2,2,6,6-тетраметил-4-оксо-пиперидин-1-оксила (ТЕМПОН) при 196 бар и 307 К внедряются в матрицы ПК и ПЭО, находящиеся при нормальных условиях в стеклообразном и высокоэластичном состоянии соответственно. Степень импрегнации ПАА в этих условиях незначительна. Показано, что локальная концентрация молекул зонда в полимерах намного выше среднего значения, рассчитанного как общее количество молекул зонда, деленное на объем полимера. Температурная зависимость спектров ЭПР полученных композитов демонстрирует, что в одинаковых условиях подвижность молекул ТЕМПОН в ПЭО много выше, чем в ПК. Полученные результаты подтверждают перспективность использования метода спиновых зондов для исследования закономерностей макро- и микропроцессов в тройных системах полимер - сверхкритический флюидный растворитель - органическая молекула. 7. Лазерное возбуждение и диагностика гетерофазных сред на основе СКФ - Изучены особенности нелинейно-оптических процессов (фазовая самомодуляция, генерация суперконтинуума и филаментация), имеющих место при взаимодействии мощного фе мтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазонов с ксеноном и диоксидом углерода при высоких плотностях газов и в СКФ условиях. Обнаружено формирование мультиоктавного суперконтинуума оптического излучения, возникающего при филаментации в СКФ мощного фе мтосекундного лазерного излучения. При мощностях лазерных импульсов, существенно превышающих критическую мощность самофокусировки, достигнута генерация суперконтинуума шириной в три с половиной октавы (от 350 до 2000нм) в сверхкритическом ксеноне. В молекулярном сверхкритическом диоксиде углерода красное крыло суперконтинуума простирается в виде плато от 1400 до 1900 нм при практически полном к ослаблении синего крыла в спектре. - Предложен новый подход к иммерсированию пористых сред на основе консолидированных и неконсолидированных ансамблей микро-и наночастиц, предполагающий применение в качестве иммерсионного агента сверхкритического флюида (СКФ). При этом контролируемые изменения показателя преломления матричной среды (СКФ) осуществляются путем изменения плотности фл юида при изотермическом изменении давления. Представлены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих возможности управления оптическими транспортными параметрами (в частности, значением транспортного коэффициента рассеяния) пористых систем на основе полимерных волокон, насыщаемых двуокисью углерода в различных фа зовых состояниях (газообразном, жидком и сверхкритическом). Возрастание давления насыщающей среды приводит к росту ее показателя преломления и, соответственно, к увеличению коэффициента диффузного пропускания системы вследствие убывания транспортного коэффициента рассеяния. Показано, что для субкритической насыщающей двуокиси углерода малоугловое диффузное пропускание зондируемых пористых слоев при значениях давления, близких к величине давления насыщенного пара, контролируется эффектом капиллярной конденсации в порах. Рассмотрен иммерсионный эффект в системах «пористая среда – сверхкритический флюид» при использовании давления флюида в качестве управляющего параметра. Представлены результаты восстановления значений транспортного коэффициента рассеяния зондируемых слоев в зависимости от показателя преломления насыщающего флюида. - Изучена динамка фемтосекундного лазерного возбуждения наночастиц Au в водном коллоиде, вызывающего формирование сверхкритической воды в тонком слое вокруг наночастицы. Несущая длина волны возбуждающего импульса - 590 нм, а длительность - 25 фс. Энергия возбуждающего импульса изменялась в широком диапазоне от 65 до 1040 нДж. При низкой плотности энергии лазерного возбуждения (0,14 мДж/см2) наблюдается характерный дифференциальный спектр наночастиц Au в водном коллоиде, который определяется уширением и сдвигом полосы плазмонного резонанса вследствие разогрева электронного газа и изменения заселенности вблизи уровня Ферми, что приводит к увеличению вероятности перехода 5d – 6sp в золоте. Дифференциальные спектры имеют полосу выцветания вблизи 530 нм (плазмонный пик наночастиц Au) и полосу поглощения на 475 нм (5d-6sp переход), который проявляется по мере того, как из-за разогрева электронного газа заселенность вблизи поверхности Ферми обедняется. При достаточно высокой плотности энергии лазерного возбуждения (4,6 мДж/см2), дифференциальный сигнал не исчезает к 500 пс, как в случае низкой энергии возбуждения. Полоса поглощения на 475 нм после 10 пс переходит в отрицательные значения. при временных задержках более 20 пс кинетические кривые демонстрируют сигнал выцветания, что мы связываем с процессом травления наночастицы нанослоем сверхкритической воды. 8. Теоретическое и математическое моделирование - Проведена разработка теоретической модели полимерной цепи в сверхкритическом флюиде в окрестности критической точки перехода жидкость-газ, основанная на теории самосогласованного поля. Получено выражение для термодинамического потенциала бесконечно разбавленного раствора полимера как функции радиуса инерции полимера и числа молекул СКФ внутри объема, занимаемого полимером. Варьируя параметр межмолекулярного притяжения мономерное звено - молекула сверхкритического флюида, получено два качественно различных режима поведения радиуса инерции полимера при приближении к критической точке жидкость-газ вдоль критической изохоры. В случае достаточно слабого притяжения полимер-СКФ по мере приближения к критической точке, полимерная цепь претерпевает переход клубок-глобула, принимая максимально плотную упаковку, вытесняя полностью растворитель из полимерного объема. Однако в случае сильного притяжения при приближении к критической точке вдоль критической изохоры происходит очень сильное расширение полимерной цепи. Показано, что вышеуказанное расширение полимера в окрестности критической точки обусловлено наличием околокритических фл уктуаций плотности СКФ. - Рассчитаны значения g-тензора и тензора сверхтонкого взаимодействия, а также тензора инерции молекул спинового зонда ТЕМПОН для построения моделей анизотропного вращения зонда в полимерах и аэрогелях, получаемых в СКФ.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системах
Результаты этапа: - Разработан способ получения экстрактов эфирномасличных растений, очищенных от парафинов, путём онлайн-сочетания сверхкритической флюидной экстракции и избирательной сорбции из сверхкритического раствора. Ключевым фактором оптимизации методики является раздельный контроль давления и температуры экстракционного и сорбционного блоков. - Определено влияние типов сорастворителей и динамических модификаторов на селективность разделения изомерных соединений в сверхкритической флюидной хроматографии. Показано, что основным механизмом влияния состава подвижной фазы на селективность является адсорбция компонентов подвижной фазы на неподвижной, которая приводит к подавлению или активации различных вкладов в удерживание анализируемых веществ. - Впервые проведена реакция метакрилирования полилактида по концевым гидроксильным группам в среде сверхкритического диоксида углерода. - Показано, что по глубине протекания реакции метакрилирования и комплексу физико-механических свойств получаемых модифицированных полилактидов синтез непредлельных производных полилактидов изоцианатным методом в среде сверхкритического диоксида углерода более предпочтителен, чем аналогичная реакция в органическом растворителе. - Изучено влияние типа растворителя, концентрации, давления и скоростей потоков на морфологию и размер кристаллов низкомолекулярных соединений, получаемых методом сверхкритического антисольветного осаждения. Морфология частиц определяется сочетанием гидродинамических и термодинамических параметров смешения потоков раствора и антирастворителя. Средний размер частиц задаётся локальной степенью переыщения раствора при смешении. - Разработана методика получения аэрогелей, как перспективных катализаторов, содержащих в каркасе атом серебра, связанный с аминогруппой. Установлены структурные параметры полученных аэрогелей (плотность, пористость, удельная площадь поверхности. Показано, что сверхкритический растворитель влияет на величину удельной площади поверхности полученных аэрогелей. - Показано, что метод СКФ порообразования позволяет, варьируя состав сополимеров и используя нетоксичные пластифицирующие добавки, получать биосовместимые пористые матриксы с регулируемыми составом, морфологией и скоростью резорбции, что очень важно для применения пористых матриксов различных областях тканевой инженерии и регенеративной медицины. - Показано, что эффективное СКФ удаление адсорбированного на кантилевере молекул и восстановление функциональной активности, возможно и при биологических загрязнениях, без использования дополнительных сорастворителей. Методами КР спектроскопии и элементного анализа показано, что загрязнение эффективно наносится на поверхность кантилевера, удаляясь после выдерживания в среде скСО2. При этом происходит полное восстановление функциональной активности кантилевера. - Метод ЭПР применен для установления закономерностей процессов СКФ импрегнации полимеров, в том числе поликарбоната на основе бисфенола А и D,L-полилактида, спиновыми зондами -компактным радикалом 2,2,6,6-тетраметил-4-оксо-пиперидин-1-оксил (ТЕМПОН) и спин-меченым дигидрокверцетином (линейно-вытянутая молекула). Получены зависимости средней и локальной концентрации зондов в полимерах от условий импрегнации. Оценены характеристики вращательного движения ТЕМПОН молекул в матрицах поликарбоната и D,L-полилактида после СКФ импрегнации, и обнаружено, что вращение радикала анизотропно и не определяется его инерционными свойствами. - В среде сверхкритического диоксида углерода осуществлена импрегнация полимерных сеток ацетилацетонатом родия и платины и определены ее оптимальные условия. Восстановлением иммобилизованных прекурсоров молекулярным водородом получены образцы полимеров, включающих наноразмерные частицы металла. Показано, что полученные образцы проявляют исключительно высокую активность в качестве катализаторов гидрирования непредельных соединений. - Изучены особенности и определены механизмы процессов травления и формирования микро-кратеров в оптической пластине из силикатного стекла при быстром нагреве сильно-поглощающего водного раствора на границе вода/стекло мощными сфокусированными лазерными импульсами длительностью 5 нс, частотой повторения 1 кГц в широком диапазоне плотностей энергии Ф от 4 до 103 Дж/см2. Установлено существование двух различных механизмов лазерного формирования микро-кратеров: химическое травление сверхкритической водой (СКВ) и лазерно-индуцированная кавитация. - Разработана теоретическая модель, алгоритм расчета и специальное программное обеспечение для моделирования переноса излучения в коллоидных СКФ системах и пористых средах. Проведена экспериментальная верификация разработанной модели. - На основе теории функционала плотности проведены расчеты геометрических параметров нитроксильного радикала ТЕМПО (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил-оксил), простейших моделей D.L-полилактида – мономеров и димера, а также их комплексов с молекулой зонда и оценены энергии образования таких комплексов. Квантово-химические расчеты показывают, что атом кислорода зонда и атом водорода карбоксильной концевой группы полилактида образуют сильную водородную связь, чем может быть обусловлена заторможенная подвижность зонда в полимере. - Построена теория «со-нерастворимости», которая описывает фазовый переход клубок – глобула полимерной цепи при определенной концентрации хорошего сорастсворителя. Предложенная теория хорошо согласуется с результатами эксперимента.
4 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системах
Результаты этапа: Исследовано влияние состава подвижной фазы (типа основного компонента подвижной фазы, типа и концентрации сорастворителя) на порядок элюирования, селективность разделения, коэффициенты удерживания для смесей метоксипсораленов, дихлоранилинов, дихлорбензолов, энантиомеров циклопалладата Е-оксима фенилвторбутилкетона и энантиомеров сульфата сальбутамола, а также на коэффициенты асимметрии пиков сульфата сальбутамола и дихлорбензолов в сверхкритической флюидной хроматографии. Ахиральные разделения выполнены на силикагелевых сорбентах с пиколиламинными, диэтиламинными, диольными и аминоантраценовыми и октадецильными функциональными группами. Дополнительные опыты по разделению позиционных изомеров дихлоранилинов, а также триглицеридов растительных масел выполнены с использованием силикагелевого сорбента с привитыми триаконтильными группами. Хиральные разделения выполнены на сорбентах на основе различных метилфенил- и хлорметилфенилкарбаматов амилозы и целлюлозы. Испытана применимость метода быстрого расширения сверхкритических суспензий для эксфолиации слоистых неорганических соединений на примере терморасширенного графита, нитрида бора, дисульфида молибдена, а также гидроксонитрата иттрия (III), интеркалированного додецилсульфат-анионами. Исследовано влияние давления (100-300 бар), температуры (40 - 75°С) на степень расширения межслоевого расстояния, а также лёгкость последующей эксфолиации слоистых соединений в органических растворителях. Исследовано влияние типа флюида (CO2, N2, CHF3), давления (75 - 300 бар) и температуры (40 - 75°С) на степень диспергирования одностенных углеродных нанотрубок. Протестирована возможность использования ПАВ (Тритон Х-100, Tween 80) для стабилизации порошкового материала, диспергированного методом быстрого расширения сверхкритических суспензий, при хранении. Метод ЭПР был применен для установления закономерностей процессов формирования и контроля строения вспененных биоразлагаемых полимерных матриксов и пленок с использованием скСО2.на основе D,L-полилактида (PDLLA) с одновременной импрегнацией парамагнитным биологически активным веществом 4-гидроксо-2,2,6,6-тетраметил-пиперидин-1-оксилом (ТЕМПОЛ). Пористые матриксы были приготовлены путем вспенивания PDLLA, выдержанного в скСО2 в присутствии ТЕМПОЛ при 313К в интервале давлений 160-220-бар в течение 2-10 часов. Пленки толщиной 200 мкм были приготовлены путем измельчения пористых матриксов и прессования полученного порошка при 333К. Для сравнения была приготовлена пленка PDLLA толщиной 100 мкм, в которую TEMPOL был введен из раствора в ацетонитриле. Методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) оценен размер пор в полученных матриксах. Проницаемость пор определяли путем пропитки раствором красителя в течение суток. Макроскопическое распределение парамагнитного допанта по объему матриксов контролировали методом ЭПР. Зарегистрированы температурные зависимости спектров ЭПР полимерных образцов в интервале 295К-390К и при 90К. Проведено компьютерное моделирование спектров для определения параметров Спин-Гамильтониана, характеристик вращательной подвижности, а также для оценки диполь-дипольного взаимодействия радикалов, которое характеризует микроскопическое распределение молекул спинового зонда. В рамках работы по молекулярно-динамическому моделированию процессов набухания PDLLA и его импрегнации в скCO2 нитроксильными зондами было использовано силовое поле OPLS для проведения глобальной оптимизации и симулированного отжига исходных ячеек полилактида (20 цепей полилактида по 20 мономеров и 20 цепей по 100 мономеров). Были проведены квантово-химические расчеты параметров силового поля для нитроксильных зондов на уровне теории функционала плотности (B3LYP/6-31G). Исследована кинетика высвобождения ТЕМПОЛ из пленки PDLLA в фосфатный буферный раствор при рН=7,4. Проведен мониторинг изменения подвижности спинового зонда внутри полимерной матрицы в процессе высвобождения. Исследовано влияние обработки сверхкритическим флюидом диоксида углерода на механические свойства обрабатываемых гидрогелевых матриксов, полученных из аллилхитозана методом лазерной стереолитографии. Проведено сравнение динамического и статического режимов СКФ обработки ( в обоих случаях рабочее давление флюида – 12 Мпа, температура обработки – 40оС). Проведено исследование для нескольких скоростей потока флюида и времени обработки. Измерены коэффициенты упругости (модули Юнга) полученных образцов. Проведены измерения углов смачивания и расчеты поверхностной энергии. Проведено сравнение влияния всех видов обработки с соответствующими показателями для необработанными гидрогелевых матриксов. Проведено исследование цитотоксичности in vitro всех образцов матриксов, обработанных в СК СО2. Исследования цитотоксичности проводили в асептических условиях при прямом контакте образцов с стандартизованной культурой фибробластов мыши линии NIH 3T3. В ряде способов микрокапсулирования активного вещества в полимерный материал (RESS и RESS-N) основой процесса является коллапс «клубок-глобула» одиночной молекулы полимера. В связи с этим была разработана стратегия эксперимента по определению зависимости температуры перехода «клубок-глобула» от концентрации нон-сольвента в струях сверхкритического диоксида углерода. Для выбора оптимальных условий проведения эксперимента были наложены следующие ограничения: 1 - изэнтропичность расширения струи и 2 - изэнтропа на диаграмме состояния в процессе расширения газа должна проходить вне околокритической области. Построены ряд изэнтроп, соответствующих различным начальным условиям расширения струи. Переход в лабораторную систему координат позволил определить верхнюю границу экспериментального базового расстояния, в пределах которого не наступает конденсация в струе, а значит справедлива используемая модель. Нижняя граница экспериментального базового расстояния «сопло – мишень» определяется диаметром мишени, на которую напыляется субстрат струи. Для ее нахождения рассматривалось распределение плотности СО2 в газовом пакете в момент, когда его центр достигает подложки и предполагалось, что с определенной точностью поверхностная плотность напыленных на мишени компонентов субстрата равномерна. На основе термодинамической части модели выбраны оптимальные начальные условия эксперимента (давление и температура), удовлетворяющие основным допущениям модели – постоянству изохорной теплоемкости и условию изэнтропического расширения струи. Наноколлоиды металлов, полупроводников и диэлектриков получены с использованием процесса импульсной лазерной абляции различных материалов в сверхкритическом диоксиде углерода. Определено влияние параметров флюида (состав, давление, температура) и параметров лазерного импульса на скорость формирования, размеры и состав наночастиц. Установлено влияние лазерного излучения на модификацию наночастиц, находящихся в СКФ коллоиде после повторного воздействия на них мощных лазерных импульсов. Исследован новый подход к формированию пленочных нанокомпозитов, основанный на объединении процесса синтеза наночастиц (методом импульсной лазерной абляции в сверхкритическом диоксиде углерода и и методе ускоренного дрейфового внедрения наночастиц в скСО2. Изучены процессы формирования различного типа структур из наночастиц металлов (периодичекие, кольцевые, корокопериодные) в полимерных, пористых и коллоидных материалах, основанные на эффектах самосборки и самоорганизации в поле лазерного излучения после введения прекурсора в материал с помощью СКФ и последующим восстановлением атомов металла (фотолиз, фото-термолиз) с помощью лазерного излучения. Исследовалась возможность синтеза в среде скСО2 нанокомпозитов на основе пористых диэлектриков в процессе их импрегнации СКФ растворами серебросодержащих прекурсоров с использованием непрерывных лазерных источников излучения с разными длинами волн для восстановления металлов. Была решена задача влияния на параметры синтезируемого ансамбля наночастиц серебра путём облучения на длинах волн, соответствующих плазмонному резонансу разных частиц. Был осуществлен сравнительный анализ эффективности синтеза. Были синтезированы наночастицы серебра в стекле Вайкор с порами порядка 4 нм при облучении светом на длинах волн, соответствующих: плазмонному резонансу сферических частиц; плазмонному резонансу вытянутых частиц; линии поглощения прекурсора. Осуществлено управление спектром суперконтинуума, генерируемого под действием мощного фемтосекундного лазерного излучения растворенных в СКФ ксеноне и диоксиде углерода. Установлено, что сверхкритические флюиды являются уникальным источником мультиоктавного суперконтинуума излучения, возникающего при филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения. При мощностях лазерных импульсов, существенно превышающих критическую мощность самофокусировки, достигнута генерация суперконтинуума шириной в три с половиной октавы (от 350 до 2000нм) в сверхкритическом ксеноне. В сверхкритическом диоксиде углерода красное крыло суперконтинуума простирается в виде плато от 1400 до 1900 нм при практически полном к ослаблении синего крыла в спектре. Проведено прямое измерение зависимого от давления нелинейного показателя преломления СО2 и Хе в условиях, соответствующих диапазону докритических и сверхкритических состояний. Проанализированы спектральные изменения фемтосекундных импульсов при 1230 нм, распространяемых через исследуемые флюиды (CO2 или Xe). Экспериментально подтверждено наше предположение о том, что процесс образования кластеров вблизи гребня на фазовой диаграмме Р-Т в сверхкритической среде должен обеспечивать увеличение нелинейного показателя преломления. Одним из эффективных методов исследования микроскопической и мезоскопической динамики многократно рассеивающих многофазных систем со сверхкритическими флюидными (СКФ) компонентами является корреляционный анализ пространственно-временных флуктуаций рассеянного лазерного излучения. В традиционных схемах анализа подвижности рассеивающих центров с использованием эффекта многократного динамического рассеяния света применяется «одноточечный» принцип регистрации рассеянного зондирующего излучения, когда апертура детектора соизмерима с характерным размером области когерентности рассеянного светового поля (спекла). В то же время, развиваемые нами методы спекл-коррелометрии полного поля и многоспекловой диффузионно-волновой спектроскопии обладают несомненным преимуществом по сравнению с традиционной «одноточечной» диффузионно-волновой спектроскопией. Мы показываем, что это преимущество обусловлено робастностью оценок корреляционных характеристик рассеянного света вследствие использования процедур усреднения, как в пространственной, так и во временной областях. Метод импульсно-периодического лазерного жидкостного травления дает возможность получать сверхкритическую воду (СКВ) на короткое время (~10-8 с) при значительно более высоких температурах и давлениях, чем критические, и осуществлять эффективное импульсно-периодическое травление и микроструктурирование оптических материалов. В наших исследованиях это достигается, в частности, путем реализации т.н. эффекта "термоплазмоники", позволяющего за счет сильно-поглощающих плазмонных наночастиц (находящихся на поверхности образца) получать ультравысокие температуры СКВ. Данный метод с использованием импульсно-периодического лазера с длиной волны 527 нм и длительностью импульса 5 нс) применен для эффективного и хорошо контролируемого микроструктурирования сапфира. В основе метода лежит генерация в процессе лазерного облучения сильно поглощающих плазмонных наночастиц серебра в результате лазерной деструкции растворенного в воде AgNO3. Процесс травления сапфира осуществляется сверхкритической водой, образующейся на поверхности раздела сапфир/вода в результате поглощения лазерного излучения наночастицами серебра и достигаемых при этом ультравысоких температурах и давлениях (существенно превышающих критические значения для воды). Травление и микроструктурирование сапфира сверхкритической водой при ультравысоких температурах (Т >> Тс) и давлениях (Р >> Рс) в условиях импульсной лазерной термоплазмоники дает возможность осуществлять термоплазмонное лазерное жидкостное травление с достаточно высокой скоростью и получать хорошо контролируемые микроструктуры на поверхности сапфира. Получение сокристаллов активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) из сверхкритических флюидов является инновационным подходом фармацевтики, позволяющим получать микронизированные формы АФИ регулируемой морфологии с высокой степенью очистки. Целью работы этого года было проведение скрининга сокристаллов арбидола как предварительный этап для получения сокристаллов в сверхкритической среде диоксида углерода. Одной из основных проблем изучения процесса сокристаллизации является выбор оптимального метода скрининга и получения сокристаллических форм активных фармацевтических ингредиентов. Наиболее известные и популярные подходы часто являются непригодными для выбранных рядов коформеров, поэтому важным этапом скрининга является подбор условий и метода получения сокристаллов. Нами был проведен ДСК скрининг двухкомпонентных систем арбидола с 15 коформерами различной природы. Поскольку в предыдущих наших работах были обнаружены новые соли и сокристаллы с карбоновыми кислотами, ряд коформеров состоял в основном из кислот. Скрининг двухкомпонентных систем методом тонкого перемола и перемола с добавлением растворителя показал, что во многих случаях поликристаллы характеризуются достаточно низкой кристалличностью, вследствие чего рентгеноструктурный анализ поликристаллов становится затруднителен. Был проведен анализ влияния растворителя на получение сокристаллов. Для исследования были выбраны 19 полярных (протонные и апротонные) и неполярных растворителей (гексан, бензол, диоксан, диэтиловый эфир, дихлорметан, хлороформ, N-метилпирролидон, тетрагидрофуран, этилацетат, ацетон, диметилформамид, ацетонитрил, диметилсульфоксид, муравьиная кислота, изопропанол, этанол, метанол, уксусная кислота и вода). В качестве методов скрининга использовались перемол с добавлением растворителя, кристаллизация из раствора, сонификация, метод получения сокристалла из суспензии. В ряде случаев методы были модифицированы следующим образом – при получении сокристалла для управления процессом синтеза, проводилось сидирование (внесение зародышей) сокристалла в физическую смесь. Также проводилось исследование влияния температуры, скорости перемола, стехиометрического соотношения коформеров на получение сокристалла. В результате скриннига было проведено более 100 экспериментов различными методами, подтверждено пять новых сокристаллических форм арбидола. Выращен один монокристалл новой формы арбидола пригодный для рентгеноструктурного эксперимента. Подобран метод, который позволяет улучшить кристалличность и чистоту получаемого образца. Непосредственный синтез сокристаллов/солей проводился при молярной стехиометрии компонентов 1:1 с помощью трех независимых методов: механохимическая обработка в планетарной микромельнице с добавлением растворителя, медленная кристаллизация из растворителя, кристаллизация из суспензии. Полученные различными способами образцы анализировались методами рентгенофазового анализа (РФА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). В результате проведенных экспериментов было подтверждено образование только одной новой кристаллической фазы арбидола с соединением B (форма I). В результате серии кристаллизационных экспериментов с использованием широкого круга растворителей нами были получены хорошо ограненные монокристаллы формы I, для которых были проведены рентгеноструктурные эксперименты с полной расшифровкой их кристаллической структуры. На основании рентгеноструктурных данных были проведены расчеты вкладов в энергию кристаллической решетки от взаимодействий различных молекул: (API-API), (API-CF), (CF-CF). Кроме этого, был проведен сравнительный анализ конформационного состояния молекулы арбидола для вновь полученного полиморфа с аналогичными состояниями для кристаллических структур уже опубликованных в литературе. Кроме того, рентгенофазовый анализ показал, что механохимическая обработка арбидола и соединения B с добавлением ацетонитрила приводит к образованию продукта, структура которого отличается от фазы полученной медленным испарением и суспензионным методом и, следовательно, представляет собой альтернативную полиморфную модификацию многокомпонентного кристалла (форма II). Дальнейшие исследования полученного материала методом ДСК показало, что температура и энтальпия плавления образца формы II заметно меньше, чем аналогичные параметры для формы I. Далее, механохимический синтез арбидола и соединения B был проведен с использованием 11 различных растворителей, существенно отличающихся по своим физико-химическим свойствам. Анализ полученных продуктов методом РФА показал, что форма I преимущественно образуется при использовании неполярных растворителей, тогда как перемол в присутствии растворителей, обладающих большим дипольным моментом, приводит к образованию формы II. Для описания энергий Гиббса и энтальпий сублимации были получены корреляционные уравнения с использованием физико-химических дескрипторов HYBOT, которые включали: поляризуемость, сумму акцепторов водородных связей, сумму доноров водородных связей. Кроме этого, нами были получены корреляционные уравнения для оценки термодинамических функций сублимации, которые помимо дескрипторов HYBOT включали в качестве независимой переменной температуры плавления. Разработанный нами подход для оценки значений энергии Гиббса сублимации молекулярных кристаллов индивидуальных соединений, основанный на знании их температур плавления и кластеризации пространства, был использован для расчетов термодинамических функций образования сокристаллов, описанных в литературе. Тестирование алгоритма показало, что для 37 описанных в литературе сокристаллов 29 сокристаллов были предсказаны правильно, т.е. 78 % корректного описания. Осуществлена модификация концевых гидроксильных и карбоксильных группировок PDLLA (мол. масса 5 10(3) Dа) с получением полимеризационно-способных акрилатных производных полилактида через реакции уретанообразования и этерификации, соответственно. Модификацию концевых гидроксильных групп PDLLA по реакции уретанообразования проводили в одну или две стадии с промежуточным получением уретановых производных PDLLA. Для получения акрилатных производных PDLLA по реакции уретанообразования использовали моноакрилат этиленгликоля, циклоалифатический диизоцианат - 3-изоцианатометил-3,5,5-триметилциклогексил изоцианат - (изофорондиизоцианат, ИФ), хлорангидрид акриловой кислоты (ХА). Реакцию уретанообразования проводили в присутствии дибутилоловодикаприлата, использованного в качестве катализатора. Выход составлял ~85%масс. В случае двухстадийного проведения процесса промежуточный моноизоцианат полилактида очищали от избытка изофорона обработкой n-гексаном, затем добавляли акрилат этиленгликоля и катализатор - дибутилоловодикаприлат. Реакцию проводили до полного расходования изоцианатных групп, определяемого по ИК спектрам (полоса поглощения изоцианатных групп 2268см-1). Выход акрилата полилактида составлял ~ 93%. Аналогичным образом (в одну или две стадии) проводили реакцию получения акрилатных производных PDLLA по реакции уретанообразования в среде скСО2. Одностадийный процесс проводили при температуре 400С и давлении 80 бар в течение 10-20 часов, что позволило избежать стадии удаления растворителя из реакционной смеси, сопровождавшейся осмолением продуктов реакции. При двухстадийной реакции первую стадию получения моноизоцианатного производного PDLLA реакцию проводили в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре 400С и давлении 80 бар в течение 10 часов. После окончания реакции стравливали СО2, растворяли реакционную смесь в хлороформе и переосаждали в гексан (10% раствор реакционной смеси в хлороформе высаживали в 10-кратный избыток гексана). Образование модифицированного полилактида, содержащего изоцианатные группы, подтверждали по появлению полосы поглощения изоцианатных групп (2268см-1) в ИК спектре переосаждённой реакционной смеси. На гель-хроматограмме переосаждённого изоцианатного производного PDLLA видно отсутствие непрореагировавшего ИФ. На второй стадии при получении акрилатного производного PDLLA к промежуточному продукту, помещенному в реактор, добавляли моноакрилат этиленгликоля дикапроновокислого дибутилолова в качестве катализатора. Реакцию проводили в среде сверхкритического диоксида углерода при температуре 400С и давлении 80 бар в течение 10 часов. Выход составлял ~ 90% масс. Синтез акрилатных производных PDLLA по реакции этерификации карбоксильных групп проводили с помощью акрилата этиленгликоля (АЭГ) по методу равновесной конденсации в присутствии п-толуолсульфокислоты (ПТСК) в качестве катализатора. Смесь полилактида, АЭГ, ПТСК (10% от общей загрузки), 0,008г гидрохинона (ингибитор радикальной полимеризации) растворяли в 60 мл толуола, нагревали до температуры кипения растворителя (1100С) и выдерживали при этой температуре в течение 6 часов до прекращения выделения образующейся воды. По окончании синтеза продукт был промыт и очищен перекристаллизацией. Получено 3,82 г окрашенного продукта, что составляет 64,0%. Полученные во всех синтезах олигомерные производные PDLLA вводили в реакцию фотополимеризации. К модифицированому PDLLA добавляли 1-3% фотоинициатор Дарокур-4265 (смесь 1:1, масс. дифенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфиноксида и 2-гидрокси-2-метилпропиофенона), растворяли в хлористом метилене, выливали в ячейку с размерами 1х2х0,05 см, расположенную на полиамидной подложке, закреплённой на предметном стекле. После удаления растворителя и сушки при 600С до постоянного веса образовавшуюся полимерную пленку облучали нефильтрованным светом УФ-лампы ДРТ1000 в течение 3 минут. Для оценки глубины полимеризации образцы полимерных плёнок экстрагировались ТГФ в течение 24 часов при комнатной температуре. Нерастворимость, а также полная или частичная растворимость полимера в ТГФ позволяла судить о наличии, либо отсутствии 3-х мерной сетчатой структуры в продуктах реакции. Кроме того, анализ экстракта позволил оценить количество немодифицированного PDLLA. Оказалось, что наиболее полно протекает реакция модификации PDLLA, а также последующая фотополимеризация с введением в макромолекулу полимеризационно-способных групп через промежуточное образование уретановых производных PDLLA в среде скСО2 или в растворе хлористого метилена, осуществляемое в две стадии. Сшитые системы представляли собой гибкие, прозрачные пленки, имеющие прочность, зависящую от степени сшивки. Это было подтверждено термогравиметрическим исследованием олигомер-содержащих PDLLA и их сшитых аналогов. В то же время, при фотоотверждении продуктов реакции этерификации PDLLA сшитые системы получены не были. Системы представляли собой набор маленьких сшитых гелей, которые рассыпались при хранении. Были проведены клеточные испытания сшитых композиций, полученных по реакции уретанообразования в хлористом метилене и среде скСО2, для определения токсичности материалов и их адгезии к клеткам. С целью поиска превращений сложных органических соединений, протекающих в среде скCO2 эффективнее, чем в условиях классических методов и технологий детально исследован процесс управляемого алкилирования несимметричных органических диаминов в среде жидкого и скCO2. Была осуществлена циклизация ароматических диаминов с образованием производных бензимидазола в скСО2, катализируемая 2- этилгексаноатом олова (II), который, в отличие от немногих известных катализаторов этой реакции, является весьма доступным при сравнимой активности. В качестве модельной реакции была выбрана циклизация о фенилендиамина с образованием бензимидазол-2-она.
5 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Сверхкритические флюиды в гетерофазных и пространственно-ограниченных системах
Результаты этапа: Показано, что главным фактором управления селективностью разделения в сверхкритической флюидной хроматографии (СФХ) является тип сорбента. Состав подвижной фазы (ПФ) оказывает заметное влияние на удерживание и селективность, в некоторых случаях даже на порядок элюирования компонентов разделяемой смеси, но определяющим фактором тем не менее является тип сорбента. Механизм влияния состава подвижной фазы в основном сводится к двум факторам: управление растворяющей способностью и модификация поверхности сорбента. Чем больше доля полярного сорастворителя (метанол, изопропанол, ацетонитрил) в ПФ, тем выше растворяющая и, следовательно, элюирующая способность по отношению к полярным аналитам. То же относится и к основному компоненту ПФ: замена СО2 на CHF3 приводит к росту растворяющей способности по отношению к полярным веществам. Модификация сорбента компонентами ПФ – гораздо более непредсказуемый фактор, в каждом частном случае его необходимо исследовать отдельно. Полярные сорастворители могут сорбироваться на поверхности сорбентов и препятствовать прямому контакту аналитов с сорбентом. На значимость этого фактора влияет не только концентрация сорастворителя в ПФ, но и тип основного компонента. Роль модификаторов в подавляющем большинстве случаев сводится к нивелированию нежелательных взаимодействий, которые приводят к избыточному удерживанию и искажению хроматографических пиков. Однако в некоторых случаях модификаторы способны изменять сам механизм взаимодействия сорбата с сорбентом. Показана неприменимость прямого варианта метода быстрого расширения сверхкритических суспензий для эксфолиации таких слоистых неорганических материалов, как графит, нитрид бора, дихалькогениды переходных металлов. При распылении суспензий этих веществ в сверхкритическом СО2 увеличение межплоскостного расстоянияпроисходит только в местах дефектов кристаллической структуры. Вместе с тем, слоистые гидроксиды редкоземельных элементов (РЗЭ: Y, Eu) интеркалированные объёмными анионами жирных карбоновых либо сульфокислот, успешно подвергаются эксфолиации при использовании данного метода. На примере гидроксонитрата иттрия показано, что последующее диспергирование полученного vатериала в органических растворителях (толуол) приводит к образованию двумерной структуры, не имеющей периодичности в базальной плоскости по данным РФА. На степень эксфолиации оказывают влияние тип флюида, его давление, а также тип интеркалирующего агента. Синтезированы полимеризационно-способные акрилатные производные полилактида (PDLLA) и хитозана через реакции уретанообразования (в хлористом метилене и сверхкритическом диоксиде углерода (СК СО2)) и этерификации концевых карбоксильных группировок в хлористом метилене для PDLLA и через реакции этерификации концевых гидроксильных групп в СК-СО2 для хитозана. Показано, что наиболее эффективно, с выходом акрилатного производного полилактида ~95% и практически полным отсутствием побочных продуктов, протекает процесс двухстадийной модификации полилактида по реакции уретанообразования в среде СК СО2 в условиях избытка диизоцианата. На основании результатов ИК-спектроскопии, гель-проникающей хроматографии и дифференциальнотермического анализа установлена структура синтезированных полимеров. Осуществлена фотополимеризация полученных олигомерных производных полилактида и хитозана и получены пространственно-сшитые акрилатные производные исследуемых полимеров с разной степенью сшивки, прозрачные, эластичные, с хорошей адгезией к клеткам и отсутствием токсичности, пригодные для создания имплантатов. С использованием спектроскопии ЭПР установлены оптимальные параметры импрегнации PDLLA в СК СО2, приводящие к получению вспененных матриксов, характеризующихся равномерным распределением допирующего парамагнитного вещества на микроскопическом и макроскопическом уровне. Методом ЭПР в рамках методики спинового зонда зафиксирована низкая вращательная подвижность парамагнитных молекул в PDLLA при комнатной температуре. Показано, что структура и динамика полимерной матрицы не изменяются после обработки СК СО2 в течение года. Установлена качественная и количественная разница кинетических закономерностей высвобождения компактных спиновых зондов из матриц на основе D,L-полилактида различной архитектоники. Предложена модель высвобождения допанта из PDLLA, включающая диффузию радикалов из приповерхностного слоя в раствор на начальном этапе, диффузию в поры, образующиеся внутри полимера, а также диффузию в порах, заполненных жидкостью. Показано, что обработка гидрогелевых матриксов в среде СК CO2 приводит к существенному изменению его физикохимических и механических свойств. Обработка в проточном режиме повышает механическую прочность образца, что связано с более эффективной экстракцией из него низкомолекулярных компонентов и олигомеров. Обработка гидрогелевых матриксов в СК CO2 увеличивает их биосовместимость и не оказывает цитотоксического действия, что способствует улучшению качества материалов для заместительной тканевой инженерии. Подобраны параметры и оптимизирован процесс формирования трехмерных структур из полилактида в среде сверхкритического диокисида углерода. Показано, что в модельных средах трехмерная пористая матрица медленно гидролизуется, а концентрация импрегнированных веществ постепенно повышается в течение времени при сохранении антиоксидантной активности токоферола и дигидроквертицина сохранялась. При имплантации матриц в условиях in vivo было отмечено постепенное их разрушение в течение 3 месяцев, характерное для материалов из полилактида. Однако матрицы с импрегнированными токоферолом и дигидроквертицином вызывают формирование более тонкой капсулы с менее выраженным развитием воспалительной реакции или ее отсутствием. Предложен и реализован метод одностадийной технологии синтеза нанокомпозитных материалов в среде сверхкритического диоксида углерода, включающий в себя процессы синтеза наночастиц с помощью импульсной лазерной абляции металлической мишени и дрейфового внедрения полученных наночастиц в высокопористые полимерные матрицы. С помощью спектроскопии поглощения охарактеризованы процессы формирования наночастиц золота и серебра в процессе лазерной абляции, а также процесс их трансформации при дальнейшем облучении коллоидного раствора высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением. Показана возможность лазероиндуцированного управления распределением по размерам и форме в ансамблях наночастиц серебра, формируемых внутри пористых оптических матриц за счет восстановления прекурсоров серебра непосредственно в локальных пространственно ограниченных областях прозрачных образцов, находящихся в реакторе высокого давления в среде сверхкритического диоксида углерода. Разработана модель влияния кластеризации сверхкритического флюида (СО2, Xe) на его нелинейный показатель преломления n2. Установлено, что в окрестности линия Видома кластеризация среды максимальна, что ведет к увеличению нелинейного показателя преломления примерно 1.5 раза. Продемонстрировано, что в смеси Xe-CO2 (среда с синтезированной нелинейностью) наблюдается уширение спектра суперконтинуума до 30% по сравнению с генерацией суперконтинуума в моносреде. Обнаружено, что максимально эффективно (>50%) cуперконтинуум генерируется в субкритическом диапазоне давлений, однако наиболее широкий спектр достигается всверхкритическом состоянии вещества (СО2, Xe). Показано, что в ксеноне при высоком давлении (более 30 атм) может образовываться суперфиламент-филамент с интенсивнлостью более 100 ПВт/см2. Продемонстрировано, что в аргоне и ксеноне при филаментации фемтосекундного лазерного импульса может достигаться эффективная (>60% энергии) самокомпрессия импульса с фактором компрессии 3.5 (сокращение длительности с 230 до 75 фс). -Разработаны подходы к количественному описанию временной декорреляции зондирующего лазерного излучения, многократно рассеянного нестационарными многофазными системами с СКФ компонентами. Выявлены основные закономерности, контролирующие динамику процесса формирования структуры синтезируемых пористых матриц на микроскопическом уровне для различных условий порообразования исходных материалов. Показано, что приближение к критической точке вдоль критической изохоры приводит к двум качественно различным режимам поведения параметра набухания полимера. При слабом взаимодействии полимер-флюид, параметр набуханиямонотонно убывает. При сильном взаимодействии, параметр набухания проходит через минимум и сильно возрастает в критической точке. Установлено, что солеобразование ципрофлоксацина и норфлоксацина с фумарат-ионом приводит к образованию шести кристаллических форм с различной стехиометрией компонентов и степенью гидратации, каждая из которых может быть селективно получена методом механохимического синтеза или кристаллизацией из раствора с определенной величиной активности воды. Определено, что каждая соль имеет уникальную кристаллическую структуру, отличающуюся упаковкой молекул лекарственного соединения и кислоты, а также размещением молекул воды в кристалле. Для описания энергий Гиббса и энтальпий сублимации получены корреляционные уравнения с использованием физико-химических дескрипторов HYBOT, которые включали: поляризуемость, сумму акцепторов водородных связей, сумму доноров водородных связей. Кроме этого, нами были получены корреляционные уравнения для оценки термодинамических функций сублимации, которые помимо дескрипторов HYBOT включали в качестве независимой переменной температуры плавления. Разработана методология и получены сокристаллы из растворов арбидола и нескольких коформеров в сверхкритических флюидах. Показано, что оптимальным растворителем для проведения сокристаллизации методом SAS является ацетонитрил. С использованием оценочных значений сублимации арбидола и отобранных для коформеров термодинамических характеристик были определены термодинамические характеристики образования сокристаллов на основе арбидола.Было показано, что сокристалл арбидола с ацетилсалициловой кислотой является наиболее устойчивым среди всех изученных. Установлено, что в отличие от традиционных органических растворителей жидкий и субкритический CO2 (в том числе и с добавлением умеренного количества сорастворителей) оказывает сильнейшее дискриминирующее воздействие на реакционную способность аминогрупп субстрата. Более реакционноспособная алкильная аминогруппа полностью выключается из реакции, равновесно превращаясь в этой реакционной среде в карбаминовую кислотную группу. Арильная аминогруппа при этом не затрагивается и полностью сохраняет свою реакционную способность. В результате в реакцию алкилирования включается арильная аминогруппа. При удалении CO2 испарением карбаминовая кислота разрушается, и алкильная аминогруппа полностью восстанавливается в свободном виде. Предложен новый эффективный метод синтеза бензо-1,3-азол-2-онов реакцией циклизации o-NH2(C6H4){H (X=NH,O,S) со сверхкритическим диоксидом углерода, катализируемой соединениями олова (II). Выходы циклических продуктов колебались от 20 до 90%. Использование в качестве растворителя СК СО2 при иммобилизации соединений платиновых металлов в полимерные носители позволило получать прекурсоры наноразмерных металлсодержащих катализаторов, обладающих высокой активностью в реакции гидрирования непредельных соединений. Разработан протокол децеллюляризации аортального клапана, обеспечивающий не только эффективное удаление клеток без повреждения нативной структуры экстрацеллюлярного матрикса но и снижение концентрации GAL-epitop, ответственного за риск развития отторжения и кальцификации транспланта, в 2 раза. Определены механические свойства нативной и обработанной ткани при одноосном растяжении.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".