Порфирины как фотосенсибилизаторы

Оглавление
1.Введение	2
2. Литературный обзор.	4
2.1 Порфирины как фотосенсибилизаторы.	4
2.1.1 Cтроение порфиринов.	4
2.1.2 Спектрофотометрия	6
2.2. Генерация синглетного кислорода	10
2.2.1 Электронная структура синглетного кислорода	10
2.2.2 Применение синглетного кислорода	13
2.3. Сверхкритические флюиды	15
2.4. Аэрогель в качестве полимерного носителя	21
2.3.1 Аэрогель на основе альгината натрия	23
2.5Области применения ПФС	24
2.5.1Каталитические системы на основе порфиринов	25
3. Теоретическая часть	26
3.1 Синтез фторзамещенных тетрафенилпорфиринов методом монопирольной конденсации.	26
3.2 Иммобилизация порфирина в полимер-носитель	29
3.3 Определение содержания порфирина в импрегнированном аэрогеле	30
3.4 Проведение реакции окисления триптофана в воде и изучение фотокаталитической активности синтезированного порфирина	30
3.5Влияние концентрации ПФС на эффективную константу kэфффотоокисления триптофана	31
4.Экспериментальная часть	32
4.1Методика импрегнирования порфирина в аэрогель	32
4.2 Методика оценивания концентрации порфирина в импрегнированном полимере	33
4.3Методика фотоокисления триптофана в воде в присутствии ПФС	33
5.Выводы	34
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	35

1.Введение
      В настоящее время известны различные области использования порфиринов. Порфириныи их аналоги применяются в качестве красителей и пигментов, катализаторов различных процессов, лекарственных препаратов, а также в качестве модельных соединений при исследовании ряда биологических процессов.[1]Широкое применение объясняется экономической доступностью, особенностями химических и физических свойств, легкостью синтеза и модификации.[2]Порфирины и родственные тетрапиррольные пигменты широко распространены в живой природе и необходимы для оптимального протекания основных биологических процессов, например, фотосинтеза, клеточного дыхания и др. В последние годы развиваются различные области примененияпорфиринов, такие как диагностика и терапия злокачественных новообразований, лечение анемии, нейропсихических нарушений, кожных и глазных болезней.[3]Природные и синтетические порфирины и их металлические комплексы находят все большее применение в качестве фотосенсибилизаторов (ФС) для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии (ФДТ) злокачественных опухолей.[4]Фотосенсибилизаторы, применяемые в медицинской практике, обладают способностью накапливаться преимущественно в опухолевых тканях и неопухолевых новообразованиях.[5] При генерации ФС активных форм кислорода -синглетного 1О2 кислорода, происходит разрушение клеток, в которых накапливается фотосенсибилизатор. Для увеличения эффективности ФДТ, фотосенсибилизаторы связывают с синтетическими или природными полимерами для улучшения транспорта С через липидный бислой внутрь клетки.
      Стоит отметить, чтофторсодержащие порфирины имеют высокий квантовый выход генерации синглетного кислорода. Для придания им водорастворимостииспользуют солюбилизацию нетоксичными полимерами.[6]В последние годы с целью создания стабильных материалов с  новыми функциональными свойствами эффективно используется среда сверхкритического диоксида углерода (СК-СО2), образующаяся при превышении соответствующих значений температуры и давления в критической точке (Тс = 31.1 °С, Pс = 7.38 МПа), для импрегнации полимеров низкомолекулярными соединениями, при этом устраняя нежелательные эффекты, обусловленные влиянием растворителя на функциональную активность вводимых соединений. В результате сверхкритической импрегнации получают фотохромные и окрашенные термопластичные композиции, биологически активные соединения, а также фотокаталитические системы с фторзамещенными тетрафенилпорфиринами[7].
      Целью данной работы является исследование фотокаталитической активности фторсодержащих порфириновых фотосенсибилизаторов, введенных в аэрогель на основе альгината натрия в среде СК-СО2 в модельных процессах фотогенерации1О2 -  фотоокисление триптофана в водной среде.











2. Литературный обзор.
      Производные порфиринов как эффективные фотосенсибилизаторы генерации синглетного кислорода и их применение.
2.1. Порфирины как фотосенсибилизаторы.

2.1.1. Cтроение порфиринов.
      Порфириновые соединения представляют собой различные циклические полиамины, включающие в себя многоконтурную сопряженную систему. В основе системы лежит 16-членный макроцикл, который содержит 4 атома азота.
      Элементарным представителем порфиринов является порфин- незамещенный тетрапиррольный макроцикл.
      или
      (Номенклатура по Г.Фишеру)         (Номенклатура ИЮПАК)
      Рис. 1. Строение молекулы порфина.
      Главным отличием порфирина является наличие в молекуле координационного центра Н2N4 и четырех метиновых (-СН=) или аза- (-N=) мостиков, необходимых для связывания гетероциклических фрагментов.
      Исключительным качеством молекулярной структуры порфиринов является планарность ароматической части их молекулы, основу которой представляет 16-членный макроцикл, координационный центр с радиусом порядка 2 ?, сформированный атомами азота, и высокая подвижность ?-электронов в макроцикле, которые обладают устойчивостью к деформации.
      Высокие порядки связей в макроцикле обеспечивают его плоское или почти плоское строение. В некоторых случаях при более низких значениях порядка связей С?-С? в кристаллической решетке порфирина становится частично некопланарным. Это состояние соответствует порфиринам, содержащим в пиррольных кольцах достаточно объемные заместители. [8]
      Отличительной особенностью структуры порфиринов является сильное электронное и ядерное экранирование координационной полости. Пространство, ограниченное четырьмя атомами азота, имеет способность прочно координировать ионы металлов М2+, М3+ и М4+, образуя при этом комплексы-металлопорфирины. Атом металла связан с макроциклом более прочно, чем протон, благодаря чему имеет возможность координировать еще один или два электродонорныхлиганда(экстракоординация). Способность металлопорфиринов к экстракоординации имеет значительную роль в функционировании биосистем природных процессов, необходимых для жизнедеятельности живых организмов. Ярким примером являются металлокомплексыпротопорфиринаIX с железом (гемы). Гемы для транспорта кислорода связываются с ним обратимо-гемоглобин, атакже запасают его в связанном виде-миоглобин. Металлокомплексы с пофиринами являются катализаторами в реакциях окисления различных органических соединений.[9]Из отличительных характеристик порфиринов также можно выделить их способность к образованию различных производных исходного макроцикла порфина. Изменение начальной молекулы осуществляется двумя способами. В первом случае происходит замещениеатомов водорода в пиррольных кольцах (атомы 1-8 по Фишеру) и в мезо-положении (атомы ?-? по Фишеру) макрокольца.Замещение на электронодонорные и электроноакцепторные, циклические и линейные, а также высокомолекулярные заместители не затрагивает природу ? – электронной системы порфирина [8]. Во втором случае изменения осуществляются непосредственно в самой структуре макрокольца за счет гидрирования, введения в него гетероатомов и присоединения дополнительных циклов [10].
      Порфириновые соединения обладают амфотерностью. Это объясняется наличием кислотных (-NH=) и основных (-N=) атомов азота.

2.1.2Спектрофотометрия
    Электронные спектры поглощения
      Особенности молекулярной структуры порфиринов проявляются в их электронных спектрах поглощения (ЭСП) и испускания [9]. По интенсивности и форме ЭСП можно определить состояние ? – электронного облака молекулы порфирина. С помощью спектров можно судить о влиянии таких факторов как концентрация порфирина, природа растворителя и рН среды, внешние факторы.  Количественные значения определяют по закону Бугера-Ламберта-Бера: оптическая плотность раствора прямопропорциональна концентрации светопоглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту светопоглощения:
      lg(I/I0) = -?cl
      D= ?cl,
      где I0 - интенсивность входящего пучка света, I - интенсивность после прохождения через среду, D - оптическая плотность, ? - молярный коэффициент поглощения вещества (коэффициент экстинкции) (М-1см-1), c- молярная концентрация раствора (М), l - длина светопоглощающего слоя (см).
      Из закона видно, что после прохождения слоя раствора оптическая плотность линейно увеличивается с ростом концентрации, а интенсивность излучения с увеличением концентрации растворенного вещества уменьшается по экспоненте.
      В электронных спектрах поглощения безметальных порфиринов в видимой области имеются четыре полосы поглощения. Чисто электронным переходам соответствуют I и III полосы поглощения, а II и IV полосы поглощения соответствуют электронно-колебательным переходам. Полосы I—IV имеют относительно низкую интенсивность (логарифм молярного коэффициента погашения lg?= 3,65 - 4,26), этим объясняется невысокая вероятность электронных и электронно-колебательных переходов. На границе между ультрафиолетовой и видимой областью существует высокоинтенсивная полоса, соответствующая чистому электронному переходу, называемая полосой Соре.[11]
                                                  Рис.2 Электронный спектр поглощения этио-типа (хлорин)
      У порфиринов с различными заместителями полосы имеют разную интенсивность. Из 24 различных типов распределения интенсивностей в четырехполосном спектре наблюдаются только 3: «этоитип», «родотип», «филлотип». Так, «этиотип» имеет простые алкильные заместители в свободных положениях пиррольных колец (1-8). ЭСП имеет порядок интенсивности IV>III>II>I. Соединения, имеющие карбонильную группу в непосредственном сопряжении с порфириновым кольцом, относятся к «родотипу», который имеет порядок III>IV>II>I. «Филлотип» наблюдается у порфиринов, если алкильные заместители введены в ?, ?, ? или ?- положение. ЭСП имеет порядок интенсивности IV>II>III>I
      Зависимость типа спектра от строения порфирина еще не изучена полностью. Но можно сделать вывод, о том, что что полоса I для незамещенных тетрафенилпорфиринов является менее интенсивной, однако ее положение наиболее чувствительно к введению новых заместителей в макроцикл [12].
    Спектры испускания порфиринов
      Люминесценцией называют свечение вещества при переходе ееиз возбужденного состояния в основное. Существуют различные виды излучение света молекулой вещества при переходе ее из возбужденного состояния в основное. По способу передачи молекуле дополнительной энергии и переходу ее в возбужденное состояние различают фотолюминесценцию (возбуждение световым излучением), рентгенолюминесценцию (возбуждение рентгеновскими лучами), катодолюминесценцию (возбуждение пучком ускоренных электронов), хемилюминесценцию (молекула оказывается в возбужденном состоянии в результате экзотермической химической реакции) и т.д. [12]
      Наиболее вероятными энергетическими переходами являются переходы без изменения мультиплетности, т. е. cинглет ? синглетный (So ? S1) переход при поглощении кванта возбуждения и обратный переход S1 ? So при дезактивации молекулы. Данный тип люминесценции называется флуоресценцией.
      Но существует вероятность, что вследствие того или иного внутреннего энергетического перехода, спин одного из электронов может изменить знак, в результате чего в молекуле появляется два неспаренных электрона. В этом случае суммарный спин молекулы будет S1= ?+ ? = 1 и мультиплетность М = 2S + 1 = 3. Это состояние молекулы называется триплетным. Внутренняя потенциальная энергия первого триплетного состояния (кривая Т) ниже энергии первого синглетного состояния (S1), и поэтому часть энергии ?E3 , излучаемой в виде света при переходе молекулы из возбужденного триплетного состояния (T1) в основное синглетное состояние (So),  значительно уменьшается, а длина волны излучаемого при этом света  увеличивается по сравнению с флуоресцентньм переходом S1 ? So (?E2 ). Такой триплет-синглетный переход называют фосфоресценцией. 
      Еще одним отличием фосфоресценции от флуоресценции является большее время жизни молекулы в возбужденном состоянии. Это объясняется тем, что вероятность переходов между энергетическими уровнями с изменением мультиплетности мала, так как они являются «запрещенными». 
      Ввиду большой длительности времени жизни возбужденной молекулы в триплетном состоянии (T1) появляется вероятность того, что за счет поглощения тепловой энергии она может возвратиться на возбужденный синглетный уровень S1 и уже с него перейти на основной уровень So, излучая квант света. Поскольку разница энергий в этом случае составляет ?E2, длина волны излучения остается такой же, как и в обычном случае флуоресценции, и только время жизни возбужденного состояния оказывается большим (за счет пребывания на триплетном уровне T1), и этот тип флуоресценции называется замедленной флуоресценцией.
      В основном, порфирины имеют две полосы испускания в спектре люминесценции и две длинноволновые полосы поглощения, расположенные зеркально симметрично.При этом необходимо учесть, что спектры флуоресценции металллопорфиринов, как и безметальных порфиринов, не зависят от длины волны возбуждающего света. [13]
      У порфиринов, в зависимости от природы растворителя, температуры и присутствия посторонних заместителей отмечаются изменения в спектрах испускания. Это можно наблюдать по изменению формы спектра, интенсивности пиков, смещению максимумов полос поглощения. При этом также могут образовываться новые пики. Нагревание раствора порфирина сопровождается расширением полос и смещением их в длинноволновую сторону. При понижении температуры наблюдается коротковолновое смещение и сужение полос. [14]
      Еще одним фактором, от которого зависят спектры люминесценции порфиринов, является значениеnрН, так как эти соединения обладают основными свойствами. При уменьшении величины рН спектр сдвигается в сторону коротких волн. Однако, стоит отметить, что интенсивность свечения различных порфиринов от величины рН имеет разную зависимость. [15]

2.2. Генерация синглетного кислорода
      Порфирины являются хорошими фотосенсибилизаторами и используются в качестве источников генерации синглетного кислорода.
2.2.1. Электронная структура синглетного кислорода
      На электронной конфигурации молекулы кислорода в триплетном состоянии видно, что молекула имеет четное число электронов, а ее ВЗМО дважды вырождена, на ней находится только два электрона. По правилу Гунда, эти электроны имеют параллельные спины в низшем по энергии состоянии. В результате основное состояние молекулы кислорода отвечает полному спину (равному единице), т.е. является триплетным.
      Молекулярный кислород имеет два низших возбужденных синглетных состояния.  Они обладают энергиями 95 кДж/моль и 158 кДж/моль. 
      
        
        
        
        
        
        
        



Рис.2 Молекула кислорода
      Фотосенсибилизированное возбуждение триплетного кислорода является простейшим методом получение синглетного кислорода. Механизм данного процесса происходит следующим образом: поглощая свет, сенсибилизатор переходит в состояние S1, а затем, в результате интеркомбинационной конверсии или за счет столкновения с молекулой кислорода, переходи в состояние Т1. При взаимодействии триплетного кислорода с триплетным возбужденным состоянием сенсибилизатора, к кислороду переносится энергия. В итоге происходит образование синглетного кислорода и дезактивация кислорода в триплетное состояние. 
Фотосенсибилизатор должен обладать следующими свойствами:
       высокое значение коэффициента светопоглощения в спектральной области возбуждающего света; 
        триплетное состояние с подходящей энергией (?95 кДж/моль) для эффективной передачи энергии кислороду в основном состоянии; 
        высокий квантовый выход образования триплетного состояния сенсибилизатора (ФТ > 0.4) и продолжительное время жизни этого состояния (?Т> 1 мкс), так как эффективность фотосенсибилизатора зависит от фотофизических свойств его низшего возбуждённого триплетного состояния; 
       высокая фотостабильность.
      Порфирины и их производные поглощают несколько длин волн в УФ- и видимой области. Например, полоса Соре (300-400нм) в синей области и Q-полоса(700-800 нм) в красной области. Кроме того, эти сенсибилизаторы в отсутствии света не проявляют цитотоксичность.[16]
      Механизм генерации синглетного кислорода в жидкую фазу можно представить следующим образом
       
       1
       
       
  1P + h?1P*

возбуждение
      2
      
          1P*3P*
интеркомбинационная конверсия
      3
          1P*1P
внутренняя конверсия
      4
          1P*1P+  hvфл
флуоресценция
      5
          3P* + 3О21P + 1О2
генерация 1О2
      6
          1О2 + 3О2 2 3О2
дезактивация1О2 моле-куламикислорода
      7
          1О2 + Q  3О2 + Q
«физическая» дезактивация 1О2
      8
          1О2 + A  AО2
«химическая» дезактивация 1О2
Схема 1. Основные процессы, происходящие при фотовозбуждении порфирина в присутствии молекулярного кислорода [16]1P и 1P* - молекула порфирина в синглетном основном и возбужденном состоянии, соответственно; 3P* – возбужденная молекула порфирина в триплетном состоянии; Q – частица вещества-акцептора энергии; А – молекула субстрата (вещества-акцептора синглетного кислорода).
      Порфирины и их аналоги, имеющие сопряженные макроциклы в молекуле, являются основными каналами дезактивации нижнего синглетно-возбужденного состояния молекулы, так как обладают выраженной флуоресценцией и интеркомбинационной конверсией. В отсутствие молекулярного кислорода время жизни возбужденных триплетных состояний порфиринов от десятков до сотен микросекунд.В присутствии кислорода, время жизни триплетного состояния порфиринов снижается до сотен наносекунд. [17]
      Порфирины представляют собой одних из лучших фотосенсибилизаторов в процессах генерации синглетного кислорода, по причине довольно высоких квантовых выходов интеркомбинационной конверсии. [18]
2.2.2.Применение синглетного кислорода
Фотосенсибилизированное производство синглетного кислорода имеет значение в ряде областей от фотоокисления, повреждения ДНК, фотодинамической терапии (ФДТ) рака, до полимерной науки.
Много внимания уделяется использованиюфотосенсибилизированного синглетного кислорода в реакциях окисления для очистки сточных вод.  Фенол и его производные представляют собой класс токсичных соединений, которые встречаются в сточных водах предприятий по производству бумаги и красителей, а также нефтеперерабатывающих заводов.  Окисление фенолов в органических растворителях изучалось в течение некоторого времени с использованием фотосенсибилизаторов, таких как метиленовый синий, рибофлавин и тетрафенилпорфиринZn (II). Фенолы и монохлорфенолы в водном растворе были исследованы Gerdesetal [19] с использованием фотосенсибилизаторов, таких как комплексы Al (III), Zn (II) и Ga (III), а также 5,10,5,20-тетракис(4-карбоксифенил)порфирина. Результаты показали, что мономерное состояние фотосенсибилизатора в растворе имеет решающее значение для его активности в фотореакциях.  Добавление противоположно заряженных детергентов для предотвращения агрегации, особенно в фталоцианинеZn (II) и карбоксимидиде, улучшало окисление фенола.  Окисление сульфидных солей сульфатом в водном растворе также важно при очистке сточных вод из-за его появления в качестве побочного продукта промышленных процессов, таких как нефтепереработка, дубление, коксование, очистка природного газа и переработка пищевых продуктов.
      Исследования по фотосенсибилизированной детоксикации и очистке промышленных и городских сточных вод с использованием света, сконцентрированного непосредственно от солнца, в настоящее время ведутся в PlataformaSolardeAlmeria (СРП, Испания). Использование солнечной энергии при очистке сточных вод может быть экономичным решением сложной экологической проблемы.
      Швейцарский и немецкий Красный Крест используют метиленовый синий как фотосенсибилизатор для обеззараживания плазмы крови [20].  Известный своим отсутствием токсичности для человека, краситель эффективен при уничтожении вирусов.  Однако, клеточные ферменты уменьшают этот краситель до фотодинамически неактивной бесцветной формы, что ограничивает его использование в качестве фотосенсибилизатора invivo.  Нафталин-фталоцианинытакже изучаются для стерилизации компонентов крови.[21].
      Фотодинамическая терапия (ФДТ) является одним из современных перспективных направлений медицине. ФДТ применяется для лечения рака и других злокачественных опухолей, а также для лечения гнойных ран [22]. Фотосенсибилизаторы, применяемые в ФДТ, накапливаются преимущественно в опухолевых тканях и неопухолевых новообразованиях [5]. При генерации ФС активных форм кислорода - синглетного 1О2 кислорода, происходит разрушение клеток, в которых накапливается фотосенсибилизатор.Показано, что эффективность фотодинамической терапии не зависит от спектра чувствительности патогенных микроорганизмов к антибиотикам, она оказалась губительной даже для антибиотикорезистентных штаммов золотистого стафилококка, кишечной палочки и других микроорганизмов.В ФДТ, видимый свет, светочувствительный препарат (фотосенсибилизатор) и кислород объединяются, что приводит к получению летальных агентов для инактивации опухолевых клеток.Двойная селективность ФДТ происходит как от локализации сенсибилизатора в опухоли, так и от способности ограничивать активацию фотосенсибилизатора путем освещения только области опухоли.  Это позволяет исключить разрушение опухоли без влияния на нормальную ткань, что является главной целью терапии рака.
      Фотосенсибилизатор обладает способностью накапливаться в измененных тканях, микробных клетках с реализацией эффекта летальной фотосенсибилизации бактерий и измененных тканей, на фоне роста антибиотикорезистентных штаммов патогенных микроорганизмов. При воздействии лазерного излучения на фотосенсибилизатор, поглотив квант света, переходит в возбужденное состояние и вступает в фотохимические реакции двух типов. При первом типе реакций происходит взаимодействие непосредственно с молекулами биологического субстрата, что в конечном итоге приводит к образованию свободных радикалов. Во втором типе реакций происходит взаимодействие возбужденного фотосенсибилизатора с молекулой кислорода с образованием синглетного кислорода, который является цитотоксическим для живых клеток, благодаря своему свойству сильного окислителя биомолекул.
      Одним из перспективных способов применения ФДТ для лечения гнойно-воспалительных заболеваний оказалось использование фотосенсибилизатора в виде комплексов с низкотоксичными амфифильными полимерами. Использование таких систем позволяет на порядок увеличивать эффективность ФДТ и тем самым значительно снизить концентрации используемых ФС, что ведет к снижению терапевтической дозы препарата и побочных токсических осложнений. [23,24]
2.3. Сверхкритические флюидыдля иммобилизации

      Сверхкритическими флюидами (СКФ) называют состояние вещества, при котором исчезает различиемежду жидкой и газовой фазой. Вещества в сверхкритическом состоянии применяются в качестве заменителейорганических растворителей в лабораторных и промышленных процессах[25].
      Сверхкритические флюиды (СКФ) диоксида углерода (СК-СО2), воды (СК-Н2О) и других соединений широко используют при решении технических проблем, прежде всего, экстракции целевых компонентов из органического сырья вследствие набухания разнообразных материалов в СК-средах и повышенных коэффициентов переноса низкомолекулярных компонентов в таких условиях. Несомненный интерес связывается с проведением в СК-средах химических процессов, а также с импрегнированием функционально-активных соединений в полимерные матрицы.[26]
      Основными преимуществами сверхкритических флюидов как растворителей являются:
       Сочетание свойств газов при высоких давлениях (низкая вязкость, высокий коэффициент диффузии) и жидкостей (высокая растворяющая способность);
       Быстрый массоперенос, осуществляемый благодаря низкой вязкости и высокому коэффициенту диффузии; 
       Сочетание пренебрежимо малого межфазного натяжения с низкой вязкостью и высоким коэффициентом диффузии, позволяющее сверхкритическим флюидам проникать в пористые среды более легко по сравнению с жидкостями;
       Высокая чувствительность растворяющей способности СКФ к изменению давления или температуры; 
       Простота разделения сверхкритических флюидов и растворённых в них веществ при сбросе давления
      В настоящее время в качестве СКФ используется широкий спектр органических и неорганических соединений, таких как N2О, NН3, СН3F, СН2F2, СНF3, С6Н6, SF6. Наиболее популярными СК флюидами являются углекислый газ, пропан и вода[27].
      
      Таблица. 1. Параметры критических точек для некоторых
      простейших веществ
      Наибольшее распространение в связи с доступностью получили сверхкритический диоксид углерода (СК-СО2) и сверхкритическая вода. СК-СО2 не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, недорогое вещество; сверхкритическое состояние достигается при параметрах выше 31? и 73.8 атм. Процессы с использованием СК-СО2 как растворителя относятся к «зеленой химии», они не загрязняют окружающую среду.
      







      
      	
      Рис.3Фазовая диаграмма диоксида углерода
      По таблице 2 можно определить, что плотность СО2 близка к жидкости, а вязкость – к газу. Коэффициенты самодиффузии занимают промежуточное положение. В СК-СО2 отсутствует поверхностное натяжение и, следовательно, нет проблемы смачиваемости. Благодаря своим физическим свойствам, сверхкритические среды обладают высокими, близкими к газам (~10-7см2/с) коэффициентами диффузии в полимеры.

Физическая величина

Газ

СК-среда

Жидкость
Плотность, ?[г/см3]
0.6-2
200-500
600-1600
Коэфф. вязкости, ?[мПа?с]

0.01-0.3

0.01-0.03

0.2-3
Коэфф.диффузии,
D[106м2/с]

10-40

0.07

0.0002–0.002

      Таблица 2. Физические параметры различных состояний
      Физико–химические свойства сверхкритических флюидов обусловливают перспективность их применения в качестве среды для органического синтеза [38-40]. Осуществление гетерогенных каталитических реакций в сверхкритических растворителях позволяет достичь высоких скоростей реакций, контролировать селективность, повысить тепло- и массоперенос, увеличить длительность работы катализатора, облегчить разделение продуктов реакции. Кроме того, применение сверхкритических флюидов открывает дополнительные возможности для синтеза катализаторов [41].
      В сверхкритических средах возможно растворение молекул с различными размерами, молекулярной массой и полярностью. В сравнении с жидкой фазой, СК-флюиды более сжимаемы, имеют больший мольный объем, что может способствовать образованию кластеров и нестойких комплексов [28,29] и положительно влиять на повышение растворимости вводимых соединений [30].Следует отметить, что растворяющая способность сверхкритических сред в целом невысока. Обычно ее повышают путем добавления сорастворителей.
      Про СК-СО2 в качестве среды для иммобилизации низкомолекулярных соед….
      Сверхкритическая флюидная (СКФ) импрегнация с использованием сверхкритического диоксида углерода (СК-СО2) является одним из эффективных способов иммобилизации низкомолекулярных каталитически активных соединений в полимерные носители. Отсутствие сольватации молекулами СО2 вводимых соединений, характерное для диоксида углерода (5), способствует локализации низкомолекулярных каталитически активных молекул вблизи функциональных групп полимерного носителя за счет образования координационных связей. Сочетание низкой вязкости, высокого сродства к полимерам, низкого поверхностного натяжения СК-СО2 на границе раздела с полимерами (по сравнению с растворителями, обычно используемыми при иммобилизации каталитически активных соединений в полимерных матрицах) обусловливает набухание полимеров в среде и эффективное проникновение вводимых низкомолекулярных соединений в объем матрицы. Практически полное удаление СК-СО2 из полимерной матрицы после завершения процесса иммобилизации обеспечивает отсутствие следов растворителя и различных органических примесей в полимере, которые присутствуют в матрице при иммобилизации каталитически активных соединений из органических растворителей (6).
      Использование среды СК-СО2 способствует решению задач, возникающих при импрегнации полимеров низкомолекулярными функциональными соединениями, позволяет создавать новые методики по получению композиционных материалов, которые содержат молекулы и молекулярные агрегаты, а также наноразмерные частицы. СК-СО2 занимает особое место среди всех растворителей, которые используются при импрегнировании полимерных матриц, так как сочетает в себе многие параметры, такие как [3]: 
      – низкая вязкость в сочетании с высокой растворяющей способностью среды относительно целевых компонентов; 
      – реализующиеся конвективные потоки в среде СК-СО2, способные обеспечивать достаточно высокие эффективные концентрации в среде не только слаборастворимых, но и нерастворимых (наночастицы) компонентов; 
      – низкие значения поверхностного натяжения на границе с полимерами, которые обеспечивает проникновение диоксида углерода в нанометровые области свободного объема и определяющими набухание полимерных матриц и высокий уровень их пластификации, способствующий увеличению коэффициентов диффузии целевых компонентов в матрице при импрегнировании;
       – малая сольватирующая способность среды СК-СО2, определяющая возможность непосредственного взаимодействия («эффект клетки») вводимых целевых компонентов с полярными фрагментами полимеров;
       –Полное удаление растворителя (СО2) из полимерной матрицы после завершения процесса импрегнирования путем снижения давления.( формирование функционально активных полимерных носителей)
      Про растворимость в ск-СО2 ПФС (Полякофф).
       Сверхкритический диоксид углерода (CК-СО2) имеет ряд преимуществ в качестве среды для проведения химического окисления с молекулярным кислородом О2. Многие из сенсибилизаторов, обычно используемых для органического синтеза, практически нерастворимы в СК-CO2. Фторирование часто значительно увеличивает растворимость таких соединений в СК-CO2 и фторированные порфирины на основе Co и Zn обладают высокой растворимостью в СК-CO2. (10 S. Campestrini, G. Loraand U. Tonellato, TetrahedronLett., 2001, 42, 7045).
      
      Сверхкритические флюиды находят применение на практике еще в ряде направлений науки и техники. В топливно-энергетическом комплексе СК-СО2 используют в процессах переработки нефти, газа и угля [31]. В переработке отходов металлургии отделяют металлические частицы от масел для повторного их использования [32], дезактивируют металлы, спецодежду и почву [33]. На основе сверхкритических растворителей успешно реализуются новейшие технологические процессы: получение тонких пленок для микроэлектроники, оптики, катализа, c контролируемой толщиной [34], получение аэрогелей сушкой исходной композиции в СК-СО2 [35]. В сельском хозяйстве используются комплексные системы на основе пористого оксида кремния, позволяющие равномерно дозировать пестициды в почву. Такие системы получаются с использованием сверхкритических флюидов [36].
      Сверхкритическая флюидная технология представляет собой новый технологический процесс, основанный на уникальных свойствах веществ в сверхкритическом состоянии экстрагировать из различных твердых пористых структур растворимые компоненты. В ходе процессов тепломассопереноса изменение термодинамических свойств (температуры, давления, плотности, вязкости, коэффициентов диффузии и поверхностного натяжения) веществ, насыщающих различную пористую среду, приводит к уникальным явлениям, особенно, когда приближаются к критической области и выше. В этой области аномально изменяются как термодинамические, так и транспортные свойства системы, что, в свою очередь, приводит к качественным и количественным изменениям характера и механизма течения флюидов в различных пористых средах [37].

2.4. Аэрогель в качестве полимерного носителя
      Создание гетерогенных фотокаталитических систем иммобилизацией низкомолекулярных катализаторов на неорганических или полимерных носителях позволяет повысить стабильность этих систем, упростить выделение конечных продуктов реакции и увеличить эффективность процесса.Однако, в настоящее время проблемой создания таких систем состоит в поиске носителя для иммобилизации функционально активных соединений. Одна из проблем создания таких систем состоит в поиске носителя для иммобилизации функционально активных соединений. Как правило, в качестве носителей используются инертные матрицы с высокоразвитой поверхностью [47].
      Аэрогель (АЭГ) – это трехмерно-организованный наноструктурированный высокопористый материал, характеризующейся низкой плотностью (0.003-0.35 г/см3), большой площадью внутренней поверхности (до 1000 м2/г), размерами пор порядка нескольких нанометров [48-49]. Аэрогели новым состоянием вещества, промежуточным между конденсированным и газообразным, вследствие указанных объемных свойств АЭГ, а также переходных (между двумя указанными состояниями) величин плотности и энтальпии [49-51]. АЭГ могут обладать сверхнизкой теплопроводностью, сверхнизким модулем упругости, сверхнизкой диэлектрической проницаемостью и скоростью звука, высокой удельной поверхностью и сверхшироким регулируемым диапазоном плотности и показателя преломления света. Аэрогель – это уникальный материал, который имеет широкий спектр применения в различных областях промышленности. Аэрогели можно получать на основе органических (полимеры, смолы) веществ [52-53],но наиболее распространенными и изученными, используемыми в науке и технике, являются неорганические аэрогели, прежде всего, на основе диоксида кремния, окислов металлов, углерода [55-57]. Они используются, в частности, при создании газовых и жидкостных фильтров, теплоизолирующих материалов, гетерогенных катализаторов и т.д.Одним из преимуществ аэрогелей является возможность их получения из биоразлагаемых органических веществ.Аэрогели на основе биополимеров обладают такими свойствами как высокая пористость (до 98%), низкая плотность (до0.2 г/см3) и высокая удельная площадь поверхности (до 600 м2/г), обладают собственной биологической активностью, позволяют формировать гетерогенно-каталитические системы нового типа для медицины и фармакологии, выступая как активные носители, усиливающие действие иммобилизованных соединений [58]. Так, одно из новых направлений в создании пролонгированных лекарственных форм – это введение биологически активных веществ в аэрогельные матрицы на основе полисахаридов для систем доставки лекарств [59-62]. Для этой цели используются природныеполисахариды разной структуры, в частности, хитозан, крахмал, пектин, целлюлоза, альгинат, карраген, агар-агар [63-65].
      Высокая удельная поверхность аэрогелей на основе полисахаридов, с учетом их бактерицидных и нетоксичных свойств, дает возможность использовать полисахаридные АЭГ в качестве носителей с целью получения гетерогенных фото.......................