ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ. ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΙΟΡΔΑΝΙΔΟΥ Διπλωματούχου Χημικού Μηχανικού

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΙΟΡΔΑΝΙΔΟΥ Διπλωματούχου Χημικού Μηχανικού ΔΥΑΔΙΚΑ ΚΑΙ ΤΡΙΑΔΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΚΑΙ ΚΑΔΜΙΟΥ ΜΕ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2018

2 ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΙΟΡΔΑΝΙΔΟΥ ΔΥΑΔΙΚΑ ΚΑΙ ΤΡΙΑΔΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΚΑΙ ΚΑΔΜΙΟΥ ΜΕ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΣΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Τομέας Χημείας Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 5 Ιουλίου 2018 Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Α. Σαλίφογλου, Επιβλέπων Καθηγητής Π. Ακρίβος, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Αν. Καθ. Κ. Καρατάσος, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Αν. Καθ. Γ. Κυριάκου, Εξεταστής Καθηγήτρια. Α. Κόταλη, Εξετάστρια Αν. Καθ. Α. Χατζηδημητρίου, Εξεταστής Καθηγητής Ι. Πλακατούρας, Εξεταστής

3 Αφιερώνεται, στην οικογένειά μου

4 ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΙΟΡΔΑΝΙΔΟΥ Α.Π.Θ. ISBN «Δυαδικά και τριαδικά υβριδικά υλικά τιτανίου και καδμίου με φυσιολογικά υποστρώματα σε βιολογικές εφαρμογές.» «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως.» (Ν.5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5 Acknowledgments Η παρούσα διδακτορική διατριβή χρηματοδοτήθηκε από το Πρόγραμμα Αριστείας ΙΚΥ - Siemens 2013 για μεταπτυχιακές σπουδές δεύτερου κύκλου (επίπεδο διδακτορικό, PhD). Financial support by ΙΚΥ Fellowships of Excellence for graduate studies in Greece Siemens Program is gratefully acknowledged

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της χημικής δραστικότητας των μεταλλοϊόντων του Cd(II) και τιτανίου Ti(IV) κατά την επαφή τους με μόρια, τα οποία κατά κύριο λόγο απαντώνται είτε ως ενδιάμεσες ενώσεις σε διάφορες βιοχημικές διεργασίες ζωτικής σημασίας, είτε απαντώνται ως συστατικά των κυττάρων ή βιολογικών υγρών των έμβιων οργανισμών. Η σύνθεση και απομόνωση καλά χαρακτηρισμένων νέων δυαδικών και τριαδικών ενώσεων του καδμίου και τιτανίου αντανακλά το αποτέλεσμα της μελέτης της αλληλεπίδρασης των υπό εξέταση μετάλλων με σημαντικές κατηγορίες φυσιολογικών υποστρωμάτων. Τα φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία μελετήθηκαν στην παρούσα ερευνητική προσπάθεια, ήταν τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα και τα δικαρβοξυλικά οξέα. Τα φυσιολογικά αυτά υποστρώματα αφενός μεν απαντώνται συχνά ως φυσικά συστατικά προϊόντων της καθημερινής διατροφής του ανθρώπου και γενικότερα αποτελούν υποστρώματα φυσικής προέλευσης, αφετέρου δε διαδραματίζουν σημαντικό βιολογικό ρόλο. Τέλος, θεωρούνται Ο- υποκαταστάτες με σημαντικές λειτουργικές ομάδες, όπως η ομάδα του -ΟΗ και του -COOH, δομικά χαρακτηριστικά απαραίτητα για την ικανότητα συναρμογής τους με μεταλλοϊόντα. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης συντέθηκαν δυαδικά και τριαδικά συστήματα Cd(ΙΙ) με γλυκολικό, α-υδροξυ ισοβουτυρικό (ΗΙΒΑ), κινικό και βενζιλικό οξύ με ή χωρίς την παρουσία αρωματικών χηλικών Ν-υποκαταστατών. Ακόμη, συντέθηκαν τριαδικές ενώσεις καδμίου με τα δικαρβοξυλικά οξέα πιμελικό, σουμπερικό και σεβακικό οξύ με συμμετοχή της 2,2 -διπυριδίνης. Οι νέες ενώσεις χαρακτηρίστηκαν πλήρως με φυσικοχημικές μεθόδους χαρακτηρισμού που περιλαμβάνουν στοιχειακή ανάλυση, κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ, φασματοσκοπία υπερύθρου, φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και θερμοσταθμική ανάλυση. Ακόμη, διερευνήθηκε η εμφάνιση του φαινομένου της φωταύγειας ορισμένων από τις παραπάνω ενώσεις, ιδιότητα η οποία προσδίδει προστιθέμενη αξία στα υλικά που την εμφανίζουν. Ακολούθησε, περαιτέρω, η βιολογική αξιολόγηση (ενδεχόμενη ανάπτυξη τοξικού προφίλ) κάποιων από τα παραπάνω συστήματα ενώσεων καδμίου, με σκοπό κυρίως τη διερεύνηση του ρόλου της ειδοκατανομής του καδμίου στην ανάπτυξη τοξικότητας και επίδραση στο βαθμό της κυτταρικής επιβίωσης. i

7 Σε κάθε περίπτωση η ανάπτυξη της τοξικότητας των ενώσεων του καδμίου με τα φυσιολογικά υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δομο-, δοσο-, και χρονο-εξαρτώμενη. Η συμμετοχή του τιτανίου σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, καθώς και το ίδιο το μέταλλο ως βιοϋλικό στον τομέα της προσθετικής και θεραπευτικής ιατρικής, με άμεση συνέπεια την επαφή του μετάλλου με φυσιολογικά υποστρώματα, αποτέλεσε το ερέθισμα της διερεύνησης του τρόπου μέσω του οποίου το μεταλλοϊόν του τιτανίου (Ti(IV)) αντιδρά σε περιβάλλον όμοιο (όσο είναι εφικτό) με αυτό που απαντάται στα βιολογικά υγρά των έμβιων οργανισμών. Ως εκ τούτου, η σύνθεση και απομόνωση νέων υβριδικών ενώσεων τιτανίου με α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, αποτέλεσε το δεύτερο αντικείμενο-στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Τα νέα συστήματα Ti(IV)-με κινικό οξύ και α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), χαρακτηρίστηκαν πλήρως δομικά, και φασματοσκοπικά. Ακολούθησε βιολογική αξιολόγηση των νεοσυσταθέντων ενώσεων τιτανίου, η οποία απέδειξε το ατοξικό τους προφίλ. Τα συνολικά αποτελέσματα της χημικής και βιολογικής μελέτης των νέων μορφών τιτανίου, αφενός μεν διαλευκάνουν το ιδιαίτερο (βιο)χημικό προφίλ που εμφανίζει το μεταλλοϊόν του τιτανίου (Ti(IV)), αφετέρου δε θέτει τις βάσεις για το σχεδιασμό και σύνθεση νέων υλικών τιτανίου, με σκοπό την προώθησή τους σε βιολογικές μελέτες πιθανών βιολογικών δράσεων (ινσουλινομίμηση, αντικαρκινική και αντιμικροβιακή δράση κ.ά.) και εφαρμογών τους στον τομέα της φαρμακευτικής βιομηχανίας. ii

8 ABSTRACT The aim of this study was the investigation of the chemical reactivity of the metal-ions Cd(II) and Ti(IV) with low molecular mass substrates, which mainly occur either as intermediates in various vital cellular biochemical processes or are present in biological fluids as cellular components of living organisms. The synthesis and isolation of well-characterized new binary and ternary compounds of cadmium and titanium with physiological and physiologically relevant organic ligands reflects the diverse spectrum of interactions of these metals with major classes of naturally occurring substrates. Α-hydroxycarboxylic acids and dicarboxylic acids were the main physiological classes of physiological substrates studied in this research. These substrates, on one hand, mainly occur as natural ingredients in products of the daily human diet and are generally natural origin substrates. On the other hand, they play important biological roles. Moreover, they contain important functional groups, such as alcoholic (-OH) and carboxylic acid (-COOH) units, both serving as structural characteristics necessary to promote reactivity exemplified through binding to the investigated metal-ions Cd(II) and Ti(IV). One of the major goals of this study was the synthesis, isolation and physicochemical characterization of binary and ternary systems of Cd(II) with glycolic, a-hydroxy isobutyric (HIBA), quinic and benzilic acids, with or without the presence of chelating N-aromatic ligands. Also, the synthesis and characterization of ternary cadmium compounds with dicarboxylic acids of increasing linker chains (pimelic, suberic and sebasic acid), with the concurrent participation of the aromatic chelator 2,2 -bipyridine, was an innovative success of the present work. All novel compounds were fully characterized physicochemically, with techniques including elemental analysis, X-ray crystallography, FT-IR spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR), and thermogravimetric analysis (TGA). The occurrence of luminescence in some of these compounds was also investigated. Finally, the biological influence of selected Cd(II)-(α-hydroxycarboxylic acid) systems (possible emergence of toxic profile) on cell cultures was pursued in order to investigate the role of cadmium speciation in toxicity effects and cell survival. In all cases, the emergence of toxicity of cadmium compounds with physiological substrates was time-, dose-, tissue- and structuredependent. iii

9 The involvement of titanium in everyday products, with a) the metal serving as a key biomaterial in the prosthetic and therapeutic medicine (implants) itself, and b) its direct contact-reactivity with physiological substrates as a consequence, was the second main reason of the investigation of the way(s)-mode(s) that the metal ion of Ti(IV) elicits interactions from an environment similar (to the degree possible) to that found in biological fluids of living organisms. Consequently, the synthesis and isolation of novel hybrid titanium compounds with alphahydroxycarboxylic acids was an ostensible challenge in this thesis. New systems of Ti(IV) with quinic and a-hydroxyisobutyric acid (HIBA) were explored synthetically in aqueous media, with the arising materials being fully structurally and physicochemical characterized. The biological evaluation of the newly synthesized titanium compounds also took place in vitro and exhibited a non-toxic profile. The overall results of the physicochemical and biological study of the new titanium complex forms a) unravel the specific (bio)chemical profile of the metal ion Ti(IV), and b) lay the foundation for the design and synthesis of new titanium materials, collectively aiming at perusing key biological effect(s) in known (patho)physiologies (insulin-mimesis, anticancer and antimicrobial activity, etc.) and their applications in the pharmaceutical industry (therapeutics in allergies or active agents in pharmaceutical formulations). iv

10 ΕΚΘΕΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΣ Το αντικείμενο της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η σύνθεση, η απομόνωση και ο πλήρης φυσικοχημικός χαρακτηρισμός νέων υβριδικών δυαδικών και τριαδικών συστημάτων καδμίου Cd(II) και τιτανίου Ti(IV) με φυσιολογικά υποστρώματα-βιοστόχους, τα οποία α) εμπλέκονται σε ζωτικής σημασίας για το κύτταρο βιοχημικές διεργασίες, και β) απαντώνται στα κύτταρα και βιολογικά υγρά των έμβιων οργανισμών. Η είσοδος, με κάποιο τρόπο, των υπό εξέταση μεταλλοϊόντων στο εσωτερικό των οργανισμών, είτε ως μεταλλοτοξίνες όσον αφορά στο μέταλλο του καδμίου, είτε μέσω προϊόντων ζωτικής σημασίας για τον άνθρωπο (προσθετική οστών-εμφυτευμάτων, σκευάσματα καθημερινής φροντίδας ή/και φαρμακευτικά σκευάσματα) στην περίπτωση του τιτανίου, έχει ως άμεση ενδεχόμενη συνέπεια την αλληλεπίδραση των μεταλλοϊόντων καδμίου και τιτανίου με μόρια-βιοστόχους. Ως εκ τούτου, κρίθηκε ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη από επιστημονικής άποψης, η α) διερεύνηση της χημικής αλληλεπίδρασης του καδμίου και τιτανίου με συγκεκριμένες κατηγορίες σημαντικών βιομορίων, όπως αυτές των α-υδροξυκαρβοξυλικών και δικαρβοξυλικών οξέων, και β) βιολογική προσέγγιση των νέων συστημάτων που προέκυψαν ως επακόλουθο της δομικής ειδοκατανομής στην υδατική φάση. Ο καινοτόμος χαρακτήρας της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται παρακάτω: α. Σύνθεση νέων καλά χαρακτηρισμένων υβριδικών ενώσεων Cd(II) και Ti(IV) με οργανικά χηλικοποιητικά υποστρώματα, αναδεικνύοντας έτσι την ισχύ του σχεδιασμού και την υλοποίηση της προκύπτουσας δομικής ειδοκατανομής. β. Δημιουργία πλήρων οικογενειών δυαδικών και τριαδικών ενώσεων καδμίου και τιτανίου και συσχετισμός 1) της δομικής ειδοκατανομής τους με την επαγόμενη τοξικότητα (ή ατοξικότητα) σε μοριακό επίπεδο, και 2) βιολογικών δράσεων των νέων διακριτών ενώσεων με φυσιολογικούς στόχους σε γενετικό και πρωτεϊνικό επίπεδο. γ. Σύνθεση και απομόνωση νέων συμπλόκων ειδών (π.χ. πολυμερών συναρμογής) του δισθενούς μεταλλοϊόντος του Cd(II) υπό την παρουσία συνεχώς αυξανομένης ανθρακικής αλυσίδας δικαρβοξυλικών οξέων. Οι νέες πλεγματικές διατάξεις που προέκυψαν προσφέρουν τη δυνατότητα αξιολόγησης των υλικών (βιοαντιδραστήρες) σε διαδικασίες μετασχηματισμού υποστρωμάτων σε χημικά αντιδραστήρια με εφαρμογές (π.χ. παραγωγή μεθανόλης, αιθανόλης, κ.ά.). v

11 δ. Απόκτηση νέας γνώσης που αφορά στην αρχιτεκτονική του πλέγματος και στην προοπτική της στη δημιουργία δυαδικών και τριαδικών ειδών λειτουργικών υλικών Cd(II)- δικαρβοξυλικών οξέων αυξανομένης αλυσίδας (δράση ως συνδετικό μόριο-linker), με πιθανή εφαρμογή τους ως MOFs υλικά με προηγμένες ιδιότητες (ρόφηση αερίων ενώσεων π.χ. CO 2, H 2, ιδιότητες αισθητήρων μέσω της αξιοποίησης του φαινομένου της φωταύγειας, καταλυτική δράση, κ.ά.). ε. Η διαλεύκανση του ιδιαίτερου βιοχημικού προφίλ του τιτανίου με τη α) σύνθεση πρωτότυπων ενώσεων τιτανίου με φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία δεν είχαν προηγουμένως διερευνηθεί, β) βιολογική εκτίμηση του τοξικού-ατοξικού τους προφίλ, και γ) προώθηση τους σε βιολογικές μελέτες διερεύνησης νέων βιολογικών ρόλων στην κυτταρική (παθο)φυσιολογία, με σκοπό την μελλοντική εισαγωγή τους στον τομέα της θεραπευτικής (αντιδιαβητικά, αντικαρκινικά σκευάσματα κ.ά.) -φαρμακευτικής τεχνολογίας (αλλεργικά επιθέματα-patches). στ. Διερεύνηση της χημικής αλληλεπίδρασης του μεταλλοϊόντος του Ti(IV) με βιομόρια, κατά την προσθήκη εμφυτευμάτων (ιατρική και οδοντιατρική προσθετική), με σκοπό τη σύνδεση της δομικής ειδοκατανομής με την επαγόμενη πιθανή τοξική-ατοξική δράση και με άμεση συνέπεια την αποδοχή απόρριψη του εμφυτεύματος. ζ. Η εισαγωγή στον τομέα της έρευνας και φαρμακευτικής τεχνολογίας οργανικών υποστρωμάτων χαμηλής μοριακής μάζας, όπως τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, ως οικογένειας μεταλλοδεσμευτικών υποκαταστατών με σημαντική επίδραση στην προκύπτουσα ειδοκατανομή με μεταλλοϊόντα, όπως του τιτανίου Ti(IV) και γενικότερα των μετάλλων με φαρμακευτικές εφαρμογές (medicinal metals), και συσχέτιση με την εκδήλωση βιολογικών ιδιοτήτων και σύνδεση αυτών με την εφαρμογή τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τον καινοτόμο χαρακτήρα ο οποίος την διέπει, όπως αυτός αναπτύχθηκε παραπάνω, αποβλέπει στην εισαγωγή νέας γνώσης σχετικά με τη σύνδεση της δομικής ειδοκατανομής με την ανάπτυξη της επαγόμενης τοξικότητας και εμπλοκής σε σύνθετα παθολογικά μονοπάτια σε παθολογικές καταστάσεις, όσον αφορά στον τομέα των μεταλλοτοξινών με κυρίαρχο μέταλλο αυτό του καδμίου, καθώς και διαλεύκανση του ως τώρα ανεξιχνίαστου (βιο)χημικού προφίλ του μετάλλου του τιτανίου και εκμετάλλευση της προκύπτουσας γνώσης και εμπειρίας στην σύνθεση καλά χαρακτηρισμένων ειδών τιτανίου και συσχέτιση αυτών με ενδεχόμενες βιολογικές ιδιότητες και αξιοποίηση αυτών από τον κλάδο της φαρμακευτικής έρευνας και βιομηχανίας. vi

12 Αναφορικά με την περίπτωση του τιτανίου, η εξέταση του λιπογενετικού δυναμικού κατάλληλα διαμορφωμένων συμπλόκων μορφών αυτού του εξωγενούς μεταλλοϊόντος με οργανικά α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα αποτελεί οδηγό στην εξερεύνηση των μέχρι τώρα αγνώστων πτυχών της βιολογίας του συγκεκριμένου μετάλλου, με πιθανή εφαρμογή στην αντιμετώπιση κυτταρικών παθοφυσιολογιών (π.χ. διαβήτης). vii

13 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας και Προηγμένων Υλικών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Αθανάσιου Σαλίφογλου. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους εκείνους που με βοήθησαν με οποιονδήποτε τρόπο, στην επιτυχή ολοκλήρωση της παρούσας διδακτορικής διατριβής, καθώς και στην απόκτηση πολύτιμων εμπειριών και γνώσεων που αποκόμισα στα πλαίσια της συμμετοχής μου στα ερευνητικά και εκπαιδευτικά πεδία με τα οποία ασχολείται το Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας και η ερευνητική ομάδα με επιβλέποντα τον καθηγητή κ. Αθ. Σαλίφογλου. Καταρχήν, θα ήθελα να ευχαριστήσω μέσα από τα βάθη της καρδιάς μου τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαλίφογλου για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε όλο αυτό το διάστημα, την ευκαιρία που μου έδωσε προκειμένου να γίνω ενεργό μέλος του Εργαστηρίου του οποίου ηγείται, την συνεχή, ακούραστη και υπομονετική καθοδήγησή του, τις πολύτιμες συμβουλές και γνώσεις που μου μετέδωσε, καθώς και την στήριξη του κατά την διεκδίκηση της Υποτροφίας, η οποία με στήριξε οικονομικά το χρονικό αυτό διάστημα. Ασφαλώς, θα ήθελα να ευχαριστήσω το Τμήμα Χημικών Μηχανικών, ΑΠΘ, που με δέχτηκε ως υποψήφια διδάκτορα. Ευχαριστώ πραγματικά το ΙΚΥ και το πρόγραμμα Siemens-Αριστεία για την οικονομική και υλική στήριξη που μου προσέφεραν όλο αυτό το διάστημα, η οποία ήταν καθοριστικής σημασίας προκειμένου να αφοσιωθώ ολοκληρωτικά στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Επίσης τους ευχαριστώ εγκάρδια για την δυνατότητα που μου έδωσαν προκειμένου να συμμετέχω σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια και να βρεθώ σε χώρους επιστημονικούς πέραν της Ελλάδας. viii

14 Εξίσου, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Σπ. Χατζησπύρου και τον Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ, Π. Ακρίβο για την προθυμία τους να συμμετάσχουν στην τριμελή επιτροπή μου, καθώς και τους υπόλοιπους καθηγητέςεξεταστές για τη συμμετοχή τους στην επταμελή εξεταστική επιτροπή. Θα ήθελα, επίσης, να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ κ. Αντώνη Χατζηδημητρίου για την σημαντικότατη συμβολή του στην επιτυχή ολοκλήρωση της παρούσας ερευνητικής μελέτης, καθώς και για την βοήθεια και καθοδήγηση που μου πρόσφερε όποτε του την ζήτησα. Ευχαριστώ επιπλέον, τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Σπ. Χατζησπύρου και τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Γ. Κυριάκου για την απλόχερη συμπαράσταση και καθοδήγηση τους, καθώς και τον Καθηγητή του Τμήματος Τροφίμων, Γεωπονικής Σχολής ΑΠΘ κ. Ευστ. Αληχανίδη και την Επίκουρη Καθηγήτρια του Τμήματος Χημ. Μηχανικών Α. Ασημοπούλου για τα εφόδια που μου προσέφεραν κατά τις μεταπτυχιακές μου σπουδές και προπτυχιακές, όπως και για την στήριξή τους κατά την διεκδίκηση της Υποτροφίας (ΙΚΥ-Siemens-Αριστεία , επίπεδο Ph.D). Επίσης, είναι πολύ σημαντικό να ευχαριστήσω τους μεταδιδακτορικούς συνεργάτες και φίλους μου Ευφροσύνη Κιοσέογλου, Ελευθέριο Χαλέβα, Σάββα Πετανίδη, Όλγα Τσαβέ, Αικατερίνη Γαβριήλ, Christiane Nday, Ρούλα Σχιζοδήμου και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Χρήστο Γαβριηλίδη (Υποψήφιο διδάκτορα), Σεβαστή Μάτσια, Νεφέλη Αντωνοπούλου, για τη συνεχή στήριξη και βοήθεια που μου προσέφεραν απλόχερα. Θα ήθελα πραγματικά, να ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου το Γραμματέα του Εργαστηρίου κ. Σέργιο Γιαννούλου για την ηθική υποστήριξή του, τις πολύτιμες συμβουλές τους και τη βοήθειά του σε όλα τα στάδια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Τέλος, ευχαριστώ εγκάρδια την οικογένεια μου για την ηθική στήριξη, την αγάπη και τα εφόδια που μου έδωσε έως τώρα. ix

15 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΕΚΘΕΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ i iii v viii ΜΕΡΟΣ Ι ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΧΗΜΕΙΑ-ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΕΝΩΣΕΙΣ ΣΥΝΑΡΜΟΓΗΣ Ορισμοί-Βασικές έννοιες ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΣΥΝΑΡΜΟΓΗΣ ΘΕΩΡΙΕΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΥΜΠΛΟΚΩΝ 10 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 11

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΙΤΑΝΙΟ (Ti) Εισαγωγή- Ιστορική αναδρομή Πηγές προέλευσης τιτανίου(iv) Ηλεκτρονική διαμόρφωση Φυσικοχημικές Ιδιότητες Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του τιτανίου(iv) Εφαρμογές του τιτανίου Ti(IV) Σε τομείς της Μηχανικής Βιομηχανίας Στην Ιατρική-Οδοντιατρική 23 Α. Τομέας Ιατρικής και Οδοντιατρικής Προσθετικής 23 Β. Τομέας Φαρμακευτικής Τεχνολογίας Θεραπευτική 25 Γ. Αντιμικροβιακή δράση του διοξειδίου του τιτανίου TiO 2 26 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΡΥΠΑΝΣΗ - ΤΟΞΙΚΑ ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ Εισαγωγή Ρύπανση του περιβάλλοντος Τοξικά βαρέα μέταλλα 30

17 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΟ ΚΑΔΜΙΟ Cd(II) ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ-ΠΗΓΕΣ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ-ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΞΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΕΜΒΙΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΠΗΓΕΣ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ-ΘΕΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑ ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΑΦΗΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΕ ΤΟ ΚΑΔΜΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΥΣ ΕΜΒΙΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΟΞΙΚ ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΥΣ ΦΥΤΙΚΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ45 ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ 47 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο- και Ν-ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΕΣ (ligands) 52

18 ΕΙΣΑΓΩΓΗ A-ΥΔΡΟΞΥ-ΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ (AHAs) ΓΛΥΚΟΛΙΚΟ ΟΞΥ (Glycolic acid) ΒΕΝΖΥΛΙΚΟ ΟΞΥ (Βenzilic acid) ΚΙΝΙΚΟ ΟΞΥ (Quinic acid) α-υδροξυ ΙΣΟΒΟΥΤΥΡΙΚΟ ΟΞΥ (ΗΙΒΑ) ΔΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ ΠΙΜΕΛΙΚΟ ΟΞΥ (Pimelic acid) ΣΟΥΜΠΕΡΙΚΟ ΟΞΥ (Suberic acid) ΣΕΒΑΚΙΚΟ ΟΞΥ (Sebasic acid) Ν-ΔΟΤΕΣ ,2-ΔΙΠΥΡΙΔΙΝΗ (2,2 -Bipyridine) ,4 -ΔΙΠΥΡΙΔΙΝΗ (4,4 -Bipyridine) ΓΟΥΑΝΙΔΙΝΗ (Guanidine) 77 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Εισαγωγή Κρυσταλλικό πλέγμα Νόμος του Bragg Προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής 85

19 6.2.5 Οργανολογία ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (FT-IR) Εισαγωγή Υπέρυθρη ακτινοβολία 87 Εφαρμογές της τεχνικής της φασματοσκοπίας FT-IR-Οργανολογία Θεωρία δονήσεων ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) Εισαγωγή Θεωρία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Οργανολογία NMR ΘΕΡΜΟΣΤΑΘΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (ThermoGravimetric Analysis, TGA) Εισαγωγή Οργανολογία Θερμοσταθμικής Ανάλυσης ΣΤΟΙΧΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (Elemental Analysis) ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΦΩΤΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ (Photoluminescencefluorescence spectroscopy) Εισαγωγή Οργανολογία 102 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 103

20 ΣΚΟΠΟΣ ΜΕΡΟΣ ΙΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΔΥΑΔΙΚΕΣ ΚΑΙ ΤΡΙΑΔΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ Cd(II) ΜΕ α- ΥΔΡΟΞΥΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ 104 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.1 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΤΟ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟ ΟΞΥ-ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Cd(ΙΙ)-ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος 110 Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια 110 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 110 Πειραματικό μέρος 111 Σύνθεση της δυαδικής ένωσης[cd(glycolate) 2 ] n (1) 111 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης[cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) 112 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης{[cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O(3) Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ 113 Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής 113

21 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης [Cd(glycolate) 2 ] n (1) 114 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) 115 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C (NMR Spectroscopy) σε διάλυμα Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) των ενώσεων Μελέτη φωταύγειας Εκτίμηση του ενδεχόμενου τοξικού προφίλ των ενώσεων ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 136 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 137 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.2 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΤΟ α- ΥΔΡΟΞΥ ΙΣΟΒΟΥΤΥΡΙΚΟ ΟΞΥ (HIBA) Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος-μέθοδοι χαρακτηρισμού Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια 140 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 141 Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) 142

22 Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B) 143 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n nh 2 O(5Α) 143 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής των ενώσεων 4Α, 4Β, 5A, και 5B Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C-, 1 H- σε διάλυμα Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) των ενώσεων 4Α και 5Α ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 163 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 163 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.3 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Cd(II) ΜΕ ΤΟΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗ ΚΙΝΙΚΟ ΟΞΥ(D-quinic acid) Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού 164 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 164

23 Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ 166 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C- 1 H-NMR (NMR Spectroscopy) σε διάλυμα ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 173 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 173 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.4 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΛΛΟΤΟΞΙΝΗΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΑΡΩΜΑΤΙΚΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού 176 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 176 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ

24 Συλλογή δεδομένων Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ 177 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) Μελέτη φωταύγειας ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 185 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΥΔΑΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΥ Cd(II) ΜΕ ΔΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ 8.1 Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος 190 Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια 190 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 190 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) 191 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) 191 Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής 192 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) 194 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της τριαδικής ένωσης[cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) 195

25 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της τριαδικής ένωσης [Cd(suberato)(2,2 - bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 204 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 205 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΣΥΝΘΕΣΗ, ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ, ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΝΕΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ Ti(ΙV) ΜΕ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΜΑΖΑΣ 9.1 Εισαγωγή Σύνθεση Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού 209 Μέθοδοι χαρακτηρισμού 209 Σύνθεση της ένωσης (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) 210 Σύνθεση της ένωσης (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12) 211 Σύνθεση της ένωσης (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής 213

26 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) 215 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12) 216 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) Βιολογική αξιολόγηση των ενώσεων 11 και ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 228 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 229 ΤΕΛΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 230 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ 235

27 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα Στρατηγική σύνθεσης των ενώσεων συναρμογής Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(glycolate) 2 ] n (1) 115 Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης[cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O(2)116 Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3) (3) 117 Σχήμα Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 1, Β. 2, και Γ Σχήμα Φάσματα ΝMR σε διάλυμα Α. 1Η - NMR,Β. 13 C- NMR φάσμα της ένωσης Σχήμα Φάσματα ΝMR σε διάλυμα Α. 1Η - NMR, και Β. 13 C- NMR της ένωσης Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα Φάσματα φωταύγειας της Α. 2, Β. 2,2 -διπυριδίνης, Γ. 3,Δ.4,4 -διπυριδίνης129 Σχήμα Μελέτη τοξικότητας αλάτων Cd(II) σε κυτταρικής σειρά Saos Σχήμα Μελέτη τοξικότητας του γλυκολικού υποκαταστάτη στην κυτταρική σειρά Saos Σχήμα Μελέτη τοξικότητας του συμπλοκοποιημένου Cd(II) των ενώσεων [Cd(glycolate) 2 ] n (1), [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) στην κυτταρική σειρά Saos-2 και 3T3-L1 133 Σχήμα Μελέτη τοξικότητας των ενώσεων συναρμογής Α. [Cd(glycolate) 2 ] n (1), Β. [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2), στην κυτταρική σειρά Saos-2 με συνεπώαση με το χηλικοποιητικό EDTA 134 Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) 147

28 Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B) 148 Σχήμα 7.2.3Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5A) 149 Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 ] n 2n. (NO 3 ) 2nH 2 O(5B) 151 Σχήμα Φάσματα FT-IR των ενώσεων [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4A), [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ](4B), [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α), Δ. [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O (5B) 156 Σχήμα Φάσμα Α. 13 C NMR, και Β. 1 H-NMR της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) σε D 2 O159 Σχήμα Φάσμα Α. 13 C NMR, και Β. 1 H-NMR της ένωσης [Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 ] n 2n(NO 3 ) nh 2 O (5Α) σε D 2 O 160 Σχήμα7.2.8: Διάγραμμα TGA της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) 161 Σχήμα7.2.9 Διάγραμμα TGA της ένωσης 162 [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α) Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) 167 Σχήμα Φάσμα FT-IR της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) 170 Σχήμα Φάσμα 13 C NMR της ένωσης 6 σε διάλυμα 171 Σχήμα Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης 6 σε διάλυμα 172 Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) 179 Σχήμα Φάσμα FT-IR της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) 181 Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα Φάσματα φωταύγειας Α. της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7), Β. του βενζιλικού υποκαταστάτη, και Γ. της 2,2 -διπυριδίνης 184

29 Σχήμα 8.1 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση Σχήμα 8.2 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) 196 Σχήμα 8.3 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) 198 Σχήμα 8.4 Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 8, Β. 9, και Γ Σχήμα8.5: Διάγραμμα TGA της ένωσης [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n 3nH 2 O (9) 203 Σχήμα 9.1 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 2- της ένωσης Σχήμα 9.2 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 2- της ένωσης Σχήμα 9.3 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ] 4- της ένωσης Σχήμα 9.4 Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 11, Β. 12, και Γ Σχήμα 9.5 Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα 9.6 Διάγραμμα TGA της ένωσης Σχήμα 9.7 Επίδραση στην ποσοστιαία μεταβολή της κυτταρικής επιβίωσης πρώιμων λιποκυττάρων 3Τ3-L1 των ενώσεων (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH) 2 6H 2 O (13). 224 Σχήμα 9.8 Επίδραση στην φυσιολογική μορφολογία κυττάρων 3Τ3-L1 των ενώσεων (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) και (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH) 2 6H 2 O (13) 225 Σχήμα 9.9 Επίδραση στην κυτταρική μετανάστευση 3Τ3-L1 πρώιμων λιποκυττάρων της ένωσης 11 και ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας Τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων

30 Πίνακας Αποτελέσματα μελέτης φωταύγειας 129 Πίνακας Συγκεντρωτικά αποτελέσματα μελέτης τοξικότητας Cd(ΙΙ) σε διάφορες μορφές στις κυτταρικές σειρές Saos-2 και 3T3-L Πίνακας Τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, και 5Β 146 Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, και 5Β 152 Πίνακας Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα της ένωσης Πίνακας Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O(6)169 Πίνακας Κρυσταλλογραφικά δεδομένα της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ](7) 178 Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών της ένωσης 180 [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Πίνακας Αποτελέσματα μελέτης φωταύγειας 185 Πίνακας 8.1. Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 8, 9 και Πίνακας 8.2 Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων 8, 9, Πίνακας 9.1. Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 3.5H 2 O(11), (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12) και (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 2 6H 2 O (13) 214 Πίνακας 9.2 Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12), και (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH) 2 6H 2 O (13) 217

31 ΜΕΡΟΣ Ι ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΜΕΡΟΣ

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΜΕΤΑΛΛΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΧΗΜΕΙΑ-ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Τα μέταλλα του Cd και Ti, τα οποία αποτελούν αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, εντάσσονται στην κατηγορία των μεταβατικών μετάλλων. Για το λόγο, αυτό κρίνεται σκόπιμο να γίνει σύντομη αλλά πλήρη ταυτοχρόνως αναφορά στα χαρακτηριστικά αυτής της κατηγορία των μετάλλων (ορισμός, θέση στον περιοδικό πίνακα, ιδιότητες και επιλεγμένες εφαρμογές). Ανάμεσα στις ομάδες ΙΙΑ και ΙΙΙΑ του περιοδικού πίνακα κατατάσσονται σε 10 ομάδες τα στοιχεία των μεταβατικών μετάλλων (ομάδες Β). Στην κατηγορία των μεταβατικών μετάλλων ανήκουν στοιχεία με σημαντικές εφαρμογές τόσο στην καθημερινότητα (χάλκινα σύρματα, μεταλλικά ασημένια νομίσματα, κοσμήματα, σιδερένια εργαλεία, καταλύτες σε διεργασίες π.χ. στη σύνθεση ΝΗ 3, στον καθαρισμό πετρελαίου, κ.ά.), αλλά και με πολύ σημαντικές ζωτικής σημασίας βιολογικές εφαρμογές. Αν και συνήθως ως μεταβατικά χαρακτηρίζονται όλα τα στοιχεία των Β ομάδων, σύμφωνα με έναν αυστηρότερο ορισμό Μεταβατικά χαρακτηρίζονται τα μεταλλικά στοιχεία τα οποία περιέχουν έναν d υποφλοιό εν μέρει συμπληρωμένο ή τουλάχιστον σχηματίζουν εύκολα ιόντα με εν μέρει συμπληρωμένους d υποφλοιούς. Ως παραδείγματα μεταβατικών στοιχείων μπορεί να δοθεί ο σίδηρος Fe και ο χαλκός Cu. Όσον αφορά στο σίδηρο, έχοντας ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Ar]3d 6 4s 2, διαθέτει 3d υποφλοιό εν μέρει συμπληρωμένο. Ο χαλκός είναι παράδειγμα μεταβατικού μετάλλου, το οποίο δεν έχει μη συμπληρωμένο d υποφλοιό ([Ar]3d 10 4s 1 ), αλλά εύκολα σχηματίζει ιόν με ασυμπλήρωτο 3d υποφλοιό ([Ar]3d 9 ). Σύμφωνα με τον παραπάνω αυστηρό ορισμό του μεταβατικού μετάλλου, τα στοιχεία της ΙΙΒ ομάδας (ψευδάργυρος, κάδμιο και υδράργυρος), δεδομένου του γεγονότος ότι εμφανίζουν συμπληρωμένους τους d υποφλοιούς τόσο ως στοιχεία όσο και τα ιόντα τους, δε θα πρέπει να κατατάσσονται στην κατηγορία των μεταβατικών μετάλλων, μολονότι συνήθως κατατάσσονται. Επίσης, στα μεταβατικά μέταλλα ως εσωτερικά μεταβατικά μέταλλα, ορισμένοι επιστήμονες εντάσσουν τα στοιχεία με f υποφλοιούς μη 1

33 συμπληρωμένες τις συνήθεις οξειδωτικές καταστάσεις τους. Αυτά είναι τα στοιχεία που βρίσκονται στις δύο σειρές χαμηλά στον περιοδικό πίνακα (λανθανίδες, ακτινίδες). 1 Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα στοιχεία των μεταβατικών μετάλλων και η θέση τους στον περιοδικό πίνακα (Σχήμα 1.1). Σχήμα 1.1 Περιοδικός πίνακας-μεταβατικά μέταλλα. Για τα μεταβατικά μέταλλα ισχύουν με μικρές διαφοροποιήσεις ότι και για τα υπόλοιπα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Η παρουσία των d τροχιακών είναι υπεύθυνη για τις διαφοροποιήσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, προσδίδοντας στα μέταλλα αυτά συγκεκριμένες ιδιότητες και δραστικότητα. Όσον αφορά για παράδειγμα στην ατομική ακτίνα των μεταβατικών μετάλλων, αυτή μειώνεται σε κάθε περίοδο σταδιακά από αριστερά προς τα δεξιά. Η αύξηση του δραστικού πυρηνικού φορτίου οδηγεί σε ελάττωση αυτής, καθώς το τελευταίο επιδρά στα εξωτερικά ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να τα έλκει πιο ισχυρά. Τα μεταβατικά μέταλλα εμφανίζουν μια σειρά από κοινές ιδιότητες, οι οποίες τα κάνουν να ξεχωρίζουν από τα στοιχεία των κύριων ομάδων. Συγκεκριμένα: 2

34 1. Όλα τα μεταβατικά στοιχεία είναι μέταλλα με υψηλά σημεία τήξεως και ζέσεως, και εμφανίζονται ως σκληρά στερεά (εξαίρεση αποτελούν τα στοιχεία της ομάδας ΙΙΒ). 2. Όλα τα μεταβατικά στοιχεία, εκτός των στοιχείων της ΙΙΒ και ΙΙΙΒ, διαθέτουν πολλές οξειδωτικές καταστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το μαγγάνιο, το οποίο εμφανίζεται με την μορφή ιόντων με ποικίλες οξειδωτικές καταστάσεις (από 2 + έως 7 + ). Αντιθέτως, το ιόν του Zn εμφανίζεται μόνο στην οξειδωτική κατάσταση 2 + με ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Ar]3d 10. Η πολλαπλότητα των οξειδωτικών καταστάσεων, τα οποία εμφανίζουν τα μεταβατικά μέταλλα, οφείλεται στη συμμετοχή των ηλεκτρονίων τους σε δεσμούς. Η πολλαπλότητα των οξειδωτικών τους καταστάσεων είναι και ο λόγος για τον οποίο τα μεταβατικά μέταλλα συμμετέχουν σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση του μαγγανίου και του χρωμίου. 3. Οι ενώσεις των μεταβατικών μετάλλων είναι συνήθως έγχρωμες και αρκετές από αυτές είναι παραμαγνητικές. Αντιθέτως, οι ενώσεις των στοιχείων των κύριων ομάδων είναι άχρωμες και διαμαγνητικές. Το χρώμα, το οποίο εμφανίζουν τα διαλύματα των μεταβατικών μετάλλων, οφείλεται στην απορρόφηση του φωτός από τα διαλύματά τους και εν συνεχεία την αντίληψη που δημιουργείται στο ανθρώπινο μάτι. Έχει παρατηρηθεί η εμφάνιση διαφορετικών χρωμάτων ακόμη και σε διαλύματα του ίδιου ιόντος. Συνεπώς το χρώμα, το οποίο εμφανίζουν τα διαλύματα των μεταβατικών μετάλλων, οφείλεται αφενός μεν στη φύση του μεταλλοϊόντος (συγκεκριμένα στο πλήθος των ηλεκτρονίων των d τροχιακών τους), αφετέρου δε στο περιβάλλον που περιβάλλει το μέταλλο (μορφή συμπλόκου) (Σχήμα 1.2). Αντιθέτως, μεταλλοϊόντα, όπως ο Zn(ΙΙ), δίνουν ενώσεις άχρωμες, γεγονός το οποίο πιθανώς να οφείλεται στα συμπληρωμένα 3d τροχιακά τους ([Ar]3d 10 ), με αποτέλεσμα να μην μπορεί να λάβει χώρα απορρόφηση φωτός. 1 3

35 Σχήμα 1.2 Χρωματικές αλλαγές διαλυμάτων διαφόρων μεταβατικών μετάλλων. Συνοπτικά, παρουσιάζονται στο σχήμα που ακολουθεί κάποια από τα κοινά χαρακτηριστικά των μεταβατικών μετάλλων (Σχήμα 1.3). ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΜΕΤΑΛΛΑ Πολλαπλές οξειδωτικές καταστάσεις. Σχηματισμός έγχρωμων ενώσεων Καταλυτική δράση Υψηλά σημεία ζέσεως, υψηλή πυκνότητα. Μειωμένη δραστικότητα σε σχέση με τα υπόλοιπα μέταλλα των άλλων ομάδων. Σχήμα 1.3 Γενικά χαρακτηριστικά των μεταβατικών μετάλλων. 4

36 Τα μεταβατικά μέταλλα εμφανίζουν πολύ σημαντικές εμπορικές και βιολογικές εφαρμογές. Η αξία και ο ρόλος των μεταβατικών μετάλλων παρουσιάζονται χαρακτηριστικά στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 1.4). Σχήμα 1.4 Εφαρμογές των μεταβατικών μετάλλων. Εκτός της εμπορικής τους αξίας (καταλύτες, βαφές, πρώτη ύλη για το σχηματισμό κραμάτων, κοσμημάτων κ.ά.), ορισμένα μεταβατικά μέταλλα (ιχνοστοιχεία) διαδραματίζουν σημαντικότατο βιολογικό ρόλο. Συγκεκριμένα, ο σίδηρος, ο χαλκός, το μαγγάνιο, το κοβάλτιο, το νικέλιο συμμετέχουν με συγκεκριμένες οξειδωτικές βαθμίδες σε διεργασίες που λαμβάνουν χώρα τόσο στη φύση όσο και στους έμβιους οργανισμούς. Για το λόγο αυτό, χαρακτηρίζονται ως χρήσιμα ή απαραίτητα, καθώς η συμβολή τους στην πραγματοποίηση διαφόρων διεργασιών είναι αναντικατάστατη και απαραίτητη. Ως παράδειγμα αναφέρεται ο σίδηρος, ενώσεις του οποίου 5

37 απαντώνται τόσο στους φυτικούς όσο και στους ζωικούς οργανισμούς. Το μεταβατικό αυτό μέταλλο αποτελεί βασικό συστατικό τόσο της αιμοσφαιρίνης του αίματος, η οποία είναι απαραίτητη στα ερυθροποιητικά κύτταρα του αίματος και υπεύθυνη για την ομαλή δέσμευση του οξυγόνου και μεταφορά του εν συνεχεία από τους πνεύμονες στους ιστούς, αλλά και της μυοσφαιρίνης η οποία λαμβάνει οξυγόνο από την αιμοσφαιρίνη και το διατηρεί έως ότου χρειαστεί στα μυϊκά κύτταρα ΕΝΩΣΕΙΣ ΣΥΝΑΡΜΟΓΗΣ Ορισμοί-Βασικές έννοιες Τα ιόντα των μεταβατικών μετάλλων εμφανίζονται υπό μορφή συμπλόκων ιόντων στα όξινα υδατικά τους διαλύματα. Ως παράδειγμα, μπορεί να αναφερθεί ο σίδηρος, ο οποίος στα όξινα υδατικά του διαλύματα περιβάλλεται από 6 μόρια Η 2 Ο στη σύμπλοκη μορφή ιόντος [Fe(H 2 O) 2+ 6]. Το ιόν του Fe(II) συνδέεται με τα 6 μόρια νερού μέσω των ατόμων του οξυγόνου με προσφορά ζεύγους ηλεκτρονίου σε αυτό (βάση Lewis). Η αντικατάσταση των μορίων του νερού με ιόντα CN οδηγεί στο σχηματισμό του συμπλόκου ιόντος [Fe(CN) 6 ] 4. Στη συνέχεια, κρίνεται σκόπιμη η αναφορά ορισμένες βασικές έννοιες που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παρούσα διδακτορική διατριβή. 2 Σύμπλοκο ιόν (complex ion): Αποτελείται από ένα μεταλλικό ιόν, το οποίο συνδέεται με ομοιοπολικούς δεσμούς συναρμογής με ιόντα ή ουδέτερα μόρια (βάσεις κατά Lewis). 2 Σύμπλοκη ένωση - Ένωση συναρμογής (complex compound): Είναι η ένωση, η οποία αποτελείται από ένα κεντρικό άτομο ή ιόν συνδεδεμένο με άλλα ιόντα ή άτομα ή μόρια (οργανικά ή και ανόργανα), τα οποία ονομάζονται ligands. 2 Σύμφωνα με έναν άλλο ορισμό, μια σύμπλοκη ένωση αποτελείται είτε από ένα σύμπλοκο ιόν και ιόντα αντίθετου φορτίου, είτε από μια ουδέτερη σύμπλοκη χημική οντότητα. Υποκαταστάτες - Συναρμοστές (ligands): Είναι ιόντα (ανιόντα όπως το Cl και το CN ) ή ουδέτερα μόρια (όπως το H 2 O και η NH 3 ), τα οποία δρουν ως δότες ηλεκτρονιακών ζευγών (βάσεις κατά Lewis) και χαρακτηρίζονται ως πυρηνόφιλα αντιδραστήρια. Βασική προϋπόθεση 6

38 είναι η παρουσία στη δομή τους τουλάχιστον ενός μονήρους ζεύγους ηλεκτρονίων. Όπως είναι κατανοητό, κατιόντα σπάνια μπορούν να δράσουν ως ligands. Το μεταλλικό ιόν γίνεται αποδέκτης του ζεύγους ηλεκτρονίων, έχοντας μη συμπληρωμένα τα εξωτερικά του τροχιακά, και συνεπώς χαρακτηρίζεται ως ηλεκτρονιόφιλο αντιδραστήριο ή οξύ κατά Lewis. Το γενικό σχήμα, το οποίο λαμβάνει χώρα κατά την αντίδραση των βάσεων Lewis (L x ) με τα μεταβατικά μεταλλοϊόντα (M n+ ) παρουσιάζεται παρακάτω (Σχήμα 1.5). 2 M n+ + pl x- M(L)p n-x Σχήμα 1.5 Γενικό σχήμα σχηματισμού συμπλόκων ενώσεων. Αριθμός συναρμογής (coordination number) μεταλλικού ατόμου/ιόντος σε μια σύμπλοκη ένωση: Είναι ο συνολικός αριθμός δεσμών που σχηματίζει ένα μεταλλικό ιόν/άτομο με βάσεις Lewis - ligands κατά το σχηματισμό του συμπλόκου (Σχήμα 1.6). Ο πιο συνηθισμένος αριθμός συναρμογής είναι ο 6. Ακόμη, αρκετά συχνά εμφανίζονται σε σύμπλοκες ενώσεις μεταλλοϊόντα με αριθμό συναρμογής 4, χωρίς να αποκλείεται ο 5 και ο 7. 7

39 Σχήμα 1.6 Αριθμοί συναρμογής και γεωμετρία συναρμογής. Οι υποκαταστάτες ligands διακρίνονται σε δύο γενικές κατηγορίες, τους μονοδοντικούς και τους πολυδοντικούς υποκαταστάτες. Μονοδοντικοί υποκαταστάτες (monodentate ligands): Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι υποκαταστάτες εκείνοι, οι οποίοι συμμετέχουν στο σχηματισμό της ένωσης συναρμογής με ένα άτομο συναρμοσμένο με το μεταλλικό ιόν. Παραδείγματα μονοδοντικών υποκαταστατών εμφανίζονται στην περίπτωση α) [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ και β) [Fe(CN) 6 ] 3. 8

40 Πολυδοντικοί υποκαταστάτες (polydentate ligands): Ως πολυδοντικοί χαρακτηρίζονται οι υποκαταστάτες στους οποίους δύο ή περισσότερα άτομα του υποκαταστάτη ενώνονται με το ιόν του μετάλλου (π.χ. αιθυλενοδιαμίνη, οξαλικό οξύ κ.ά.). Όταν ο υποκαταστάτης προσφέρει δύο άτομά του χαρακτηρίζεται ως διδοντικός (bidentate), ενώ όταν τρία άτομα συναρμόζονται με το ιόν του μετάλλου, ο υποκαταστάτης ονομάζεται τριδοντικός (tridentate), κ.τ.λ. Η ένωση που σχηματίζεται μεταξύ ενός μεταλλοϊόντος και πολυδοντικών υποκαταστατών ονομάζεται χηλική ένωση και χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη σταθερότητα σε σχέση με τις σύμπλοκες ενώσεις στις οποίες συμμετέχουν μονοδοντικοί υποκαταστάτες. Για παράδειγμα, μπορεί να αναφερθεί η περίπτωση της χηλικής ένωσης του ιόντος του νικελίου με τον πολυδοντικό υποκαταστάτη αιθυλενοδιαμίνη (en), η οποία παρουσιάζει σταθερότερη δομή κατά περίπου φορές σχέση με την ένωση συναρμογής μεταξύ νικελίου και αμμωνίας (Σχήμα 1.7). Όπως φαίνεται και στο σχήμα και στις δύο ενώσεις συναρμογής σχηματίζονται έξι δεσμοί Ni-N. Συνεπώς, και οι δύο ενώσεις έχουν σχεδόν ίδιες ενθαλπίες σχηματισμού, αλλά όχι και ίδιες εντροπίες, οι διαφορές των οποίων είναι και η αιτία της διαφοράς στη σταθερότητά τους. NH 2 H 2 N 2+ NH 3 NH 3 2+ H 2 N Ni NH 2 3 HN Ni NH 3 H 2 N NH 2 3 HN NH 3 Σχήμα 1.7 Συντακτικοί τύποι των ενώσεων α) [Ni(en) 3 ] 2+, και β) [Ni(NH 3 ) 6 ] 2+. 9

41 1.2.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΣΥΝΑΡΜΟΓΗΣ Παραμαγνητισμός Μια σημαντική ιδιότητα των ενώσεων συναρμογής, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, είναι ο παραμαγνητισμός. Η παρουσία ασύζευκτων ηλεκτρονίων σε μια ουσία είναι η αιτία ανάπτυξης παραμαγνητικών ιδιοτήτων στην ουσία αυτή. Οι παραμαγνητικές ενώσεις έχουν την ικανότητα να έλκονται από ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Δεδομένης της σχέσης που συνδέει την εμφάνιση παραμαγνητισμού με την ηλεκτρονική δομή ενός συμπλόκου, ο προσδιορισμός της έκτασης παραμαγνητισμού του μπορεί να δώσει πληροφορίες για τους δεσμούς που αναπτύσσονται σε αυτό. Χρώμα Η απορρόφηση φωτός στην ορατή περιοχή είναι ο λόγος για τον οποίον μία ουσία εμφανίζεται ως έγχρωμη. Η απορρόφηση του φωτός οφείλεται στις ηλεκτρονικές μεταπτώσεις μεταξύ γειτονικών ενεργειακών επιπέδων ΘΕΩΡΙΕΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΥΜΠΛΟΚΩΝ Θεωρία μοριακών τροχιακών Κατά τη θεωρία των μοριακών τροχιακών (Molecular Orbital Theory), τα μοριακά τροχιακά των υποκαταστατών μπορούν να αλληλεπικαλυφθούν και να συγχωνευθούν με τα τροχιακά του κεντρικού μεταλλοϊόντος, δημιουργώντας δεσμικά (bonding), αντιδεσμικά (antibonding) και αδεσμικά (nonbonding) μοριακά τροχιακά. 1,2,3 Όσον αφορά στην ενέργεια των σχηματιζόμενων τροχιακών, τα τροχιακά αυτά εμφανίζουν ενεργειακή διαβάθμιση. Συγκεκριμένα, η ενέργεια των δεσμικών τροχιακών είναι χαμηλότερη σε σχέση με τα αρχικά ατομικά τροχιακά, των αντιδεσμικών υψηλότερη, ενώ των αδεσμικών παραμένει ίδια με αυτήν των αρχικών τροχιακών. Η θεωρία των μοριακών τροχιακών επιτρέπει με επιτυχία την ερμηνεία των δεσμών και των μαγνητικών ιδιοτήτων των συμπλόκων. Η πολυπλοκότητα, όμως, που εμφανίζει κάποιες φορές την καθιστά δύσχρηστη. Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκε μία άλλη περισσότερο εύχρηστη θεωρία, H θεωρία κρυσταλλικού πεδίου, η οποία όμως δεν είναι πάντα σε θέση να εξηγήσει διάφορα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στα σύμπλοκα των μετάλλων. 10

42 Θεωρία κρυσταλλικού πεδίου (Crystal Field Theory) Η θεωρία κρυσταλλικού πεδίου μελετά την επίδραση που έχει το ηλεκτρικό πεδίο των υποκαταστατών στην ενέργεια των d τροχιακών των μεταλλοϊόντων. Σύμφωνα με αυτό το ηλεκτροστατικό μοντέλο, οι υποκαταστάτες (ligands) θεωρούνται σημειακά ηλεκτρικά φορτία. 1,2,3 Έτσι, ένα ανιοντικό ligand αντιμετωπίζεται ως αρνητικό ιόν, ένα ουδέτερο μόριο με το εκχωρημένο ζεύγος ηλεκτρονίων στο μέταλλο, θεωρείται ως μερικό αρνητικό φορτίο, αντικατοπτρίζοντας τον αρνητικό πόλο του μοριακού διπόλου. Η επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου αυτών των αρνητικών φορτίων στα πέντε d τροχιακά του μετάλλου οδηγεί στην ενεργειακή διαφοροποίηση αυτών. Το αποτέλεσμα ερμηνεύει τόσο τον παραμαγνητισμό όσο και το χρώμα που εμφανίζουν οι σύμπλοκες ενώσεις. Όπως είναι φανερό, θεωρώντας τους υποκαταστάτες ως σημειακά φορτία αποδεχόμαστε ως γεγονός την ιοντική φύση των σχηματιζόμενων δεσμών. Η θεωρία του κρυσταλλικού πεδίου μπορεί να επεκταθεί ώστε να συμπεριλάβει και τον ομοιοπολικό χαρακτήρα των δεσμών. Η επέκταση αυτή ονομάζεται Θεωρία του Πεδίου των Υποκαταστατών (Ligand Field Theory, LFT). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ebbing, D.D.; Gammon, S.D. Γενική Χημεία, Εκδ. Τραυλός, Αθήνα 2002, Καραγιαννίδης, Π. Ανόργανη Χημεία, Εκδ. Ζήτη, Θεσσαλονίκη 2001, Θέμελης, Δ.Γ. Βασικές Aρχές Αναλυτικής Xημείας, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 2004,

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΙΤΑΝΙΟ Ti Εισαγωγή-Ιδιότητες-Εφαρμογές στη Bιομηχανία και στην Ιατρική-Φαρμακευτική Τεχνολογία Ένα από τα αντικείμενα με τα οποία ασχολείται η παρούσα διδακτορική διατριβή, όπως προαναφέρθηκε, είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νέων, καλά καθορισμένων ενώσεων συναρμογής του τιτανίου (Ti(ΙV)) με φυσιολογικά υποστρώματα-βιομόρια, με σκοπό την εξιχνίαση της χημικής συμπεριφοράς του μετάλλου αυτού, κατά την παρουσία του σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, βιουλικά προσθετικής κ.α, τα οποία έρχονται σε επαφή με βιολογικά υγρά ή ιστούς. Επιπλέον, διερευνάται η δυνατότητα εφαρμογής των νέων ενώσεων του τιτανίου(iv), που έχουν συντεθεί στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας, σε τομείς της φαρμακευτικής (παρασκευή δραστικών ουσιών με πιθανές αντικαρκινικές και ινσουλινομιμητικές ιδιότητες κ.ά. χαμηλής τοξικότητας με όσο το δυνατόν λιγότερες αρνητικές παρενέργειες). Εν συνεχεία, θα γίνει μια προσπάθεια σύντομης, αλλά όσο το δυνατόν πλήρους παρουσίασης των σημαντικότερων χαρακτηριστικών-ιδιοτήτων και εφαρμογών του τιτανίου Ti. 2.1 Εισαγωγή- Ιστορική αναδρομή Το τιτάνιο (Ti) είναι ένα μεταβατικό μέταλλο, γνωστό για τα ιδιαίτερα ελκυστικά του χαρακτηριστικά, χαρακτηριστικά που το καθιστούν βασική πρώτη ύλη σε πολύ σημαντικές εφαρμογές, τόσο σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, όσο και σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, ιατρικής, οδοντιατρικής (εμφυτεύματα, μοσχεύματα) και φαρμακευτικής. Ανακαλύφθηκε το 1790 στην Αγγλία από τον Reverend William Justin Gregor κατά την ενασχόληση του με τη μαγνητική άμμο και στη συνέχεια για πρώτη φορά απομονώθηκε ξανά στο ορυκτό ρουτίλιο (rutile TiO 2 ) από το Γερμανό χημικό Heinrich Klaproth, ο οποίος και έδωσε, το 1795, το όνομα τιτάνιο στο στοιχείο αυτό προς τιμή των τιτάνων της Ελληνικής Μυθολογίας. 1 Μόλις, όμως, το 1887 παράχθηκε μεταλλικό τιτάνιο σε καθαρή μορφή και το 1938 αναπτύχθηκε τεχνολογία ικανή να παράγει αξιόλογες εμπορικά ποσότητες τιτανίου(iv). 2 Τελικά, το 1946 ο William Justin Kroll ανέπτυξε την μέθοδο, που χρησιμοποιείται έως σήμερα, παραγωγής τιτανίου με αναγωγή TiCl 4 με μαγγάνιο στους 800 ο C σε ατμόσφαιρα αργού. Η διεργασία αυτή παγκοσμίως ονομάστηκε διεργασία Kroll 3,4 12

44 2.2 Πηγές προέλευσης τιτανίου Το τιτάνιο ως μέταλλο δεν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση. Παρολ αυτά, είναι το ένατο σε αφθονία στοιχείο και το τέταρτο σε αφθονία μέταλλο, αμέσως μετά το αλουμίνιο, το σίδηρο και το μαγνήσιο στο φλοιό της γης. Κυρίως, απαντάται σε ορυκτά (anatase, bookite, perovskite, ilmenite, leucoxene, rutile κ.ά.) (Εικόνα 2.1). 4 Τα πιο σημαντικά μεταλλεύματα τιτανίου εντοπίζονται στην Αυστραλία, στις Ηνωμένες Πολιτείες, στη Σκανδιναβία, στη Μαλαισία, στη Φινλανδία και στον Καναδά. 1,4,5 Επίσης, έχει βρεθεί σε μετεωρίτες, στον ήλιο, σε διάφορους αστέρες, ακόμη και στο φεγγάρι σε δείγματα πετρωμάτων. Ακόμη, έχει βρεθεί σε στάχτη από γαιάνθρακα, σε φυτά και στον ανθρώπινο οργανισμό. Α. Anatase (TiO 2 ) B. Routile (TiO 2 ) Γ. Perovskite (CaTiO 3 ) Δ. Ilmenite (FeTiO 3 ) Εικόνα 2.1 Πηγές προέλευσης του τιτανίου 13

45 2.3 Ηλεκτρονική διαμόρφωση Το τιτάνιο (Ti) είναι ένα από τα πρώτα μεταβατικά μέταλλα (early transition metals) του περιοδικού πίνακα, με ατομικό αριθμό 22, και ατομική μάζα ίση με u. Ανήκει στην 4 η περίοδο του περιοδικού πίνακα, στην 4 η ομάδα και στο d block. 3 Στο σχήμα που ακολουθεί (Σχήμα 2.1) φαίνεται η θέση του τιτανίουστον περιοδικό πίνακα. Σχήμα 2.1 Η θέση του Τιτανίου Ti στον περιοδικό πίνακα. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του τιτανίου(iv) είναι η εξής: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 Παρακάτω, (Σχήμα 2.2) φαίνεται παραστατικά η διαμόρφωση των ηλεκτρονίων του στους υποφλοιούς του ατόμου του τιτανίου. Σχήμα 2.2 Ηλεκτρονική διαμόρφωση του τιτανίου 14

46 2.4 Φυσικοχημικές Ιδιότητες Το τιτάνιο είναι ένα ελαφρύ μεταβατικό μέταλλο με χαμηλή πυκνότητα (πυκνότητα 40% της πυκνότητας του ατσαλιού), υψηλό σημείο ζέσεως και άριστη αντοχή στη διάβρωση. Κατά την επαφή του με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας σχηματίζει το TiO 2, ένα οξείδιο με σημαντικές εμπορικές εφαρμογές. Το τιτάνιο όταν είναι καθαρό είναι ελατό, όλκιμο και χαλκεύεται εύκολα. Είναι στιλπνό, λευκό, λαμπερό με μεταλλική λάμψη. 3 Κάποιες από τις βασικές φυσικές ιδιότητες του τιτανίου παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1 Ιδιότητες του τιτανίου. 15

47 Το τιτάνιο εμφανίζεται κυρίως ως τετρασθενές Ti(IV). Παρόλ αυτά, μπορεί να απαντηθεί σε σύμπλοκες ενώσεις του και στην οξειδωτική κατάσταση (ΙΙΙ) και (ΙΙ), ακόμη και στην ( Ι) και στην (0) (μεταλλική κατάσταση). Η σταθερότερη οξειδωτική κατάσταση του τιτανίου όμως παραμένει η Ti(IV). Ενώσεις του τιτανίου σε χαμηλότερες οξειδωτικές καταστάσεις Ti(-Ι, 0, ΙΙ, ΙΙΙ) οξειδώνονται εύκολα σε Ti(IV) από τον αέρα, το νερό ή άλλα αντιδραστήρια. 6 Το τιτάνιο υπό κατάλληλες συνθήκες δίνει τις ακόλουθες αντιδράσεις: Αντίδραση του Ti με το οξυγόνο (O 2 ) Το τιτάνιο προσβάλλεται από το οξυγόνο της ατμόσφαιρας σχηματίζοντας λευκό στερεό, το γνωστό διοξείδιο του τιτανίου. Η χημική αυτή ιδιότητα του τιτανίου είναι ιδιαίτερα σημαντική, αφενός μεν γιατί καθορίζει μέσω της σύνθεσης του TiO 2, τη χημική αδράνεια που εμφανίζει το μέταλλο του τιτανίου, όταν αυτό χρησιμοποιείται στον τομέα της Προθετικής Ιατρικής και Οδοντιατρικής κατά την αντικατάσταση φθαρμένων ή κατεστραμμένων οστών, συνδέσμων, και ιστών γενικότερα, αφετέρου δε λόγω των πολύ σημαντικών εφαρμογών του προϊόντος (TiO 2 ). Η αντίδραση του τιτανίου με το οξυγόνο είναι η ακόλουθη: Ti+ O 2 TiO 2 Αντίδραση του Ti με το νερό Το τιτάνιο αντιδρά κατά την επαφή του με το νερό, σχηματίζοντας για μία ακόμη φορά TiO 2. Ti +2H 2 O TiO 2 +2H 2 Αντίδραση του Ti με αλογόνα Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, το τιτάνιο λαμβάνεται κατά την αναγωγή του TiCl 4 υπό κατάλληλες συνθήκες από το ορυκτό ρουτίλιο. Σε γενικές γραμμές, αντιδρά με τα αλογόνα, όπως φαίνεται στη συνέχεια, δίνοντας αλογονίδια. 16

48 Στο σημείο αυτό, γίνεται μια σύντομη αναφορά σε δύο πολύ σημαντικές για τη μετέπειτα κατανόηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ενώσεις του τιτανίου(iv) το TiCl 4 και το TiO 2. Χλωρίδιο του τιτανίου (TiCl 4 ) Κατά τη σύνθεση νέων υβριδικών υλικών τιτανίου(iv) χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη (βασικό αντιδρών) η ένωση χλωρίδιο του τιτανίου(iv) (TiCl 4 ). Η ένωση αυτή αποτελεί σημαντικό ενδιάμεσο προϊόν κατά την παραγωγή του τιτανίου και του διοξειδίου του τιτανίου. Το TiCl 4 είναι από τις λίγες περιπτώσεις αλογονιδίου μετάλλου που είναι υγρό σε συνθήκες περιβάλλοντος και με τόσο υψηλή πτητικότητα. Συγκεκριμένα, κατά την επαφή του με υγρό αέρα απελευθερώνει πυκνούς ατμούς (TiO 2 ) και υδροχλωρικό οξύ. Αν και θεωρείται άχρωμο, συχνά εμφανίζεται κίτρινο ή ακόμη καφετί χρώματος. Στην εικόνα που ακολουθεί μπορεί κανείς να δει οπτικά τη μορφή του χλωριδίου του τιτανίου(iv) (Εικόνα 2.2). Εικόνα 2.2 Το TiCl4 σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το TiCl 4 αποτελεί πρώτη ύλη για την παραγωγή tn τιτανίου. Η αντίδραση πραγματοποιείται παρουσία Mg με αναγωγή του TiCl 4 (Διεργασία Kroll): TiCl 4 + 2H 2 O TiO 2 + 4HCl Το 90% του TiCl 4 χρησιμοποιείται για τη σύνθεση της λευκής βαφής του διοξειδίου του τιτανίου. Κατά την αντίδραση αυτή πραγματοποιείται υδρόλυση του TiCl 4. Η παραγωγή υδροχλωρικού οξέος κατά την παραπάνω αντίδραση, απαιτεί η χρήση του χλωριδίου του τιτανίου(iv) να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή. Σύνθεση του διοξειδίου του τιτανίου μπορεί να πραγματοποιηθεί και με την επίδραση οξυγόνου: TiCl 4 + O 2 TiO 2 + 2Cl 2 Ακολουθεί πίνακας με τις βασικές ιδιότητες του χλωριδίου του τιτανίου(iv) (Πίνακας 2.2) 17

49 Πίνακας 2.2 Ιδιότητες του χλωριδίου του τιτανίου(iv). Διοξείδιο του τιτανίου (TiO 2 ) Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO 2 ), γνωστό και ως τιτάνια, αποτελεί το φυσικό οξείδιο του τιτανίου (Εικόνα 2.3). Απαντάται στα ορυκτά rutile, ilmenite και anatase, με πολύ σημαντικές εφαρμογές (Εικόνα 2.4). Χρησιμοποιείται ως λευκή βαφή (PW6). Το 80% της παραγωγής TiO 2 χρησιμοποιείται ως βαφή και βερνίκι σε πλαστικά και σε βιομηχανίες χαρτιού. Αποτελεί βασικό συστατικό σε προϊόντα αντηλιακής προστασίας. Χρησιμοποιείται εκτεταμμένα στα τρόφιμα ως χρωστική (Ε171). Συγκεκριμένα, ως χρωστική χρησιμοποιείται το 8% της παραγωγής της ένωσης για το χρωματισμό καλλυντικών, τροφίμων, μελανιών, ινών κ.ά. Ακόμη, συναντάται σε γλυκίσματα (donuts κ.ά.). Εικόνα 2.3 Μορφή του διοξείδιο του τιτανίου (TiO 2 ) 18

50 Εικόνα 2.4. Εφαρμογές του διοξείδιο του τιτανίου Η χρήση του διοξειδίου του τιτανίου (TiO 2 ) ως χρωστική σε οδοντόπαστες, σε φάρμακα (ταμπλέτες, χάπια) κ.α βασίζεται στην λάμψη της, στον υψηλό δείκτη διάθλασης και στην ικανότητά της να λευκαίνει και να προσδίδει αδιαφάνεια σε ένα υλικό. Μια ακόμη σημαντικότατη εφαρμογή του διοξειδίου του τιτανίου είναι η χρήση του σε αντηλιακά προϊόντα, λόγω του υψηλού δείκτη διάθλασης και συνεπώς της ικανότητας της ένωσης αυτής να απορροφά την ακτινοβολία UV, προστατεύοντας τον άνθρωπο από τις δυσμενείς συνέπειες στην υγεία του. Επιπλέον, το διοξείδιο του τιτανίου δρα και ως φωτοκαταλύτης σε διάφορες διεργασίες. Πλέον, είναι γνωστές οι αντιμικροβιακές ιδιότητές του, βασιζόμενες στην φωτοκαταλυτική του ικανότητα. Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να αναφερθεί η ανησυχία της επιστημονικής κοινότητας από την χρήση νανοσωματιδίων TiO 2 σε καλλυντικά, αντηλιακά και τρόφιμα. Έρευνες έχουν επιστήσει την προσοχή στην χρήση του, λόγω προβλημάτων που πιστεύεται ότι προκαλεί στον εγκέφαλο, στα νεφρά, στη λειτουργία του αντρικού αναπαραγωγικού συστήματος κ.ά. Τέλος, η εισπνεόμενη σκόνη διοξειδίου του τιτανίου έχει χαρακτηριστεί ως πιθανή καρκινογόνα ουσία κατηγορίας 2Β από τον IARC. Ακολουθεί πίνακας με κάποιες βασικές ιδιότητες του διοξειδίου του τιτανίου (Πίνακας 2.3). 19

51 Πίνακας 2.3 Ιδιότητες του διοξειδίου του τιτανίου(iv). 2.5 Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του τιτανίου Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το τιτάνιο είναι ένα μέταλλο με ιδιαίτερα ελκυστικά χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά αυτά που το καθιστούν μέταλλο με υψηλή εμπορική αξία είναι τα ακόλουθα: Άριστη αντοχή στη διάβρωση (παρόμοια με το λευκόχρυσο). Μηχανική αντοχή Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα Ελαφρύ, αλλά δυνατό, με μικρή πυκνότητα (40% της πυκνότητας του σιδήρου) Εύκολο στην επεξεργασία είναι σε καθαρή μορφή. Υψηλό σημείο σύντηξης, χαρακτηριστικό που το καθιστά χρήσιμο ως υλικό refractory. Σκληρό σαν το ατσάλι, αλλά 45% ελαφρύτερο και 60% βαρύτερο από το αλουμίνιο, αλλά δύο φορές πιο σκληρό. Οι παραπάνω ιδιότητες καθιστούν το μέταλλο αυτό χρήσιμο για επεξεργασίες που απαιτούν αντοχή στην καταπόνηση. 7 20

52 2.6 Εφαρμογές του τιτανίου Ti Σε τομείς της Μηχανικής Βιομηχανίας Διαθέτοντας τόσο σημαντικές και μοναδικές ιδιότητες, το τιτάνιο βρίσκει εφαρμογή σε διάφορους τομείς της μηχανικής και της βιομηχανίας γενικότερα, με μεγάλη επιτυχία (Εικόνα 2.4). 4 Συγκεκριμένα: Το 95% του τιτανίουχρησιμοποιείται στη μορφή του διοξειδίου του τιτανίου TiO 2 ως λευκή μόνιμη χρωστική. Χρησιμοποιείται ως συστατικό σε αντηλιακά, σε καλλυντικά και προϊόντα καθημερινής χρήσης. Έχει σημαντική χρήση στη χημική βιομηχανία, λόγω της ανθεκτικότητάς του στη διάβρωση, αλλά και στη χημική προσβολή (attack). Αποτελεί βασική πρώτη ύλη α) στη ναυτική βιομηχανία β) στην πυρηνική βιομηχανία, γ) στη βιομηχανία κατασκευής οπλικών συστημάτων, δ) στην κατασκευή αεροπλάνων λόγω της ελαφράς δομής του. Χρησιμοποιείται στην μηχανική γενικότερα. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή ποδηλάτων, υπολογιστών, σκελετών γυαλιών ηλίου κ.α. Εικόνα 2.4 Εφαρμογές του τιτανίουκαι του TiO 2 στη μηχανική, στη βιομηχανία και σε προϊόντα ευρείας κατανάλωσης. 21

53 Τέλος, αποτελεί σημαντικότατη πρώτη ύλη στην Οδοντιατρική και στον Ιατρικό τομέα (Εικόνα 2.5), όπως θα αναπτυχθεί παρακάτω διεξοδικά. Εικόνα 2.5 Εφαρμογές του τιτανίου στην Ιατρική (προσθετική) και στην Οδοντιατρική. 22

54 2.6.2 Στην Ιατρική-Οδοντιατρική Α. Τομέας Ιατρικής και Οδοντιατρικής Προσθετικής Ένας ακόμη τομέας, στον οποίον χρησιμοποιείται το τιτάνιο (Ti) με υψηλό ποσοστό επιτυχίας είναι ο τομέας της Ιατρικής (προσθετική, φαρμακευτικές ουσίες) και της Οδοντιατρικής. Το τιτάνιο εκτός των ιδιαίτερων ιδιοτήτων, που το χαρακτηρίζουν, εμφανίζει και κάποιες ιδιότητες που το καθιστούν πολυτιμότατη πρώτη ύλη για την κατασκευή προηγμένων βιοϋλικών στον τομέα της προσθετικής και θεραπευτικής. Χαμηλή τοξικότητα, αντοχή στη διάβρωση, ήπιο-χαμηλό αλλεργικό προφίλ, σκληρό αλλά ελαφρύ ταυτοχρόνως και κυρίως υψηλή βιοσυμβατότητα, είναι κάποια από τα χαρακτηριστικά αυτά. 7 Σύμφωνα με αρκετούς ερευνητές, η ιδιαίτερα ευνοϊκή απόκριση του τιτανίου οφείλεται α) στον περιορισμένο αριθμό ιόντων, τα οποία απελευθερώνονται κατά την προσθήκη του τιτανίου, είτε όταν εισάγεται μόνο του είτε ως βασικό συστατικό ιατρικών-οδοντιατρικών εμφυτευμάτων, β) στη σταθερότητα των συμπλόκων που σχηματίζονται και γ) στην περιορισμένη βιολογική επίδραση που παρουσιάζουν τα πιθανά ιόντα που απελευθερώνονται. 8,9,10 Επιπλέον, ο σχηματισμός του χημικά αδρανούς στρώματος διοξειδίου του τιτανίου TiO 2 που σχηματίζεται πάχους 4 nm, αποτελεί ένα ισχυρό εμπόδιο εναντίον της διαλυτοποίησης του μετάλλου και αλληλεπίδρασης με βιομόρια των κυττάρων και των βιολογικών υγρών. Ως συμπέρασμα, προκύπτει σύμφωνα με αρκετούς ερευνητές ότι ο σχηματισμός του αδρανούς στρώματος TiO 2, αποτελεί την πραγματική αιτία της βιολογικής συμπεριφοράς του τιτανίου (αδράνεια, βιοσυμβατότητα, ανθεκτικότητα στη διάβρωση) κατά την επαφή του με τους έμβιους οργανισμούς. 10,11 Η δυνατότητα του τιτανίου να χρησιμοποιηθεί ως βιοϋλικό για την κατασκευή οδοντιατρικών και ιατρικών συσκευών ήταν τυχαίο εύρημα. Συγκεκριμένα, το 1965 ο Σουηδός γιατρός Per Ingvar Branemark χρησιμοποίησε κατά τη μελέτη της μικροκυκλοφορίας εργαστηριακών ζώων (κουνέλια) κάμερα κατασκευασμένη από τιτάνιο. Κατά τη διεξαγωγή της έρευνας του, παρατήρησε με έκπληξη ότι το κόκκαλο με το τιτάνιο είχε ενσωματωθεί άψογα χωρίς απόρριψη, σε τέτοιο σημείο ώστε να ήταν ιδιαίτερα δύσκολη η απομάκρυνση των καμερών στο τέλος των πειραμάτων. Εν συνεχεία, βασιζόμενος στις παραπάνω παρατηρήσεις κατασκεύασε ειδικούς κυλίνδρους, τους οποίους και εμφύτευσε σε κνήμες σκύλων και κουνελιών. Στην τεχνική που εφάρμοσε, ύστερα από βελτιστοποιήσεις, εισήγαγε τη βάση για την κατασκευή εμφυτευμάτων τιτανίου για μόνιμη επιδιόρθωση προβληματικών ή κατεστραμμένων οστών στην άνω και κάτω γνάθο, στον άνθρωπο αυτή τη φορά

55 Ακολούθησαν, μελέτες πάνω στο αντικείμενο της προσθετικής, τόσο στον Ιατρικό όσο και στον Οδοντιατρικό τομέα. Τελικά, ο Branemark εισήγαγε την προσθήκη οστεοσυσσωμάτωσης εμφυτευμάτων τιτανίου όχι μόνο στην Οδοντιατρική αλλά και στο Ιατρικό πεδίο. Στη σύνθεση των εμφυτευμάτων χρησιμοποιείται τιτάνιο σε διαφορετικούς συνδυασμούς με άλλα στοιχεία. Η αναλογία των στοιχείων αυτών επηρεάζει τις ιδιότητες του μετάλλου. Καθαρό τιτάνιο (Grade1) περιέχει 95% τιτανίου και 0.5% άλλων στοιχείων (άνθρακα, οξυγόνου, αζώτου, υδρογόνου και σιδήρου). Το ποσοστό οξυγόνου, το οποίο περιέχεται στα εμπορικά προϊόντα Cp-Ti αποτελεί τη βάση για ταξινόμηση των υλικών αυτών στην κλίμακα 1-4. Η προσθήκη επιπλέον ποσότητας των άλλων στοιχείων (grade 2-4) αυξάνει τη σκληρότητα των υλικών. Εκτός, των υλικών που αναφέρθηκε, χρησιμοποιείται ευρέως το κράμα (Ti-6Al-4V), βαθμού 5, καθώς εμφανίζει καλύτερες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με το εμπορικά καθαρό τιτάνιο. 13 Στο σημείο αυτό, πρέπει να αναφερθεί ότι παρά τα τόσο σημαντικά και ιδιαιτέρως επιθυμητά χαρακτηριστικά του τιτανίου, το μέταλλο αυτό λόγω του υψηλού σημείου τήξεως 1672 ο C, απαιτεί ειδικές διεργασίες τήξης, ψυκτικούς κύκλους και επενδύσεις και εξοπλισμούς με υψηλό κόστος και ειδικές προδιαγραφές. Επιπλέον, το μέταλλο αυτό εμφανίζει στους 883 ο C αλλαγή στην κρυσταλλική του κατάσταση (από α-εξαγωνική μεταπίπτει σε β-κυβική), γεγονός που αναγκάζει τους κατασκευαστές υλικών τιτανίου με κεραμικά να περιοριστούν σε θερμοκρασία κάτω των 800 ο C. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά αποτελούν περιοριστικό παράγοντα κατά τη σύνθεση υλικών βασιζόμενων στο μέταλλο αυτό. 14 Β. Τομέας Φαρμακευτικής Τεχνολογίας Θεραπευτική Οι σύμπλοκες ενώσεις του τιτανίου προσφέρουν, επιπλέον, μια ακόμη εναλλακτική επιλογή στη θεραπεία νεοπλασιών ως χημειοθεραπευτικοί παράγοντες, με λιγότερες και επίπονες παράπλευρες παρενέργειες και με διαφορετικό μηχανισμό δράσης, συγκριτικά με τις αντικαρκινικές φαρμακευτικές ενώσεις της πλατίνας (cisplatin). 15 Η ανακάλυψη των αντικαρκινικών ιδιοτήτων του cisplatin και η εισαγωγή του σε κλινικό επίπεδο τη δεκαετία του 1970 αποτέλεσε το βασικό θεμέλιο για την ανάπτυξη αντικαρκινικών ουσιών, ικανών να αναστείλουν ή/και να καταπολεμήσουν καρκίνους διαφόρων τύπων. Ακολούθησαν τα ανάλογα νέας γενιάς του cisplatin, το carboplatin και oxaliplatin. Τα ανάλογα αυτά, όμως, αποδείχτηκε αφενός μεν ότι έχουν εφαρμογή σε περιορισμένο εύρος νεοπλασιών, αφετέρου δε προκαλούσαν επίκτητη ανθεκτικότητα στη 24

56 θεραπεία μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Επιπλέον, η εμφάνιση επώδυνων παρενεργειών, όπως ναυτία, νεφρική τοξικότητα, οστική κατάπτωση κ.ά. οδήγησαν, όπως ήταν αναμενόμενο, στην αναζήτηση νέων χημειοθεραπευτικών φαρμακευτικών ουσιών. Μεταξύ των νέων αυτών αντικαρκινικών σκευασμάτων, οι ενώσεις του Ti (IV) επέδειξαν ενθαρρυντική αντικαρκινική δράση εναντίον διαφόρων κυτταρικών σειρών. 16,17,18 Το πιο γνωστό σύμπλοκο του τιτανίου(iv) με αξιοθαύμαστη αντικαρκινική δράση είναι το επονομαζόμενο Titanocene dichloride [(C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ]. Η ένωση αυτή εμφανίζει αντικαρκινική δράση εναντίον τόσο εργαστηριακών όγκων όσο και μεταστατικών ανθρώπινων καρκινωμάτων στα πνευμόνια, το στήθος και το έντερο. 19,20,21 Έως τώρα, δύο κατηγορίες κυτοτοξικών ενώσεων του τιτανίου(iv) είναι οι πιο γνωστές. Αυτές είναι τα παράγωγα του διχλωριδίου το τιτανοκενίου (Titanocene dichloride), όπως αναφέρθηκαν παραπάνω, καθώς και τα δικετονικά παράγωγα, όπως το budotitane. Οι έως τώρα όμως κλινικές μελέτες δεν έχουν δώσει αντικειμενικά κλινικά αποτελέσματα. Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιούνται εκτεταμένες εργαστηριακές μελέτες σύνθεσης νέων ενώσεων του τιτανίου(iv) με διάφορα φυσιολογικά και μη υποστρώματα καθώς και μελέτες εκτίμησης της τοξικότητας και της αντικαρκινικής τους δράσης εναντίον διαφόρων καρκινικών κυτταρικών σειρών με ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Θα πρέπει οπωσδήποτε να αναφερθεί στο σημείο αυτό τα μειονεκτήματα που εμφανίζουν τα σύμπλοκα του τιτανίου(iv) που χρησιμοποιούνται ως αντικαρκινικά φάρμακα. Συγκεκριμένα, οι σύμπλοκες ενώσεις του τιτανίου(iv) παρουσιάζουν ταχύτατη υδρόλυση σε φυσιολογικές συνθήκες, πιθανή παραγωγή τοξικών προϊόντων κατά τη διαδικασία της ανεπιθύμητης υδρόλυσης, με άμεση συνέπεια την εμφάνιση παρενεργειών στον ασθενή, καθώς και απώλεια των ομάδων που είναι συναρμοσμένες με το τιτάνιο σε υδατικό περιβάλλον. 22 Όσον αφορά στο μηχανισμό, με τον οποίο αναπτύσσουν τα σύμπλοκα του τιτανίου(iv) την αντικαρκινική τους δράση, βιολογικές μελέτες έδειξαν τόσο in vivo όσο και in vitro πως πιθανός στόχος των τιτανικών ενώσεων είναι ο μεταβολισμός των νουκλεϊκών οξέων, τόσο των ίδιων όσο και των πρωτεϊνών ή ενζύμων που εμπλέκονται στη σύνθεση των νουκλεϊκών οξέων

57 Γ. Αντιμικροβιακή δράση του διοξειδίου του τιτανίουtio 2 Ένας ακόμη τομέας, στον οποίον το τιτάνιο με την μορφή διοξειδίου του τιτανίου συντελεί στην βελτίωση της ποιότητας της ζωής του ανθρώπου και την προστασία της δημόσιας υγείας, είναι η εισαγωγή του διοξειδίου του τιτανίου σε υλικά και επιφάνειες με σκοπό την αντιμικροβιακή προστασία τους - απολύμανση. Αντιμικροβιακές ιδιότητες, ως γνωστόν, εμφανίζουν ο χαλκός και ο άργυρος. Το διοξείδιο του τιτανίου όμως, είναι μοναδικό στον τομέα της αντιμικροβιακής προστασίας, δρώντας ως φωτοκαταλύτης με παρουσία UV ακτινοβολίας, χωρίς ταυτοχρόνως να καταναλώνεται κατά τη χρήση του. Χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες για την απολύμανση του αέρα, του νερού των υφάνσιμων υλών, κ.ά. μετατρέποντας τα μικρόβια γενικότερα σε άνθρακα και νερό. Γενικά, θεωρείται μια τεχνική φιλική στο περιβάλλον, με πολύ καλά αποτελέσματα στην καταστροφή χημικών και μικροβιακών εστιών μόλυνσης. Το διοξείδιο του τιτανίου(iv) απαντάται στη φύση, στα ορυκτά routile, brookite, anatase. Το TiO 2 υπό την παρουσία νερού και UV ακτινοβολίας (ενέργεια φωτονίων) προκαλεί σχηματισμό ελευθέρων ριζών, οι οποίες δρουν εναντίον των οργανικών μορίων των μικροοργανισμών, οδηγώντας τους στη θανάτωση ή αδρανοποίηση (Σχήμα 2.3). 24 Σχήμα 2.3 Το διοξείδιο του τιτανίου TiO 2 ως απολυμαντικός παράγοντας - φωτοκαταλυτικές διεργασίες σε επιφάνειες Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τόσο το οξυγόνο όσο και μόρια νερού, με τη μορφή υγρασίας, και ασφαλώς ενέργεια φωτονίων είναι απαραίτητες προϋποθέσεις προκειμένου να σχηματιστούν ελεύθερες ρίζες και να ασκήσει το διοξείδιο του τιτανίου(iv) 26

58 την αντιμικροβιακή του δράση. Η αντιμικροβιακή δράση της ένωσης αυτής του τιτανίου(iv) έχει μεγάλο εύρος εφαρμογής, καθώς χρησιμοποιείται με επιτυχία εναντίον πρωτοζώων, αλγών, μυκήτων, βακτηριών και ιών. Στο Πίνακα 2.4 εμφανίζονται οι εμπορικές εφαρμογές του διοξειδίου τιτανίου(iv) στον τομέα της απολύμανσης χώρων, υλικών και επιφανειών. 25 Πίνακας 2.4 Εφαρμογές του TiO 2 ως απολυμαντικό και αντιμικροβιακό παράγοντα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Gegel, H.L.; Hoch, M.; Jafee, R.I.; Burte, H.M. (eds) Metallurgical society of AIME, Plenum Press, New York. 1973, Brown, D. Br. Dent J., 1997, 10, Van Noort, R. Van Noort R (ed), Introduction to dental materials, Mosby, Toranto, 2002, Maia, A. Titanio Balanco Mineral Brasileiro, 2003, 1, Freese, H.L.; Volaw, M.G.; Wood, R.J. Metallurgy and technological properties of titanium alloys, Springer-Verlag, Berlin, 2001, Siebum, H. et al. Titanium in Habashi F. (ed). Handbook of extractive metallurgy, Wiley- VCH, Weinheim, 1997, Jorge, J.R.P. et al. J. Indian Prosthodont Soc., 2013, 13 (2), Parr, G.R.; Gardner, L.K.; Toth, R.W. J. Prosthet. Dent., 1985, 54, Albrektsson, T.J. Prosthet. Dent,. 1983, 50, Kasemo, B.J. Prosthet. Dent,. 1983, 49, Kaus, T.; Probster, L.; Weber, H. Int. J.Prosthodont., ,

59 12. Branemark P-I; Adell, R.; Albrektsson, T; Lekholm U.; Lindostrom, J; Rockler, B.J. Oral Maxillofac Surg., 1984, 42, ASTM Standard, F1295. ASTM International, West Conshohocken, Wang, R.P.; Fenton, A. Quintessence Int., 1996, 27, Melendez, E. Crit. Rev. Oncol. Hematol., 2002, 42, Caruso, F.; Rossi, M. Mini Rev. Med. Chem., 2004, 4, Eger, S.; Immel, T.A.; Claffey, J; Muller-Bunz, H; Tacke, M. Inorg. Chem, 2010, 49, Shuva E.Y.; Peri, D. Coordin. Chem. Rev., 2009, 253, Kopf-Maier, P; Kopf, H. Struct Bond. 1988, 70, Kopf-Maier, P.Metal complexes in Cancer Chemotherapy, Weinheim, VCH, Keppler, BK, ed. 1993, Kopf Maier, P. Eur. J. Clin. Pharmacol., 1994, 47, Immel, T.A.; Groth, U; Hund, T.; Ohlschlager, P. Plos one, 2011, 6,(3), e Kopf-Maier, P.; Tornieporth-Oetting. Biometals, 1996, 9, Futzishima, A; Rao, T.N.; Tryk, D.A. J. Photochem.Photobiol. C: Photochem Rev., 2000,1, Fujishma, A; Zhang, X. CR Chime, 2006, 9,

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΡΥΠΑΝΣΗ - ΤΟΞΙΚΑ ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ 3.1 Εισαγωγή Η βιομηχανική και τεχνολογική ανάπτυξη στην σύγχρονη εποχή, οδήγησαν είτε ηθελημένα, είτε από κάποια αστοχία ή ατύχημα, στην απελευθέρωση στο περιβάλλον (ατμόσφαιρα, έδαφος-υπέδαφος, υδροφόρο ορίζοντα) μέσω βιομηχανικών αποβλήτων, ουσιών με σοβαρότατες αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Τα βαρέα μέταλλα, αποτελούν μια κατηγορία ουσιών, οι οποίες προκαλούν ρύπανση του περιβάλλοντος και σοβαρότατα προβλήματα τοξική δράση, μέχρι και θάνατο στους έμβιους οργανισμούς, με τελικό ανώτερο αποδέκτη τον άνθρωπο. Στην ενότητα αυτή, θα δοθεί μια σύντομη ανάλυση κάποιων βασικών εννοιών (ρύπανση - τοξικότητα - τοξικά βαρέα μέταλλα) προκειμένου να ακολουθήσει στην επόμενη ενότητα η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με το κάδμιο Cd(II), το δεύτερο μέταλλο του οποίου η χημική και βιολογική δράση μελετάται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. 3.2 Ρύπανση του περιβάλλοντος Η ρύπανση του περιβάλλοντος είναι μια έννοια, η οποία μπορεί καλύτερα να αποδοθεί σε σχέση με το τι είναι βαρέα μέταλλα. Με τον όρο Ρύπανση ορίζουμε οποιαδήποτε εισαγωγή στο περιβάλλον ουσιών και ενώσεων οι οποίες προέρχονται κυρίως από ανθρώπινες δραστηριότητες και μπορούν να υποβαθμίσουν αυτό και να βλάψουν τους οργανισμούς που ζουν σε αυτό, είτε άμεσα είτε έμμεσα (Εικόνα 3.1). Εικόνα 3.1 Ρύπανση του περιβάλλοντος. 29

61 Οι πιο σοβαρές τοξικές ουσίες, οι οποίες προκαλούν ρύπανση, κυρίως, των υδάτινων οικοσυστημάτων είναι τα βαρέα μέταλλα (κάδμιο Cd, μόλυβδος Pb, αρσενικό As, υδράργυρος Hg), παρασιτοκτόνα, ζιζανιοκτόνα, φυτοφάρμακα, οξέα σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των επιτρεπτών ορίων. Οι ενώσεις αυτές προκαλούν παρεμπόδιση της ανάπτυξης και φωτοσύνθεσης των φυτικών οργανισμών, δηλητηριάσεις, τοξική δράση εναντίον διαφόρων οργάνων του ανθρώπου, έως και καρκινογένεση. Υφαντουργία, βυρσοδεψία, βαφεία, βιομηχανίες επεξεργασίας τροφίμων, βιομηχανίες παραγωγής προϊόντων (πλαστικά, μπαταρίες κ.ά.) χρήσιμων για τον άνθρωπο, γεωργικές χρήσεις αλλά και αστικά λύματα είναι οι κύριες πηγές αποβολής ουσιών που προκαλούν ρύπανση. 3.3 Τοξικά βαρέα μέταλλα Ως βαρέα μέταλλα θεωρούνται τα στοιχεία εκείνα με ιδιότητες μετάλλου που εμφανίζουν πυκνότητα μεγαλύτερη των 6 g/cm 3. Σύμφωνα με τον ορισμό αυτό, στην κατηγορία των βαρέων μετάλλων εντάσσονται μεταβατικά στοιχεία, μεταλλοειδή, λανθανίδες και ακτινίδες. Όπως είναι φανερό, ο παραπάνω ορισμός δεν ανταποκρίνεται στα χαρακτηριστικά των μετάλλων που μας ενδιαφέρουν, καθώς με την γενική έννοια του όρου βαρέα μέταλλα συμπεριλαμβάνονται και μέταλλα - ιχνοστοιχεία (κοβάλτιο, μαγγάνιο, χαλκός, μολυβδαίνιο, χρώμιο, ψευδάργυρος) με σημαντικό βιολογικό ρόλο για τα φυτά και ζώα. Τοξικά βαρέα μέταλλα, είναι ο ορισμός που περιγράφει πληρέστερα την κατηγορία των μετάλλων, στα οποία εντάσσονται κυρίως το κάδμιο, ο μόλυβδος, το αρσενικό, το χρώμιο, το αργίλιο και ο υδράργυρος. Ως τοξικά βαρέα μέταλλα χαρακτηρίζονται τα στοιχεία εκείνα με ιδιότητες μετάλλου, ειδικό βάρος μεγαλύτερο του σιδήρου, υψηλής πυκνότητας μεγαλύτερη των 6 g/cm 3, με δυσμενείς βλαπτικές έως θανατηφόρες επιπτώσεις για τους έμβιους οργανισμούς κατά την έκθεσή τους σε αυτά ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Το μεγαλύτερο πρόβλημα με τα τοξικά βαρέα μέταλλα είναι η ικανότητά τους να βιοσυσσωρεύονται στο περιβάλλον, στο έδαφος και στα ύδατα, 1 λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους και της ικανότητάς τους να μην ανοικοδομούνται, όπως άλλες ενώσεις. Η έντονη παρουσία τους επίσης σε διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες (αυξημένες ποσότητες τοξικών βαρέων μετάλλων) αυξάνει τον κίνδυνο που προκαλούν. Στο σχήμα που ακολουθεί (Σχήμα 3.1) παρουσιάζονται οι τρόποι μεταφοράς τοξικών βαρέων μετάλλων στον άνθρωπο. 2 Επιπλέον, δίνονται στον Πίνακα 3.1 οι μέγιστες επιτρεπτές τιμές βαρέων μετάλλων που είναι αποδεκτές σε εργασιακό περιβάλλον, σύμφωνα με τον WHO. 30

62 Σχήμα 3.1 Τρόποι - Οδοί μεταφοράς τοξικών βαρέων μετάλλων στον άνθρωπο Πίνακας 3.1 Μέγιστες επιτρεπτές τιμές τοξικών βαρέων μετάλλων σε χώρους εργασίας (WHO) 31

63 Τα τοξικά βαρέα μέταλλα χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες ή καταλύτες: Α. σε βιομηχανίες παραγωγής χρωστικών και βαφών, μπαταριών, φωτογραφικού και ηλεκτρολογικού υλικού Β. σε μεταλλουργεία Γ. σε βιομηχανίες παραγωγής πυρομαχικών, παρασιτοκτόνων, καλλυντικών, κ.τ.λ. Δ. ως συστατικά της βενζίνης (μόλυβδος) Ε. σε αστικά λύματα, στα οποία απαντώνται προϊόντα (απορρυπαντικά) με τοξικά βαρέα μέταλλα κ.ά. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, τα μέταλλα αυτά διεισδύουν στην τροφική αλυσίδα προκαλώντας χρόνιες ή οξείες βλάβες στους έμβιους οργανισμούς. Οι μηχανισμοί με τους οποίους πιθανώς εκδηλώνουν τα μέταλλα αυτά την τοξική τους δράση, μπορούν να συνοψισθούν στα ακόλουθα: 3,4 Πρόκληση οξειδωτικού stress. Αλληλεπίδραση με τις σουλφυδρυλικές ομάδες -SH των ενζύμων. Παρέμβαση στο μεταβολισμό απαραίτητων για τον οργανισμό μετάλλων (Cu, Zn, Ca) κ.ά. Η τοξικότητα των μετάλλων αυτών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, οι οποίοι δίνονται παρακάτω. 2 Η χημική μορφή, με την οποία βρίσκεται στο υδατικό περιβάλλον το μέταλλο (speciation) (οργανική-ανόργανη, χηλική, ιοντική, μοριακή), και ο βαθμός οξείδωσης, επηρεάζουν την εκδήλωση της τοξικότητας των βαρέων μετάλλων, π.χ. το Cr(ΙΙΙ) είναι απαραίτητο ιχνοστοιχείο ζωτικής σημασίας, ενώ το Cr(VI) εμφανίζει πολύ ισχυρή τοξική δράση. Ένα άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα του ρόλου που διαδραματίζει η χημική μορφή ενός μετάλλου στην ανάπτυξη της τοξικότητας του είναι το παράδειγμα του μολύβδου Pb. 2 Η τοξικότητα του μεταλλικού μολύβδου Pb, του ιοντικού Pb(II) και του μολύβδου σε ομοιοπολικά μόρια διαφέρει σημαντικά. Γενικά, οι ενώσεις του τοξικού βαρέως μετάλλου που είναι αδιάλυτες περνούν μέσα από τον ανθρώπινο οργανισμό χωρίς να το βλάπτουν. Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν το μέταλλο, λόγω συναρμογής με οργανικά μόρια, αποκτά τέτοια μορφή που το καθιστά διαλυτό στα βιολογικά υγρά, με συνέπεια να διαπερνούν τις βιολογικές μεμβράνες και να εμπλέκονται σε μεταβολικά μονοπάτια του οργανισμού, αναπτύσσοντας τοξική έως θανατηφόρα δράση. Η παρουσία άλλων μετάλλων με ανταγωνιστική, ή συνεργιστική δράση. Παράμετροι του υδατικού περιβάλλοντος, στο οποίο βρίσκεται το μέταλλο όπως θερμοκρασία, αλατότητα, ph, διαλυμένο οξυγόνο. 32

64 Παράγοντες που σχετίζονται με τη φυσική και βιολογική κατάσταση του έμβιου αποδέκτη (ηλικία, βάρος-ύψος, φύλο), αλλά και τα μέσα προστασίας που πιθανά να έχει λάβει το άτομο, όταν η έκθεση στα βαρέα μέταλλα γίνεται στον εργασιακό χώρο. Διάφορες θεραπείες έχουν προταθεί σε περίπτωση οξείας δηλητηρίασης από τοξικά βαρέα μέταλλα (chelation therapy-εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2 Αντιμετώπιση της τοξικής (οξείας) δράσης τοξικών βαρέων μετάλλων με τη μέθοδο της χηλικοποίησης με χηλικές ενώσεις Αναφέρεται ενδεικτικά η χορήγηση μορίων, όπως η ένωση BAL στην περίπτωση δηλητηρίασης από Hg ή Pb. Η ένωση αυτή έχει την ικανότητα να δεσμεύει το μέταλλο από τα ένζυμα με τα οποία έχει συναρμοστεί αυτό μέσω σουλφυδρυλικών ομάδων. Η δέσμευση του μετάλλου στο μόριο BAL γίνεται μέσω των σουλφυδρυλικών ομάδων του μορίου και εν συνεχεία, η ένωση που προκύπτει, προκαλεί διαλυτοποίηση του μετάλλου και απομάκρυνσή του από τον οργανισμό. Ένα άλλο μόριο γνωστό για την ικανότητα απομάκρυνσης των τοξικών μετάλλων από τα βιολογικά υγρά και τους ιστούς, στα οποία έχει εισαχθεί, είναι το άλας του ασβεστίου του EDTA (Εικόνα 3.3). Η ένωση αυτή χηλικοποιεί το μέταλλο π.χ. Cd(ΙΙ) μέσω των αζώτων και των οξυγόνων του και εν συνεχεία η χηλική ένωση που προκύπτει αποβάλλεται από τον οργανισμό απομακρύνοντας έτσι το τοξικό μέταλλο. 2 33

65 Α Εικόνα 3.3 Α. Το μόριο του EDTA, Β. Χηλικοποίηση μετάλλου Μ n+ με EDTA Β Το μεγαλύτερο, όμως, πρόβλημα των βαρέων μετάλλων, έγκειται στην περίπτωση χρόνιας δηλητηρίασης του οργανισμού με χαμηλές δόσεις, κατά την οποία το μέταλλο δρα βιοσυσσωρευτικά χωρίς να εκδηλώσει για αρκετά χρόνια την τοξικότητά του. Στην περίπτωση αυτή, τα μέταλλα αυτά αργά και μεθοδικά διεισδύουν στους μηχανισμούς του οργανισμού π.χ. μέσω της σύνδεσής τους με τις σουλφυδρυλικές ομάδες των ενζύμων, προκαλώντας σοβαρές βλάβες έως και θάνατο, χωρίς πλέον να μπορεί κάποιος να επέμβει θεραπευτικά εναντίων των μετάλλων αυτών, όπως αναφέρθηκε στην περίπτωση της οξείας δηλητηρίασης από αυτά. Η αποκατάσταση των εδαφών, που έχουν δεχτεί ποσότητες τοξικών βαρέων μετάλλων, αποτελεί ένα ακόμη αντικείμενο μελέτης, απαιτώντας μεθόδους αντιμετώπισης του προβλήματος της απελευθέρωσης τοξικών βαρέων μετάλλων στο έδαφος. Η αποκατάσταση μπορεί να γίνει με χημικό τρόπο (έκπλυση με οξέα, χηλικοποιητές, οργανικούς υποκαταστάτες κ.ά.), με χρήση ειδικών φυτών, με βιολογικό τρόπο (bioremediation), κ.ά. (Εικόνα 3.4). 4 Α Β Εικόνα 3.4 Α. Τρόποι-μέθοδοι αποκατάστασης μολυσμένων εδαφών, Β. βιολογική μέθοδος αποκατάστασης του εδάφους. 34

66 Γενικά, η αντιμετώπιση του προβλήματος των τοξικών βαρέων μετάλλων θα πρέπει να γίνει σε επίπεδο διακρατικό με μείωση της χρήσης τους σε βιομηχανικές και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες, με αντικατάστασή τους με ενώσεις ή στοιχεία με παραπλήσιες εφαρμογές, αλλά χαμηλό τοξικό προφίλ, με αποφυγή και πρόληψη ατυχημάτων που οδηγούν στην αποβολή τους σε μεγάλες ποσότητες στους αποδέκτες (έδαφος, υπόγεια ύδατα, θαλάσσια οικοσυστήματα), καθώς και επιβολή σοβαρότατων ποινών σε βιομηχανίες ή άλλων ειδών δραστηριότητες, π.χ. αγροτικές δραστηριότητες, κατά τις οποίες γίνεται ανεξέλεγκτη συνεχής αποβολή τοξικών βαρέων μετάλλων στο περιβάλλον, με τελικούς αποδέκτες τους έμβιους φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς που ζουν σε αυτό. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ferramola, M.L.; Perez Diz, M.F.F.; Honore, S.T.; Sanchez, S.M.; Anton, R.I.; Anzulovich, A.C.; Gimenez, M.S. Toxicology and Applied Pharmacology, 2012, 265, Κουϊμτσής, Θ.; Φυτιάδου, Κ; Σαμαρά-Κωνσταντίνου, Κ. Χημεία Περιβάλλοντος, Wang, G.; Fowler, B.A. Toxicology and Applied Pharmacology, 2008, 233, Wei, M.; Chen, J.; Wang, X. Chemospere, 2016, 156,

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΟ ΚΑΔΜΙΟ Cd(II) ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ-ΠΗΓΕΣ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ-ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΞΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΕΜΒΙΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ Το δεύτερο πεδίο, το οποίο αποτελεί αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η περιοχή των τοξικών βαρέων μετάλλων και συγκεκριμένα ένα από το πλέον γνωστό για την ισχυρή τοξική του δράση στους έμβιους οργανισμούς τοξικό μέταλλο, το κάδμιο Cd(II). Το κεφάλαιο αυτό θα δώσει μια όσο το δυνατόν λεπτομερή περιγραφή του μετάλλου αυτού, του οποίου μας ενδιαφέρει η χημική και βιολογική του συμπεριφορά, όταν αυτό ποικιλοτρόπως έρθει σε επαφή με ενώσεις (φυσιολογικά υποστρώματα), τα οποία διαδραματίζουν σημαντικό λειτουργικό ρόλο στους έμβιους οργανισμούς φυτικούς και ζωικούς. 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Το κάδμιο (Cd) είναι ένα χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 48, το οποίο ανήκει στην κατηγορία των τοξικών βαρέων μετάλλων, με πλέον επιβεβαιωμένο τοξικό προφίλ. Πρόκειται για μέταλλο με ισχυρή τοξική δράση, το οποίο ανήκει στην ομάδα ΙΙΒ του περιοδικού πίνακα. Από πολλούς δε θεωρείται μεταβατικό μέταλλο σύμφωνα με τον αυστηρό ορισμό του όρου, καθώς δε διαθέτει ημισυμπληρωμένους d ή f φλοιούς στην ουδέτερη ή οξειδωτική του κατάσταση +2. Χημικά παρουσιάζει ομοιότητες με τα άλλα δύο στοιχεία της ομάδας στην οποία ανήκει: με τον ψευδάργυρο Zn και τον υδράργυρο Hg. Η οξειδωτική κατάσταση στην οποία απαντάται είναι η +2, αν και λίγες φορές μπορεί να βρεθεί και σε οξειδωτική βαθμίδα +1. Γενικά, δεν απαντάται συχνά στην φύση. Βρίσκεται σε ποσοστό μόλις ppm στον φλοιό της γης, καταλαμβάνοντας την 67 η θέση σε αφθονία ανάμεσα στα 90 πιο συχνά εμφανιζόμενα στοιχεία στον πλανήτη. 1 Ανακαλύφθηκε ταυτόχρονα το 1817 στην Γερμανία από τους Stromeyer και Hermann, οι οποίοι το ανακαλύψανε ως ακαθαρσία (συστατικό νόθευσης) στο ανθρακικό άλας του ψευδαργύρου. Το όνομα του το πήρε από η αρχαία ονομασία του ορυκτού καλαμίνα ZnCO 3, στο οποίο και απαντάται, δηλαδή την λατινική λέξη cadmia ή καδμεία στην ελληνική γλώσσα. Επί 100 χρόνια η Γερμανία ήταν η μόνη σημαντική χώρα παραγωγής καδμίου. 36

68 Στις Ηνωμένες Πολιτείες, αν και η παραγωγή του καδμίου ξεκίνησε το 1907, η ευρεία και εκτεταμένη παραγωγή καδμίου για μια πληθώρα εφαρμογών ξεκίνησε μετά τη λήξη του 1 ου Παγκοσμίου Πολέμου. Γενικά, το κάδμιο χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές δραστηριότητες (το 2005 η ετήσια παγκόσμια παραγωγή καδμίου ανήλθε στους τόνους, αν και τις τελευταίες δεκαετίες γίνεται προσπάθεια με εφαρμογή αντίστοιχης νομοθεσίας, σημαντικής μείωσης της χρήσης του, λόγω του ιδιαίτερα τοξικού του προφίλ 4.2 ΠΗΓΕΣ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ Το μέταλλο αυτό αποτελεί συστατικό διαφόρων ορυκτών του ψευδαργύρου και συνεπώς παράγεται κατά την εξόρυξη του ψευδαργύρου ως παραπροϊόν της παραγωγής ψευδαργύρου. Το μοναδικό σημαντικό ορυκτό που περιέχει κάδμιο είναι ο γκρινοκίτης CdS (Εικόνα 4.1), ο οποίος απαντάται σχεδόν πάντα με το σφαλερίτη, ZnS, λόγω της ομοιότητας των δύο μετάλλων. Α Β Γ Εικόνα 4.1 Α Γκρινοκίτης CdS, Β σφαλερίτης ZnS, Γ καλαμίνα ZnCO 3 με ίχνη Cd 37

69 Το κάδμιο παράγεται κυρίως κατά την εξόρυξη του ψευδαργύρου, ως παραπροϊόν επιμετάλλωσης, τήξης και διύλισης θειούχων κυρίως ορυκτών ψευδαργύρου, και σε μικρότερο βαθμό κατά την εξόρυξη μεταλλευμάτων μολύβδου και χαλκού. Δευτερογενώς παράγεται σε ποσοστό 10% από την ανακύκλωση σκόνης σιδήρου και υπολειμμάτων ατσαλιού. Ακόμη, βράχοι που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή φωσφορικών λιπασμάτων περιέχουν σημαντικό ποσοστό καδμίου (300 mg/kg), το οποίο μεταφέρεται στη συνέχεια στα εδάφη. Τέλος, το κάρβουνα περιέχουν κάποια ποσότητα καδμίου, το οποίο σε περίπτωση πυρκαγιάς, διοχετεύεται στην ατμόσφαιρα και στο περιβάλλον γενικότερα. 4.3 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ Το κάδμιο είναι ένα μαλακό, ελαφρύ, εύτηκτο μέταλλο αργυρόλευκου χρώματος με ελαφρώς γαλάζιες αποχρώσεις. Εμφανίζει πολλές ομοιότητες με τον ψευδάργυρο αν και σχηματίζει πιο πολύπλοκες ενώσεις. Εμφανίζει, σε αντίθεση με πολλά άλλα μέταλλα, αντοχή στη διάβρωση. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται και ως υλικό επικάλυψης-προστασίας από τη διάβρωση, άλλων μετάλλων. Είναι αδιάλυτο στο νερό και δεν αναφλέγεται σε γενικές γραμμές, εκτός αν είναι σε μορφή σκόνης, όπου τότε αναφλέγεται παράγοντας τοξικές αναθυμιάσεις. 4.4 ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το κάδμιο εμφανίζεται κυρίως στην οξειδωτική κατάσταση +2, αν και υπάρχει και κάποιες φορές και στην κατάσταση +1. Δε διαθέτει d ή f ημισυμπληρωμένους φλοιούς, με συνέπεια να μη θεωρείται με την αυστηρή έννοια του όρου, μεταβατικό μέταλλο. Καίγεται με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας δίνοντας άμορφο καφετί οξείδιο του καδμίου CdO, το οποίο στην κρυσταλλική του μορφή έχει βαθιά κόκκινη απόχρωση. Το οξείδιο αυτό όταν καίγεται, αλλάζει χρώμα παρόμοια με το ZnO. Το κάδμιο διαλύεται σε υδροχλωρικό, θειϊκό και νιτρικό οξύ, σχηματίζοντας αντιστοίχως CdCl 2, CdSO 4, Cd(NO3) 2. 38

70 Επιπλέον, αντιδρά με αλογόνα σύμφωνα με τις αντιδράσεις: Cd (s)+f 2 CdF 2 (λευκό) Cd (s)+br 2 CdBr 2 (απαλό κίτρινο) Cd (s)+i 2 CdI 2 (λευκό) Σε αλκαλικό περιβάλλον σχηματίζει λευκό ζελατινώδες ίζημα Cd(OH) 2, το οποίο είναι αδιάλυτο σε περίσσεια βάσης, σε αντίθεση με τον Zn. Γενικά, τα διαλύματα των ιόντων του είναι διαυγή και σταθερά στην υδρόλυση, η οποία αποφεύγεται τελείως με μερική οξίνιση των διαλυμάτων του. Οι βασικές ιδιότητες του καδμίου συνοψίζονται στον Πίνακα 4.1 που ακολουθεί. Όνομα, συμβολισμός, Ατομικός αριθμός Κάδμιο, Cd, 48 Κατάσταση ύλης Στερεό Κρυσταλλική δομή Εξαγωνική Κατηγορία-Θέση στον περιοδικό πίνακα Μεταβατικά μέταλλα Πυκνότητα, σκληρότητα 8650 kg/m 3, 2 Εμφάνιση Αργυρόλευκο, μεταλλικό Ατομικό βάρος amu Ατομική ακτίνα 161 pm Μοριακός όγκος 13*10-3 m 3 /mol Οξειδωτικές καταστάσεις Ι, ΙΙ Ηλεκτραρνητικότητα 1.69 (Pauling scale) Θερμική αγωγιμότητα 97 W/(m*K) Θερμότητα εξάτμισης 100 kj/mol Σημείο ζέσεως Κ Σημείο βρασμού 1040 Κ Τάση ατμών 1 Pa (530Κ) Ταχύτητα ήχου 2310 m/s (293 K) 1 η Ενέργεια ιοντισμού kj/mol 2 η Ενέργεια ιοντισμού kj/mol 3 η Ενέργεια ιοντισμού 3616 kj/mol Πίνακας 4.1 Ιδιότητες του καδμίου 39

71 4.5 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ- ΘΕΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑ Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του καδμίου: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 10 5s 2 παρουσιάζεται παρακάτω (Σχήμα 4.1). Σχήμα 4.1 Ηλεκτρονική διαμόρφωση του καδμίου Το κάδμιο όπως αναφέρθηκε έχοντας ατομικό αριθμό 48, ανήκει στην ομάδα ΙΙΒ του περιοδικού πίνακα όπως φαίνεται στη συνέχεια (Εικόνα 4.2). Εικόνα 4.2 Η θέση του Cd στον περιοδικό πίνακα. 40

72 4.6 ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΑΦΗΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΜΕ ΤΟ ΚΑΔΜΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, το κάδμιο (Cd) απαντάται στο φλοιό της γης σε συγκέντρωση ppm, αποτελώντας το 67 ο σε αφθονία μεταξύ των 90 στοιχείων που απαντώνται με φυσικό τρόπο στον πλανήτη. Εισάγεται στο περιβάλλον μέσω φυσικών διεργασιών και μέσω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, με τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες να συμμετέχουν κατά 3-10 φορές περισσότερο στην εισαγωγή του καδμίου στο περιβάλλον και στους έμβιους οργανισμούς που ζουν σε αυτό. 1 Η καύση των ορυκτών καυσίμων, η ηφαιστειακή δραστηριότητα, οι πυρκαγιές καθώς και η μεταφορά μολυσμένων με κάδμιο στερεών σωματιδίων από βιομηχανικές περιοχές μέσω του ανέμου, αποτελούν τους βασικότερους φυσικούς τρόπους εισροής καδμίου στο περιβάλλον και ταυτοχρόνως έκθεσης των ζώντων οργανισμών στις αρνητικές του επιπτώσεις, για τις οποίες θα γίνει λόγος στην επόμενη ενότητα. Η μεγαλύτερη, όμως, εισαγωγή καδμίου στο περιβάλλον, πραγματοποιείται μέσω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων λόγω της εκτεταμένης χρήσης του καδμίου σε διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες, η οποία τα τελευταία χρόνια τείνει να περιοριστεί δεδομένου ότι πλέον είναι αναγνωρισμένο το τοξικό του προφίλ. Στο Σχήμα 4.2 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι βιομηχανικές περιοχές, στις οποίες βρίσκει ευρεία εφαρμογή το κάδμιο. Σχήμα 4.2 Χρήσεις-Εφαρμογές του καδμίου Όπως φαίνεται παραστατικά από το Σχήμα 4.2 το κάδμιο βρίσκει ευρεία εφαρμογή στην παραγωγή μπαταριών Ni-Cd, όπου χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο του καδμίου (5g καδμίου περιέχονται σε κάθε μπαταρία, μεγάλο μέρος του οποίου απελευθερώνεται στο περιβάλλον 41

73 από εξαντλημένες μπαταρίες σε χώρους αποτέφρωσης απορριμμάτων), 2 στην παραγωγή χρωστικών και βαφών, ως σταθεροποιητικός παράγοντας στο PVC, σε ηλεκτρολυτικές διεργασίες, στις συγκολλήσεις, σε ηλεκτροχημικές επιμεταλλώσεις και επικαλύψεις άλλων μετάλλων κ.ά. Εκτός της εκτεταμένης χρήσης του καδμίου στην παραγωγή μπαταριών, όπου και συνιστάται πλέον είτε ανακύκλωση των χρησιμοποιημένων μπαταριών για την αποφυγή απελευθέρωσης του τοξικού αυτού μετάλλου στο περιβάλλον, είτε αντικατάσταση των μπαταριών Ni-Cd με μπαταρίες. στις οποίες αντικαθίσταται το κάδμιο με άλλο εξίσου λειτουργικό μέταλλο, το κάδμιο κυρίως στην ιοντική του μορφή χρησιμοποιείται ως χρωστική και ως βαφή. Τόσο το CdSe, όσο και το CdS έχει χρησιμοποιηθεί ιδιαιτέρως στη βαφή πλαστικών. Οι χρωστικές του CdS επί 150χρόνια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή λαμπρών κίτρινων χρωμάτων, χωρίς ακόμη να έχει βρεθεί αξιόλογο υποκατάστατό του. Ακόμη το άλας CdSe βρίσκει εφαρμογή στις τηλεοπτικές οθόνες και σε φωτοβολταϊκές συσκευές. 2 Εκτιμάται ότι το 2005 παρήχθησαν παγκοσμίως tn καδμίου. 1 Η έκθεση στο κάδμιο ατόμων που απασχολούνται στις παραπάνω βιομηχανικές δραστηριότητες, αποτελεί άμεσο τρόπο εισόδου του καδμίου στον ανθρώπινο οργανισμό. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι έχουν παρατηρηθεί προβλήματα και ανωμαλίες στο νευρικό σύστημα κ.ά. εργαζομένων που απασχολούνταν σε βιομηχανικές δραστηριότητες, στις οποίες εμπλεκόταν το μέταλλο του καδμίου. 3 Η Ιαπωνία και η Κεντρική Ευρώπη, λόγω υψηλής βιομηχανικής δραστηριότητας αποτελούν χώρες υψηλού κινδύνου. 2 Επιπλέον, έχει βρεθεί ότι πολλά προϊόντα ομορφιάς κραγιόν, σκιές ματιών κ.τ.λ. περιέχουν κάδμιο για τη διασφάλιση της κατάλληλης λαμπερής επιθυμητής απόχρωσης, γεγονός που τα τελευταία χρόνια κρούει τον κώδωνα του κινδύνου, για την ασφαλή χρήση των προϊόντων αυτών, όσον αφορά την υγεία των γυναικών, αλλά και την επίδρασή τους στα έμβρυα σε περίπτωση εγκυμοσύνης. 4 Παρακάτω, ακολουθούν ορισμένες από τις εφαρμογές του καδμίου σε προϊόντα καθημερινής χρήσης (Εικόνα 4.3). 42

74 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ Εικόνα 4.3 Προϊόντα καθημερινής χρήσης στα οποία απαντάνται κάδμιο. Ένας ακόμη τρόπος εισαγωγής του καδμίου στον οργανισμό είναι το κάπνισμα, το οποίο συνεισφέρει σημαντικά στην είσοδο του καδμίου στον ανθρώπινο οργανισμό. Τα φύλλα καπνού δεσμεύουν το κάδμιο από το νερό άρδευσης και από το έδαφος, το οποίο στη συνέχεια ως οξείδιο του καδμίου, απελευθερώνεται στο ρεύμα καπνού κατά το κάπνισμα, απορροφάται από τους ιστούς των πνευμόνων ή εισέρχεται στην συστηματική κυκλοφορία του αίματος των καπνιστών. Η ημερήσια πρόσληψη καδμίου μέσω του καπνίσματος (1 πακέτο τσιγάρα) ανέρχεται στα 2-4 μg (0.5-1μg/τσιγάρο), με την τροφή τα 50 μg και μέσω του νερού στα 2-3 μg. Είναι σημαντικό, όμως, να επισημανθεί ότι ενώ μέσω της τροφής απορροφάται από τον οργανισμό το 5% του εισερχόμενου καδμίου, με το κάπνισμα (αναπνευστική οδό) παραμένει στο σώμα το 40% του εισερχόμενου καδμίου. Τα παραπάνω στοιχεία, δείχνουν χαρακτηριστικά τον κίνδυνο που διατρέχει ένα άτομο από την εισαγωγή σε καθημερινή βάση του τοξικού αυτού μετάλλου μέσω του καπνίσματος, δεδομένης της ικανότητάς του να βιοσυσσωρεύεται στον οργανισμό, αναπτύσσοντας τοξική δράση μετά από χρόνια και λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής του στον οργανισμό (10-30 έτη). 2 Έχει βρεθεί ότι οι καπνιστές περιέχουν 4-5 φορές περισσότερο κάδμιο στο αίμα τους και 2-3 φορές περισσότερο κάδμιο στους νεφρούς τους σε σχέση με τους μη καπνιστές. 5 Τέλος, το κάδμιο, λόγω απόχυσης αποβλήτων από βιομηχανικές και λοιπές δραστηριότητες απελευθερώνεται στον υδροφόρο ορίζοντα και στη συνέχεια μεταφέρεται στους οργανισμούς που ζουν σε αυτά (ψάρια, μαλάκια, φυτά), διεισδύοντας τελικά στην τροφική αλυσίδα (Εικόνα 4.4) με τελικό αποδέκτη τον άνθρωπο. Η υψηλή διαλυτότητα των ενώσεων που σχηματίζει το κάδμιο σε σχέση με άλλα μέταλλα, είναι μια από τις βασικότερες αιτίες λόγω 43

75 της οποίας απορροφάται πολύ εύκολα από τα φυτά και αποθηκεύεται σε αυτά. Ακόμη, η ομοιότητα του καδμίου με τον ψευδάργυρο προκαλεί σύγχυση στους φυτικούς οργανισμούς, οι οποίοι οδηγούνται στην εύκολη απορρόφηση του καδμίου μέσω του νερού άρδευσης. 2 Επίσης, τα φωσφορικά λιπάσματα που περιέχουν ιοντικό κάδμιο ως ρυπαντή, εμπλουτίζουν το έδαφος σε κάδμιο, το οποίο αργότερα περνάει στα φυτά. Η κατανάλωση των φυτών από τον άνθρωπο στη συνέχεια ή η χρήση τους ως ζωοτροφές, αποτελούν την κύρια πηγή καδμίου για τον άνθρωπο. Τα λαχανικά και τα δημητριακά ανήκουν στις κατηγορίες των φυτών με την μεγαλύτερη απορρόφηση καδμίου. Σε μικρότερο ποσοστό, το κάδμιο περιέχεται στο κρέας και στα ψάρια, με εξαίρεση τα μαλάκια, τα οποία συσσωρεύουν μεγάλα ποσά καδμίου λόγω του ιδιαίτερα μολυσμένου υδάτινου περιβάλλοντος στο οποίο ζούν. 4 Εικόνα 4.4 Είσοδος του καδμίου στην τροφική αλυσίδα - Εκδήλωση του τοξικού προφίλ του στον άνθρωπο-καταναλωτή 44

76 4.8 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΥΣ ΕΜΒΙΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ - ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, το κάδμιο εισέρχεται με διάφορους τρόπους στο οικοσύστημα, ασκώντας την τοξική του δράση στους έμβιους οργανισμούς (φυτικούς, ζωικούς, κυρίως θαλάσσιους, και τον άνθρωπο), είτε με τη μορφή οξείας εισόδου καδμίου υψηλής συγκέντρωσης, είτε κατά την χρόνια εισαγωγή του ακόμη και σε μικρές, αλλά σταθερές ποσότητες, στο περιβάλλον. Το κάδμιο αναπτύσσει την τοξική του δράση με πολλαπλούς τρόπους. ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΥΣ ΦΥΤΙΚΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ Ένα από τα πιο τοξικά μέταλλα με δραματικά αρνητικές επιπτώσεις για τους φυτικούς οργανισμούς, είναι το κάδμιο. Τα φυτά απορροφούν σχετικά εύκολα κάδμιο από το νερό άρδευσης, όταν αυτό είναι επιβαρυμένο με το μέταλλο του καδμίου, λόγω της ομοιότητας που παρουσιάζει το μέταλλο με τον Zn. Επιπλέον, μπορεί να πραγματοποιηθεί επιβάρυνση του εδάφους με Cd μέσω των φωσφορικών λιπασμάτων. Η μείωση του ph του εδάφους που οφείλεται στην όξινη βροχή, προκαλεί αύξηση της προσλαμβανόμενης απορρόφησης του καδμίου από τα φυτά. 2 Σύμφωνα με μελέτες σχετικά με τις επιπτώσεις του καδμίου στα φυτά, προκύπτει ότι το κάδμιο προκαλεί καταστροφή των ριζών (Εικόνα 4.5), παρεμπόδιση της αναπνοής και της φωτοσύνθεσης, μείωση του χλωροφυλλικού περιεχομένου, και τροποποίηση διαφόρων κρίσιμων ενζυμικών διεργασιών, οι οποίες εμπλέκονται σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια, προκαλώντας περιορισμό της απόδοσης της προσβάλλουσας καλλιέργειας. 6 Θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι η σοβαρότητα των βλαβών που προκαλεί το κάδμιο στα φυτά, εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως το είδος του φυτού, η ποσότητα και ο χρόνος-διάρκεια έκθεσης του φυτικού οργανισμού στην τοξική επίδραση του καδμίου. Κατά την επίδραση του καδμίου στα φυτά παρατηρούνται ορατά τραύματα στα φυτά. Λόγω χλώρωσης και νέκρωσης των φύλλων διαταράσσεται η ισορροπία στο ισοζύγιο νερού, ενώ οι ρίζες εμφανίζουν μη φυσιολογικό καφέ χρώμα και μειωμένο μήκος. (Εικόνα 4.5). Ακόμη, το κάδμιο επεμβαίνει άμεσα ή έμμεσα στο μηχανισμό της φωτοσύνθεσης, επηρεάζοντας διάφορους παράγοντες που συμμετέχουν στη φωτοσυνθετική διαδικασία μειώνοντας τη μεταφορά ηλεκτρονίων, παρεμποδίζοντας τη βιοσύνθεση της χλωροφύλλης, 45

77 κ.ά. 7,8 Έχει υπολογιστεί ότι στα δημητριακά το περιεχόμενο του καδμίου κυμαίνεται μεταξύ μg/kg ξηρής ύλης. Διάφοροι μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για τις παραπάνω δραματικές επιπτώσεις του καδμίου στους φυτικούς οργανισμούς. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται ενδεικτικά μερικοί μηχανισμοί, εξ αυτών που θεωρούνται μεγαλύτερης σημασίας. Η αποσταθεροποίηση του μεταβολισμού βασικών ιχνοστοιχείων των φυτών. 9 Το ασβέστιο (Ca), το μαγνήσιο (Mg), ο σίδηρος (Fe), το κάλιο (K), τα μαγγάνιο (Mn), ο ψευδάργυρος (Zn) και ο χαλκός (Cu), είναι κάποια από τα μέταλλα, τα οποία η μεταλλοτοξίνη του καδμίου ανταγωνίζεται και διαταράσσει την ομοιόστασή τους, οδηγώντας σε έλλειψη μετάλλων και ιχνοστοιχείων. 10 Η υπερπαραγωγή ελευθέρων ριζών ROS (δραστικών μορφών οξυγόνου) λόγω της δράσης του καδμίου. Η σύνθεση των ROS οδηγεί στη λιπιδική υπεροξείδωση των φύλλων, των ριζών, κ.ά., με αποτέλεσμα το φυτό να βρίσκεται σε κατάσταση οξειδωτικού stress. Θεωρείται ότι σε πρώτη φάση το κάδμιο προκαλεί τη σύνθεση του υπεροξειδίου του υδρογόνου, Η 2 Ο 2 στη συνέχεια των υπεροξειδικών ανιόντων Ο 2, τα οποία συντίθενται στα μιτοχόνδρια και τέλος, προκαλεί την παραγωγή των υδροϋπεροξειδίων των λιπαρών οξέων. Μεγάλες ποσότητες ROS, έχει βρεθεί ότι προκαλoύν βλάβες στα λιπίδια, στο DNA και στις πρωτεΐνες. Ο φυτικός οργανισμός, όπως και κάθε έμβιος οργανισμός είναι εφοδιασμένος με διάφορα ένζυμα που ασκούν αντιοξειδωτική δράση και σκοπός τους είναι η εκκαθάριση του οργανισμού από τις δραστικές μορφές οξυγόνου, οι οποίες αναφέρθηκαν παραπάνω. Τα ένζυμα αυτά είναι η σουπεροξειδική δισμουτάση SOD, η καταλάση CAT, η ασκορβική υπεροξειδάση ΑPX, τα οποία μαζί με μόρια χαμηλού μοριακού βάρους (αντιοξειδωτικοί μεταβολίτες), το ασκορβικό οξύ και την ανηγμένη μορφή της γλουταθειόνης GSH, αποτοξινώνουν τα κύτταρα από τα παραγόμενα Η 2 Ο 2, Ο 2. Το κάδμιο επιδρά και στο σύστημα αντιοξείδωσης των κυττάρων, παρεμποδίζοντας ή ενισχύοντας τη δράση των παραπάνω αντιοξειδωτικών ουσιών. 7 Τα τελευταία χρόνια, παράλληλα με τη διερεύνηση των μηχανισμών δράσης του καδμίου στους έμβιους οργανισμούς, πραγματοποιούνται και μελέτες ενίσχυσης της ανθεκτικότητας διαφόρων φυτών που υφίστανται την τοξική δράση του καδμίου, εξωγενώς με την εισαγωγή αντιοξειδωτικών παραγόντων σε αυτά. Ενδεικτικά αναφέρεται η προσθήκη σαλικυλικού οξέος (SA) σε σιτηρά, σεληνίου, κ.ά. 8,9 46

78 Εικόνα 4.5 Μελέτη της επίδρασης του σαλικυλικού οξέος (SA) σε σιτηρά προσβεβλημένα από κάδμιο. 8 ΤΟΞΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ Το κάδμιο είναι ένα μέταλλο που ως τώρα δεν έχει αποδειχτεί ότι εμφανίζει κάποιο βιολογικό ρόλο στους ζώντες οργανισμούς. Η επαφή του, όμως, με τους φυτικούς (όπως αναφέρθηκε παραπάνω), τους ζωικούς και τον άνθρωπο είναι αναπόφευκτη, λόγω της εκτεταμένης χρήσης του σε διάφορες κυρίως βιομηχανικές και λοιπές δραστηριότητες. Το κάδμιο έχει πλέον αποδεδειγμένο τοξικό προφίλ. Οι σοβαρότατες τοξικές επιπτώσεις για τον άνθρωπο έχουν προσελκύσει τις τελευταίες δεκαετίες το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, με σκοπό την πλήρη κατανόηση σε μοριακό πλέον επίπεδο των μηχανισμών που χρησιμοποιεί το κάδμιο (ελεύθερο ή συμπλοκοποιημένο σε μόρια που αποτελούν φυσιολογικά υποστρώματα) και που οδηγούν στην εκδήλωση σοβαρότατων παθήσεων, οι οποίες θα αναφερθούν παρακάτω. Υπάρχουν τρεις τρόποι εισόδου του καδμίου στον οργανισμό: α. μέσω της γαστρεντερικής οδού, β. μέσω της αναπνευστικής οδού, και γ. διαδερμικά. 11 Η απορρόφηση του εισερχόμενου καδμίου μέσω της γαστρεντερικής οδού ανέρχεται στο 5%, ποσοστό που επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η προσλαμβανόμενη δόση, η διατροφική σύνθεση του τροφίμου, η έλλειψη βιταμίνης D και βασικών μετάλλων όπως ασβεστίου Ca, ψευδαργύρου Zn, χαλκού Cu και σιδήρου Fe (άτομα με αναιμία, έγκυες γυναίκες, ηλικιωμένοι, παιδιά και γυναίκες στην εμμηνόπαυση αποτελούν ομάδες υψηλού κινδύνου, με 6 % μεγαλύτερο ποσοστό απορρόφησης καδμίου σε σχέση με άτομα με ισορροπημένο ποσοστό σιδήρου στον οργανισμό τους). Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι ένας 47

79 Γερμανός πολίτης λαμβάνει μέσω της γαστρεντερικής οδού, περίπου μg/ημέρα, εκ των οποίων το 95% προέρχεται από την τροφή και το νερό. 11 Η προσλαμβανόμενη αυτή ποσότητα του καδμίου αυξάνει αν το άτομο ανήκει επιπλέον στην ομάδα των καπνιστών. Έχει βρεθεί ότι ο ανθρώπινος πνεύμονας απορροφά το 40-60% του εισπνεόμενου καδμίου. Ένας μακροχρόνιος καπνιστής έχει απορροφήσει κατά τη διάρκεια της ζωής του 30 mg καδμίου, με 4-5 φορές περισσότερο κάδμιο στο αίμα του σε σχέση με έναν μη καπνιστή. Εκτός του καπνίσματος, εισπνοή καδμίου πραγματοποιείται και σε χώρους εργασίας, όπου γίνεται χρήση καδμίου. Σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα (ARDS σύνδρομο) έχουν αναφερθεί σε εργαζομένους, οι οποίοι απασχολούνταν σε χώρους εκτεθειμένους σε καπνούς καδμίου. Αναφέρεται ότι το εισπνεόμενο κάδμιο εισέρχεται στην κυκλοφορία του αίματος με τη μορφή συμπλόκων του με κυστεΐνη. 11 Όσον αφορά στη διαδερμική επαφή του καδμίου με τον ανθρώπινο οργανισμό, δεν έχει πραγματοποιηθεί εκτεταμένη έρευνα. Σε κάποιες μελέτες πάντως που πραγματοποιήθηκαν σε αρουραίους εκτεθειμένους για 10 ημέρες σε διάλυμα χλωριούχου καδμίου, παρατηρήθηκε εμφάνιση υπερκεράτωσης, ακάνθωσης της επιδερμίδας και περιοδική εμφάνιση ελκών, και αύξηση του καδμίου στο αίμα, στα νεφρά και στο συκώτι, γεγονός που αποδεικνύει τη διαδερμική απορρόφηση. Η συμπλοκοποίηση του καδμίου στις σουλφυδρυλικές ομάδες των κυστεϊνών και στη μεταλλοθειονίνη διευκολύνει τη διαδερμική απορρόφηση του καδμίου από τον οργανισμό. 11 Όσον αφορά στην ισχύουσα νομοθεσία σχετικά με το κάδμιο, οι οργανισμοί FAO/WHO το 2006 όρισαν ως ανώτατο αποδεκτό όριο εβδομαδιαίας κατανάλωσης καδμίου μέσω της τροφικής αλυσίδας τα 7 μg/kg σωματικού βάρους. ΤΟ 2012 ο οργανισμός IRIS της υπηρεσίας περιβαλλοντικής προστασίας ΕPA των ΗΠΑ, όρισε ως μέγιστο όριο κατανάλωσης καδμίου μέσω του νερού τα 0.5 μg/kg σωματικού βάρους/ημέρα και μέσω της τροφής το 1 μg/kg σωματικού βάρους/ημέρα. Ακόμη, ο οργανισμός για τις τοξικές ουσίες και ασθένειες ATSDR των ΗΠΑ όρισε ως μέγιστη συγκέντρωση καδμίου τα 0.5 μg/kg/ημέρα για μεσαίου μεγέθους έκθεση δια στόματος της τοξικής αυτής ουσίας, ενώ για χρόνια εισαγωγή της τα 0.1 μg/kg/ημέρα. 12 Το ήπαρ, τα νεφρά (το βασικότερο όργανο-στόχος της ανάπτυξης τοξικότητας του καδμίου), η σπλήνα, ο θυρεοειδής αδένας, τα οστά, ο εγκέφαλος, αποτελούν όργανα που αποτελούν στόχους του καδμίου. 2,5 Το μέταλλο αυτό έχει θεωρηθεί υπεύθυνο για την πρόκληση ποικίλων ανωμαλιών και σοβαρότατων προβλημάτων υγείας 12,13, όπως: σκελετικές (απασβεστοποίηση των οστών-κατάγματα-οστεοπόρωση), καρδιοαγγειακές δυσλειτουργίεςαποσταθεροποίηση της αρτηριακής πίεσης, νεφρικές και ηπατικές βλάβες (πρωτεϊνουρία, 48

80 αμινοξυουρία, νεφρική ανεπάρκεια, κρεατινουρία), 14 γενετικές ανωμαλίες (μικρό σωματικό βάρους εμβρύου κ.ά.), 15 βλάβες στους όρχεις (χαμηλής ποιότητας σπέρμα, αντρική στειρότητα), 15 στους πνεύμονες, διαβήτης, διαταραχές του ανοσοποιητικού συστήματος, νευρολογικές (πονοκέφαλοι, προβλήματα όρασης σε παιδιά, ανωμαλίες στην κίνηση εργατών προσβεβλημένων από το κάδμιο, διάφορες νευροπάθειες, κ.ά.), 16 διαταραχές του μεταβολισμού καθώς και ανάπτυξη νεοπλασιών-καρκίνου. 17 Έχει χαρακτηριστεί από τον IARC ως καρκινογόνος ουσία τύπου Ι (IARC 1993). 1,17 Ο ρόλος του ως καρκινογόνος παράγοντας δεν έχει αποσαφηνισθεί πλήρως. Πιστεύεται ότι δρα με πολλαπλούς τρόπους επηρεάζοντας διάφορες διεργασίες του κυττάρου, όπως την κυτταρική διαίρεση, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση, και την απόπτωση. Προκαλεί ανώμαλη έκφραση γονιδίων, παρεμποδίζει τη διαδικασία επιδιόρθωσης βλαβών στο DNA των κυττάρων και προκαλεί μη φυσιολογική μεθυλίωσή του. Τέλος, προκαλεί την παραγωγή δραστικώνών μορφών οξυγόνου ROS, αυξάνοντας τα επίπεδα του υπεροξειδίου του υδρογόνου H 2 O 2 και του σουπερ-οξειδικού ανιόντος Ο 2, με σταδιακή βλάβη των μιτοχονδρίων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η πρόκληση οξειδωτικού stress, αποτελεί το βασικότερο παράγοντα πρόκλησης νεοπλασιών λόγω της τοξικότητας του καδμίου, παράγοντας που υπερκαλύπτει όλους τους προηγούμενους που αναφέρθηκαν. 1 Μια πολύ σοβαρή ασθένεια, η οποία προκλήθηκε από τη διείσδυση στη τροφική αλυσίδα (κατανάλωση ρυζιού μολυσμένου με κάδμιο) μεγάλων συγκεντρώσεων καδμίου από ανθρωπογενή δραστηριότητα, είναι η ασθένεια Itai-Itai (Εικόνα 4.6). Η ασθένεια αυτή χαρακτηριζόταν από τρομερούς πόνους στα κόκαλα, σοβαρά προβλήματα στα νεφρά, οστεοπόρωση πολύ μεγάλης έκτασης, απασβεστοποιήση των οστών, πρόκληση καταγμάτων, υψηλή αρτηριακή πίεση, και μεγάλη ευπάθεια σε μολύνσεις λόγω αποδυνάμωσης του ανοσοποιητικού συστήματος. Τα περιστατικά εμφανίστηκαν το 1947 στους κατοίκους ενός χωριού στους πρόποδες του ποταμού Jinzu. Τα πραγματικά αίτια, όμως, της νόσου αποδόθηκαν μετά από σχεδόν 20 χρόνια, όταν έγινε πλέον τεκμηριωμένα αποδεκτό ότι υπεύθυνο για τη δραματική κατάσταση των κατοίκων της περιοχής αυτής ήταν η κατανάλωση ρυζιού από ορυζώνες, στους οποίους κατέληγαν ύδατα μολυσμένα από απόβλητα πλούσια γειτονικών ορυχείων και βιομηχανιών σε κάδμιο. 2 49

81 Εικόνα 4.6 Η ασθένεια Itai-Itai. Ο ακριβής μηχανισμός, με τον οποίον ασκεί την τοξική του δράση το κάδμιο, ακόμη δεν είναι πλήρως γνωστός. Οι περισσότερες μελέτες καταλήγουν πάντως στο γεγονός πως το μέταλλο αυτό δρα εναντίον της φυσιολογικής λειτουργίας των κυττάρων ποικιλοτρόπως με διάφορους μηχανισμούς. Σε πρώτο στάδιο πιστεύεται ότι το κάδμιο εισέρχεται στον οργανισμό χρησιμοποιώντας τα συστήματα διακίνησης βασικών απαραίτητων μετάλλων, όπως του Cu, του Zn και του Ca. Ουσιαστικά μιμείται τη συμπεριφορά των παραπάνω δισθενών μετάλλων, παραπλανώντας κατά κάποιο τρόπο τα κύτταρα. 18,5 Με τον τρόπο αυτό, απορροφάται από τον οργανισμό ανθρώπων και ζώων γενικότερα, αλλά και φυτών, οδηγώντας ταυτόχρονα σε αποσταθεροποίηση της ομοιόστασης των παραπάνω απαραίτητων μετάλλων. Στη συνέχεια, εισέρχεται σε βασικά όργανα, όπως το συκώτι, όπου και συνδέεται με πρωτεΐνες πλούσιες σε θείο, όπως είναι οι μεταλλοθειονίνες (ΜΤ), η γλουταθειόνη (GSH) κ.ά. Η μεταλλοθειόνη (ΜΤ) αποτελεί το μηχανισμό προστασίας του οργανισμού από την χρόνια έκθεσή του στο κάδμιο, καθώς συμπλοκοποιεί σε μεγάλη έκταση το κάδμιο στις σουλφυδρυλικές της ομάδες, με αποτέλεσμα το συμπλοκοποιημένο κάδμιο να απομακρύνεται ακίνδυνο πλέον από τα ούρα. 2 Επιπλέον, η μικρή αυτή πρωτεΐνη δρα και ως οδοκαθαριστής, καθαρίζοντας τα κύτταρα από τις δραστικές μορφές οξυγόνου ROS που παράγονται λόγω της δράσης του καδμίου. Όταν η ποσότητα του καδμίου είναι μεγαλύτερη της ικανής που μπορεί να δεσμεύσει η ΜΤ, τότε έχουμε δραματικές επιπτώσεις για τον οργανισμό, όπως καρκινογένεση. Ένας ακόμη μηχανισμός δράσης του καδμίου με πρωταρχικό ρόλο είναι η παραγωγή ROS. Το κάδμιο αν και δεν ανήκει στα μέταλλα Fenton, προκαλεί με έμμεσο τρόπο την παραγωγή 50

82 ελεύθερων ριζών, με δραματικές επιπτώσεις στα λιπίδια, τις πρωτεΐνες και στο DNA. Η αντικατάσταση οξειδοαναγωγικά ενεργών μετάλλων (π.χ. Fe), η παρεμπόδιση της απομάκρυνσης των ROS μέσω της παρέμβασής του στο σύστημα αντιοξείδωσης του οργανισμού με την αδρανοποίηση ή παρεμπόδιση της δράσης αντιοξειδωτικών ενζύμων (γλουταθειόνης GSH, σουπεροξειδικής δισμουτάσης SOD, της καταλάσης CAT, της γλουταθειονικής υπεροξειδάσης GPx και γλουταθειονικής ρεδουκτάσης GR) και η παρέμβασή του στην αλυσίδα διακίνησης ηλεκτρονίων που οδηγεί σε βλάβες στα μιτοχόνδρια, πιστεύεται ότι συντελούν στην πρόκληση εκτεταμένου οξειδωτικού stress στους έμβιους οργανισμούς. 5 Παρακάτω, φαίνεται (Σχήμα 4.3) το ισοζύγιο οξείδωσηςαντιοξείδωσης των κυττάρων και η παρέμβαση του καδμίου σε αυτό κατά την πρόκληση οξειδωτικού stress, καθώς και η προκαλούμενη από το κάδμιο καρκινογένεση μέσω του οξειδωτικού stress, 5 σε περίπτωση οξείας μόλυνσης. A. B. Σχήμα 4.3 A. Παρέμβαση του καδμίου στο σύστημα οξείδωσης-αντιοξείδωσης των κυττάρων-οξειδωτικό stress, B. Μηχανισμός καρκινογένεσης μέσω ROS κατά την επίδραση του καδμίου Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια, πέραν του περιορισμού της χρήσης του καδμίου σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες, να ανευρεθούν μέθοδοι ενίσχυσης του οργανισμού κατά της χρόνιας δράσης του καδμίου, μέσω πρόσληψης αντιοξειδωτικών ενώσεων, όπως είναι τα φλαβονοειδή (π.χ. κερσετίνη) και η πρόσληψη προβιοτικών (στελέχη λακτοβακίλων) κ.ά. μέσω της τροφής ή με μορφή συμπληρωμάτων. 12,16 51

83 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Joseph, P. Toxicology and Applied Pharmacology,2009, 238, Κουϊμτσής, Θ.; Φυτιάδου, Κ; Σαμαρά-Κωνσταντίνου, Κ. Χημεία Περιβάλλοντος, Gupt, R.; Shukla, R.K.; Chayandravanshi, L.P.; Srivastava, P.; Dhuriya, Y.K.; Shanker, J.; Singh, M.P.; Pant, A.B.; Khanna, V. K. Mol. Neurobiol., Nourmoradi, H.; Foroghi, M.; Farhadkhani, M.; Dastjerdi, V. Journal of Environmental and Public Health, 2013, Nair, A.R.; DeGheselle, O.; Smeets, K.; Van Kerkhove, E.; Cuypers, A. Int. J. Mol. Sci., 2013, 14, Hédiji, H.; Djebali, W.; Belkadhi A.; Cabasson, C.; Moing, A.; Rolin, D.; Brouquisse, R.; Gallusci, P., Chaïbi, W. South Africa Journal of Botany, 2015, 97, Cherif, J.; Medouni, C.; Ben Ammar, W.; Jemal, F. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23 (5), Shakirova, F.M.; Allagulova, Ch., R.; Maslennikova, D.R.; Klyuchnikova, E. O.; Avalbaev, A.M.; Bezrukova, M.V. Environmental and Experimental Botany, 2016, 122, Hawrylak-Nowak, B. et al. Scientia Horticulturae, 2014, 172, Carvalho Bertoli, A. et al. Ecotoxicity and Environmental Safety, 2012, 86, Godt, J.; Scheidig, F.; Grosse-Siestrup, C.; Esche, V.; Brandenburg, P.; Reich, A.; Groneberg, D. A. Journal of Occupational and Medicine and Toxicology, 2006, 1: Zhai, Q. et al. Food Control, 2015, Skipper, A.; Sims, J.N.; Yedjou, C.G.; Tchounwou, P.B. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2016, 13, Kefalas, E.T.; Dakanalis, M.; Panagiotidis, P.; Raptopoulou, C.P.; Terzis, A.; Mavromoustakos, T.; Kyrikou, I.; Karligiano, N.; Bino, A.; Salifoglou, A. Inorganic Chemistry, 2005, 44, Wang, H. et al. Reproductive Toxicology, 2016, 63, Gupta, R. et al. Mol. Neurobiol., 2016, Petanidis, S; Hadzopoulou-Cladara, M.; Salifoglou, A. Journal of Inorganic Biochemistry, 2013, 121, Henderson, J.D.; Filice, F.P.; Li, M.S.M.; Ding, Z. Journal of Inorganic Biochemistry, 2016, 158,

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο- και Ν-ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΕΣ (ligands) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην ενότητα αυτή θα αναπτυχθούν οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των οργανικών υποστρωμάτων (ligands), που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση των νέων δυαδικών και τριαδικών υβριδικών ενώσεων συναρμογής των μεταλλοϊόντων Ti(IV) και Cd(II). Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων των μεταβατικών μεταλλοϊόντων με φυσιολογικά ή μη φυσιολογικά υποστρώματα, σε υδατικά ή μη υδατικά διαλύματα, παρουσιάζει αδιαμφισβήτητα εξαιρετικό ενδιαφέρον, κατέχοντας πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα της τεχνολογίας των υλικών. Όπως θα γίνει αντιληπτό και στη συνέχεια, οι οργανικοί υποκαταστάτες που χρησιμοποιήθηκαν, αποτελούν Ο- και Ν- δότες, και είναι βάσεις κατά Lewis διαθέτοντας τουλάχιστον ένα μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων. Η εμπλοκή-χρήση των οργανικών υποστρωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας αποσκοπεί: Αφενός, στη διερεύνηση της χημικής αλληλεπίδρασης των μετάλλων, που αποτελούν αντικείμενο της διατριβής, με τα μόρια αυτά. Δεδομένου, ότι οι ενώσεις αυτές (ligands) απαντώνται στα κυτταρικά υγρά, στους ιστούς ή αποτελούν συστατικά φυσικής προέλευσης, η μελέτη της συναρμογής τους με τα υπό εξέταση μεταβατικά μέταλλα αποσκοπεί στην αποσαφήνιση, στο βαθμό που είναι εφικτό, της χημικής συμπεριφοράς των μεταλλοϊόντων τιτανίου και καδμίου, κατά την είσοδό τους στον ανθρώπινο οργανισμό, είτε λόγω τοξικής δράσης-μόλυνσης (όσον αφορά στο κάδμιο), είτε ως συστατικό προϊόντων για τη βελτίωση της ζωής του ανθρώπου (φαρμακευτικά σκευάσματα που περιέχουν σύμπλοκα του τιτανίου, εμφυτεύματα και προσθετικά υλικά με βάση το τιτάνιο, προϊόντα αντηλιακής προστασίας, κ.α), Αφετέρου, η παρουσία των οργανικών υποκαταστατών κρίνεται απαραίτητη για τη σύνθεση νέων καλά χαρακτηρισμένων καινοτόμων ενώσεων τιτανίου και καδμίου με ιδιαίτερες αρχιτεκτονικές και προηγμένες ιδιότητες (οπτικές, φυσικοχημικές, ηλεκτροχημικές, κ.ά.) και εν συνεχεία προώθηση των νέων υβριδικών αυτών συστημάτων στη βιομηχανία, για αξιοποίηση σε 52

85 μεγάλη εμπορική κλίμακα σε τομείς, όπως η κατάλυση, ο μαγνητισμός, η ανάπτυξη προηγμένων υλικών, και αλλού. 5.1 α-υδροξυκαρβοξυλικα ΟΞΕΑ (AHAs) Μια ιδιαίτερα σημαντική κατηγορία οργανικών υποκαταστατών είναι τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα (AHAs). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οργανικά οξέα (ασθενή σε γενικές γραμμές), τα οποία διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο σε βασικές βιοχημικές διεργασίες των κυττάρων, όπως ο κύκλος του Krebs (κιτρικό, μαλικό, ισοκιτρικό οξύ), η φωτοαναπνοή (photorespiration) (γλυκολικό οξύ), ο κύκλος του Cori (γαλακτικό οξύ), κ.ά. 1 Τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα αποτελούν μια υποκατηγορία καρβοξυλικών οξέων, με μια αλκοολική ομάδα σε α- θέση σε σχέση με το καρβοξύλιο. Απαντώνται είτε ως συστατικά φυσικών προϊόντων (Εικόνα 5.1) είτε παράγονται συνθετικά. Ορισμένες φυσικές πηγές προέλευσής τους είναι τα σακχαρότευτλα, τα φρούτα, και τα γαλακτοκομικά προϊόντα. Εικόνα 5.1 Φυσικές πηγές προέλευσης βασικών α- υδροξυκαρβοξυλικών οξέων. Το πιο απλό οξύ της κατηγορίας αυτής είναι το γλυκολικό οξύ, το οποίο, όπως θα αναφερθεί και στη συνέχεια, βρίσκει πολύ σημαντική εφαρμογή στην επιστήμη της δερματολογίας και της κοσμετολογίας (προϊόντα απολέπισης, ενυδάτωσης και επανόρθωσης του δέρματος κ.ά.). Επίσης, το γαλακτικό οξύ με πολυδιάστατο ρόλο για τον ανθρώπινο οργανισμό χρησιμοποιείται σε πολλά σκευάσματα απολέπισης και αντιγήρανσης. 2 Παρακάτω, ακολουθούν οι 53

86 διαμορφώσεις στο χώρο ορισμένων από τα βασικότερα υδροξυκαρβοξυλικά οξέα (ΑΗΑs) (Εικόνα 5.2). Εικόνα 5.2 Ορισμένα από τα βασικότερα ΑΗΑs. Πολλά φαρμακευτικά και βιολογικά σκευάσματα, αλλά και προϊόντα διατροφής, περιέχουν ως βάση τους α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα. Από άποψη ασφάλειας, θεωρούνται ασφαλή σε γενικές γραμμές, ίσως με κάποιους ερεθισμούς του δέρματος όταν χρησιμοποιούνται για την περιποίηση του προσώπου και θεραπεία δερματολογικών προβλημάτων. Ακόμη, σύμφωνα με την FDA, οι καταναλωτές θα πρέπει να είναι προσεκτικοί κατά τη χρήση των AHAs, λόγω πιθανής ανάπτυξης φωτοευαισθησίας μετά την εφαρμογή τους. 2 Μια ακόμη σημαντική εφαρμογή των AHAs αφορά στην οργανική σύνθεση. Τα μόρια αυτά αποτελούν δομικούς λίθους για την παραγωγή προϊόντων με τεχνολογικό ενδιαφέρον, όπως οι αλδεΰδες κ.α. Μερικά από τα α- υδροξυκαρβοξυλικά οξέα που συμμετέχουν ως πρόδρομες ενώσεις σε βιομηχανική κλίμακα, είναι το γλυκολικό, το γαλακτικό, το κιτρικό και το μαντελικό οξύ. Τέλος, ένας πολύ σημαντικός ρόλος των AHAs είναι η λειτουργία τους ως χηλικοποιητές. Τα α- υδροξυκαρβοξυλικά οξέα διαθέτουν δύο ομάδες-δότες: το αλκοολικό υδροξύλιο και το καρβοξύλιο, δρώντας ως διδοντικοί υποκαταστάτες. Το γεγονός αυτό τους δίνει την ικανότητα να συναρμόζονται με ποικίλους τρόπους με μεταλλοϊόντα, δημιουργώντας σταθερές ενώσεις συναρμογής. 1 Έτσι, επιτυγχάνεται τόσο η σύνθεση διαλυτών ενώσεων των μετάλλων με εύκολη πρόσβαση στους ιστούς και τα βιολογικά υγρά, άλλοτε με θετικές και άλλοτε με αρνητικές 54

87 επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία, όσο και η σύνθεση καινοτόμων μορίων με ξεχωριστές φυσικοχημικές ή βιολογικές ιδιότητες με τεχνολογικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον ΓΛΥΚΟΛΙΚΟ ΟΞΥ (Glycolic acid) Το γλυκολικό οξύ ή υδροξυαιθανοϊκό κατά IUPAC (ή υδροξυοξικό), ανήκει στην κατηγορία των α-υδροξυκαρβοξυλικών οξέων (AHAs). 2 Αποτελεί το απλούστερο μέλος της κατηγορίας αυτής με μοριακό τύπο C 2 H 4 O 3 και διαμόρφωση στο επίπεδο όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.3. Εικόνα 5.3 Χημική δομή του γλυκολικού οξέος Το γλυκολικό οξύ είναι κρυσταλλικό στερεό, υγροσκοπικό, άοσμο, άχρωμο με υψηλή διαλυτότητα στο νερό και ποικίλη χημική δραστικότητα. 3 Εμφανίζει υψηλή βιοδιαθεσιμότητα και λόγω αυτής, του χαμηλού μοριακού του βάρους, της υδροφιλικότητάς του, κ.ά., έχει την ικανότητα να διεισδύει εύκολα στα διάφορα στρώματα του δέρματος και να αλληλεπιδρά με τα κύτταρα. Είναι ιδιαίτερα γνωστό για τη χρήση του σε διάφορα προϊόντα περιποίησης προσώπου. 2 Στον Πίνακα 5.1 παρουσιάζονται οι φυσικές ιδιότητες του γλυκολικού οξέος. 55

88 Χημική ονομασία 2-Υδροξυαιθανοϊκό οξύ, Γλυκολικό οξύ Μοριακός Τύπος C 2 H 4 O 3 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση g/mol Λευκό κρυσταλλικό στερεό Πυκνότητα 1.49 g/cm 3 Διαλυτότητα στο νερό 70 % Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες Σημείο τήξης Σημείο βρασμού Αλκοόλες, οξικό οξύ, ακετόνη 75 º C Αποσυντίθεται pk α 3.83 Πίνακας 5.1 Φυσικές ιδιότητες του γλυκολικού οξέος Το όνομά του το πήρε από το Γάλλο χημικό Auguste Laurent το 1848, ο οποίος υπέθεσε ότι το απλούστερο αμινοξύ η γλυκίνη, θα πρέπει λογικά να αποτελεί την αμίνη ενός υποθετικού οξέος, του οποίου το όνομα θα έπρεπε να είναι αντιστοίχως γλυκολικό οξύ. Όταν μετά από μερικά χρόνια (το 1851) συντέθηκε για πρώτη φορά το γλυκολικό οξύ από τους Strecker και Sokov, αυτοί διατήρησαν το όνομα που είχε πρώτος δώσει ο Laurent στο οξύ αυτό. Το γλυκολικό οξύ μπορεί να συντεθεί με διάφορες μεθόδους, με επικρατέστερη για λόγους οικονομικούς αυτήν της καταλυτικής αντίδρασης της φορμαλδεΰδης με συνθετικό αέριο (καρβονυλίωση της φορμαλδεΰδης). Μια ακόμη μέθοδος παραγωγής γλυκολικού οξέος βασίζεται στην αντίδραση του χλωροξικού οξέος με υδροξείδιο του νατρίου. Εκατομμύρια κιλά του οξέος αυτού παράγονται με τη μέθοδο αυτή. Άλλες μέθοδοι παραγωγής γλυκολικού οξέος σε μικρότερη κλίμακα είναι η υδρογόνωση του οξαλικού οξέος. κ.ά. Εκτός, όμως, των χημικών διεργασιών παραγωγής, το γλυκολικό οξύ παράγεται και μέσω ενζυματικής βιοχημικής μεθόδου, παράγοντας προϊόν με λιγότερες προσμίξεις, με μικρότερο ενεργειακά κόστος και άλλα πλεονεκτήματα. Στο σημείο αυτό, πρέπει να αναφερθεί ότι το γλυκολικό οξύ λαμβάνεται και 56

89 από φυσικές πηγές: ζαχαρότευτλα και διάφορα φρούτα, όπως ανανάς, σταφύλια, κ.ά. Στα φυτά αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν του κύκλου φωτοαναπνοής του άνθρακα. Αποτελεί, όπως είναι φανερό, συστατικό φυσικών προϊόντων, παρόν στην καθημερινή διατροφή του ανθρώπου. Όσον αφορά στις εφαρμογές που βρίσκει το γλυκολικό οξύ, χρησιμοποιείται : Στις βιομηχανίες τροφίμων ως συντηρητικό και βελτιωτικό αρώματος και γεύσηςflavoring agent. Στις βιομηχανίες κλωστοϋφαντουργίας ως βαφή και μέσο μαυρίσματος. Σε βιομηχανίες παραγωγής μελανιών και χρωμάτων για τη βελτίωση της ροής και άλλων ιδιοτήτων των προϊόντων. Σε βιομηχανίες επεξεργασίας επιφανειών ως βελτιωτικό. Σε διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες ως ενδιάμεσο μόριο στην οργανική σύνθεση, σε αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής, εστεροποίησης και πολυμερισμού. Συγκεκριμένα, αποτελεί το μονομερές κατά τη σύνθεση πολυγλυκολικού οξέος, και βιοσυμβατών πολυμερών (PLGA). Η σημαντικότερη, όμως, εφαρμογή του γλυκολικού οξέος είναι στη βιομηχανία παραγωγής προϊόντων περιποίησης προσώπου, αλλά και δερματολογικών σκευασμάτων. Λόγω της εξαιρετικής του ικανότητας να διεισδύει στο δέρμα, το γλυκολικό οξύ χρησιμοποιείται σε προϊόντα απολέπισης και βελτίωσης του δέρματος. Μείωση και λείανση των ρυτίδων, βελτίωση σημαδιών προερχομένων από ακμή, αντιμετώπιση της υπερχρωμίας, των δυσχρωμιών και άλλων δερματολογικών προβλημάτων (διαφόρων τύπων κεράτωσης), είναι ορισμένες από τις ιδιαίτερα πολύτιμες παρεμβάσεις του γλυκολικού οξέος στο χώρο της αισθητικής-δερματολογίας. Σε γενικές γραμμές, το γλυκολικό οξύ διεισδύει στο δέρμα, αντιδρώντας με τα ανώτερα στρώματα της επιδερμίδας, προκαλώντας χαλάρωση των δεσμών μεταξύ των λιπιδίων και των νεκρών κυττάρων, απομάκρυνση αυτών (απολέπιση) και έκθεση των νέων ζωντανών κυττάρων στην επιφάνεια του δέρματος. Ακολουθούν κάποια από τα προϊόντα περιποίησης προσώπου, τα οποία περιέχουν ως βασικό συστατικό το γλυκολικό οξύ (Εικόνα 5.4). 57

90 Εικόνα 5.4 Εμπορικά προιόντα περιποίησης και επανόρθωσης δέρματος με γλυκολικό οξύ ΒΕΝΖΙΛΙΚΟ ΟΞΥ (Βenzilic acid) Το βενζιλικό οξύ ή υδροξυ διφαινυλοξικό κατά IUPAC, είναι ένα αρωματικό α-υδροξυοξύ, κρυσταλλικό, λευκό, με χαρακτηριστική οσμή και πικρή γεύση. Ο μοριακός του τύπος είναι C 14 H 12 O 3 και η διαμόρφωσή του στο επίπεδο και στο χώρο φαίνεται στην Εικόνα 5.5. Α Β Εικόνα 5.5 Α Συντακτική και Β. Στερεοχημική διαμόρφωση του βενζιλικού οξέος Το βενζιλικό oξύ παράγεται μέσω της ταυτόχρονης θέρμανσης διφαινυλοαιθανοδιόνης (benzil), αλκοόλης και KOH (Σχήμα 5.1). Ακόμη, μπορεί να συντεθεί μέσω της βενζαλδεΰδης. Η βενζαλδεΰδη διμερίζεται σε διφαινυλοαιθανοδιόνη, η οποία έπειτα δίνει, μέσω αναδιαμόρφωσης, βενζιλικό οξύ. Με τη μέθοδο αυτή, ο Liebig το 1838 συνέθεσε το οξύ για πρώτη φορά. 58

91 Σχήμα 5.1 Σύνθεση βενζιλικού οξέος Στην συνέχεια, παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.2 οι φυσικές ιδιότητες του βενζιλικού οξέος. Χημική ονομασία Υδροξυ-διφαινυλοξικό οξύ (IUPAC), α-υδροξυ διφαινυλογλυκολικό οξύ, κ.ά. Μοριακός Τύπος C 14 H 12 O 3 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση g/mol Λευκό στερεό Πυκνότητα 1.08 g/cm 3 Διαλυτότητα στο νερό 2 g/l (20 º C) Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες Σημείο τήξης Σημείο βρασμού Αιθανόλη, αιθυλαιθέρας, ελαφρώς διαλυτό σε ακετόνη º C 180 º C pk α 3.08 (18 º C) Πίνακας 5.2 Φυσικές ιδιότητες του βενζιλικού οξέος Το βενζιλικό οξύ και τα μεθυλο-παράγωγά του βρίσκουν σημαντικές εφαρμογές στην παραγωγή γλυκολικών φαρμακευτικών σκευασμάτων και παραισθησιογόνων φαρμάκων. 1 Ένας ακόμη πολύ σημαντικός ρόλος του βενζιλικού οξέος είναι η λειτουργία του ως πολυδοντικού χηλικοποιητή, με δυνατότητα συναρμογής με μεταλλοάτομα τόσο μέσω των οξυγόνων του καρβοξυλίου όσο και της αλκοολικής ομάδας. Η σύνθεση νέων ενώσεων συναρμογής του 59

92 βενζυλικού οξέος με μεταλλοϊόντα, με προηγμένες ιδιότητες (π.χ. φωταύγεια), αποτελούν αντικείμενο έρευνας και προσελκύουν τα τελευταία χρόνια έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον ΚΙΝΙΚΟ ΟΞΥ (Quinic acid) Το κινικό οξύ είναι μια κυκλική πολυαλκοόλη. Ως κυκλοαλκοόλες θεωρούνται τα κυκλοαλκάνια με τουλάχιστον τρεις υδροξυλομάδες σε διαφορετικές θέσεις του δακτυλίου. 4 Οι ενώσεις αυτές έχουν ως χαρακτηριστικό τη χρήση τους, ως πρόδρομες ενώσεις, στη βιοσύνθεση αρωματικών ενώσεων. Η χημική ονομασία κατά IUPAC του κινικού οξέος είναι 1,3,4,5- τετραυδροξυεξανοκαρβοξυλικό οξύ. Όπως φαίνεται και από τη δομή του, το κινικό οξύ περιέχει δύο λειτουργικές ομάδες, του αλκοολικού υδροξυλίου και του καρβοξυλίου, οι οποίες είναι οπτικά ενεργές, γεγονός που το καθιστά σημαντικότατη ένωση στη σύνθεση άλλων ενώσεων (εστέρων, αλάτων, κ.ά.). 4 Η διαμόρφωσή του στο επίπεδο και στο χώρο φαίνεται στην Εικόνα 5.6. Εικόνα 5.6 Το κινικό οξύ (quinic acid) Το κινικό οξύ απαντάται στους σπόρους του καφέ, στο φλοιό του θεραπευτικού φυτού κιγχόνη (cinchona) και σε άλλα φυτά (Εικόνα 5.7), όπως το φυτό τάρα (Caesalpinia spinosa), το οποίο καλλιεργείται αποκλειστικά για τη λήψη των τανινών που περιέχει, και στο φλοιό του ευκαλύπτου. Απαντάται ακόμη στα μήλα, τα ροδάκινα, τα αχλάδια, τα δαμάσκηνα και σε κάποια λαχανικά, όπως το καρότο. 5 Ακόμη, παρασκευάζεται και συνθετικά μέσω της υδρόλυσης του χλωρογενικού οξέος (εστέρας του καφεϊκού και κινικού οξέος: σημαντική πρόδρομη ένωση από βιοχημικής πλευράς, με αντιοξειδωτική δράση). Για πρώτη φορά, το

93 το κινικό οξύ απομονώθηκε από το Γάλλο φαρμακοποιό Vauqueli. Ακολούθησε το 1863 εκτεταμένη έρευνα αποτελούμενη από μια σειρά χημικών αντιδράσεων, με σκοπό τη σύνθεση προϊόντων προερχόμενων από το κινικό οξύ από το Γερμανό Χημικό Lautemann. Εικόνα 5.7 Πηγές φυσικής προέλευσης του κινικού οξέος 61

94 Το κινικό οξύ αποτελεί μια λευκή κρυσταλλική ένωση διαλυτή στο νερό και σε διάφορες αλκοόλες, ενώ είναι αδιάλυτη στον αιθέρα. Στον πίνακα που ακολουθεί παρατίθενται κάποιες από τις βασικότερες ιδιότητες του κινικού οξέος (Πίνακας 5.3). Χημική ονομασία 1,3,4,5-τετραυδροξυκυκλοεξανοκαρβοξυλικό οξύ Μοριακός Τύπος C 17 H 12 O 6 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση g/mol Λευκό στερεό Πυκνότητα 1.35 g/cm 3 Διαλυτότητα στο νερό 400g/l (20 º C) Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες Σημείο τήξης Διαλυτό σε αλκοόλες, glacial οξικό οξύ, αδιάλυτο στον αιθέρα 168 º C pk α 3.46 Πίνακας 5.3 Φυσικές Ιδιότητες του κινικού οξέος Το κινικό οξύ αποτελεί μια ιδιαίτερα χρήσιμη εμπορικά ένωση, η οποία βρίσκει σημαντική εφαρμογή στη σύνθεση πολλών φαρμακευτικών σκευασμάτων. Γνωστό σκεύασμα για την αντιμετώπιση της γρίπης τύπου A και B, με βάση το κινικό οξύ, είναι το φάρμακο Tamiflu (Εικόνα 5.8). Εικόνα 5.8 Το φαρμακευτικό αντιγριπικό σκεύασμα Tamiflu 62

95 Το κινικό οξύ αποτελεί φυσικό μεταβολίτη. Συνδέεται στενά με το σουκιμικό οξύ, πρόδρομη ένωση στη βιοσύνθεση αρωματικών αμινοξέων. 4 Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, απαντάται σε πολλά φυτά με την ιονική του μορφή. Θεωρείται ότι στα βιολογικά συστήματα λειτουργεί ως μεταφορέας του ασβεστίου Ca(ΙΙ). Λόγω της ικανότητάς του να σχηματίζει ενώσεις συναρμογής, απαντάται ως μεταφορέας απαραίτητων μετάλλων Co(II), Ni(II), Zn(II), και Cd(II), σχηματίζοντας ενώσεις οι οποίες εμπλέκονται σε διάφορες βιοχημικές λειτουργίες, όπως η επιτάχυνση της μεταφοράς ηλεκτρονίων, η παρεμπόδιση της σύνθεσης του ATP, κ.ά. Ακόμη, το κινικό οξύ συμμετέχει στη λειτουργία της φωτοφοσφορυλίωσης. 6 Η συναρμογή του με μεταλλικά κέντρα οδηγεί σε ενώσεις με τροποποιημένες ιδιότητες, σε σχέση με τα άλατα των μετάλλων που συναρμόζονται, αλλά και του ίδιου του κινικού οξέος όταν απαντάται σε ελεύθερη μορφή. Ως πολυλειτουργικό μόριο με πολλές λειτουργικές ομάδες έχει την ικανότητα να συναρμόζεται με τα μεταλλοϊόντα, με διαφορετικούς τρόπους, οδηγώντας στη σύνθεση οπτικά ενεργών μορίων, όπου το μέταλλο δρα ως χειρόμορφο κέντρο α-υδροξυ-ισοβουτυρικο ΟΞΥ (ΗΙΒΑ) Κατά τη μελέτη της διερεύνησης της αλληλεπίδρασης του τιτανίου και του καδμίου με βιογενή μόρια-υποκαταστάτες χρησιμοποιήθηκε ένα γνωστό α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ: το 2-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ ή α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ). Kατά IUPAC, ονομάζεται 2-υδροξυ 2-μεθυλο προπανοϊκό οξύ. Άλλες ονομασίες του ΗΙΒΑ είναι: α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ, 2- μεθυλο γαλακτικό οξύ, ακετονικό οξύ, κ.ά. Ανήκει στην οικογένεια των α-υδροξυοξέων (ΑΗΑs). Επίσης, χαρακτηρίζεται ως βιογενές μόριο. Απαντάται στα ούρα του ανθρώπου, στο αίμα και στο σάλιο ως φυσικός μεταβολίτης. 7 Παράγεται, ακόμη, ως μεταβολίτης του MTBE, κατά την περιβαλλοντική έκθεση του ανθρώπου σε αυτό. Ο μοριακός του τύπος είναι C 4 H 8 O 3. Στην Εικόνα 5.9 παρουσιάζεται η συντακτική διαμόρφωση του μορίου. Εικόνα 5.9 Συντακτικός τύπος α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) 63

96 Οι φυσικές ιδιότητες του 2-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα (Πίνακας 5.4). Χημική ονομασία 2-υδροξυ 2-μεθυλοπροπανοϊκό ή προπιονικό, 2-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ, 2- μεθυλογαλακτικό οξύ, ακετονικό οξύ Μοριακός Τύπος C 4 H 8 O 3 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση Διαλυτότητα στο νερό Σημείο τήξης Σημείο ζέσεως g/mol Λευκό με μορφή βελονών κρυσταλλικό στερεό υγροσκοπικό Υψηλή διαλυτότητα 378 mg/ml º C 84 º C pk α 3.95 Πίνακας 5.4 Οι φυσικές ιδιότητες του 2-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος Το 2-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης κατά το διαχωρισμό και ανίχνευση ιόντων μετάλλων με κυκλική βολταμετρία. Γενικά, δεν είναι κάποια ένωση που χρησιμοποιείται ευρέως από τη χημική βιομηχανία. Παρόλα αυτά, χρησιμοποιείται ως ενδιάμεσο προϊόν κατά την παραγωγή φαρμακευτικών σκευασμάτων, αλλά και κατά τη σύνθεση συμπλόκων λανθανιδών και ακτινιδών. Τα τελευταία χρόνια, το 2-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας με σκοπό τη χρήση του ως δομικός λίθος, λόγω του ανθρακικού σκελετού του, με σκοπό τη σύνθεση πολυμερών μέσω ανανεώσιμων πηγών άνθρακα. 8 Δεδομένου του γεγονότος ότι το ΗΙΒΑ μπορεί πλέον να συντεθεί βιοτεχνολογικά με τη χρήση κατάλληλων ενζύμων από το φυσικό μεταβολίτη 3-64

97 υδροξυβουτυρικό οξύ, κ.ά. (Σχήμα 5.2), αποτελεί σημαντική ανανεώσιμη πηγή άνθρακα για την παραγωγή νέων σύνθετων μορίων με τεχνολογικό ενδιαφέρον (Εικόνα 5.10). Σχήμα 5.2 Προτεινόμενοι βιοτεχνολογικοί μηχανισμοί βιοσύνθεσης του ΗΙΒΑ 8 Εικόνα 5.10 Διάφορα προϊόντα παραγόμενα από ΗΙΒΑ μέσω χημικών διεργασιών 8 65

98 Η επιλογή του στην παρούσα διδακτορική διατριβή, βασίζεται στο γεγονός ότι το συγκεκριμένο βιομόριο αφενός αποτελεί φυσιολογικό υπόστρωμα, αφετέρου οι δύο λειτουργικές του ομάδες αυτή του αλκοολικού υδροξυλίου και του καρβοξυλίου, αλλά και ο ιδιαίτερα ενδιαφέρον ανθρακικός σκελετός του και η ιδιαίτερα απλή του δομή του, το καθιστούν πολύ σημαντικό μόριο-μοντέλο για τη σύνθεση ενώσεων συναρμογής με τα υπό εξέταση μέταλλα. Επιπλέον, αποτελεί αντιπροσωπευτικό μέλος της σειράς των α-υδροξυοξέων και κατ επέκταση βιομορίων μεγαλύτερου μοριακού βάρους, όπως οι υδατάνθρακες, τα σάκχαρα κ.ά. 5.2 ΔΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ Η δεύτερη μεγάλη κατηγορία οργανικών υποκαταστατών, της οποίας μελετήθηκε η χημική αλληλεπίδραση με τα υπό εξέταση μέταλλα καδμίου και τιτανίου, είναι τα δικαρβοξυλικά οξέα. Τα δικαρβοξυλικά οξέα έχουν γενικό τύπο HO 2 C-R-CO 2 H, όπου R: αλειφατική ή αρωματική αλυσίδα, και περιέχουν στο μόριό τους δύο λειτουργικές ομάδες καρβοξυλίου. Από χημικής άποψης, τα δικαρβοξυλικά οξέα εμφανίζουν πολλές ομοιότητες γενικά με τα καρβοξυλικά οξέα, με παρόμοιες μεθόδους παρασκευής. Γενικά, είναι ισχυρότερα οξέα από τα μονοκαρβοξυλικά οξέα, αλλά σχηματίζουν δύο ειδών αλάτων (όξινα και ουδέτερα). Τα σημεία τήξεως και οι διαλυτότητές τους στο νερό παρουσιάζουν εναλλασσόμενη αυξομείωση. Τα δικαρβοξυλικά οξέα άρτιου πλήθους ατόμων C έχουν υψηλότερο σημείο τήξεως, αλλά μικρότερη διαλυτότητα σε σχέση με τα αμέσως επόμενα περιττού αριθμού ατόμων C. 9 Γενικά, τα δικαρβοξυλικά οξέα είναι κρυσταλλικά στερεά διαλυτά στο νερό. Θεωρούνται ασθενή οξέα, με pk a που κυμαίνονται μεταξύ Τα περισσότερα δικαρβοξυλικά οξέα απαντώνται ως συστατικά φυτικών οργανισμών, όπως για παράδειγμα το οξαλικό οξύ που απαντάται σε διάφορα φύκη και λειχήνες. Επίσης, εμπλέκονται σε διάφορους βιοχημικούς κύκλους, όπως στον κύκλος του Krebs (κιτρικό, μαλονικό, σουκινικό οξύ) (Εικόνα 5.11) και γενικότερα σε ζωτικής σημασίας βιοχημικές διεργασίες των έμβιων οργανισμών (π..χ. το γλουταρικό οξύ παράγεται στον οργανισμό κατά το μεταβολισμό απαραίτητων αμινοξέων, όπως η λυσίνη και η τρυπτοφάνη)

99 Εικόνα 5.11 Ο κύκλος του Krebs Μια πολύ γνωστή εφαρμογή των δικαρβοξυλικών οξέων είναι η χρήση τους στην παραγωγή συμπολυμερών, όπως τα πολυαμίδια και οι πολυεστέρες. Το αδιπικό οξύ είναι ένα ιδιαίτερα σημαντικό δικαρβοξυλικό οξύ, λόγω της χρήσης του ως πρώτη ύλης για την παραγωγή nylon. Επίσης, από βιολογικής άποψης δύο αρωματικά δικαρβοξυλικά οξέα, το ασπαρτικό οξύ και το γλουταμικό οξύ, ανήκουν στην κατηγορία των αμινοξέων απαραίτητων για τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών (Εικόνα 5.12). Επιπλέον, πολλά από τα δικαρβοξυλικά οξέα χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες τροφίμων ως συντηρητικά ή παράγοντες αρώματος και γεύσης (flavour factors). 11 Α Β Γ Εικόνα 5.12 Δικαρβοξυλικά οξέα: Α. αδιπικό, Β. ασπαρτικό, Γ. γλουταμικό οξύ με τεχνολογικό και βιολογικό ρόλο 67

100 Στην κατηγορία των δικαρβοξυλικών οξέων ανήκουν τα αλειφατικά δικαρβοξυλικά οξέα (οξαλικό, γλουταρικό, πιμελικό, κ.ά.), τα ακόρεστα δικαρβοξυλικά οξέα (μαλεϊκό, φουμαρικό οξύ, κ.ά.), τα υποκατεστημένα δικαρβοξυλικά οξέα (μαλικό, ταρταρικό, ασπαρτικό οξύ, κ.ά.) και τα αρωματικά δικαρβοξυλικά οξέα (φθαλικό, ισοφθαλικό, διφαινικό οξύ, κ.ά.). Γενικά, τα δικαρβοξυλικά οξέα είναι κρυσταλλικά στερεά διαλυτά στο νερό. Είναι ασθενή οξέα με pka που κυμαίνονται μεταξύ Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν και μελετήθηκαν κυρίως γραμμικά αλειφατικά δικαρβοξυλικά οξέα μεγάλης ανθρακικής αλυσίδας. Τα αλειφατικά δικαρβοξυλικά οξέα έχουν γενικό τύπο HO 2 C-(CH 2 ) n -CO 2 H. 10 Οι οργανικές αυτές ενώσεις ονομάζονται και α,ω-δικαρβοξυλικά οξέα, πολλά εκ των οποίων απαντώνται στη φύση ως φυσικά υποστρώματα. Ορισμένα οξέα της κατηγορίας των αλειφατικών δικαρβοξυλικών οξέων με αυξανόμενο αριθμό ανθράκων στην ανθρακική αλυσίδα από C 2 -C 10 είναι το οξαλικό, το μαλονικό, το σουκινικό, το γλουταρικό, το αδιπικό, το πιμελικό, το σουμπερικό ή φελικό οξύ, το αζελαϊκό και το σεβακικό οξύ. Τα δικαρβοξυλικά οξέα αλειφατικής αλυσίδας, τα τελευταία χρόνια βρίσκουν σημαντική εφαρμογή στη σύνθεση πολυμερικών ενώσεων συναρμογής με μεταλλοϊόντα, με εμπορικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον (MOFs) (Εικόνα 5.13). Σημαντικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τομείς όπως η κατάλυση, η μοριακή ιοντοανταλλαγή, η σύνθεση νέων υλικών με σημαντικές μαγνητικές ιδιότητες, φωταύγεια, ηλεκτρική αγωγιμότητα, κ.ά. Τα αλειφατικά δικαρβοξυλικά οξέα σχηματίζουν σύμπλοκες ενώσεις με εξέχουσες αρχιτεκτονικές, με δυνατότητα επιλογής τόσο του μήκους της επιθυμητής αλυσίδας του δικαρβοξυλικού οξέος, όσο και χρήση μορίων Ν-δοτών για το σχηματισμών δομών με 1D, 2D, και 3D διαμόρφωση στον χώρο. 11 Εικόνα 5.13 MOFs 68

101 5.2.1 ΠΙΜΕΛΙΚΟ ΟΞΥ (Pimelic acid) Το πιμελικό οξύ είναι οργανική ένωση με μορφή λευκού στερεού (Εικόνα 5.14), με γενικό τύπο HO 2 C(CH 2 ) 5 CO 2 H και μοριακό τύπο C 7 H 12 Ο 4. Εικόνα 5.15 Η εμπορική μορφή του πιμελικού οξέος Ανήκει στην κατηγορία των δικαρβοξυλικών αλειφατικών καρβοξυλικών οξέων ευθείας αλυσίδας. Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται η διαμόρφωση του πιμελικού οξέος στο επίπεδο και στο χώρο (Εικόνα 5.15). Εικόνα 5.15 Το πιμελικό οξύ Το πιμελικό οξύ χρησιμοποιήθηκε ως οργανικός υποκαταστάτης κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής στο πλαίσιο της α) διερεύνησης της χημικής δραστικότητας του καδμίου με μόρια της ομάδας των δικαρβοξυλικών οξέων, και β) σύνθεσης νέων πολυμερικών δομών (MOFs) με τεχνολογικό ενδιαφέρον. 12 Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο ως φυσιολογικό υπόστρωμα, καθώς παράγωγά του εμπλέκονται στη βιοσύνθεση του αμινοξέος της λυσίνης. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζεται βασικές φυσικές ιδιότητες του πιμελικού οξέος (Πίνακας 5.6). 69

102 Χημική ονομασία Επτανοδιοϊκό οξύ (πιμελικό οξύ) Μοριακός Τύπος Μοριακό Βάρος Εμφάνιση C 7 H 12 Ο g/mol Λευκό στερεό Πυκνότητα 1.28 g/cm 3 Διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες Σημείο τήξης Σημείο Ζέσεως 0.1 g/ml στην αιθανόλη º C Αποσυντίθεται pk α 4.71, 5.58 Πίνακας 5.6 Οι φυσικές ιδιότητες του πιμελικού οξέος 70

103 5.2.2 ΣΟΥΜΠΕΡΙΚΟ ΟΞΥ (Suberic acid) Ένα ακόμη δικαρβοξυλικό οξύ ευθείας αλυσίδας του οποίου η χημική αλληλεπίδραση με το μέταλλο του καδμίου διερευνάται στην παρούσα μελέτη είναι το σουμπερικό οξύ (suberic acid). Το σουμπερικό οξύ (Εικόνα 5.16) με μοριακό τύπο C 8 H 14 O 4 εμφανίζει τις κοινές ιδιότητες των δικαρβοξυλικών οξέων. Από άποψης φυσικής κατάστασης πρόκειται για άχρωμο κρυσταλλικό υλικό. Το σουμπερικό οξύ οφείλει την ονομασία του στην λατινική λέξη suber που σημαίνει φελός. Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην σύνθεση φαρμάκων και στην βιομηχανία πλαστικών. 13 Εικόνα 5.16 Το σουμπερικό οξύ Κάποιες από τις φυσικές ιδιότητες του σουμπερικού οξέος παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.7. Ιδιότητες Μοριακός Τύπος C 8 H 14 O 4 Μοριακή μάζα g mol 1 Πυκνότητα g/cm 3 Σημείο ζέσεως Σημείο βρασμού Διαλυτότητα στο νερό º C 230 º C 2.46 g/l (pk a ) 4.526, Πίνακας 5.7 Οι φυσικές ιδιότητες του σουμπερικού οξέος 71

104 5.2.3 ΣΕΒΑΚΙΚΟ ΟΞΥ (Sebasic acid) Ένα ακόμη οργανικός υποκαταστάτης, ο οποίος μελετήθηκε στo πλαίσιo της ερευνητικής αυτής μελέτης, σε σχέση με τα υπό εξέταση μέταλλα του τιτανίου και καδμίου, είναι το σεβακικό οξύ. Το σεβακικό οξύ ανήκει στην κατηγορία των δικαρβοξυλικών αλειφατικών οξέων ευθείας αλυσίδας με γενικό τύπο: HO 2 C(CH 2 ) 8 CO 2 H και μοριακό τύπο C 10 H 18 Ο 4. Η διαμόρφωση του μορίου στο επίπεδο και στο χώρο παρουσιάζεται παρακάτω (Εικόνα 5.17Α) και οι φυσικές ιδιότητές του συνοψίζονται στον Πίνακα 5.8. Το σεβακικό οξύ είναι λευκό στερεό (κρυσταλλική σκόνη ή με μορφή νιφάδων) φυσικής προέλευσης (Εικόνα 5.17Β). Αποτελεί παράγωγο του καστορελαίου, του οποίου κύρια χώρα παραγωγής είναι η Κίνα καταλαμβάνοντας το 90% του διεθνές εμπορίου. Α Β Εικόνα 5.17 Α. Το σεβακικό οξύ, Β. Εμπορική μορφή του σεβακικού οξέος Το όνομα σεβακικό οξύ προέρχεται από τη λατινική λέξη sebaceous, η οποία αναφέρεται στη χρήση του στην παραγωγή κεριών από ζωικό λίπος (sebum στα λατινικά). Η παραγωγή σεβακικού οξέος από καστορέλαιο πραγματοποιείται με την προσθήκη καυστικού νατρίου, θειικού οξέος και καταλυτών, όπως οξείδιο του ψευδαργύρου και φαινόλη. Το σεβακικό οξύ 72

105 έχει πολλές και σημαντικές εφαρμογές σε βιομηχανική κλίμακα. Χρησιμοποιείται, όπως και άλλα δικαρβοξυλικά οξέα, ως μονομερές για την παραγωγή πλαστικών, όπως το nylon 66. Αποτελεί βασική πρώτη ύλη στην παραγωγή κεριών, λιπαντικών, καλλυντικών, υδραυλικών υγρών, κ.ά. Επιπλέον, αποτελεί πρόδρομη ένωση στη σύνθεση αρωματικών ουσιών, βαφών και αντισηπτικών. Ως δικαρβοξυλικό αλειφατικό οξύ διαθέτει δύο λειτουργικές ομάδες: αυτές του καρβοξυλίου, οι οποίες δρουν ως Ο-δότες, σχηματίζοντας συνήθως πολυμερικές ενώσεις συναρμογής με μεταλλικά κέντρα, με ιδιαίτερες αρχιτεκτονικές και προηγμένες ιδιότητες (MOFs). 14 Χημική ονομασία Δεκανοδιοϊκό οξύ (σεβακικό οξύ) Μοριακός Τύπος Μοριακό Βάρος Εμφάνιση C 10 H 18 Ο g/mol Λευκό στερεό σε νιφάδες ή κρυσταλλικό λευκό στερεό Πυκνότητα g/cm 3 Διαλυτότητα στο νερό Σημείο τήξης Σημείο Ζέσεως 0.25 g/l C º C pk α 4.72, 5.45 Πίνακας 5.8 Οι φυσικές ιδιότητες του σεβακικού οξέος ΟΞΑΛΙΚΟ ΟΞΥ (Oxalic acid) Το οξαλικό οξύ αποτελεί οργανική ένωση με μοριακό τύπο C 2 H 2 O 4. Απαντάται με μορφή λευκού κρυσταλλικού στερεού (Εικόνα 5.18). Είναι ένα ισχυρό οξύ ισχυρότερο του αιθανικού οξέος, το οποίο εμφανίζεται κυρίως ως ένυδρο. Το οξαλικό οξύ είναι αναγωγικός παράγοντας και η αντίστοιχη βάση του C 2 O 2-4 δρά ως χηλικοποιητικό μόριο για πολλά μεταλλοκατιόντα. 73

106 Εικόνα 5.18 Η εμπορική μορφή του οξαλικού οξέος Ανήκει στην κατηγορία των δικαρβοξυλικών αλειφατικών καρβοξυλικών οξέων ευθείας αλυσίδας, αποτελώντας το απλούστερο μέλος της ομόλογης σειράς των δικαρβοξυλικών οξέων. Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται η διαμόρφωση του οξαλικού οξέος στο επίπεδο (Εικόνα 5.19). Εικόνα 5.19 Το μόριο του οξαλικού οξέος στο επίπεδο Αποτελεί φυσικό προϊόν καθώς απαντάται σε διάφορα προϊόντα φυσικής προέλευσης όπως στο λίπος του κοτόπουλου σε μεγάλη συγκέντρωση, στην τσουκνίδα, στον μαϊντανό, στο σπανάκι, στα σέσκουλα, στο τεϊόδεντρο, στα μούρα, στο κακάο στη σοκολάτα και σε διάφορους ξηρούς καρπούς. 15 Το οξαλικό οξύ αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν στον κύκλο του Crebs. Ακόμη, μπορεί να συντεθεί από την αφυδρογόνωση του γλυκολικού οξέος κατά τον μεταβολισμό της αιθύλενο γλυκόλης. Στον πίνακα 5.9 που ακολουθεί συνοψίζονται οι φυσικές ιδιότητες του οξαλικού οξέος. 74

107 Χημική ονομασία Αιθανοδιικό οξύ (οξαλικό οξύ) Μοριακός Τύπος Μοριακό Βάρος Εμφάνιση Πυκνότητα Διαλυτότητα στο νερό Σημείο τήξης C 2 H 2 O 4 90,03g/mol (άνυδρο), g/mol (ένυδρο) Λευκό κρυσταλλικό στερεό 1.90 g/cm 3, g/cm 3 (ένυδρο) g/l º C (άνυδρο), º C (ένυδρο) pk α 1.25, 4.14 Πίνακας 5.9 Οι φυσικές ιδιότητες του οξαλικού οξέος 5.3 Ν-ΔΟΤΕΣ Κατά τη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των μεταλλοϊόντων καδμίου και τιτανίου με οργανικά μόρια, τα οποία αποτελούν φυσικά υποστρώματα κατά κύριο λόγο, χρησιμοποιήθηκαν και διερευνήθηκε εξίσου η συμβολή ενώσεων οι οποίες χαρακτηρίζονται ως Ν-δότες. Η επιλογή τους αποσκοπούσε αφενός μεν στην εκτίμηση της χημικής και κατ επέκταση βιολογικής αλληλεπίδρασης των υπό μελέτη μετάλλων με υποστρώματα, τα οποία περιέχουν ως λειτουργική ομάδα -ΝΗ 2, -ΝΗ, κ.τ.λ. προσομοιώνοντας επιτυχώς την επίδραση περισσότερων σύνθετων βιομορίων (αμινοξέων, πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξέων, κ.ά.), αφετέρου δε στη σύνθεση νέων δομών με βιομηχανικό ενδιαφέρον π.χ. σύνθεση φαρμακευτικών ενώσεων. Οι Ν- υποκαταστάτες που μελετήθηκαν παρουσιάζονται στη συνέχεια ,2-ΔΙΠΥΡΙΔΙΝΗ (2,2 -Bipyridine) Η 2,2 -διπυριδίνη είναι ένα άχρωμο στερεό με μοριακό τύπο C 10 H 8 N 2. Ανήκει στην οικογένεια των διπυριδινών. Aποτελεί έναν πολύ καλό διδοντικό χηλικοποιητή για πολλά μεταβατικά μεταλλοϊόντα. Τα σύμπλοκά της με ρουθήνιο και λευκόχρυσο εμφανίζουν πολλές εφαρμογές 75

108 λόγω της φωταύγειας που αναπτύσσουν. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται η διαμόρφωση της 2,2 -διπυριδίνης στο επίπεδο και στο χώρο (Εικόνα 5.20). Εικόνα 5.20 Το μόριο της 2,2 -διπυριδίνης Στον Πίνακα 5.10 παρουσιάζονται φυσικές ιδιότητες της 2,2 -διπυριδίνης. Χημική ονομασία 2,2 -Διπυριδίνη (bipyridyl, dipyridyl, bipy) Μοριακός Τύπος C 10 H 8 Ν 2 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση Σημείο τήξης Σημείο ζέσεως g/mol Άχρωμο στερεό º C 273 º C Πίνακας 5.10 Φυσικές ιδιότητες της 2,2 -διπυριδίνης Η 2,2 -διπυριδίνη παράγεται από την αφυδρογόνωση της πυριδίνης με τη βοήθεια του αντιδραστηρίου νικελίου του Raney (Raney nickel), 16 σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: 2C 5 H 5 N (C 5 H 4 N) 2 + H 2 Οι ενώσεις συναρμογής της 2,2 -διπυριδίνηε απορροφούν έντονα στο ορατό φάσμα, γεγονός που οφείλεται στο φαινόμενο MLCT (Metal to Ligand Charge Transfer). Τα μόρια που προκύπτουν εμφανίζουν το φαινόμενο της φωταύγειας (π.χ. [Ru(bpy) 3 ]Cl 2 ) με πολύ σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές (Εικόνα 5.21)

109 Εικόνα 5.21 Η ένωση συναρμογής της 2,2 -διπυριδίνης με ρουθήνιο με ανάπτυξη φωταύγειας ,4 -ΔΙΠΥΡΙΔΙΝΗ (4,4 -Bipyridine) Η 4,4 -διπυριδίνη ανήκει στην οικογένεια των διπυριδινών. Ο γενικός της τύπος είναι C 10 H 8 N 2. Στην Εικόνα 5.22 παρουσιάζεται η διαμόρφωση της 4,4 -διπυριδίνης στο επίπεδο και στο χώρο. Εικόνα 5.22 Η 4,4 -διπυριδίνη Η 4,4 -διπυριδίνη είναι άχρωμο κρυσταλλικό στερεό. Χρησιμοποιείται ως πρόδρομη ένωση στην παραγωγή του γνωστού ζιζανιοκτόνου (paraquat). H 4,4 -διπυριδίνη εμφανίζει τοξική δράση στους έμβιους οργανισμούς, λόγω της ικανότητάς της να διακόπτει τη βιολογική μεταφορά ηλεκτρονίων. Για το λόγο αυτό, χαρακτηρίζεται ως ηλεκτροενεργό μόριο. Λόγω της δομής της, η 4,4 -διπυριδίνη είναι πολυλειτουργική. Χρησιμοποιείται στη σύνθεση πολυμερών α) δρώντας ως γέφυρα μεταξύ των μεταλλικών κέντρων ή ως σκάλα, και β) σχηματίζοντας μικροπορώδη υβριδικά υλικά με μεγάλες κοιλότητες ή κανάλια. Γενικά δημιουργεί, λόγω της ικανότητας να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου, υπερμοριακά πλέγματα. 18. Η χρήση της στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί, αφενός μεν στη σύνθεση ενώσεων συναρμογής με ενδιαφέρουσες αρχιτεκτονικές και προηγμένες ιδιότητες (π.χ. ανάπτυξη φωταύγειας), αφετέρου δε στη διερεύνηση της χημικής αλληλεπίδρασης των κατιόντων Ti(ΙV) και Cd(II) με μόρια που 77

110 δρουν ως Ν-δότες. Στις περιπτώσεις αυτές, η 4,4 -διπυριδίνη λειτούργει συχνά ως σταθεροποιητικό μόριο και αποτελεί το δεύτερο υποκαταστάτη, όπου ως πρώτος κύριος υποκαταστάτης είναι συνήθως ένα α-υδροξυ καρβοξυλικό, ή ένα δικαρβοξυλικό οξύ. Στον πίνακα που ακολουθεί (Πίνακας 5.11) συνοψίζονται κάποιες βασικές φυσικές ιδιότητες της 4,4 - διπυριδίνης. Χημική ονομασία 4,4 -Διπυριδίνη (4,4-bipyridine) Μοριακός Τύπος C 10 H 8 Ν 2 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση Σημείο τήξης Σημείο ζέσεως g/mol Άχρωμο κρυσταλλικό στερεό 114 º C 305 º C Πίνακας 5.11 Φυσικές ιδιότητες της 4,4 -διπυριδίνης ΓΟΥΑΝΙΔΙΝΗ (Guanidine) Η γουανιδίνη (Εικόνα 5.23) είναι ένα άχρωμο στερεό με γενικό τύπο HNC(NH 2 ) 2. Απαντάται στα ούρα ως φυσικό προϊόν του μεταβολισμού των πρωτεϊνών. Εικόνα 5.23 Το μόριο της γουανιδίνης Αποτελεί, επίσης, λειτουργική ομάδα της πλευρικής αλυσίδας του αμινοξέος της αργινίνης. Είναι μια ισχυρή βάση, η οποία διαλύεται σε πολικούς διαλύτες. Χρησιμοποιείται στην παραγωγή πλαστικών και εκρηκτικών υλικών, ενώ το νιτρίδιό της χρησιμοποιείται στην 78

111 παραγωγή αερόσακων. Συντέθηκε για πρώτη φορά το 1861, με οξειδωτική αποικοδόμηση ενός αρωματικού φυσικού προϊόντος, της γουανίνης (μία από τις 4 αζωτούχες βάσεις των νουκλεϊκών οξέων). Μια σημαντική εφαρμογή της είναι η χρήση της ως βασική ένωση ή πρόδρομη ένωση παρασκευής αντιδιαβητικών σκευασμάτων (Εικόνα 5.24) Εικόνα 5.24 Αντιδιαβητικά φάρμακα με βάση τη γουανιδίνη Η γουανιδίνη χρησιμοποιήθηκε κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής στη σύνθεση ενώσεων συναρμογής του τιτανίου με α-υδροξυ καρβοξυλικά οξέα Ο ρόλος της ήταν πολύπλευρος, καθώς αφενός μεν λειτούργησε ως βάση για την ανύψωση του ph στην επιθυμητή τιμή, αφετέρου δε διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό του κρυσταλλικού πλέγματος του προϊόντος μορίου, συμμετέχοντας ως Ν-δότης και σταθεροποιώντας την τελική κρυσταλλική δομή. Στον Πίνακα 5.12 που ακολουθεί, παρουσιάζονται κάποιες από τις φυσικές ιδιότητες της γουανιδίνης. 79

112 Χημική ονομασία Γουανιδίνη, Ιμινο-μεθανοδιαμίνη Μοριακός Τύπος CH 5 N 3 Μοριακό Βάρος Εμφάνιση Σημείο τήξης g/mol Άχρωμο στερεό 50 º C pk a 13.6 Πίνακας 5.12 Οι φυσικές ιδιότητες της γουανιδίνης ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Halevas, E.; Hatzidimitriou, A.; Bertmer, M.; Vangelis, A.; Antzara, A.; Matescu, C.; Salifoglou, A. Crystal Growth and Design, 2014, 14, Kornhauser, A.; Coehlo, S.G.; Hearing, V. J. Clin. Cosmet. Investig. Derm., 2010, 13, Chaunhan et.al, Menelaou, M. et. al.. Inorg. Chem., 2010,49, Ganem, B. Tetrahedron, 1978, 34, Mateescu, C.; Gabriel, C.; Raptopoulou, C.P.; Terzis, A.; Tangoulis, V.; Salifoglou, A. Polyhedron, 2013, 52, Guneral, F.; Bachmann, C. Clin. Chem., 1994, 40, Rohwerder, T.; Muller, R.H. Microbial cell factories, 2010, 9,13 9. Παπαγεωργίου, Β. Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία-Άκυκλες Ενώσεις, 2005, Cornils, B.; Lappe, P. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006, Wiley- VCH,Weinheim 11. Xu, X.; Ma, Y.; Wang, E. Journal of Solid State Chemistry, 2007, 180, Zhao, F.-H.; Che, Y.-X.; Zheng, J.-M. Inorganic Chemistry Communications, 2012, 17,

113 13 Bretti, C.; Crea, F.; Foti, C.; Sammartano, S. J. Chem. Eng. Data, 2006, 51 (5) Wei, D.-Y.; Kong, Z.-P.; Zheng, Y.-Q. Polyhedron, 2002, 21, 16, Riemenschneider, W.; Tanifuji, M., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH, Weinheim. 16. Sasse, W.H.F. 2,2 Bipyridine. Org. Synth, 1966, 46,5, Lay, P.A. et. Al. Inorganic Syntheses, 1986, 24, Kim, J.; Lee, U.; Koo, B.K. Bull. Korea Chem. Soc., 2006, 27,6,

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, όπως έχει αναφερθεί, αποτελεί η σύνθεση νέων υβριδικών ενώσεων συναρμογής τιτανίου και καδμίου με φυσιολογικά οργανικά υποστρώματα. Όπως είναι κατανοητό, η σύνθεση των νέων καινοτόμων ενώσεων είναι απαραίτητο να ακολουθείται από τον πλήρη χαρακτηρισμό τους, με σκοπό τη διευκρίνιση της δομής τους, τη διάταξη των ατόμων τους στο χώρο, την αναλογία των ατόμων στο μόριο κ.τ.λ. Για το λόγο αυτό, οι νέες ενώσεις των μεταλλοϊόντων τιτανίου και καδμίου με Ν- και Ο- υποκαταστάτες υποβλήθηκαν σε διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού, με σκοπό τον πλήρη δομικό και φασματοσκοπικό χαρακτηρισμό τους. Συγκεκριμένα, ο δομικός χαρακτηρισμός των ενώσεων πραγματοποιήθηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, ενώ ο φασματοσκοπικός τους προσδιορισμός επιτυγχάνεται με φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR) και πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Ο χαρακτηρισμός των νέων ενώσεων ολοκληρώθηκε με την εφαρμογή των τεχνικών της στοιχειακής ανάλυσης, της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) και της φωταύγειας. 6.2 ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Εισαγωγή Μια από τις πιο σύγχρονες και αξιόπιστες μεθόδους χαρακτηρισμού της δομής των χημικών ενώσεων είναι η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Στην ενότητα αυτή θα γίνει μια σύντομη παρουσίαση της φύσης των ακτίνων Χ, η ανάπτυξη κάποιων βασικών εννοιών, και μια σύντομη περιγραφή της τεχνικής. Οι ακτίνες Χ ανακαλύφθηκαν το 1895 από τον Wilhelm Rontgen, ο οποίος διαπίστωσε ότι πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία παρόμοιας φύσης με εκείνη του φωτός, αλλά σε χαμηλότερα μήκη κύματος, της τάξεως των m. Οι ακτίνες Χ παράγονται κατά την πρόσκρουση ηλεκτρονίων με μεγάλη ταχύτητα σε μεταλλική επιφάνεια ή μεταλλικό στόχο (αντικάθοδος). Ουσιαστικά, είναι η ακτινοβολία που απελευθερώνεται από τα ηλεκτρόνια 80

115 των ατόμων του μεταλλικού στόχου, όταν αυτά διεγείρονται σε τροχιές πέραν των κανονικών, κατά την πρόσπτωση των επιταχυνόμενων σωματιδίων στο μεταλλικό στόχο. 1 Το 1912 αποτέλεσε έναν ακόμη σταθμό στην ιστορία της ανάπτυξης των ακτίνων Χ κυρίως, όσον αφορά στη χρήση τους στον προσδιορισμό της δομής κρυσταλλικών ενώσεων. Την προαναφερθείσα χρονική περίοδο, ο Max von Laue πρότεινε τη δυνατότητα ο κρύσταλλος να θεωρηθεί ως ένα είδος τρισδιάστατου πλέγματος περίθλασης ακτίνων Χ, στον οποίο μια δέσμη ακτίνων Χ θα μπορούσε να υποστεί σκέδαση από μεμονωμένα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος και εν συνεχεία τα σκεδαζόμενα κύματα να συμβάλλουν, με τον ίδιο τρόπο που τα φωτεινά κύματα συμβάλλουν όταν αυτά προσπίπτουν σε πλέγμα περίθλασης. Τα παραπάνω απεικονίζονται χαρακτηριστικά στην Εικόνα Α Β Εικόνα Α. Περίθλαση ακτίνων Χ κατά τη διέλευση τους μέσα από ένα κρυσταλλικό υλικό, Β. Αποτύπωμα σε φωτογραφικό φίλμ των περιθλώμενων ακτίνων. Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ ως τεχνική χαρακτηρισμού, δίνει αξιόπιστες πληροφορίες για τη διάταξη των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα, τις ενδομοριακές αποστάσεις των ατόμων και των ιόντων, τις γωνίες δεσμών, τη στοιχειομετρία της κρυσταλλικής ένωσης και τη διαμόρφωση των ατόμων των μορίων στο χώρο. Η μόνη βασική προϋπόθεση αυτής της τεχνικής χαρακτηρισμού, είναι το δείγμα να βρίσκεται σε μορφή μονοκρυστάλλου. 2 Η τεχνική της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ χρησιμοποιείται ευρέως σε επιστήμες, όπως στη χημεία, βιοχημεία και σε επιστήμες με παρόμοιο αντικείμενο, με σκοπό τον προσδιορισμό των δομών απλών και πολύπλοκων μορίων, συμπεριλαμβανομένων των ανοργάνων ενώσεων, πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξέων, κ.ά. Ουσιαστικά, η κάθε ένωση έχει το δικό της χαρακτηριστικό τύπο, ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί ως το δακτυλικό αποτύπωμα της ένωσης προκειμένου να αναγνωριστεί και ταυτοποιηθεί. 81

116 6.2.2 Κρυσταλλικό πλέγμα Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, απαραίτητη προϋπόθεση της τεχνικής της περίθλασης ακτίνων Χ είναι η απομόνωση του δείγματος σε μονοκρυσταλλική μορφή. Ως κρύσταλλος χαρακτηρίζεται η τρισδιάστατη διάταξη όμοιων επαναλαμβανόμενων παράλληλων επιπέδων-μοτίβων ίδιου τύπου ατόμων ή μορίων (επαναλαμβανόμενες όμοιες μοναδιαίες κυψελίδες). Ως Μοναδιαία κυψελίδα (unit cell) χαρακτηρίζεται η ελάχιστη και απλούστερη επαναλαμβανομένη τρισδιάστατη μονάδα στον κρύσταλλο. Τα επαναλαμβανόμενα αυτά επίπεδα (μοναδιαίες κυψελίδες) μπορούν να λειτουργήσουν ως επιφάνειες ανάκλασης των ακτίνων Χ. Κατά την ανάκλαση των ακτίνων Χ, παράγεται ένα φάσμα περίθλασης, το οποίο μπορεί εν συνεχεία να καταγραφεί σε μια φωτογραφική πλάκα και να αναλυθεί. Στη σύγχρονη κρυσταλλογραφία, η πλάκα έχει αντικατασταθεί από την οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Η ανάλυση του διαγράμματος περίθλασης μας δίνει πλήρεις πληροφορίες για τη διάταξη των ατόμων του μορίου στο χώρο. Στην εικόνα που ακολουθεί (Εικόνα 6.2.2) παρουσιάζεται η έννοια της μοναδιαίας κυψελίδας και του κρυσταλλικού υλικού. Εικόνα α. Μοναδιαία κυψελίδα, β. Κρυσταλλικό υλικό Η μοναδιαία κυψελίδα χαρακτηρίζεται πλήρως με τη βοήθεια έξι παραμέτρων. Οι παράμετροι αυτοί είναι οι ακόλουθοι: α) Οι τρεις ακμές της κυψελίδας (a, b, c), και β) οι τρεις γωνίες (α, β, γ). Ως α χαρακτηρίζεται η γωνία μεταξύ των ακμών b, c, ως β η γωνία μεταξύ b και c και γ η γωνία μεταξύ των ακμών a και b (Εικόνα 6.2.3). 82

117 Εικόνα Η μοναδιαία κυψελίδα με τις έξι παραμέτρους της. Στη φύση υπάρχουν επτά κρυσταλλικά συστήματα και επτά κύριοι τύποι μοναδιαίων κυψελίδων. Συνολικά, τα κρυσταλλικά συστήματα και οι μοναδιαίες κυψελίδες συνιστούν τα δεκατέσσερα πλέγματα Bravais (Εικόνα 6.2.4). 3 Εικόνα Τα δεκατέσσερα πλέγματα Bravais Ως πλέγμα Bravais στην κρυσταλλογραφία χαρακτηρίζεται ένα άπειρο πλήθος σημείων, το οποίο επαναλαμβάνεται σε κάθε σημείο. 83

118 6.2.3 Νόμος του Bragg Ο προσδιορισμός της δομής ενός κρυσταλλικού υλικού μέσω κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ βασίζεται στο νόμο του Bragg (Σχήμα 6.2.1). 1,4 Ο νόμος αυτός χρησιμοποιεί την γωνία σκέδασης της ακτίνας από τα άτομα του κρυστάλλου. Η σχέση που περιγράφει τον νόμο του Bragg είναι η εξής: n λ= 2 d sin θ όπου: n= Ακέραιος αριθμός. λ= Το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. d= Η απόσταση μεταξύ των επιπέδων του πλέγματος. θ= Η γωνία της προσπίπτουσας ακτίνας (ακτίνα Bragg). Σχήμα Ο νόμος του Bragg σχηματικά Όπως φαίνεται και από το σχήμα, όταν παράλληλες δέσμες ακτίνων Χ προσπίπτουν σε ένα δικτύωμα-πλέγμα, κάθε στοιχείο του πλέγματος (γραμμή) λειτουργεί ως κέντρο σκέδασης της προσπίπτουσας ακτίνας. Η γωνία πρόσπτωσης είναι αυτή που καθορίζει αν τα κύματα των ακτίνων Χ βρίσκονται σε φάση, οπότε ενισχύονται ή δεν βρίσκονται σε φάση οπότε αποσβένουν (Σχήμα 6.2.2). Η ανάκλαση Bragg πραγματοποιείται όταν κύματα που προσπίπτουν βρίσκονται σε συμφωνία φάσης (περίθλαση ακτίνων Χ). 84

119 Α Β Σχήμα Περίθλαση ακτίνων Χ όταν τα κύματα: Α. βρίσκονται σε συμφωνία φάσης (ενίσχυση), Β. όταν τα κύματα δε βρίσκονται σε συμφωνία φάσης-απόσβεση Προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής Η περίθλαση ακτίνων Χ αποτελεί μια από τις πιο σύγχρονες και αξιόπιστες μεθόδους προσδιορισμού της δομής κρυσταλλικών ενώσεων-υλικών (Σχήμα 6.2.3). Η τεχνική αυτή βασίζεται στην ανάλυση και ανάγνωση του φάσματος περίθλασης, το οποίο προκύπτει κατά την αποτύπωση, σε φωτογραφικό φιλμ ή σε ηλεκτρονική οθόνη, της ανάκλασης των ακτίνων Χ από τα επαναλαμβανόμενα επίπεδα του κρυστάλλου. Το φάσμα περίθλασης συνίσταται από φωτεινές και σκοτεινές κηλίδες στο φωτογραφικό φιλμ (οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή). Κατά την ανάγνωση του φάσματος, λαμβάνονται όλες οι πληροφορίες για τη θέση των ατόμων στη μοναδιαία κυψελίδα του κρυστάλλου 5,6 7. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί η τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ, θα πρέπει το κρυσταλλικό υλικό να βρίσκεται σε μορφή μονοκρυστάλλου με κατά το δυνατόν ελάχιστες σοβαρές ατέλειες και γραμμική διάμετρο περίπου 3 mm. 85

120 Σχήμα Σχηματικά, η αρχή της κρυσταλλογραφικής ανάλυσης με περίθλαση ακτίνων Χ Οργανολογία Το όργανο που χρησιμοποιείται για τη λήψη και ανάλυση του φάσματος περίθλασης, ονομάζεται περιθλασίμετρο (Diffractometer) (Εικόνα 6.2.5). Το περιθλασίμετρο 8 αποτελείται από μια πηγή ακτινοβολίας ακτίνων Χ, ένα σύστημα στρέψης του κρυστάλλου με τη βοήθεια ενός γωνιομέτρου, προκειμένου να επιτευχθεί περίθλαση σύμφωνα με το νόμο του Bragg, ένα σύστημα ανίχνευσης των δεδομένων κατά τη διάρκεια διέλευσης των ακτίνων Χ μέσα από τον κρύσταλλο, έως ότου προκύψει το φάσμα περίθλασης, και έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη συλλογή και ανάλυση δεδομένων. Εικόνα Περιθλασίμετρο ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου 86

121 6.3 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (FT-IR) Εισαγωγή Μια από τις σημαντικότερες και πιο αξιόπιστες τεχνικές μελέτης και ταυτοποίησης της δομής ανόργανων και οργανικών ενώσεων είναι η φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR). Τα φάσματα υπερύθρου μπορούν να χαρακτηριστούν περισσότερα χαρακτηριστικά μιας ένωσης από το φάσμα της ένωσης στο UV-Vis, αλλά και από το σημείο ζέσεως και τήξεως της. Η τεχνική αυτή βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στις φυσικοχημικές επιστήμες, στις επιστήμες Υγείας και γενικότερα τόσο στον τομέα της έρευνας όσο και σε βιομηχανική κλίμακα. Κατά την λήψη και μελέτη των φασμάτων FT-IR λαμβάνονται σημαντικότατες πληροφορίες για α. τις χαρακτηριστικές ομάδες της υπό εξέταση ένωσης, β. δίνεται η δυνατότητα διάκρισης των γεωμετρικών δομών όπως cis- transσυν- αντι-. Με τον τρόπο αυτό και μέσω της διασταύρωσης των αποτελεσμάτων με τις βιβλιοθήκες φασμάτων, μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτοποίηση μιας ένωσης και μελέτη της πιθανής συναρμογής μεταλλοϊόντων με οργανικά υποστρώματα προς σχηματισμό νέων ενώσεων συναρμογής, γ. διαπίστωση της παρουσίας δεσμών υδρογόνων και δ. έλεγχος της καθαρότητας ενός δείγματος κ.ά. Ακόμη είναι δυνατόν ο ποσοτικός προσδιορισμός μιας ένωσης. Ουσιαστικά, με την Φασματοσκοπία FT-IR, ένα δείγμα δέχεται την επίδραση υπέρυθρης ακτινοβολίας και στη συνέχεια μελετάται η απορρόφηση της ακτινοβολίας από τις διάφορες ομάδες της ένωσης σε διάφορα μήκη κύματος στην περιοχή του υπερύθρου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την μεταβολή της δονητικής κατάστασης του μορίου στην ίδια ηλεκτρονιακή κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, ανιχνεύονται οι δονητικά λειτουργικές ομάδες καθώς κάθε λειτουργική ομάδα απορροφά σε διαφορετικό μήκος κύματος. Με την τεχνική FT-IR, μελετάται η δομή οργανικών και ανόργανων ενώσεων και στις τρεις φυσικές καταστάσεις (στερεά, υγρή και αέρια φάση) Υπέρυθρη ακτινοβολία- Εφαρμογές της τεχνικής της φασματοσκοπίας FT-IR-Οργανολογία Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, η υπέρυθρη ακτινοβολία κυμαίνεται μεταξύ nm (Σχήμα 6.3.1), καλύπτοντας την περιοχή μεταξύ της ερυθράς ακτινοβολίας του ορατού φωτός και των χαμηλών συχνοτήτων των μικροκυμάτων. Το φάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας χωρίζεται σε τρεις περιοχές: α. στο εγγύς υπέρυθρο (μεταξύ και 4000 cm -1 ), β. στο μέσο υπέρυθρο ( cm -1 ), και γ. στο άπω υπέρυθρο ( cm -1 ). Η 87

122 περιοχή του μέσου υπέρυθρου χρησιμοποιείται κυρίως στην επιστήμη της χημείας και σε άλλες επιστήμες. Η φασματοσκοπία υπερύθρου χρησιμοποιείται ευρέως στην ανάλυση και ταυτοποίηση της δομής οργανικών ενώσεων στην Ανόργανη, Οργανική και Φαρμακευτική Χημεία, Φαρμακογνωσία, ανάλυση φαρμάκων, πολυμερών, πετρελαιοειδών, κ.ά., 9 εμφανίζοντας πληθώρα πλεονεκτημάτων: α. Ευαισθησία και μεγάλη ακρίβεια, β. μικρή ποσότητα δείγματος, γ. ταχύτητα στη λήψη του φάσματος, και δ. δυνατότητα μέτρησης σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Σχήμα Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η φασματοσκοπία υπερύθρου χρησιμοποιείται, όπως αναφέρθηκε παραπάνω για την μελέτη της δομής στερεών, υγρών και αέριων ουσιών. Η λήψη του φάσματος αέριων ενώσεων γίνεται με τη βοήθεια ειδικών κυψελίδων με παράθυρα NaCl. Η μελέτη της δομής στερεών ουσιών με φασματοσκοπία υπερύθρου μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Α. Μικρή ποσότητα του δείγματος (1-5 mg) αναμιγνύεται με ~300 mg KBr. Το μίγμα κονιορτοποιείται με γουδί και τοποθετείται σε ειδική πρέσα με σκοπό τη δημιουργία λεπτής παστίλιας. (Εικόνα 6.3.1) Η παστίλια οδηγείται σε ειδική υποδοχή, την οποία και διαπερνά ακτινοβολία υπερύθρου. Β. Ο δεύτερος τρόπος προετοιμασίας στερεών ουσιών για τη λήψη του φάσματος απορρόφησής τους είναι ο εξής: 1 mg της ουσίας αναμιγνύεται με μία σταγόνα παραφινέλαιου. Το μίγμα ομογενοποιείται (αλοιφή) και απλώνεται σε πλάκες NaCl. 88

123 Για τη λήψη του φάσματος FT-IR υγρών ουσιών, μια σταγόνα της εξεταζόμενης ουσίας τοποθετείται ανάμεσα σε πλάκες από NaCl, KBr ή CaF 2. Η τεχνική αυτή, αν και είναι ιδιαίτερα απλή, δεν μπορεί να εφαρμοστεί για ποσοτικούς προσδιορισμούς. Εικόνα Προετοιμασία δείγματος για τη λήψη φάσματος στερεών ουσιών με την τεχνική του KBr Τα φασματόμετρα υπερύθρου είναι όργανα που χρησιμοποιούνται για τη λήψη φάσματος υπερύθρου, προς ταυτοποίηση της δομής μιας ένωσης. Τα όργανα αυτά διακρίνονται σε φασματόμετρα απλής και διπλής δέσμης. Παρακάτω, παρουσιάζεται το φασματοφωτόμετρο το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή (Εικόνα 6.3.2). Εικόνα Σύγχρονο φασματόμετρο φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation). 89

124 Ένα φασματόμετρο απλής δέσμης αποτελείται από τις ακόλουθες βασικές μονάδες: Πηγή ακτινοβολίας σταθερής ισχύος (συνήθως λυχνία ή laser). Μονοχρωμάτορα, για την επιλογή του κατάλληλου μήκους κύματος προς απομόνωση της επιθυμητής ακτινοβολίας. Συσκευή τοποθέτησης του δείγματος. Ανιχνευτή ακτινοβολίας, ο οποίος μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό. Σύστημα μέτρησης (περιλαμβάνει ενισχυτή σήματος και όργανο ανάγνωσης). Ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών ομάδων που περιέχονται σε μια ένωση με τη φασματοσκοπία υπερύθρου, γίνεται μέσω λήψης και μελέτης του φάσματος FT-IR. Το φάσμα αυτό αποτελείται από δύο άξονες. Στον άξονα χ καταγράφεται το μήκος κύματος ή ο κυματαριθμός ( ) και στον άξονα ψ η ένταση της απορρόφησης %Α ή το ποσοστό διαπερατότητας %Τ (Σχήμα 6.3.2). Στη συνέχεια, δίνονται οι ορισμοί κάποιων βασικών εννοιών. Σχήμα Φάσμα FT-IR (%T-κυματαριθμού ) πυριδίνης Διαπερατότητα (Τ) (transmittance): ορίζεται ως ο λόγος της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από το δείγμα Ι προς την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Ι ο T% = 100 I/Ι ο Απορρόφηση Α (absorbance): ορίζεται ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της διαπερατότητας (Τ). A = log(i ο /Ι) = -logt 90

125 Κυματαριθμός ( ) (wavelength): Ορίζεται ως ο αριθμός των κυμάτων ανά μονάδα μήκους και είναι ευθέως ανάλογος τόσο της συχνότητας όσο και της ενέργειας της απορρόφησης. Μονάδα μέτρησης του κυματαριθμού είναι το cm -1. Η φασματοσκοπία υπερύθρου: α. χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της δομής μιας ένωσης (βασική προϋπόθεση είναι το δείγμα να είναι απαλλαγμένο από προσμίξεις), ο οποίος γίνεται με τη βοήθεια πινάκων, π.χ. (Πίνακας 6.3.1). β. χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση μιας ένωσης, με το φάσμα να λειτουργεί ως δακτυλικό αποτύπωμα. γ. δεν χρησιμοποιείται ιδιαιτέρως για ποσοτικούς προσδιορισμούς, για διάφορους λόγους, όπως αποκλίσεις από το νόμο του Lambert-Beer, λόγω έντονων διαμοριακών αλληλεπιδράσεων σε πυκνά διαλύματα, λόγω παρασιτικών ακτινοβολιών, κ.ά Θεωρία δονήσεων Η φασματοσκοπία υπερύθρου προσδιορίζει τις διαφορετικές συχνότητες δόνησης ενός δείγματος, στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όταν διαπερνάται από ακτινοβολία. Δεδομένου ότι κάθε χαρακτηριστική ομάδα στο μόριο του δείγματος απορροφά σε χαρακτηριστική συχνότητα δόνησης, με την τεχνική της φασματοσκοπίας υπερύθρου πραγματοποιείται προσδιορισμός των χαρακτηριστικών ομάδων του υπό εξέταση δείγματος. Η απορρόφηση ακτινοβολίας στην περιοχή του υπερύθρου, είναι γνωστό ότι προκαλεί διεγέρσεις μεταξύ διαφορετικών επιπέδων δονήσεως και περιστροφής του μορίου, το οποίο όμως παραμένει στη θεμελιώδη ηλεκτρονική κατάσταση. Στα φάσματα υπερύθρου εμφανίζονται ταινίες απορρόφησης μικρού εύρους, αντιθέτως με τα φάσματα υπεριώδους ορατού, στα οποία οι ταινίες αυτές έχουν μεγάλο εύρος και προκαλούνται από ηλεκτρονικές μεταπτώσεις. 9 Τα άτομα κάθε μορίου, σε θερμοκρασίες πάνω από το απόλυτο μηδέν δονούνται διαρκώς. Όταν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ισούται με τη συχνότητα μιας δόνησης τότε το μόριο την απορροφά. Προκειμένου να είναι εφικτή η απορρόφηση ακτινοβολίας από ένα μόριο θα πρέπει: α. Η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας να είναι ακριβώς όση απαιτείται για να προκληθεί δόνηση μετάπτωσης, β. Αν θα λάβει χώρα απορρόφηση ακτινοβολίας εξαρτάται από τη μεταβολή της διπολικής ροπής στους δεσμούς μιας ένωσης κατά τη διάρκεια μιας δονητικής μετάπτωσης. Δεσμοί στους οποίους παρατηρείται μεταβολή της διπολικής ροπής, απορροφούν την προσπίπτουσα ακτινοβολία. 91

126 Στα μόρια, οι σχετικές θέσεις των ατόμων αλλάζουν διαρκώς λόγω των δονητικών και περιστροφικών κινήσεων που εκτελεί το μόριο. Γενικά, όσα περισσότερα άτομα έχει ένα μόριο τόσο περισσότερες δονήσεις εκτελεί. Συνεπώς, ένα μη γραμμικό μόριο Ν ατόμων μπορεί να εκτελεί 3Ν-6 δονήσεις, ενώ το αντίστοιχο γραμμικό 3Ν-5. Οι δονήσεις που εκτελεί ένα μόριο διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τις δονήσεις τάσης (stretching vibrations) και δονήσεις κάμψης (bending vibrations). Δονήσεις τάσης (v): Ορίζονται ως οι δονήσεις εκείνες, στις οποίες παρατηρείται μεταβολή της απόστασης μεταξύ των ατόμων του δεσμού, κατά μήκος του άξονα του δεσμού τους και όχι της γωνίας. Διακρίνονται σε συμμετρικές vs και αντισυμμετρικές vas. Δονήσεις κάμψης (δ): Είναι οι δονήσεις εκείνες, κατά τη διάρκεια των οποίων παρατηρείται μεταβολή στην γωνία μεταξύ των δεσμών. Χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η συχνότητα δόνησης ενός δεσμού επηρεάζεται (μετατοπίζεται) από τις μεταβολές στο μοριακό περιβάλλον της ένωσης. Έτσι, η σύνδεση ενός υποκαταστάτη (ligand) σε ένα μόριο, είτε λόγω φαινομένων επαγωγικών, συζυγίας, συντονισμού, είτε λόγω στερεοχημικών παρεμποδίσεων, προκαλεί μετατόπιση της συχνότητας δόνησης των χαρακτηριστικών του ομάδων. Παρακάτω, δίνονται οι συχνότητες δόνησης χαρακτηριστικών ομάδων στην περιοχή του υπερύθρου (Πίνακας 6.3.1). Πίνακας Απορροφήσεις χαρακτηριστικών ομάδων στην περιοχή του υπερύθρου 92

127 Ένα μηχανικό μοντέλο, το οποίο βοηθάει σημαντικά στην κατανόηση της δόνησης τάσης διατομικών μορίων, είναι αυτό του αβαρούς ελατηρίου που συνδέει δύο σφαίρες μάζας m 1, m 2 (Εικόνα 5.3.3) και διέπεται από το νόμο του Hook. Εικόνα Μηχανικό μοντέλο προσομοίωσης δονήσεως τάσης διατομικού μορίου 6.4 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) Εισαγωγή Η φασματοσκοπία NMR ανακαλύφθηκε το Πολύ σύντομα, βρήκε εφαρμογή σε διάφορες επιστήμες, όπως Χημεία, Φυσική, Βιοχημεία, Μοριακή Βιολογία και τα τελευταία χρόνια στην Ιατρική. 10 Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού βρίσκει εφαρμογές στην : Α. Ταυτοποίηση ανόργανων και οργανικών ενώσεων-υλικών. Β. Μελέτη αλληλεπίδρασης φαρμακευτικών και βιοενεργών ουσιών με την περιοχή στην οποία δουν. Γ. Μελέτη τροφίμων ποτών και διερεύνηση πιθανής νοθείας αυτών. Δ. Μελέτη κυκλοδεξτρινών, πολυμερών, κεραμικών κ.ά. Ε. Ανάπτυξη μοριακών προτύπων, με σκοπό το σχεδιασμό και τη σύνθεση φαρμακευτικών μορίων με προηγμένες βιολογικές δράσεις. Κατά το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, ένας πυρήνας ο οποίος βρίσκεται σε εξωτερικό μαγνητικό περιβάλλον, αλληλεπιδρά με εφαρμοζόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο ταλαντώνεται σε συγκεκριμένη συχνότητα. Η φασματοσκοπία NMR στηρίζεται στις διεγέρσεις μαγνητικών πυρήνων, οι οποίοι βρίσκονται σε ισχυρό ομογενές μαγνητικό πεδίο. Οι διεγέρσεις των πυρήνων οφείλονται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνοτήτων Hz ή m, δηλαδή στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. 9 93

128 Ο Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός είναι μια τεχνική φασματοσκοπίας απορρόφησης, κατά την οποία το δείγμα υπό κατάλληλες συνθήκες απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνοτήτων χαρακτηριστικές για αυτό. Η απορρόφηση αυτή σχετίζεται με τον παρατηρούμενο πυρήνα. Κατά τη μέθοδο αυτή, ανιχνεύονται πυρήνες με αυτοπεριστροφή. Πυρήνες με ατομικό ή μαζικό αριθμό περιττό μπορούν να ανιχνευτούν με την τεχνική αυτή ( 1 Η, 13 C 15 6, N 27 7, Al 13 ), ενώ πυρήνες με ζυγό αριθμό ατομικό ή μαζικό στερούνται αυτοπεριστροφής και συνεπώς, η τεχνική δεν είναι κατάλληλη για την μελέτη τους π.χ. 12 C 6, κ.ά. Ένα φάσμα NMR ουσιαστικά είναι ένα διάγραμμα απορρόφησης σε συνάρτηση με την συχνότητα Θεωρία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Οι ατομικοί πυρήνες, διαθέτοντας φορτίο και λόγω της περιστροφής τους γύρω από τον πυρηνικό τους άξονα, δημιουργούν κατά μήκος του άξονά τους μαγνητικό δίπολο, μαγνητικής ροπής μ, σύμφωνα με τον τύπο: όπου Ι = ο κβαντικός αριθμός του spin, ο οποίος παίρνει τιμές 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, κ.τ.λ., ανάλογα με τη φύση του πυρήνα. Όπως αναφέρθηκε οι πυρήνες διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες 9 : 1. Πυρήνες με άρτιο ατομικό και μαζικό αριθμό π.χ. 12 C 6, 16 O 8, 32 S 16, οι οποίοι έχουν γωνιακή στροφορμή Ι = 0 και δεν εκδηλώνουν μαγνητικές ιδιότητες. Συνεπώς, δεν δίνουν φάσματα NMR. 2. Πυρήνες με περιττό μαζικό αριθμό και ατομικό αριθμό περιττό ή άρτιο και εμφανίζουν γωνιακή στροφορμή Ι = n 1/2, περιττά ακέραια πολλαπλάσια του ½, π.χ. 1 H 1, 13 C 6. Η μελέτη των πυρήνων αυτών είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για την φασματοσκοπία NMR, λόγω της σφαιρικής συμμετρικής κατανομής του φορτίου τους (το 95% της φασματοσκοπίας NMR μελετάει το 1 H 1, 13 C 6 ). 3. Πυρήνες με άρτιο μαζικό και περιττό ατομικό αριθμό, οι οποίοι εμφανίζουν τιμές spin I = ακέραιοι αριθμοί. π.χ. 2 Η 1, 14 Ν 7. 94

129 6.4.3 Οργανολογία NMR Δύο τρόποι λήψης του φάσματος NMR (Σχήμα 6.4.1) χρησιμοποιούνται: α. με σάρωση συχνοτήτων υπό σταθερή ένταση μαγνητικού πεδίου, και β. με σάρωση πεδίου υπό σταθερή ραδιοσυχνότητα. Σχήμα Η φάσμα NMR αιθανόλης. Ένα φασματόμετρο σαρώσεως πεδίου (Σχήμα 6.4.2) αποτελείται από: 9,10 Έναν μαγνήτη για τη δημιουργία ισχυρού και ομογενούς μαγνητικού πεδίου. Μια γεννήτρια σαρώσεως πεδίου, με σκοπό τη μεταβολή της έντασης του πεδίου σε μια στενή περιοχή. Για το σκοπό αυτό, διαβιβάζεται μεταβλητό συνεχές ρεύμα μέσω πηνίων, ομοαξονικών με τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Έναν πομπό (διεγέρτης) ραδιοσυχνοτήτων, ο οποίος δημιουργεί το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και είναι συνδεδεμένος με πηνίο για τη διοχέτευση ενέργειας στο δείγμα, σε διεύθυνση κάθετη του μαγνητικού πεδίου. Έναν δέκτη ραδιοσυχνοτήτων, συνδεδεμένο με πηνίο, το οποίο περιβάλλει το δείγμα. Κατά το συντονισμό, δημιουργείται στο πηνίο του δέκτη επαγωγικό ρεύμα, το οποίο ενισχύεται και καταγράφεται. Ένα σύστημα ενίσχυσης-μετρήσεως και ολοκλήρωσης. Έναν υποδοχέα του δείγματος (συνήθως πρόκειται για σωλήνα ειδικό μαγνητικά ισότροπο, ο οποίος περιστρέφεται γύρω από το διαμήκη άξονά του, με σκοπό την ισοκατανομή του μαγνητικού πεδίου). 95

130 Σχήμα Φασματόμετρο NMR Θα πρέπει να αναφερθεί ότι για τη διατήρηση μόνιμης μαγνήτισης των υλικών. που συνιστούν τον μαγνήτη. απαιτείται υγρό άζωτο (77 Κ) και υγρό ήλιο (4 K). Τέλος, το δείγμα για την εξέταση του δείγματος με την τεχνική αυτή διαλύεται σε δευτεριωμένο διαλύτη (για να μην υπάρχει υπερκάλυψη των πρωτονίων της ένωσης από τα πρωτόνια του διαλύτη). 9,10 Το δείγμα τοποθετείται σε γυάλινο περιστρεφόμενο σωλήνα. Οι διαλύτες θα πρέπει να είναι χημικά αδρανείς, μαγνητικά ισότροποι, πτητικοί για πιθανή ανάκτηση του δείγματος και να στερούνται υδρογόνων. Γνωστοί διαλύτες είναι: CCl 4, CS 2, υγρό SO 2, CHCl 3 σε δευτεριωμένη μορφή. Τέλος, δείγματα, τα οποία διαλύονται στο νερό, χρησιμοποιούν ως διαλύτη δευτεριωμένο D 2 O. 9 Γενικά, παραμαγνητικές προσμείξεις, διαλυμένο οξυγόνο θα πρέπει να απομακρύνονται για να μην επηρεάζουν το παραγόμενο φάσμα της υπό εξέτασης ένωσης. 96

131 6.5 ΘΕΡΜΟΣΤΑΘΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (ThermoGravimetric Analysis, TGA) Εισαγωγή Θερμικές μέθοδοι ανάλυσης είναι μια οικογένεια τεχνικών, οι οποίες προσδιορίζουν φυσικές ή χημικές ιδιότητες μιας ουσίας ή ενός μίγματος συναρτήσει της θερμοκρασίας, όταν αυτή υποβάλλεται σε θερμοκρασιακό πρόγραμμα υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Το γενικό σχήμα μιας θερμικής μεθόδου ανάλυσης είναι το εξής: είσοδος του δείγματος στον φούρνο και μέτρηση της ιδιότητας της ένωσης που εξετάζουμε, μετατροπή του αποτελέσματος σε ηλεκτρικό σήμα, ενίσχυση του σήματος και σχεδιασμός του ανάλογου γραφήματος. Η Θερμοσταθμική Ανάλυση (TGA) είναι μια τεχνική, η οποία: α. επιτρέπει τη θερμική σταθερότητα μιας ένωσης, και β. εξετάζει τη σύσταση ενός στερεού από τη μεταβολή που υφίσταται στη μάζα του, με αυξανόμενη θερμοκρασία υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Άλλες θερμικές μέθοδοι, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την τεχνική TGA είναι η διαφορική θερμιδομετρία (DSC) και η διαφορική θερμική ανάλυση (DTA). Συνήθως, οι ενώσεις που αποβάλλονται κατά τη θέρμανση του δείγματος είναι το νερό, το διοξείδιο και μονοξείδιο του άνθρακα, και το μονοξείδιο του αζώτου. Η απώλεια μάζας του δείγματος, όταν αυτό υπόκειται σε υψηλές θερμοκρασίες, οφείλεται σε αφυδάτωση, οξείδωση ή αποικοδόμηση. Στην τεχνική TGA παρακολουθείται η απώλεια βάρους της ένωσης κατά την ελεγχόμενη αύξηση της θερμοκρασίας. Οποιαδήποτε απώλεια κάποιας ομάδας από το μόριο της ένωσης έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της μάζας της ένωσης και παρουσιάζεται ως βαθμίδα στην καμπύλη Οργανολογία Θερμοσταθμικής Ανάλυσης Η διάταξη θερμοσταθμικής ανάλυσης (Εικόνα 6.5.1) αποτελείται από: α. τον υποδοχέα του δείγματος. β. τον ηλεκτρικά θερμαινόμενο φούρνο, στον οποίο γίνεται η θέρμανση του δείγματος, γ. το σύστημα εισόδου του δείγματος σε αυτό, και δ. ένα θερμοζεύγος για την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας. Η θέρμανση πραγματοποιείται σε ελεγχόμενες συνθήκες - αδρανές περιβάλλον, με τη βοήθεια αδρανούς αερίου με σκοπό την αποφυγή οξειδώσεων και άλλων ανεπιθύμητων αντιδράσεων. 97

132 Η ανάλυση πραγματοποιείται με βαθμιαία αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι και 1000 ºC, με ελεγχόμενο ρυθμό. Η διάταξη συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος καταγράφει την καμπύλη από τα αποτελέσματα της καύσης και τα προϊόντα αυτής, κατά την επίδραση της αυξανόμενης θερμοκρασίας. Στη μέθοδο TGA μετράται πάντα το υπόλειμμα, αλλά και οι πτητικές ενώσεις που παράγονται κατά την καύση της ένωσης. Εικόνα Σύγχρονη οργανολογία τεχνικής TGA. Χαρακτηριστικό παράδειγμα θερμοσταθμικής ανάλυσης είναι η σταδιακή καύση οξαλικού οξέος (CaC 2 O 4 H 2 O), η οποία οδηγεί στο σχηματισμό ανόργανων ενώσεων (H 2 O, CaO, CO 2 ) (Σχήμα 6.5.1). Τα διακριτά στάδια της διαδικασίας παρουσιάζονται παρακάτω. Στάδιο 1: CaC 2 O 4 H 2 O(s) CaC 2 O 4 (s) + H 2 O(g) Στάδιο 2: CaC 2 O 4 (s) CaCO 3 (s) + CO(g) Στάδιο 3: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) Σχήμα Θερμική αποικοδόμηση του οξαλικού οξέος με την τεχνική TGA. 98

133 6.6 ΣΤΟΙΧΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (Elemental Analysis) Η στοιχειακή ανάλυση είναι η τεχνική εκείνη, με την οποία προσδιορίζεται το ποσοστό επί τις εκατό κατά βάρος ενός στοιχείου σε μία χημική ένωση. Η στοιχειακή ανάλυση μπορεί να είναι αφενός μεν ποιοτική, προσδιορίζοντας το είδος των στοιχείων στην υπό εξέταση ένωση, αφετέρου δε ποσοτική δίνοντας πληροφορίες για την ποσότητα ενός στοιχείου σε μια ένωση. Διάφορα επιστημονικά πεδία (φαρμακευτική, ιατρική, μηχανική, βιολογία, κ.ά.) χρησιμοποιούν εκτεταμένα τη μέθοδο της στοιχειακής ανάλυσης για την ανάλυση δειγμάτων. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική στοιχειακής ανάλυσης είναι η CHSN. Κατά την εφαρμογή της τεχνικής CHSN, προσδιορίζεται το ποσοστό βάρους των στοιχείων C, H, S και N στην υπό εξέταση ουσία. Συγκεκριμένα, το δείγμα καίγεται με ατμοσφαιρικό οξυγόνο και τα προϊόντα της καύσης (CO 2, H 2 O, SO 2, NO 2 ) συλλέγονται σε παγίδες, όπου ζυγίζεται το βάρος τους. Από τα προϊόντα καύσης προσδιορίζεται η σύσταση του άγνωστου δείγματος και ο εμπειρικός του τύπος. Η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ανάλυση οργανικών ενώσεων. Στη συνέχεια, ακολουθεί (Εικόνα 6.6.1) ένας τύπος στοιχειακού αναλυτή όμοιου με αυτόν που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διεξαγωγή των αναλύσεων των νέων υβριδικών ενώσεων τιτανίου και καδμίου. Σ αυτόν πραγματοποιήθηκε η καύση των υπό εξέταση ενώσεων και η ανάλυση των αποτελεσμάτων. Εικόνα Στοιχειακός αναλυτής 99

134 6.7 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΦΩΤΟΦΩΤΑΥΓΕΙΑ (Photoluminescence-fluorescence spectroscopy) Εισαγωγή Με την τεχνική της φασματοσκοπίας της φωτοφωταύγειας εξετάζεται εάν ένα υλικό εμφανίζει την ιδιότητα της φωτοφωταύγειας. Ουσιαστικά, στηρίζεται στην εκπομπή ακτινοβολίας από ένα υλικό το οποίο έχει διεγερθεί λόγω απορρόφησης διαφορετικού (συνήθως μικρότερου) μήκους κύματος. Ως φωταύγεια ορίζεται η εκπομπή φωτός από μία ουσία, εκπομπή που δεν οφείλεται όμως στη θέρμανση της. Θεωρείται μορφή ακτινοβολία κρύου σώματος και διακρίνεται στην χημειοφωταύγεια, βιοφωταύγεια, ηλεκτροφωταύγεια, μηχανοφωταύγεια και φωτοφωταύγεια κ.α. Χημειοφωταύγεια: αποτελεί αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης Βιοφωταύγεια: είναι αποτέλεσμα μιας βιοχημικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα σε ένα ζωντανό οργανισμό. Ηλεκτροχημειοφωταύγεια: προέρχεται κατά την πραγματοποίηση μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Κρυσταλλοφωταύγεια: Η μορφή αυτού του είδους φωταύγειας εμφανίζεται κατά την κρυστάλλωση. Ηλεκτροφωταύγεια: εμφανίζεται κατά την δίοδο ηλεκτρικού ρεύματος από μία ουσία. Μηχανοφωταύγεια: είναι αποτέλεσμα της μηχανικής καταπόνησης μιας ουσίας. Φωτοφωταύγεια,: είναι αποτέλεσμα απορρόφησης φωτονίων. Διακρίνεται στον Φθορισμό και στον Φωσφορισμό. Στην παρούσα μελέτη η ικανότητα των νέων υβριδικών υλικών που συντέθηκαν να εκπέμπουν φως στην ορατή περιοχή-εμφάνιση χρώματος, προερχόταν από την εκδήλωση του φαινόμενου του φθορισμού (fluorescence). 100

135 Κατά την μελέτη του φαινομένου της φωτοφωταύγειας, στο υπό εξέταση δείγμα προσφέρεται ακτινοβολία του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος συνήθως στην ορατή περιοχή υπό μορφή φωτονίων (excitation). Σε θερμοκρασία δωματίου, τα περισσότερα μόρια καταλαμβάνουν το χαμηλότερο επίπεδο δόνησης της θεμελειώδους ηλεκτρονιακής κατάστασης. Κατά την απορρόφηση φωτός (ακτινοβολίας) τα ηλεκτρόνια του διεγερμένου μορίου ανυψώνονται σε διεγερμένες καταστάσεις. Η διέγερση μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το μόριο να οδηγηθεί σε οποιοδήποτε από τα δονητικά επίπεδα που σχετίζονται με κάθε μία διεγερμένη κατάσταση Ακολουθεί χρόνος παραμονής στην διεγερμένη κατάσταση (relaxation time) και μετάβαση εν συνεχεία σε ενεργειακά επίπεδα χαμηλότερης ενέργειας με ταυτόχρονη αποβολή της επιπλέον ενέργειας (εκπομπή ακτινοβολίας υπό μορφή φωτός, emission) (Σχήμα 6.7.1). Το φαινόμενο της φωτοφωταύγειας μπορεί να εμφανιστεί τόσο από στερεές όσο και από ρευστές ανόργανες ή οργανικές ουσίες. Σχήμα Ανάπτυξη σχηματικά της τεχνικής της φωτοφωταύγειας. Η ικανότητα ενός υλικού να εκπέμπει φως στην ορατή περιοχή βρίσκει σημαντικότατες εφαρμογές στον τομέα της Ιατρικής, σε Βιομηχανική κλίμακα(χημικοί αισθητήρες, βιολογικοί ανιχνευτές, βαφές, εισαγωγή μιας φθορίζουσας ουσίας για βιολογική επισήμανση βιομορίων στην βιολογία και βιοτεχνολογία 11 κ.α) 101

136 6.7.2 Οργανολογία Η διάταξη (Σχήμα 6.7.2) που χρησιμοποιείται κατά την μελέτη της φωτοφωταύγειας σε γενικές γραμμές περιέχει Πηγή φωτός. Υποδοχέα δείγματος. Μονοχρωμάτορας Ανιχνευτή σήματος Σχήμα Διάταξη προσδιορισμού της φθορισμομετρίας (fluorescence technique) Ακολουθεί το όργανο το οποίο χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής (Εικόνα 6.7.1). Εικόνα Όργανο προσδιορισμού της ιδιότητας της φωτοφωταύγειας, μέσω της φθορισμομετρίας. 102

137 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Cullity, B.D. Elements of X-Ray Diffraction, 2 nd ed. Addison-Wesley Publishing Company, Campbell, I.D.; Dwek, R.A. Biological Spectroscopy, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., Blokin, M.A. Methods of X-Ray Spectroscopic Research, Pergamon Press, Oxford, London, Butter, I.S.; Harrod, J. F. Ανόργανη Χημεία, Αρχές και Εφαρμογές, Εκδόσεις ΙΙ Τραυλός-Ε. Κωσταράκη, Rhodes, G. Crystallography Made Crystal Clear, Academic Press Inc., Clegg, W.; Blake, A.J.; Gould, R.O.; Main, P. Crystal Structure Analysis, Principle and Practice, Edited by William Clegg Oxford University Press, Rousseau, J.J. Basic Crystallography, John Willey & Sons, Chichester, New York, Banwell, C.N.; McCash, E.M. Fundamentals of Molecular Spectroscopy Fourth Edition, McGraw-Hill Publishing Company, Χατζηιωάννου, Θ.Π; Κουππάρης, Μ.Α. Ενόργανη Ανάλυση, Πανεπιστημίου Αθηνών, Μαυρομούστακος, Θ.; Ματσούκας, Ι. NMR, Πανεπιστήμιο Πατρών, Acuña, A. U.; Amat-Guerri, F.; Morcillo, P.; Liras, M.; Rodríguez, B. Organic Letters, 2009, 11 (14),

138 ΣΚΟΠΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή έθεσε συγκεκριμένους στόχους με σκοπό α. την πληρέστερη εξιχνίαση της χημικής αλληλεπίδρασης των μεταλλοϊόντων Ti(IV) και Cd(II) με φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία απαντώνται σε βιολογικά υγρά, αποτελούν προϊόντα φυσικής προέλευσης, είτε είναι ενδιάμεσοι μεταβολίτες σε βιοχημικές διεργασίες και β. τη βιολογική εκτίμηση των νέων διακριτών μορφών που προέκυψαν. Οι στόχοι αυτοί που σε μεγάλο βαθμό επετεύχθησαν με επιτυχία, περιγράφονται παρακάτω: Η εξιχνίαση της χημικής δραστικότητας των μεταλλοϊόντων τιτανίου Ti(IV) και καδμίου Cd(II), με τη μορφή δυαδικών και τριαδικών συστημάτων τους με φυσιολογικά και μη φυσιολογικά υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας, τα οποία δύναται να συνυπάρχουν με τα υπό εξέταση μεταλλοϊόντα ποικιλοτρόπως σε βιολογικά υγρά, ως κυτταρικά συστατικά ή σε προϊόντα φυσικής προέλευσης. Ο δομικός και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νεοσυσταθέντων δυαδικών και τριαδικών συστημάτων τιτανίου και καδμίου. Η βιολογική αξιολόγηση (εκτίμηση τοξικότητας) των νέων δομών τιτανίου σε δυαδικό και τριαδικό επίπεδο που συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν, με σκοπό την προώθηση τους σε βιολογικές μελέτες εκτίμησης ενδεχόμενης βιολογικής δράσης (βιομιμητική και αντικαρκινική δράση)με τελικό στόχο την εφαρμογή τους στην θεραπεία ασθενειών (σακχαρώδη διαβήτη, διαφορών τύπων υπερπλασιών καρκίνος κ.ά.). Η διερεύνηση του τοξικού προφίλ των νέων υβριδικών υλικών καδμίου με φυσιολογικά υποστρώματα που συντεθήκαν και χαρακτηρίστηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής με σκοπό την περαιτέρω εκτίμησης της συμμετοχής των νέων διακριτών μορφών καδμίου σε σηματοδοτικά μονοπάτια που εμπλέκονται κατά την ανάπτυξη νεοπλασιών. Η συσχέτιση της δομικής ειδοκατανομής Ti(IV) και Cd(II) σε δυαδικό και τριαδικό επίπεδο με τα υπό εξέταση φυσιολογικά υποστρώματα, με την πιθανή βιολογική δράση (επαγόμενη τοξικότητα, θεραπευτικές ιδιότητες κ.ά.)

139 Η διερεύνηση της συνεισφοράς μορίων που χαρακτηρίζονται ως Ν-δότες (1,10 - φαινανθρολίνη, 2,2 -διπυριδίνη, κ.ά.) στη σύνθεση τριαδικών συστημάτων καδμίου με α- υδροξυοξέα και δικαρβοξυλικά οξέα, με σκοπό τη σύνθεση νέων υβριδικών υλικών με σημαντικές ιδιότητες (φωταύγεια, μαγνητισμός κ.ά.) και τεχνολογικές εφαρμογές (ρόφηση αερίων,καταλυτική δράση).

140 ΜΕΡΟΣ ΙΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

141 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΔΥΑΔΙΚΕΣ ΚΑΙ ΤΡΙΑΔΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ Cd(II) ΜΕ α-υδροξυκαρβοξυλικα ΟΞΕΑ Η διερεύνηση της χημικής δραστικότητας του καδμίου με οργανικά μόρια τα όποια κατά κύριο λόγω αποτελούν φυσιολογικά υποστρώματα τα οποία συνυπάρχουν ως κυτταρικά συστατικά ή εμπλέκονται γενικότερα σε βασικές βιοχημικές διεργασίες των έμβιων οργανισμών, πραγματοποιείται στο κεφάλαιο αυτό με την μελέτη της αλληλεπίδρασης του μετάλλου αυτού με μια σημαντική κατηγορία οργανικών μορίων, τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα. Τα οξέα αυτά όπως αναπτύχθηκε και σε προηγούμενη ενότητα αποτελούν συνήθως προϊόντα φυσικής προέλευσης, αλλά και συμμετέχουν σε διάφορους βιοχημικούς κύκλους. Τα οργανικά υποστρώματα τα οποία μελετηθήκαν στο κεφάλαιο αυτό, είναι το α. γλυκολικό οξύ, β. το α-υδροξυισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), γ. το κινικό οξύ και το δ. το βενζυλικό οξύ. Στα πλαίσια της μελέτης της χημικής συμπεριφοράς του Cd(II) σε περιβάλλον κυρίως υδατικό, οπού απαντώνται τα παραπάνω βιομόρια, πραγματοποιήθηκε και η διερεύνηση της επίδρασης της τροποποίησης του χημικού περιβάλλοντος με την προσθήκη Ν- δοτών όπως η 2,2 -, 4,4 - διπυριδίνης και 1,10 - φαινανθρολίνης, στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νεοσυσταθέντων ενώσεων του καδμίου. Τέλος, σε ορισμένες περιπτώσεις πραγματοποιήθηκε βιολογική αξιολόγηση των νέων ενώσεων καδμίου-α-υδροξυ καρβοξυλικά οξέα, όσον αφορά στην ανάπτυξη του τοξικού τους προφίλ σε κυτταρικές σειρές. 104

142 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.1 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΤΟ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟ ΟΞΥ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Cd(ΙΙ)-ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Εισαγωγή Οι δυσμενείς τοξικές επιδράσεις του καδμίου στους ζωντανούς οργανισμούς φυτικούς και ζωικούς, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου, κατά την είσοδό του με διάφορες μορφές στο οικοσύστημα, αποτέλεσε το βασικό ερέθισμα για διερεύνηση της χημικής και βιολογικής αλληλεπίδρασής του μετάλλου αυτού με φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία απαντώνται σε ιστούς και σε βιολογικά υγρά των ζώντων οργανισμών, αλλά και αποτελούν ενδιάμεσες ενώσεις σε βασικά βιοχημικά μεταβολικά μονοπάτια. 1 Ένα τέτοιο φυσιολογικό υπόστρωμα, του οποίου η διερεύνηση του χημικού και τοξικού προφίλ του καδμίου υπό την παρουσία του θα δώσει σημαντικές πληροφορίες για την αλληλεπίδραση του μετάλλου με τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, είναι το γλυκολικό οξύ, το απλούστερο α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ (Εικόνα 7.1.1). Το γλυκολικό οξύ αποτελεί φυσικό συστατικό, παρών σε διάφορες φυσικές πηγές όπως στα ζαχαρότευτλα και σε διάφορα φρούτα, όπως ανανάς, σταφύλια. Επίσης, στα φυτά αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν του κύκλου φωτοαναπνοής του άνθρακα. Η παρουσία του στην καθημερινή διατροφή του ανθρώπου είναι συνεπώς φανερή με μεγάλη πιθανότητα να συνυπάρχει σε ένα τοξικά επιβαρυμένο περιβάλλον με το μέταλλο του καδμίου, έχοντας ως άμεση συνέπεια την ενδεχόμενη σύνθεση βιοδιαθέσιμων μορφών καδμίου-γλυκολικού οξέος και εισαγωγή αυτών μέσω της τροφικής αλυσίδας στον άνθρωπο. Η χημική δραστικότητα που επιδεικνύει το μεταλλοϊόν του καδμίου με το γλυκολικό οξύ, οδήγησε στη σύνθεση περισσότερο διαλυτών και κατ επέκταση περισσότερο βιοδιαθέσιμων μορφών καδμίου (ικανών να εμπλέκονται σε μεταβολικά μονοπάτια που ακολουθούνται σε διάφορες παθολογικές καταστάσεις, όπως ο καρκίνος). Οι νέες ενώσεις, εν συνεχεία εξετάζονται ως προς το τοξικό τους προφίλ. 105

143 Α Β Γ Εικόνα Τα οργανικά υποστρώματα: Α. γλυκολικό οξύ, Β. 2,2 -διπυριδίνη, Γ. 4,4 -διπυριδίνη Η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 με το γλυκολικό οξύ στο νερό, είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση ενός νέου πολυμερικού δυαδικού κρυσταλλικού υλικού [Cd(glycolate) 2 ] n (1), το οποίο χαρακτηρίστηκε δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Ο χαρακτηρισμός της δομής της ένωσης 1 με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου, είχε ως αποτέλεσμα τον προσδιορισμό του μοριακού τύπου της ένωσης, ο οποίος είναι: [Cd(C 2 H 3 O 3 ) 2 ] n (1). Η περαιτέρω επίδραση υποκαταστατών, οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως Ν-δότες, όπως η 2,2 -διπυριδίνη (2,2 -bipy) και η 4,4 -διπυριδίνη (4,4 -bipy) (Εικόνα 7.1) στο σύστημα καδμίου-γλυκολικού οξέος, είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση δύο νέων πολυμερικών τριαδικών κρυσταλλικών ενώσεων του καδμίου, οι οποίες χαρακτηρίστηκαν δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά, ενώ η μελέτη της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ προσδιόρισε τους μοριακούς τύπους των ενώσεων 2 και 3 οι οποίοι είναι: [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) και {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3). (glycolate = C 2 H 3 O 3, 2,2 - bipy = 2,2 -διπυριδίνη, 4,4 -bipy = 4,4 -διπυριδίνη). Οι νέες προκύπτουσες ενώσεις είναι σταθερές σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η χημική δραστικότητα του καδμίου με το απλούστερο α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ το γλυκολικό οξύ, με ή χωρίς τη συμμετοχή Ν-υποκαταστατών, αποτελεί ένα πολύ σημαντικό βήμα στη διερεύνηση της αλληλεπίδρασης της μεταλλοτοξίνης του καδμίου με φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία απαντώνται στους ιστούς και στα βιολογικά υγρά, καθώς και στον προσδιορισμό των πιθανών μορφών με τις οποίες το ιόν του καδμίου απαντάται σε αυτά. 106

144 7.1.2 Σύνθεση Η σύνθεση των ενώσεων συναρμογής του καδμίου με γλυκολικό οξύ με ή χωρίς τη συνεισφορά Ν-υποκαταστατών πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα, η επίδραση γλυκολικού οξέος σε υδατικό διάλυμα Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O με προσθήκη ΚΟΗ στην τελική τιμή ph 5 οδήγησε στην απομόνωση άχρωμου κρυσταλλικού υλικού με τύπο: [Cd(glycolate) 2 ] n (1). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: Αντίδραση 1 ncd(no 3 ) 2 + 2n C 2 H 4 O 3 + 2n KOH ph 5 [Cd(C 2 H 3 O 3 ) 2 ] n +2n KNO 3 +2n H 2 O Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η παρουσία της βάσης κατέχει καθοριστικό ρόλο, αφενός μεν για την επίτευξη του επιθυμητού ph, αφετέρου δε για τη σταθεροποίηση του αναδυόμενου πλέγματος. Επίσης, η εισαγωγή της 2,2 - και 4,4 -διπυριδίνης στο σύστημα καδμίου-γλυκολικού οξέος, χωρίς την προσθήκη επιπλέον βάσης, στην τελική τιμή ph 4 και 5, αντίστοιχα, εφαρμόζοντας την τεχνική της υδροθερμικής μεθόδου, είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση δύο νέων τριαδικών συστημάτων καδμίου με τύπους [Cd(glycolate)(2,2 - bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) και [Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)] n nno 3 2nH 2 O (3), αντίστοιχα, σύμφωνα με τις αντιδράσεις 2 και 3. Αντίδραση 2 n Cd(NO 3 ) 2 +n C 2 H 4 O 3 + n C 10 H 8 N 2 +n H 2 O ph 4 [Cd(C 2 H 3 O 3 )(C 10 H 8 N 2 )(NO 3 )] n. nh 2 O +n HNO 3 107

145 n Cd(NO 3 ) 2 + n C 2 H 4 O 3 +n C 10 H 8 N 2 +3n H 2 O Αντίδραση 3 ph 5 {[Cd(C 2 H 3 O 3 )(C 10 H 8 N 2 ) (H 2 O)](NO 3 )} n. 2nH 2 O +n HNO 3 Το γενικό σχήμα, στο οποίο παρουσιάζεται η στρατηγική σύνθεσης των νεοσυσταθέντων δυαδικών και τριαδικών συστημάτ ων Cd(II)/γλυκολικού οξέος/ Ν- υποκαταστάτες, δίνεται παρακάτω (Σχήμα 7.1.1). Cd(NO 3 ) 2 + 4,4 -Διπυριδίνη Γλυκολικό οξύ 2,2 -Διπυριδίνη Σχήμα Στρατηγική σύνθεσης των ενώσεων συναρμογής

146 Στο σημείο αυτό κρίνεται απαραίτητη μια σύντομη περιγραφή της υδροθερμικής μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Η υδροθερμική μέθοδος σύνθεσης και κρυστάλλωσης συνίσταται στην ανάπτυξη χημικής δραστικότητας στερεών και υγρών ενώσεων σε κατάλληλο διαλύτη (στην προκειμένη περίπτωση στο νερό) σε κλειστό δοχείο, σε καθορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας (100 ºC<Τ<250 ºC) και χρόνου. Οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε δοχείο κατασκευασμένο από Teflon (Εικόνα 7.1.2), ερμητικά κλειστό, το οποίο στη συνέχεια εισάγεται σε μεταλλικό αυτόκλειστο μικροαντιδραστήρα σε συνθήκες πίεσης γύρω στις 25 atm. Ο όγκος του αντιδρώντος μίγματος υπολογίζεται περίπου στα 20 ml. Κατά την εφαρμογή της υδροθερμικής μεθόδου πραγματοποιείται αρχικά διάλυση του αντιδρώντος μίγματος, πραγματοποίηση της αντίδρασης και τελικά κρυστάλλωση του προϊόντος στο διάλυμα. Εικόνα Δοχείο από Teflon και αυτόκλειστος μικροαντιδραστήρας Η υδροθερμική μέθοδος προσφέρει σημαντική λύση, όταν η αντίδραση σε συνθήκες περιβάλλοντος είναι ανέφικτο να πραγματοποιηθεί. Το προφίλ θερμοκρασίας-χρόνου που επιλέχθηκε κατά την εφαρμογή της υδροθερμικής μεθόδου στη σύνθεση όλων των νέων δυαδικών και τριαδικών ενώσεων του καδμίου με οργανικά υποστρώματα α-υδροξυκαρβοξυλικά και δικαρβοξυλικά οξέα είναι: άνοδος της θερμοκρασίας από την θερμοκρασία περιβάλλοντος σε θερμοκρασία T 160ºC σε 4h (t ανόδου ), παραμονή στους 160 ºC (T αντίδρασης ) για t 72h (t παραμονής ) και στη συνέχεια σταδιακή ψύξη των δειγμάτων σε συνθήκες περιβάλλοντος. 109

147 7.1.3 Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια Όλες οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (γλυκολικό οξύ, 2,2 - διπυριδίνη και 4,4 - διπυριδίνη, KOH, NaOH) προμηθεύτηκαν από εμπορικές πηγές (Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Χρησιμοποιήθηκαν οι διαλύτες υπερκαθαρό νερό και αιθανόλη. Οι νέες ενώσεις, οι οποίες απομονώθηκαν με διήθηση και ξήρανση στον αέρα, είναι σταθερές σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. Η στοιχειακή ανάλυση C,H,N (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή πραγματοποιείται στιγμιαία άνοδο της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης (N 2, CO 2, H 2 O και SO 2 ). Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TC, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. Η θερμοσταθμική ανάλυση TGA πραγματοποιήθηκε σε αερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας το σύστημα Perkin Elmer Pyris 1 TGA. Ο ρυθμός θέρμανσης των δειγμάτων ήταν 5 C/min, στην περιοχή τιμών θερμοκρασίας ºC. Το δείγμα που αναλύθηκε είχε μάζα που κυμαινόταν από 2 έως 10 mg. Κατά την εκτέλεση της ανάλυσης, το δείγμα υποβάλλεται σε καύση με ρεύμα αέρα με ροή 20.0 ml/min. Το δείγμα θερμαίνεται από τους 25 έως τους 900º C με ρυθμό 5.00 C/min, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ουσία χάνει σταδιακά μάζα δίνοντας ως τελικά προϊόντα H 2 O, CO 2 και N 2, και απομένει συνήθως το οξείδιο του αντίστοιχου μετάλλου. Η 110

148 απώλεια της μάζας της ένωσης καταγράφεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου Η φασματοσκοπία 1 Η- και 13 C-NMR σε διάλυμα για τα υλικά 1 και 2, διεξήχθη σε φασματόμετρο Varian 600 MHz. Η συγκέντρωση του δείγματος ήταν ~ 5 mm. Προσφάτως παρασκευασμένες ενώσεις διαλύθηκαν σε D 2 O. Τα φάσματα άνθρακα 13 C-παρελήφθησαν μετά από 5000 παλμούς σε φασματικό εύρος Hz και με καθυστέρηση χαλάρωσης των 2s. Τα φάσματα 1 H- παρελήφθησαν μετά από με 2046 παλμούς σε φασματικό εύρος 9000 Hz. Τα πειραματικά δεδομένα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας ρουτίνες VNMR. Οι χημικές μετατοπίσεις αναφέρονται σε ppm, ενώ τα φάσματα αναφοράς βασίστηκαν στο πρότυπο της πειραματικής διάταξης. Η μελέτη φωταύγειας των υπό εξέταση νέων ενώσεων πραγματοποιήθηκε σε φασματοφωτόμετρο φθορισμού Hitachi F Πειραματικό μέρος Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(glycolate) 2 ] n (1) Μέθοδος α. Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.16 g, 0.50 mmol) διαλύθηκε σε 3 ml υπερκαθαρού νερού σε σφαιρική φιάλη. Το διάλυμα αφέθηκε υπό ανάδευση μέχρι την τελική διάλυση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O. Ακολούθησε η προσθήκη υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, του υπό εξέταση φυσιολογικού υποκαταστάτη, του γλυκολικού οξέος (0.076 g, 1.0 mmol). Στο αντιδρών διάλυμα, προστέθηκαν αργά σταγόνες διαλύματος υδροξειδίου του καλίου ΚΟΗ για τη ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή ph 5. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση για περίπου μισή ώρα για ολοκλήρωση της διαδικασίας της αντίδρασης. Ακολούθησε τοποθέτησή του σε συνθήκες ψύξης στους 4 C. Προσθήκη ψυχρής αιθανόλης σε τακτά χρονικά διαστήματα, είχε ως αποτέλεσμα την εναπόθεση μετά από περίπου 3 εβδομάδες, άχρωμου κρυσταλλικού υλικού. Το κρυσταλλικό υλικό απομονώθηκε με διήθηση και ξήρανση σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 2 H 3 O 3 ) 2 ] n (1) (C 4 H 6 CdO 6 ), Μοριακό βάρος: Θεωρητικές τιμές (%) C: 18.28, H: Πειραματικές τιμές (%) C: 18.40, H:

149 Μέθοδος β. Στην απομόνωση του ίδιου κρυσταλλικού υλικού 1 οδήγησε η παραπάνω πειραματική διαδικασία σε χαμηλότερη τελική τιμή ph αντί της τιμής 5. Μέθοδος γ. Παρομοίως, η νέα δυαδική ένωση 1 σχηματίστηκε και απομονώθηκε, κατά την προσθήκη NaOH για τη ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή 3, αντί της βάσης ΚΟΗ. Οι αναλογίες των αντιδρώντων και οι συνθήκες της αντίδρασης και κρυστάλλωσης (layering) παρέμειναν ακριβώς αυτές που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διεξαγωγή της μεθόδου α. Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.16 g, 0.50 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη με 15 ml H 2 O υπό ανάδευση. Στο διάλυμα προστέθηκε γλυκολικό οξύ (0.076 g, 1.0 mmol) και εν συνεχεία (0.080 g, 0.50 mmol) 2,2 -διπυριδίνη. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση για 15 περίπου λεπτά. Η τελική τιμή του ph του διαλύματος ήταν 4. Το αντιδρών μίγμα μεταφέρθηκε σε ειδικό μικροαντιδραστήρα, ο οποίος στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε φούρνο σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης 160 C για 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ακολούθησε διήθησή του και τελικά το διήθημα αφέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη (slow evaporation). Μετά από τρεις εβδομάδες σχηματίστηκε υποκίτρινο κρυσταλλικό υλικό, το οποίο παρελήφθη με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 2 H 3 O 3 )(C 10 H 8 N 2 )(NO 3 )] nh 2 O (2) (C 12 H 13 CdΝ 3 O 7 ), Μοριακό βάρος: 423.6, Θεωρητικές τιμές (%) C: 33.99, H: 3.00, N: Πειραματικές τιμές (%) C: 34.18, H: 3.02, N: Σύνθεση της τριαδικής ένωσης {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3) Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.16 g, 0.50 mmol) διαλύθηκε υπό ανάδευση σε σφαιρική φιάλη με 15 ml H 2 O. Στο διάλυμα προστέθηκε γλυκολικό οξύ (0.035 g, 0.50 mmol) και (0.080 g, 0.50 mmol) 4,4 -διπυριδίνης. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση για 20 περίπου λεπτά. Η τελική τιμή του ph του διαλύματος ήταν 5. Το αντιδρών μίγμα μεταφέρθηκε σε ειδικό μικροαντιδραστήρα και εν συνεχεία μεταφέρθηκε σε φούρνο για την πραγματοποίηση υδροθερμικής αντίδρασης σε συνθήκες 160 C για 112

150 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, ακολούθησε ψύξη του διαλύματος που προέκυψε σε συνθήκες περιβάλλοντος και διήθησή του υπό κενό. Απευθείας, από την πραγματοποίηση της υδροθερμικής μεθόδου σχηματίστηκε κρυσταλλικό υλικό με μορφή βελόνων, χρώματος κιτρινο-πορτοκαλί, το οποίο αφέθηκε να ξηρανθεί με φυσικό τρόπο στον ατμοσφαιρικό αέρα και αναλύθηκε περαιτέρω. Ταυτοχρόνως, το διήθημα του αντιδρώντος μίγματος αφέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη (slow evaporation). Μετά από δύο εβδομάδες σχηματίστηκε το ίδιο κρυσταλλικό υλικό, το οποίο παρελήφθη με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3). (C 12 H 17 CdΝ 3 O 9 ), Μοριακό βάρος: Θεωρητικές τιμές (%) C:31.33, H 3.69, N: 9.14 Πειραματικές τιμές (%) C: 31.54, H: 3.90, N: Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής Μονοκρύσταλλοι των ενώσεων 1-3 παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2, εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo K α (λ= Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της συλλογής των δεδομένων κανένας κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS με βάση τις διαστάσεις των κρυστάλλων. Τελικά, οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP, ενσωματωμένο στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τέλος, η απεικόνιση της δομής σχεδιάστηκε με το κρυσταλλογραφικό πακέτο Diamond 3.1, με ελλειψοειδή του κάθε 113

151 ατόμου της τάξης του 50%. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 1, 2 και 3. Ενώσεις Μοριακός Τύπος C 4 H 6 CdO 6 C 12 H 13 CdN 3 O 7 C 12 H 17 CdN 3 O 9 Μοριακό βάρος Τ ºΚ Κρυσταλλικό σύστημα Ομάδα Συμμετρίας Χώρου Ορθορομβικό Μονοκλινές Μονοκλινές Pbca P2 1 /c P2 1 /n a (Ǻ) (8) (3) (3) b (Ǻ) (9) (3) (2) c (Ǻ) (13) (7) (4) α, deg β, deg (13) (11) γ, deg V (Ǻ 3 ) (2) (9) (7) Ζ D υπολ. (Mg m -3 ) Τιμές R R= R w = R= R w = R= R w = Πίνακας Τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 1-3. Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης [Cd(glycolate) 2 ] n (1) Η ένωση 1 κρυσταλλώνει στο ορθορομβικό σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου Pbca. Η δομή της ένωσης 1 φαίνεται στο Σχήμα Στον πίνακα παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών της ένωσης 1. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος του μορίου περιλαμβάνει ένα ιόν Cd(II) και δύο γλυκολικούς υποκαταστάτες. Ο πολυμερισμός της μονάδας αυτής οδηγεί στο σχηματισμό της πολυμερικής ένωσης 1. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 7.1.2, ο αριθμός συναρμογής του κεντρικού ιόντος του Cd(II) είναι 7. Η γεωμετρία γύρω από το ιόν του καδμίου είναι πενταγωνική διπυραμίδα. Αναλυτικά, 114

152 το ιόν του Cd(1) είναι συναρμοσμένο με πέντε γλυκολικούς υποκαταστάτες με δύο τρόπους συναρμογής. Με δύο γλυκολικούς υποκαταστάτες, το κεντρικό ιόν του Cd(II) συναρμόζεται μέσω του ενός οξυγόνου των καρβονυλίων της αποπρωτονιωμένης καρβοξυλικής τους ομάδας και του οξυγόνου της εξίσου αποπρωτονιωμένης αλκοολικής ομάδας. Οι υπόλοιπες 3 θέσεις συναρμογής του καδμίου καταλαμβάνονται από τα οξυγόνα της μίας COOH ομάδας των υπολοίπων τριών γλυκολικών υποκαταστατών. Με τον παραπάνω τρόπο σχηματίζονται έτσι πενταμελείς σταθεροί μεταλλακυκλικούς δακτυλίους. Οι δύο τρόποι συναρμογής των γλυκολικών υποκαταστατών στο ιόν του καδμίου στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης 1 φαίνεται και από το διάγραμμα Diamond της ένωσης 1. Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(glycolate) 2 ] n (1) Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης {[Cd(glycolate)(2,2 - bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) Η ένωση 2 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου P 2 1 /c. Το διάγραμμα της ένωσης 2 φαίνεται στο σχήμα Στον πίνακα παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών της ένωσης 2. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος της ένωσης περιέχει ένα ιόν Cd(II), ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης, έναν γλυκολικό υποκαταστάτη και ένα νιτρικό ιόν ΝΟ 3, το οποίο και αντισταθμίζει το κατιοντικό φορτίο του ιόντος της ένωσης 2. Επιπλέον, περιέχεται ένα μόριο νερού στο κρυσταλλικό πλέγμα. Ο πολυμερισμός της 115

153 επαναλαμβανόμενης της σύμπλοκης μονάδας οδηγεί στο σχηματισμό της πολυμερικής ένωσης 2. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.1.3, κάθε ιόν Cd(ΙΙ) συναρμόζεται με ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης μέσω των δύο ατόμων Ν αζώτου και με έναν γλυκολικό υποκαταστάτη μέσω δύο ατόμων οξυγόνου, ενός της καρβοξυλικής ομάδας και ενός της μη αποπρωτονιωμένης αλκοολικής ομάδας του υποκαταστάτη. Επίσης, μία θέση συναρμογής του ιόντος Cd(ΙΙ) καταλαμβάνεται από το ένα οξυγόνο της καρβοξυλομάδας ενός ακόμη γλυκολικού υποκαταστάτη. Τέλος, η σφαίρα συναρμογής του καδμίου ολοκληρώνεται με δύο οξυγόνα ενός διδοντικού νιτρικού ιόντος το οποίο συμμετέχει το κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης 2. Επίσης, ένα μόριο νερού υπάρχει στο πλέγμα της ένωσης. Συνεπώς, ο αριθμός συναρμογής του καδμίου είναι 7, με γεωμετρία πενταγωνικής διπυραμίδας γύρω από το κεντρικό ιόν του Cd, όπως και στην ένωση 1. Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) 116

154 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης {[Cd(glycolate)(4,4 - bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3) Η ένωση 3 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου P 2 1 /n. Η δομή της ένωσης 3 φαίνεται στο σχήμα Στον πίνακα παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών της ένωσης 3. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος του μορίου αποτελείται από ένα ιόν Cd(II) ένα μόριο 4,4 -διπυριδίνης, ένα γλυκολικό υποκαταστάτη και ένα μόριο νερού. Ένα ιόν ΝΟ 3 και δύο μόρια Η 2 Ο απαντώνται επίσης στο κρυσταλλικό πλέγμα. Ο πολυμερισμός της επαναλαμβανόμενης δομικής μονάδας οδηγεί στο σχηματισμό της πολυμερικής ένωσης 3. Στην ένωση 3, το ιόν του Cd (II) εμφανίζει αριθμό συναρμογής 7 με γεωμετρία πενταγωνικής διπυραμίδας. Το κεντρικό ιόν του Cd(II) συνδέεται με δύο μόρια 4,4 -διπυριδίνης, μέσω του ακραίου ατόμου Ν του κάθε μορίου. Η σφαίρα συναρμογής του καδμίου περιλαμβάνει 2 γλυκολικούς υποκαταστάτες, οι οποίοι παρουσιάζουν διαφορετικό τρόπο σύνδεσης με το ιόν του καδμίου. Συγκεκριμένα, το ιόν του μετάλλου συνδέεται με τον ένα γλυκολικό υποκαταστάτη μέσω και των δύο οξυγόνων της καρβοξυλικής ομάδας του, ενώ με τον άλλο υποκαταστάτη η σύνδεση γίνεται μέσω του ενός οξυγόνου της -COO ομάδας και του οξυγόνου της -OH ομάδας. Και στις δύο περιπτώσεις συναρμογής, μόνο η καρβοξυλομάδα του γλυκολικού υποκαταστάτη είναι αποπρωτονιωμένη. Τέλος, ένα οξυγόνο ενός μορίου Η 2 Ο, ολοκληρώνει τη σφαίρα συναρμογής του καδμίου. Το θετικό φορτίο της σύμπλοκης δομικής μονάδας αντισταθμίζεται από ένα ιόν NO 3 και δύο μόρια Η 2 Ο, τα οποία όμως δεν ανήκουν στην σφαίρα συναρμογής του μεταλλοϊόντος. 117

155 Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης {[Cd(glycolate)(4,4 - bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O (3) Ακολουθεί ο Πίνακας με επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων 1, 2 και

156 1 Bond lengths [Å] 2 Bond lengths [Å] 3 Bond lengths [Å] Cd(1) O(6) i (3) Cd(1) O(2) i (16) Cd(1) - O(1) i (15) Cd(1) O(3) ii (4) Cd(1) - O(1) (17) Cd(1) - O(2) i (15) Cd(1) O(5) iii (3) Cd(1) - O(3) (17) Cd(1) - N(2) ii (18) Cd(1) O(2) ii (3) Cd(1) - O(4) (19) Cd(1) - N(1) (17) Cd(1) O(4) i (3) Cd(1) - O(5) (2) Cd(1) - O(1) (16) Cd(1) O(1) (3) Cd(1) - N(1) (19) Cd(1) - O(3) (16) Cd(1) O(5) (3) Cd(1) - N(2) (18) Cd(1) - O(4) (16) Angles [ ] Angles [ ] Angles [ ] O(6) i -Cd(1)-O(3) ii (12) O(2) i -Cd(1)-O(1) (6) O(1) i -Cd(1)-O(2) i (5) O(6) i -Cd(1)-O(5) iii (12) O(2) i -Cd(1)-O(3) (6) O(1) i -Cd(1)-N(2) ii (6) O(3) ii -Cd(1)-O(5) iii (12) O(1)-Cd(1)-O(3) (6) O(2) i -Cd(1)-N(2) ii (6) O(6) i -Cd(1)-O(2) ii (12) O(2) i -Cd(1)-O(4) (6) O(1) i -Cd(1)-N(1) (6) O(3) ii -Cd(1)-O(2) ii (12) O(1)-Cd(1)-O(4) (6) O(2) i -Cd(1)-N(1) (6) O(5) iii -Cd(1)-O(2) ii (12) O(3)-Cd(1)-O(4) (6) N(2) ii -Cd(1)-N(1) (8) O(6) i -Cd(1)-O(4) i (12) O(2) i -Cd(1)-O(5) (6) O(1) i -Cd(1)-O(1) (2) O(3) ii -Cd(1)-O(4) i (12) O(1)-Cd(1)-O(5) (6) O(2) i -Cd(1)-O(1) (5) O(5) iii -Cd(1)-O(4) i (12) O(3)-Cd(1)-O(5) (7) N(2) ii -Cd(1)-O(1) (6) O(2) ii -Cd(1)-O(4) i (12) O(4)-Cd(1)-O(5) (6) N(1)-Cd(1)-O(1) (7) O(6) i -Cd(1)-O(1) (13) O(2) i -Cd(1)-N(1) (6) O(1) i -Cd(1)-O(3) (5) O(3) ii -Cd(1)-O(1) (13) O(1)-Cd(1)-N(1) (6) O(2) i -Cd(1)-O(3) (6) O(5) iii -Cd(1)-O(1) (13) O(3)-Cd(1)-N(1) (7) N(2) ii -Cd(1)-O(3) (7) O(2) ii -Cd(1)-O(1) (13) O(4)-Cd(1)-N(1) (6) N(1)-Cd(1)-O(3) (7) O(4) i -Cd(1)-O(1) (13) O(5)-Cd(1)-N(1) (7) O(1)-Cd(1)-O(3) (5) O(6) i -Cd(1)-O(5) (12) O(2) i -Cd(1)-N(2) (6) O(1) i -Cd(1)-O(4) (5) O(3) ii -Cd(1)-O(5) (12) O(1)-Cd(1)-N(2) (6) O(2) i -Cd(1)-O(4) (6) O(5) iii -Cd(1)-O(5) (13) O(3)-Cd(1)-N(2) (6) N(2) ii -Cd(1)-O(4) (6) O(2) ii -Cd(1)-O(5) (12) O(4)-Cd(1)-N(2) (6) N(1)-Cd(1)-O(4) (7) O(1)-Cd(1)-O(5) (12) O(5)-Cd(1)-N(2) (7) O(1)-Cd(1)-O(4) (5) O(4) i -Cd(1)-O(5) (12) N(1)-Cd(1)-N(2) (7) O(3)-Cd(1)-O(4) (6) Symmetry codes: (i) x+3/2, y 1/2, z; (ii) x+1/2, y, z+1/2; (iii) x+2, y, z+1. Symmetry codes: (i) x+2, y+1/2, z+1/2. Symmetry codes: (i) x+3/2, y+1/2, z+3/2; (ii) x 1/2, y+1/2, z+1/2. Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων

157 7.1.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Το φάσμα FT-IR των ενώσεων 1-3 σε KBr παρουσιάζει τις αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων (Σχήμα 7.1.5). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα 1581 cm -1, 1596 cm -1 και 1609 cm - 1 για τις ενώσεις 1-3. Οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται στην περιοχή cm -1, cm -1 και 1391 cm -1, αντίστοιχα. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT-IR των ενώσεων 1-3 παρατηρείται μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου βασικού υποκαταστάτη του γλυκολικού οξέος. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση του γλυκολικού οξέος, όταν αυτό συναρμόζεται με το ιόν του καδμίου. 100 Vas (COO-) Vs (COO-) Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) 120 Α

158 Vas (COO-) Vs (COO-) 100 Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) B. Vas (COO-) Vs (COO-) 100 Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) Σχήμα Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 1, Β. 2, και Γ. 3 Γ. 121

159 7.1.6 Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C- (NMR Spectroscopy) σε διάλυμα Τα φάσματα 13 C-NMR σε διάλυμα των προσφάτως παρασκευασθέντων ενώσεων 1 και 2 καταγράφηκαν σε D 2 O. Το φάσμα 13 C-NMR της ένωσης 1 (Σχήμα Β) παρουσιάζει μία κορυφή στα 60.7 ppm, η οποία αποδίδεται στο μεθυλενικό άνθρακα του γλυκολικού υποκαταστάτη και μια κορυφή στα180.0 ppm, η οποία βρίσκεται σε συμφωνία με τον καρβοξυλικό άνθρακα του γλυκολικού υποκαταστάτη. Το φάσμα 13 C-NMR του 2 (Σχήμα Β) παρουσιάζει μια κορυφή στα 60.7 ppm που αποδίδεται στον μεθυλενικό άνθρακα του γλυκολικού υποκαταστάτη και απορροφήσεις στην περιοχή ppm, οι οποίες αποδίδονται στην παρουσία των αρωματικών ανθράκων. Τέλος, η κορυφή στα ppm θα μπορούσε να αποδοθεί στην παρουσία του καρβονυλικού άνθρακα του υποκαταστάτη, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το Cd(II). Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπία 1 Η- και 13 C- NMR σε διάλυμα, επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Επίσης, παρατηρείται μετατόπιση των κορυφών σε χαμηλότερα πεδία σε σχέση με τον ελεύθερο γλυκολικό υποκαταστάτη. Συγκεκριμένα, η μετατόπιση ήταν ~ 2.0 ppm για 1 και 2 σε χαμηλότερα πεδία και ήταν συγκρίσιμη με εκείνη που παρατηρείται στην CP-MAS-NMR 13 C στερεάς κατάστασης φάσμα των 1 και 2. Όσον αφορά στα φάσματα 1 H-NMR των 1 και 2 σε D 2 O, αυτά έδειξαν αρκετές κορυφές. Το φάσμα 1 H-NMR της 1 (Σχήμα Α) εμφανίζει κορυφή στα 3.8 ppm και συμφωνεί με την παρουσία των πρωτονίων της μεθυλενομάδας του γλυκολικού υποκαταστάτη. Το φάσμα 1 H-NMR της ένωσης 2 (Σχήμα Α) εμφανίζει κορυφή στα 3.8 ppm και βρίσκεται σε συμφωνία με την παρουσία των πρωτονίων της μεθυλενομάδας του γλυκολικού υποκαταστάτη. Οι κορυφές στην περιοχή ppm θα μπορούσαν να αποδοθούν στην παρουσία αρωματικών πρωτονίων. 122

160 Α Β Σχήμα Φάσματα ΝMR σε διάλυμα Α. 1Η -NMR, Β. 13 C-NMR φάσμα της ένωσης 1 123

161 Α Β Σχήμα Φάσματα ΝMR σε διάλυμα Α. 1 Η NMR, και Β. 13 C NMR της ένωσης 2 124

162 7.1.7 Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) των ενώσεων 1-3 Η θερμική διάσπαση των ενώσεων 1-3 μελετήθηκε κάτω από ατμόσφαιρα οξυγόνου (Σχήμα ). Η ένωση 1 είναι σταθερή μέχρι τη θερμοκρασία των 238ºC. Μεταξύ 238 ºC και 428 ºC, παρατηρείται απώλεια μάζας, η οποία οφείλεται στην αποσύνθεση του οργανικού τμήματος της ένωσης. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν ξεκάθαρα plateaus σε αυτά τα στάδια, χωρίς μεταβολές μάζας. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέραν της θερμοκρασίας των 428 ºC, δεν παρουσιάζεται απώλεια μάζας έως και τους 900 ºC. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι το προϊόν πέραν των 428 ºC είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 51.0% και είναι πολύ κοντά στην υπολογιζόμενη θεωρητική τιμή 50.8% που υπολογίστηκε σύμφωνα με την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης που ακολουθεί. [Cd(C 2 H 3 O 3 ) 2 ]n + 3n O 2 n CdO + 4n CO 2 + 3nH2O Ένωση Βάρος % Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης 1 Η ένωση 2 είναι σταθερή έως τη θερμοκρασία των 112 ºC. Από τη θερμοκρασία αυτή και έως τους 224 ºC παρατηρείται απώλεια μάζας, προφανώς λόγω του μη συναρμοσμένου νερού που απαντάται στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης 2. Μεταξύ των 224 ºC και 431 ºC, η απώλεια μάζας οφείλεται στην αποδόμηση του 125

163 οργανικού μέρους του πολυμερούς 2. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα TGA της ένωσης 2, δεν υπάρχουν ξεκάθαρα plateaus σε αυτά τα στάδια, χωρίς μεταβολές μάζας. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πάνω από τη θερμοκρασία των 400 ºC, η μάζα παραμένει αμετάβλητη, γεγονός που δηλώνει ότι το μόνο προϊόν που έχει απομείνει είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 69.7% και ταυτίζεται με τη θεωρητική τιμή 69.7% που υπολογίστηκε σύμφωνα με την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης που ακολουθεί. 100 Ένωση 2 80 Βάρος % Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης 2 Στην ένωση 3 παρατηρείται απώλεια μάζας από την αρχή της διαδικασίας της καύσης. Συγκεκριμένα, μεταξύ των 23 ºC έως και τους 94 ºC, παρατηρείται απώλειας μάζας λόγω απομάκρυνσης του μη συναρμοσμένου νερού. Ακολουθεί, μεταξύ των 94 ºC έως τους 200 ºC, απομάκρυνση του κρυσταλλικού νερού στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης 3. Μεταξύ των 200ºC και 435 ºC, η απώλεια μάζας οφείλεται στην αποδόμηση του οργανικού μέρους του πολυμερούς 3. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα TGA της ένωσης 3, δεν υπάρχουν ξεκάθαρα plateaus σε αυτά τα στάδια, χωρίς μεταβολές μάζας. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πάνω από τη θερμοκρασία των 435 ºC, η μάζα παραμένει αμετάβλητη, γεγονός που δηλώνει ότι το μόνο προϊόν που έχει απομείνει είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 72.5 % και είναι πολύ κοντά 126

164 στην υπολογιζόμενη θεωρητική τιμή 72.2 % που υπολογίστηκε σύμφωνα με την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης που ακολουθεί. {[Cd(C 2 H 3 O 3 )(C 10 H 8 N 2 )(H 2 O)](NO 3 )} n. 2n H 2 O + 49n/2 O 2 ncdo +12n CO 2 17n/2 H 2 O +3n/2N 2 Ένωση Βάρος % Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης 3 127

165 7.1.8 Μελέτη φωταύγειας Μια ιδιαίτερα σημαντική οπτική ιδιότητα, η οποία προσδίδει ιδιαίτερη αξία στα νέα τριαδικά υλικά καδμίου-γλυκολικού οξέος-(ν-υποκαταστατών) (ενώσεις 2 και 3) τα οποία συντέθηκαν, είναι η εκδήλωση του φαινομένου της φωταύγειας. Η μελέτη της ιδιότητας της φωταύγειας πραγματοποιήθηκε στη στερεά κατάσταση, σε θερμοκρασία δωματίου. Κατά τη διάρκεια της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν ίσες ποσότητες τόσο των Ο- και Ν-υποκαταστατών, όσο και των συμπλόκων ενώσεων του καδμίου με γλυκολικό οξύ-(2,2 -διπυριδίνη) και γλυκολικό οξύ-(4,4 -διπυριδίνη). Στα διαγράμματα και στον πίνακα που ακολουθεί (Σχήμα , Πίνακας 7.1.3) συνοψίζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της φωταύγειας. Συγκεκριμένα, η ένωση 2 εμφάνισε έντονη εκπομπή στα 383 nm (λ ex 340 nm), τη στιγμή που το ελεύθερο γλυκολικό οξύ δεν παρουσίασε καμία εκπομπή ακτινοβολίας. H ελεύθερη μη συναρμοσμένη 2,2 -διπυριδίνη, με λ ex 322 nm, εμφάνισε έντονη κορυφή εκπομπής στα 388 nm. Φαίνεται λοιπόν, ότι η επίδραση της συμπλοκοποίησης του γλυκολικού υποκαταστάτη με το μεταλλικό κέντρο του Cd(II) και της συναρμογής της 2,2 - διπυριδίνης οδήγησε στην εκπομπή ακτινοβολίας-φωταύγειας. Όσον αφορά στην ένωση 3 κατά τη διέγερσή της σε μήκος κύματος λ ex 336 nm, εκδήλωσε εκπομπή στα 363 nm, ενώ οι αντίστοιχες τιμές για την ελεύθερη 4,4 -διπυριδίνη είναι λ ex 323 nm και λ em 358 nm, αντίστοιχα. Και στην περίπτωση της ένωσης 3, παρατηρείται εμφάνιση του φαινομένου της φωταύγειας, παρά το γεγονός ότι το φαινόμενο αυτό δεν χαρακτηρίζει το βασικό υποκαταστάτη της ένωσης (γλυκολικό οξύ) όπως αναφέρθηκε. Πιθανότατα, αυτό οφείλεται στην παρουσία του μορίου της 4,4 - διπυριδίνης (αρωματικός δακτύλιος) στην ένωση. Σύμφωνα με μελέτες του φαινομένου της φωταύγειας άλλων συμπλόκων ενώσεων 2 οι κορυφές εκπομπής μπορούν να αποδοθούν σε φαινόμενα μεταφοράς φορτίου από τον υποκαταστάτη στο μέταλλο (LMCT). 128

166 Απορρόφηση Α Απορρόφηση Α Μήκος κύματος (nm) Μήκος κύματος (nm) Α Β Απορρόφηση Α Απορρόφηση Α Μήκος κύματος (nm) Μήκος κύματος (nm) Γ Δ Σχήμα Φάσματα φωταύγειας της Α. 2, Β. 2,2 -διπυριδίνης, Γ. 3, και Δ. 4,4 - διπυριδίνης Ένωση Γλυκολικό οξύ 2,2 -διπυριδίνη 4,4 -διπυριδίνη Ένωση 2 Ένωση 3 λ ex (nm) λ em (nm) Καμία εκπομπή ακτινοβολίας Πίνακας Αποτελέσματα μελέτης φωταύγειας 129

167 7.1.9 Εκτίμηση του ενδεχόμενου τοξικού προφίλ των ενώσεων 1-3 Ως συνέχεια της μελέτης της χημικής δραστικότητας της μεταλλοτοξίνης του Cd(II) με το απλούστερο α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ, μελετήθηκε το τοξικό προφίλ που πιθανώς να επιδεικνύουν οι νέες ενώσεις 1-3 που συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν στo πλαίσιo της παρούσας εργασίας. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε το ποσοστό επιβίωσης κυτταρικών σειρών Saos-2 (καλοήθους οστεοσαρκώματος του ανθρώπου) και 3T3-L1 (πρώιμα λιποκύτταρα λιπώδους ιστού ποντικού). Διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων συγκεντρώσεων (1 500 μμ) τόσο απλών αλάτων Cd(II) και του ελεύθερου οργανικού υποκαταστάτη (γλυκολικό οξύ), όσο και των νέων υβριδικών ενώσεων 1 και 2. Αναφέρεται ότι η μελέτη της τοξικότητας της ένωσης 3 ήταν πρακτικά αδύνατη να πραγματοποιηθεί, λόγω ιδιαίτερα περιορισμένης διαλυτότητας της ένωσης στο νερό και συνεπώς μη βιοδιαθεσιμότητάς της. Η επώαση διήρκησε 24 h. Ως θετικός μάρτυρας χρησιμοποιήθηκε το δεοξυχολικό νάτριο (γνωστός κυτταροτοξικός παράγοντας). Ο προσδιορισμός του ποσοστού επιβίωσης πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο ποσοτικοποίησης του παρόντος ATP των κυττάρων, το οποίο είναι ευθέως ανάλογο της βιωσιμότητας, άρα της παρουσίας των μεταβολικά ενεργών κυττάρων. Η πυκνότητα της παραγόμενης φωτοφωταύγειας της λουσιφεράσης πραγματοποιήθηκε με φωτόμετρο Glomax 96 μικροπλακών (Promega Corporation, WI, USA). Ακολουθούν τα αποτελέσματα της μελέτης τοξικότητας. Α. Αξιολόγηση της τοξικής δράσης του Cd(II) (μη συμπλοκοποιημένο κάδμιο). Σε κύτταρα της κυτταρικής σειράς Saos-2 προστέθηκαν άλατα καδμίου (Cd(NO 3 ) 2, CdCl 2 και Cd(CH 3 COO) 2 ) σε διάφορες συγκεντρώσεις (1, 10, 100, και 500 μμ) και μετρήθηκε η βιωσιμότητα έπειτα από 24 h με kit (cell titer glo, Promega), με σκοπό την εκτίμηση των επιπέδων των μεταβολικά ενεργών κυττάρων. Από τα αποτελέσματα (Σχήμα ) προκύπτει ότι το ιόν του καδμίου επιδρά αρνητικά στην επιβίωση των κυττάρων με δοσο-εξαρτώμενο τρόπο. Επίσης, προκύπτει ότι το είδος του άλατος του καδμίου που επιδρά στο κύτταρο, επηρεάζει το τοξικό προφίλ του Cd(II). Το δεοξυχολικό νάτριο χρησιμοποιείται σε όλα τα πειράματα ως αρνητικός μάρτυρας. Όλα τα αποτελέσματα εκφράζονται ως εκατοστιαία μεταβολή 130

168 του μάρτυρα (μη διεγερμένα κύτταρα) και αποτελούν μέσους όρους ανεξάρτητων πειραμάτων με ελάχιστο αριθμό επαναλήψεων το τρία. Cd-nitrate 24h Saos-2 Cd-chloride 24h Saos-2 ns survival % control *** control sodium deoxycholate 1μM 10μM * 100μM *** 500 µm survival % control *** control sodium deoxycholate 1μM ns 10μM 100μM * 500 µm Cd-acetate 24h Saos-2 survival % control *** control sodium deoxycholate ns * *** 1μM 10μM 100μM 500 µm Σχήμα Μελέτη τοξικότητας αλάτων Cd(II) σε κυτταρικής σειρά Saos-2 μετά από επώαση 24 h (p<0.05) Β. Αξιολόγηση της τοξικής δράσης του υποκαταστάτη. Πραγματοποιήθηκε εκτίμηση της ενδεχόμενης τοξικής δράσης του υποκαταστάτη (γλυκολικό οξύ) που χρησιμοποιήθηκε ως κύριος υποκαταστάτης στην παρούσα εργασία με σκοπό τη συμπλοκοποίησή του με τη μεταλλοτοξίνη του Cd(II). Εφαρμόστηκαν οι ίδιες πειραματικές συνθήκες, όπως αναφέρθηκαν παραπάνω. Όπως φαίνεται και από το διάγραμμα που ακολουθεί (Σχήμα ), ο γλυκολικός υποκαταστάτης εμφανίζει ελάχιστη έως αμελητέα επίδραση στη βιωσιμότητα των κυττάρων 131

169 glycolic (ligand) 24h Saos-2 survival % control *** control sodium deoxycholate 1μM 10μM ns 100μM 500 µm Σχήμα Μελέτη τοξικότητας του γλυκολικού υποκαταστάτη στην κυτταρική σειρά Saos-2 μετά από επώαση 24 h (p<0.05) Γ. Αξιολόγηση της τοξικής δράσης των ενώσεων καδμίου στην κυτταρική σειρά Saos -2 (επώαση 24 h) Aξιολογήθηκε η ενδεχόμενη τοξική δράση των ενώσεων καδμίου, οι οποίες συντέθηκαν στο πλαίσιο της διερεύνησης της χημικής δραστικότητάς του με απλά φυσιολογικά υποστρώματα. Πραγματοποιήθηκε επώαση των κυττάρων Saos-2 με συγκεντρώσεις 1, 10, 100, και 500 μm των ενώσεων 1 και 2 για 24 h, με θετικό μάρτυρα το δεοξυχολικό νάτριο. Όπως προκύπτει από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων (Σχήμα ), παρατηρείται τοξική δράση του συμπλοκοποιημένου πλέον καδμίου στις ενώσεις 1 και 2, με την 1 η ένωση να εμφανίζει μεγαλύτερη τοξικότητα, πιθανώς λόγω μεγαλύτερης διαλυτότητας και συνεπώς μεγαλύτερης βιοδιαθεσιμότητας του καδμίου στα κύτταρα. Σημειώνεται ότι η ένωση 3 δεν ήταν διαλυτή σε βαθμό τέτοιο ώστε να είναι εφικτή η βιολογική της αξιολόγηση. Ακόμη, διερευνήθηκε το τοξικό προφίλ της περισσότερο τοξικής ένωσης του καδμίου της 1 στην κυτταρική σειρά 3Τ3-L1 κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Σύμφωνα με το διάγραμμα , το τοξικό προφίλ της ένωσης 1 εμφανίζεται διαφοροποιημένο στην κυτταρική σειρά 3Τ3-L1 σε σχέση με την Saos

170 Cd-glycolic 24h Saos-2 Cd-glycolic 2'-2' 24h Saos-2 survival % control *** control sodium deoxycholate ns 1μM ** 10μM 100μM *** 500 µm survival % control *** control sodium deoxycholate 1μM ns 10μM 100μM *** 500 µm Α Β Cd-glycolic 24h 3T3-L1 ns survival % control ** control sodium deoxycholate 1μM 10μM 100μM ** 500 µm Γ Σχήμα Μελέτη τοξικότητας του συμπλοκοποιημένου Cd(II) των ενώσεων Α. [Cd(glycolate) 2 ] n (1), Β. [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2) στην κυτταρική σειρά Saos-2, Γ. της ένωσης 1 στην κυτταρική σειρά 3T3-L1 (επώαση 24 h, p<0.5). 133

171 Όπως συμπεραίνεται από τα παραπάνω, η ανάπτυξη τοξικότητας του συμπλοκοποιημένου καδμίου είναι δoμο- και δοσο-εξαρτώμενη. Επιπλέον, η φύση των κυττάρων, τα οποία υφίστανται την δράση του μετάλλου αυτού, επιδρά στην βιωσιμότητά τους Τέλος, διερευνήθηκε η επίδραση ενός γνωστού προστατευτικού παράγοντα στην ανάπτυξη της τοξικότητας μετάλλων, του χηλικοποιητικού μορίου EDTA (Σχήμα ). Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε ταυτόχρονα με την προσθήκη της ένωσης 1 και 2 (Σχήμα B) συνεπώαση με διάλυμα EDTA 100 μμ κυττάρων Saos-2 για 24 h. Όπως, προκύπτει από τα ακόλουθα διαγράμματα που ακολουθούν, η προσθήκη EDTA οδήγησε σε αύξηση τον επιπέδων τοξικότητας του καδμίου στην συμπλοκοποιημένη του μορφή 1 και 2, επιταχύνοντας τον κυτταρικό θάνατο. Το γεγονός αυτό πιθανότατα να οφείλεται στη μεγαλύτερη βιοδιαθεσιμότητα των συμπλοκοποιημένων μορφών του Cd(II) με EDTA σε σχέση με το γλυκολικό οξύ και τους αρωματικούς υποκαταστάτες. Cd-glycolic EDTA 24h Saos-2 ns Cd-glycolic 2'-2' EDTA 24h Saos-2 ns survival % control control sodium deoxycholate *** * ns EDTA 1 μ M 10μ M 100μ M 500 µm *** survival % control *** control sodium deoxycholate EDTA 1μM 10μM 100μM 500 µm ** *** Α Β Σχήμα Μελέτη τοξικότητας των ενώσεων συναρμογής Α. [Cd(glycolate) 2 ] n (1), Β. [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2), στην κυτταρική σειρά Saos-2 με συνεπώαση με το χηλικοποιητικό EDTA. 134

172 Στο σημείο αυτό, κρίνεται σκόπιμη η παράθεση του πίνακα 7.1.4, στο οποίο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της παραπάνω μελέτης τοξικότητας της μεταλλοτοξίνης του Cd(II) σε διάφορες μορφές του (υπό μορφή ανόργανου άλατος και σε συμπλοκοποιημένη μορφή στις νέες ενώσεις 1 και 2, τόσο στην κυτταρική σειρά Saos-2, όσο και στην κυτταρική σειρά 3T3-L1. Συγκεντρώσεις (μμ) Εξεταζόμενη ένωση Ποσοστό επιβίωσης % Cd(NO 3 ) CdCl Cd(CH 3 COO) Γλυκολικό οξύ Ένωση ,4 Ένωση Ένωση 1 + EDTA 100 μμ Ένωση 2 + EDTA 100 μμ Πίνακας Συγκεντρωτικά αποτελέσματα μελέτης τοξικότητας Cd(ΙΙΙ) σε διάφορες μορφές στις κυτταρικές σειρές Saos-2 και 3T3-L1. 135

173 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό μελετήθηκε η χημική συμπεριφορά της μεταλλοτοξίνης του Cd(II) σε περιβάλλον υδατικό, υπό την παρουσία του απλούστερου α- υδροξυκαρβοξυλικού οξέος, του γλυκολικού οξέος, αλλά και κατά την τροποποίηση του χημικού περιβάλλοντος με προσθήκη αρωματικών χηλικών Ν-υποκαταστατών. Η μελέτη του απλούστερου α-υδροξυοξέος αποτελεί την αρχή της διερεύνησης της ειδοκατανομής την οποία εμφανίζει το κάδμιο όταν εισέλθει με κάποιο τρόπο (κυρίως μέσω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων), αφενός μεν στο οικοσύστημα, αφετέρου δε στο εσωτερικό των έμβιων οργανισμών. Η μελέτη αυτή οδήγησε στη σύνθεση τριών νέων δυαδικών και τριαδικών πολυμερικών ενώσεων, σταθερών σε συνθήκες περιβάλλοντος. Οι νέες ενώσεις συναρμογής, [Cd(glycolate) 2 ] n (1), [Cd(glycolate)(2,2 -bipy)(no 3 )] n nh 2 O (2), και {[Cd(glycolate)(4,4 -bipy)(h 2 O)](NO 3 )} n 2nH 2 O(3) (3), που απομονώθηκαν, χαρακτηρίστηκαν πλήρως δομικά και φασματοσκοπικά. Επιπλέον, διερευνήθηκε η πιθανή ανάπτυξη του φαινομένου της φωταύγειας των ενώσεων 2 και 3, η οποία έδωσε θετικά αποτελέσματα (εκπομπή ακτινοβολίας στην μπλε περιοχή στα 383 και 363 nm, αντίστοιχα, λόγω της πιθανής συμβολής των μορίων 2,2 -διπυριδίνης και 4,4 -διπυριδίνης (LMCT). Επιπλέον, η μελέτη διερεύνησης της ειδοκατανομής του καδμίου με τον γλυκολικό υποκαταστάτη με ή χωρίς την παρουσία αρωματικών χηλικών Ν-υποκαταστατών, διευρύνθηκε με τη μελέτη της πιθανής επαγόμενης τοξικότητας του υπό εξέταση μετάλλου (Cd(ΙΙ)), τόσο υπό μορφή άλατος, όσο και συναρμοσμένου στις ενώσεις 1, 2 και 3, με την ένωση 3 να εμφανίζει μειωμένη διαλυτότητα στην υδατική φάση σε σημείο που να μην επιτρέπεται η διερεύνηση του τοξικού προφίλ της. Η μειωμένη διαλυτότητα, όμως, μια μορφής ενός τοξικού μετάλλου οδηγεί σε περιορισμένη βιοδιαθεσιμότητά του με αποτέλεσμα να μην αποτελεί άμεσο κίνδυνο κατά την είσοδό του στα κύτταρα και στα κυτταρικά κυτταρικά υγρά. Η μελέτη τοξικότητας, η οποία πραγματοποιήθηκε στην καρκινική σειρά Saos-2 (καλοήθες οστεοσάρκωμα του ανθρώπου) και σε κύτταρα 3T3-L1 (πρώιμα λιποκύτταρα λιπώδους ιστού ποντικού) είχε ως αποτέλεσμα την εκδήλωση δομο- και δοσο-εξαρτώμενης επαγόμενης τοξικότητας των ενώσεων του καδμίου, με την ένωση 1 να εμφανίζει τη μεγαλύτερη τοξικότητα, πιθανώς λόγω μεγαλύτερης βιοδιαθεσιμότητάς της. Επιπλέον, η φύση 136

174 του κυττάρου, το οποίο υπόκειται στην τοξική δράση του καδμίου επηρεάζει την τελική επαγόμενη τοξικότητα του μετάλλου. Τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε συμφωνία με συμπεράσματα από διάφορες μελέτες που συμφωνούν με το ρόλο που διαδραματίζει η μορφή, στην οποία απαντάται το ιόν του καδμίου (speciation), η συγκέντρωση του εισερχόμενου καδμίου, αλλά και το είδος του κυττάρου στο οποία αναπτύσσει την τοξικότητά του. 3 Η μελέτη της χημικής συμπεριφοράς του καδμίου με άλλα απλούστερα ή συνθετότερα και πιο σύνθετα φυσιολογικά υποστρώματα συνεχίζεται στις ενότητες που ακολουθούν, διευρύνοντας τις γνώσεις μας σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο το τόσο τοξικό αυτό μέταλλο αλληλεπιδρά με βιομόρια-στόχους, κατά την είσοδο του στο εσωτερικό των έμβιων οργανισμών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Halevas, E.; Hatzidimitriou, A.; Bertmer, M.; Vangelis, A.; Antzara, A.; Matescu, C.; Salifoglou, A. Crystal Growth and Design, 2014, 14, a) Tao, J.; Tong, M.L.; Shi, J.-X.; Chen, X.-M., S.W. Ng. Chem. Commun., 2000, b) Fu, Z.-Y.; Hu, S.M.; Dai, J-C.; Zhang, J.-J.; Wu, X.-T. Eur. J. Inorg. Chem., 2003, Nair, A.R.; DeGheselle, O.; Smeets, K.; Van Kerkhove, E.; Cuypers, A. Int. J. Mol. Sci., 2013, 14,

175 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.2 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΤΟ α- ΥΔΡΟΞΥ ΙΣΟΒΟΥΤΥΡΙΚΟ ΟΞΥ (HIBA) Εισαγωγή Η μελέτη της χημικής δραστικότητας της μεταλλοτοξίνης του καδμίου με οργανικά φυσιολογικά υποστρώματα, συνεχίζεται με την πειραματική διερεύνηση της χημικής αλληλεπίδρασης του Cd(II) με ένα ακόμη σχετικά απλό α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ, το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), με μοριακό τύπο (C 4 H 8 O 3 ), η δομή του οποίου παρουσιάζεται παρακάτω (Εικόνα 7.2.1Β). Α Β Γ Εικόνα Δομές υποκαταστατών που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη εργασία: Α. 1,10 -φαινανθρολίνης, Β. α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), Γ. 2,2 -διπυριδίνης Το μόριο του α-υδροξυισοβουτυρικού οξέος (ΗΙΒΑ), το οποίο μελετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας ενότητας παρουσίας της μεταλλοτοξίνης του καδμίου, έχει: α) τα πλεονεκτήματα των α-υδροξυκαρβοξυλικών οξέων, λόγω της χαρακτηριστικής δομής του (δύο λειτουργικές ομάδες του OH- και του -COOH που δρουν ως Ο-δότες) και β) αποτελεί φυσιολογικό υπόστρωμα, καθώς απαντάται στα βιολογικά υγρά του ανθρώπου και γενικότερα θεωρείται ως βιογενές μόριο. 1 Έτσι, η μελέτη του ΗΙΒΑ μπορεί να προσφέρει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη χημική δραστικότητα του καδμίου, όταν το τελευταίο αλληλεπιδρά με μεγαλύτερης και πολυπλοκότερης αλυσίδας βιομόρια, όπως τα σάκχαρα, λόγω της χρήσης του ως δομικού λίθου (building block) για τη σύνθεση μορίων με μεγάλο ανθρακικό σκελετό. 2 Η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 με το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ στο νερό είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση ενός νέου δυαδικού πολυμερικού κρυσταλλικού υλικού (4Α) και ενός δυαδικού μη πολυμερικού πλεγματικού κρυσταλλικού υλικού (4Β), τα οποία χαρακτηρίστηκαν δομικά, 138

176 αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Ο χαρακτηρισμός της δομής της ένωσης 4Α και 4Β αντιστοίχως, πραγματοποιήθηκε με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου και είχε ως αποτέλεσμα τον προσδιορισμό του μοριακού τύπου της ένωσης, ο οποίος αποδίδεται ως εξής: [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) και [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B). Στο πλαίσιο της μελέτης του υπό εξέταση υποστρώματος με το τοξικό μεταλλοϊόν Cd(ΙΙ), διερευνήθηκε επιπλέον η συνεισφορά μορίων, τα οποία χαρακτηρίζονται ως Ν-δότες, όπως η 2,2 -διπυριδίνη (2,2 -bipy) (C 10 H 8 N 2 ) (Εικόνα 7.2.1Γ) και η 1,10 -φαινανθρολίνη (C 12 H 8 N 2 ) (Εικόνα 7.2.1Α) στο σύστημα Cd(II)-(α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ). Το αποτέλεσμα ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικό, καθώς είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση δύο νέων τριαδικών κρυσταλλικών υλικών του καδμίου, οι οποίες χαρακτηρίστηκαν δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά, ενώ η μελέτη της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ αποκάλυψε τους μοριακούς τύπους, οι οποίοι είναι: [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α), [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) Σύνθεση Η σύνθεση των νέων δυαδικών και τριαδικών ενώσεων συναρμογής του Cd με το φυσιολογικό υπόστρωμα ΗΙΒΑ με ή χωρίς την παρουσία Ν-υποκαταστατών, πραγματοποιήθηκε στο νερό και στην περίπτωση του τριαδικού υλικού 5Β σε μίγμα διαλυτών H 2 O/CH 3 OH, με χρήση απλών αντιδραστηρίων εμπορικής προέλευσης. Συγκεκριμένα, η σύνθεση του νέου δυαδικού πολυμερικού κρυσταλλικού υλικού 4Α βασίστηκε στην στοιχειομετρική αντίδραση που ακολουθεί. Αντίδραση 4A ncd(no 3 ) 2 +2n C 4 H 8 O 3 +2n KOH [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n +2n KNO 3 +2n H 2 O ph 5 Η εφαρμογή της υδροθερμικής μεθόδου σύνθεσης κατά την προσθήκη α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος σε υδατικό διάλυμα Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O, σε αναλογία 1:2, στην ίδια τελική τιμή ph με την παραπάνω αντίδραση σύνθεσης του πολυμερικού υλικού 4Α και την προσθήκη της βάσης 139

177 NaOH, είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση άχρωμου κρυσταλλικού μη πολυμερικού υλικού, του 4Β. Η στοιχειομετρική αντίδραση της σύνθεσης του κρυσταλλικού μη πολυμερικού πλεγματικού υλικού δίνεται παρακάτω. Αντίδραση 4Β Cd(NO 3 ) C 4 H 8 O NaOH [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] + 2 NaNO 3 ph 5 Η συμμετοχή της 2,2 -διπυριδίνης στο σύστημα Cd(ΙΙ)-ΗΙΒΑ είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση της τριαδικής ένωσης 5Α με βάση τη στοιχειομετρική αντίδραση που ακολουθεί. Αντίδραση 5A 2n Cd(NO 3 ) 2 + 2n C 4 H 8 O 3 + 2n C 10 H 8 N n NaOH + n H 2 O ph >8 [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n n H 2 O + 2n NaNO 3 Η συμμετοχή της 1,10 -φαινανθρολίνης στο σύστημα Cd(ΙΙ)-ΗΙΒΑ είχε ως αποτέλεσμα την σύνθεση της τριαδικής ένωσης 5Β με βάση τη στοιχειομετρική αντίδραση που ακολουθεί. Αντίδραση 5Β H 2 O/CH 3 OH 2n Cd(NO 3 ) 2 + 2n C 4 H 8 O 3 + 2n C 12 H 8 N 2 + 4n H 2 O + 2n NH 3 ph >8 [Cd { 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 ]}(NO n. 3 ). 3 ) 2 ] 2n 2n H 2 O + 2n NH 4 NO Πειραματικό μέρος-μέθοδοι χαρακτηρισμού Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια Όλες οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ, 2,2 -διπυριδίνη, 1,10-140

178 φαινανθρολίνη, ΚΟΗ, NaOH, ΝΗ 3, πιπεραζίνη) προμηθεύτηκαν από εμπορικές πηγές (Sigma- Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Χρησιμοποιήθηκαν οι διαλύτες υπερκαθαρό νερό, μεθανόλη και αιθανόλη. Οι νέες ενώσεις, οι οποίες απομονώθηκαν με διήθηση και ξήρανση στον αέρα, είναι σταθερές σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. Η στοιχειακή ανάλυση C,H,N (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή λαμβάνει χώρα άνοδος της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης (N 2, CO 2, H 2 O και SO 2 ). Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TC, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. Η θερμοσταθμική ανάλυση TGA πραγματοποιήθηκε σε αερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας το σύστημα Perkin Elmer Pyris 1 TGA. Ο ρυθμός θέρμανσης των δειγμάτων ήταν 5 C/min, στην περιοχή τιμών θερμοκρασίας ºC. Το δείγμα που αναλύθηκε είχε μάζα που κυμαινόταν από 2 έως 10 mg. Κατά την εκτέλεση της ανάλυσης, το δείγμα υποβάλλεται σε καύση με ρεύμα αέρα με ροή 20.0 ml/min. Το δείγμα θερμαίνεται από τους 25 έως τους 900º C με ρυθμό 5.00 C/min, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ουσία χάνει σταδιακά μάζα δίνοντας ως τελικά προϊόντα H 2 O, CO 2, και N 2, και απομένει συνήθως το οξείδιο του αντίστοιχου μετάλλου. Η απώλεια της μάζας της ένωσης καταγράφεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου. Η φασματοσκοπία 1 Η- και 13 C-NMR σε διάλυμα για την ένωση 4Α και 5 διεξήχθη σε φασματόμετρο Varian 600 MHz. Η συγκέντρωση των δειγμάτων ήταν ~5 mm. Οι προσφάτως παρασκευασμένες ενώσεις διαλύθηκαν σε D 2 O. Τα φάσματα άνθρακα 13 C-παρελήφθησαν μετά από 5000 παλμούς σε φασματικό εύρος Hz και με καθυστέρηση χαλάρωσης 2s. Τα φάσματα 1 H-NMR παρελήφθησαν μετά από με 2046 παλμούς σε φασματικό εύρος 9000 Hz. Τα πειραματικά δεδομένα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας ρουτίνες VNMR. Οι 141

179 χημικές μετατοπίσεις αναφέρονται σε ppm, ενώ τα φάσματα αναφοράς βασίστηκαν στο πρότυπο της πειραματικής διάταξης. Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) Μέθοδος Α. Σε σφαιρική φιάλη διαλύθηκε Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol) σε 10 ml υπερκαθαρού νερού. Το διάλυμα αφέθηκε υπό ανάδευση μέχρι την τελική διάλυση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O. Ακολούθησε προσθήκη (1.0 mmol, 0.10 g) α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος (ΗΙΒΑ). Στο αντιδρών μίγμα, το οποίο βρισκόταν υπό ανάδευση, προστέθηκαν αργά σταγόνες διαλύματος ΚΟΗ για τη ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή ph 4.5. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση για περίπου μισή ώρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για ολοκλήρωση της διαδικασίας της αντίδρασης. Το διαυγές αντιδρών σύστημα χωρίστηκε σε δύο μέρη. Μέθοδος Α1: Τα 2/3 του διαλύματος αφέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος για αργή εξάτμιση του διαλύτη (slow evaporation). Μέθοδος Α2: 3 ml του διαλύματος της αντίδρασης οδηγήθηκαν μέσα στην σφαιρική φιάλη σε συνθήκες ψύξης στους 4 C. Στο δείγμα, το οποίο είχε τοποθετηθεί στο ψυγείο για κρυστάλλωση με την τεχνική επιστρωμάτωσης, έγινε προσθήκη ψυχρής αιθανόλης σε τακτά χρονικά διαστήματα, με τελικό αποτέλεσμα την εναπόθεση, μετά από περίπου τρεις εβδομάδες, άχρωμου κρυσταλλικού υλικού. Το κρυσταλλικό υλικό απομονώθηκε με διήθηση και ξήρανση σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) (C 8 H 14 CdO 6, M r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 30.10, Η: Πειραματικές τιμές (%) C: 30.70, H: 4.51). Το αντιδρών σύστημα, το οποίο ακολούθησε την τεχνική βραδείας εξάτμισης έδωσε ως αποτέλεσμα το ίδιο κρυσταλλικό άχρωμο υλικό (4Α) μετά από μερικές ημέρες. Μέθοδος Β. Στο ίδιο κρυσταλλικό υλικό 4Α οδήγησε η προσθήκη διαλύματος ΝΗ 3 με σκοπό την τελική ρύθμιση του ph στην τιμή 5, με αναλογία Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O:ΗΙΒΑ 1:2, όπως στη μέθοδο Α με την τεχνική βραδείας εξάτμισης. Μέθοδος Γ. Βραδεία εξάτμιση διαλύτη του αντιδρώντος υδατικού συστήματος Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O:ΗΙΒΑ με αναλογία 1:2 και προσθήκη πιπεραζίνης σε τιμή τελική ph 3 οδήγησε στην απομόνωση του ίδιου κρυσταλλικού άχρωμου πολυμερικού υλικού 4Α. 142

180 Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B) Σε σφαιρική φιάλη προστέθηκε Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Ακολούθησε προσθήκη του οργανικού υποστρώματος α-υδρoξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) (0.10 g, 1.0 mmol) στο αντιδρών διάλυμα. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για μερικά λεπτά. Προσθήκη διαλύματος ΝaΟΗ οδήγησε στη ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή 5. Το μίγμα της αντίδρασης εισήχθη σε ειδικό μικροαντιδραστήρα και μεταφέρθηκε σε φούρνο σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης με συνθήκες αντίδρασης Τ 160 C για t 72h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ακολούθησε διήθηση του προϊόντος της αντίδρασης. Τελικά το διήθημα αφέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη (slow evaporation). Μετά από δύο εβδομάδες σχηματίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό, το οποίο παρελήφθη με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B) (C 8 H 18 CdO 8, M r : Θεωρητικές τιμές (%): C: 27.07, H: 5.07) Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α) Σε σφαιρική φιάλη προστέθηκε Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Ακολούθησε προσθήκη του οργανικού υποστρώματος α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) (0.10 g, 1.0 mmol) στο αντιδρών διάλυμα και εν συνεχεία (0.50 mmol, g) 2,2 -διπυριδίνης. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για 15 περίπου λεπτά. Προσθήκη διαλύματος ΝαΟΗ οδήγησε στη ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή 8-9. Το μίγμα της αντίδρασης εισήχθη σε ειδικό μικροαντιδραστήρα και μεταφέρθηκε σε φούρνο, σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης με συνθήκες αντίδρασης Τ 160 C για t 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ακολούθησε διήθηση του προϊόντος της αντίδρασης. Τελικά, το διήθημα αφέθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη (slow evaporation). Μετά από τρεις εβδομάδες σχηματίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό, το οποίο παρελήφθη με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α) 143

181 (C 28 H 36 Cd 2 Ν 6 O 15, M r : Θεωρητικές τιμές (%): C: 36.46, H; 3.90, N: Πειραματικές τιμές (%) C: 37.00, H: 3.82, N: 8.97). Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol) προστέθηκε σε σφαιρική φιάλη και διαλύθηκε με ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Ακολούθησε προσθήκη του κύριου οργανικού υποκαταστάτη, το οποίο μελετάται στην ενότητα αυτή και το οποίο είναι το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (HIBA) (0.10 g, 1.0 mmol). Ταυτοχρόνως, σε ένα ποτήρι ζέσεως διαλύθηκε σε 5 ml CH 3 OH (μεθανόλης) ο Ν- υποκαταστάτης, ο οποίος στην προκειμένη περίπτωση είναι η 1,10 -φαινανθρολίνη (0.90 g, 0.50 mmol). Το μεθανολικό διάλυμα της 1,10 -φαινάνθρολίνης προστέθηκε αργά στο υδατικό μίγμα Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O/HIBA και εν συνεχεία αφέθηκε το αντιδρών σύστημα να αντιδράσει υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το διάλυμα που προέκυψε ήταν θολό οπότε και πραγματοποιήθηκε βραδεία προσθήκη υδατικού διαλύματος αμμωνίας (ΝΗ 3 ). Έως και την τελική τιμή ph>8 το διάλυμα παρέμεινε θολό λευκό. Τελικά, και μετά από προθήκη υπό ανάδευση 5 ml μεθανόλης, το μίγμα έγινε διαυγές πορτοκαλί χρώματος. Το διάλυμα του αντιδρώντος συστήματος αφέθηκε σε αργή εξάτμιση του διαλυτικού συστήματος σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μετά από αρκετές εβδομάδες προέκυψε κρυσταλλικό υλικό, το οποίο παρελήφθη με απλή διήθηση και ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) (C 32 H 38 Cd 2 N 6 O 16, M r : 990. Θεωρητικές τιμές (%): C: 38.78, H: 3.83, N: 8.48) Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων Μονοκρύσταλλοι της ένωσης 4Α, 4B, 5Α και 5Β παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2, εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo K α (λ Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της 144

182 συλλογής των δεδομένων κανένας κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS με βάση τις διαστάσεις των κρυστάλλων. Τελικά, οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP, ενσωματωμένο στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τέλος, η απεικόνιση της δομής σχεδιάστηκε με το κρυσταλλογραφικό πακέτο Diamond 3.1, με τα ελλειψοειδή κάθε ατόμου της τάξης του 50%. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, 5Β 145

183 Πίνακας Τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, και 5Β Ένωση 4A 4B 5Α 5Β Μοριακός Τύπος C 8 H 14 CdO 6 C 8 H 18 CdO 8 C 28 H 36 Cd 2 N 6 O 15 C 32 H 38 Cd 2 N 6 O 16 Μοριακό βάρος Τ ºC Κρυσταλλικό σύστημα Μονοκλινές Μονοκλινές Μονοκλινές Μονοκλινές Ομάδα Συμμετρίας Χώρου P2 1 /c C2/c P2 1 /c P2 1 /c a (Å) (2) (11) (5) (10) b (Å) ( (6) (12) (2) c (Å) (4) (3) (16) (13) α, deg β, deg (2) (2) (3) (2) γ, deg V, (Å 3 ) (3) (20) (13) (6) Ζ D υπολ. (Mg m -3 ) Τιμές R 1 R R w R R W R R w Οι τιμές του R βασίζονται στις τιμές του F, και οι τιμές του R w βασίζονται στο F 2. Fo F c R =, [ w( Fo Fc ) ] R w = 2 2 ( Fo ) [ w( Fo ) ] 146

184 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής των ενώσεων 4Α, 4Β, 5A, και 5B Η κρυσταλλική ένωση 4Α με τύπο [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα χώρου P2 1 /c. Η μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης περιλαμβάνει 2 μόρια (Ζ 2). Η κρυσταλλική δομή της ένωσης αποκαλύπτει την παρουσία μονοπυρηνικών δυαδικών μονάδων Cd(II)-(α-υδροξυ ισοβουτυρικού υποκαταστάτη (ΗΙΒΑ)). Στην ασύμμετρη κυψελίδα της ένωσης, δύο υποκαταστάτες αντιστοιχούν σε ένα μεταλλοϊόν Cd(ΙΙ). Η κρυσταλλική δομή της ένωσης παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. Όπως προκύπτει από το σχήμα, το ιόν του καδμίου συναρμόζεται με τέσσερις ΗΙΒΑ υποκαταστάτες, όπου ανά δύο παρουσιάζεται διαφορετικός τρόπος συναρμογής. Συνεπώς, εμφανίζονται δύο τρόποι σύνδεσης με το κεντρικό ιόν του καδμίου. Κάθε υποκαταστάτης είναι μονά αποπρωτονιωμένος, σχηματίζοντας σταθερούς πενταμελείς δακτυλίους, συνεισφέροντας στην σταθερότητα γενικότερα της ένωσης. Το ιόν του καδμίου συνδέεται με δύο εκ των τεσσάρων υποκαταστατών μέσω του οξυγόνου της καρβοξυλικής ομάδας τους (Ο1,Ο1 ), ενώ με τους άλλους δύο υποκατάστατες η σύνδεση γίνεται τόσο από το οξυγόνο της υδροξυλομάδας (Ο3,Ο3 ) όσο και από το οξυγόνο της καρβοξυλικής τους ομάδας (Ο2,Ο2 ). Αναφέρεται, επίσης, ότι το δεύτερο οξυγόνο των καρβοξυλικών ομάδων των δύο υποκαταστατών συναρμόζεται με ένα γειτονικό ιόν Cd(ΙΙ). Ο αριθμός συναρμογής του καδμίου στην ένωση 4Α είναι 6 και η γεωμετρία γύρω από το ιόν του καδμίου είναι οκταεδρική. Η επανάληψη της επαναλαμβανόμενης μονάδας, όπως αναπτύχθηκε παραπάνω, οδηγεί στην ανάπτυξη της πολυμερικής ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α). Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) 147

185 Η κρυσταλλική ένωση 4Β με τύπο [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B),κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα χώρου C2/c. Η μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης περιλαμβάνει τέσσερα μόρια (Ζ 4). Η μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης περιλαμβάνει ένα μεταλλοϊόν Cd(ΙΙ), δύο μονoαποπρωτονιωμένους α-υδροξυ ισοβουτυρικούς υποκαταστάτες και δύο μόρια νερού. Η κρυσταλλική δομή της ένωσης παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. Όπως προκύπτει από το σχήμα, το ιόν του καδμίου συναρμόζεται με δύο ΗΙΒΑ υποκαταστάτες μέσω των οξυγόνων των αποπρωτονιωμένων -COOH ομάδων (O1,O1 ) και του Ο της μη αποπρωτονιωμένης -ΟΗ ομάδας (O3,O3 ) κάθε υποκαταστάτη. Η σφαίρα συναρμογής του ιόντος του καδμίου ολοκληρώνεται με τη συναρμογή δύο μορίων νερού (O w ). Σύμφωνα με τα παραπάνω, ο αριθμός συναρμογής που επιδεικνύει το κεντρικό ιόν του καδμίου είναι 6, με οκταεδρική γεωμετρία γύρω του. Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B) Η ένωση [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5A) κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα σε ομάδα συμμετρίας χώρου P2 1 /c. Η δομική μονάδα της ένωσης 5Α παρουσιάζεται στο σχήμα Στον πίνακα συνοψίζονται τα σημαντικότερα επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών της ένωσης 5Α. Στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης, εμφανίζονται δύο ιόντα Cd(ΙΙ), δύο α-υδροξυ ισοβουτυρικοί υποκαταστάτες, δύο μόρια 2,2 -διπυριδίνης και 148

186 δύο μόρια νερού. Δύο ΝΟ 3 ισοσταθμίζουν το φορτίο του δομικού συμπλόκου ιόντος της ένωσης. Ο πολυμερισμός της επαναλαμβανόμενης μονάδας οδηγεί στην ένωση 5Α, όπως φαίνεται από το διάγραμμα Diamond Όπως προκύπτει από το διάγραμμα της ένωσης, το ιόν του καδμίου εμφανίζει αριθμό συναρμογής 7, με γεωμετρία πενταγωνικής διπυραμίδας. Συγκεκριμένα, το κεντρικό ιόν Cd1 συνδέεται με ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης μέσω των Ν-ατόμων της (Ν1,Ν2), με ένα μόριο νερού (Ο w ), και με δύο μονά αποπρωτονιωμένους α-υδροξυ ισοβουτυρικούς υποκαταστάτες με δύο διαφορετικούς τρόπους. Η σύνδεση με τον ένα ΗΙΒΑ υποκαταστάτη γίνεται μέσω και των δύο οξυγόνων της -CΟΟH ομάδας του (Ο4,Ο5), ενώ με τον άλλο υποκαταστάτη η συναρμογή πραγματοποιείται μέσω του οξυγόνου της μη αποπρωτονιωμένης -ΟΗ ομάδας του (Ο3) και από το Ο της -COOH ομάδας του (Ο1). Αξιοσημείωτο, είναι το γεγονός της παρουσίας γέφυρας Cd- O-Cd μέσω του Ο5 της COOH ομάδας του δεύτερου υποκαταστάτη. Όπως προκύπτει και από το διάγραμμα Diamond της ένωσης, τα δύο ιόντα Cd(ΙΙ), τα οποία συνδέονται μέσω της γέφυρας Ο εμφανίζουν ίδια σφαίρα συναρμογής (αριθμός συναρμογής 7, πενταγωνική διπυραμίδα γύρω από το Cd(II)). Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5A) 149

187 Η ένωση {[Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 ](NO 3 ) 2 } n 2nH 2 O (5B) κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα σε ομάδα συμμετρίας χώρου P2 1 /c. Η δομική μονάδα της ένωσης 5B παρουσιάζεται στο σχήμα Στον πίνακα συνοψίζονται τα σημαντικότερα επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών της ένωσης 5B. Στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης εμφανίζονται δύο ιόντα Cd(ΙΙ), δύο α-υδροξυ ισοβουτυρικοί υποκαταστάτες, δύο μόρια 1,10 -φαινανθρολίνης και δύο μόρια νερού συναρμοσμένα στο ιόν του καδμίου. Επίσης, δύο ΝΟ 3 ισοσταθμίζουν το φορτίο του δομικού συμπλόκου ιόντος της ένωσης. Τέλος, στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης απαντώνται και δύο μόρια νερού. Ο πολυμερισμός της επαναλαμβανόμενης δομικής μονάδας οδηγεί στην ένωση 5Β, όπως φαίνεται από το διάγραμμα Diamond. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα της ένωσης, το ιόν του καδμίου εμφανίζει αριθμό συναρμογής 7, με γεωμετρία πενταγωνικής διπυραμίδας. Συγκεκριμένα, το κεντρικό ιόν Cd1 συνδέεται με δύο μονά αποπρωτονιωμένους α-υδροξυ ισοβουτυρικούς υποκαταστάτες με δύο διαφορετικούς τρόπους. Η σύνδεση με τον ένα ΗΙΒΑ υποκαταστάτη γίνεται μέσω και των δύο οξυγόνων της -CΟΟH ομάδας του, ενώ με τον άλλο υποκαταστάτη η συναρμογή πραγματοποιείται μέσω του οξυγόνου της μη αποπρωτονιωμένης -ΟΗ ομάδας του και από το Ο της αποπρωτονιωμένης -COOH ομάδας του μέσω του. Ακόμη, το ιόν του καδμίου Cd1 συνδέεται με ένα μόριο 1,10-φαινανθρολίνης (Ν1,Ν2) μέσω των Ν-ατόμων της και με ένα μόριο νερού (Ο w ). Για ακόμη μια φορά, παρόμοια με τη δομή που παρουσιάζει το νέο τριαδικό πλεγματικό υλικό 5Α, παρατηρείται η παρουσία γέφυρας Cd1-O-Cd2 μέσω του Ο1 της -COOH ομάδας του κοινού τους δεύτερου υποκαταστάτη. Όπως προκύπτει και από το διάγραμμα Diamond της ένωσης, τα δύο ιόντα Cd(ΙΙ), τα οποία συνδέονται μέσω της γέφυρας Ο, εμφανίζουν ίδια σφαίρα συναρμογής (αριθμός συναρμογής 7, πενταγωνική διπυραμίδα γύρω από το Cd(II)). 150

188 Σχήμα Η κρυσταλλική δομή της ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) Ακολουθεί πίνακας με τους σημαντικότερους δεσμούς κα γωνίες δεσμών των νέων ενώσεων 4Α, 4Β (Cd/HIBA), Cd/HIBA/2,2 -διπυριδίνης (5Α), Cd/HIBA/1,10 -φαινανθρολίνης (5Β) (Πίνακας 7.2.3). Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, και 5Β 151

189 Bond length (Å) Bond length (Å) Bond length (Å) 1* 2** 3*** 4**** Bond length (Å) Cd(1)-O(1) (13) Cd(1)-O(1) (14) Cd(1)-O(1) 2.337(4) Cd(1) O(1) (18) Cd(1)-O(2) (15) Cd(1)-O(3) (13) Cd(1)-O(3) 2.306(4) Cd(1)-O(3) (19) Cd(1)-O(3) (13) Cd(1)-O(4) (14) Cd(1)-O(4) 2.317(4) Cd(1) O(4) (19) Cd(1)-O(5) 2.775(4) Cd(1) O(5) (19) Cd(1)-O(8) 2.279(4) Cd(1) O(7) (18) Cd(1)-N(1) 2.386(5) Cd(1) N(1) 2.382(2) Cd(1)-N(2) 2.310(5) Cd(1) N(2) 2.348(2) Cd(2)-O(6) 2.345(4) Cd(2)-O(6) (18) Cd(2)-O(5) 2.305(4) Cd(2)-O(4) (19) Cd(2)-O(1) 2.484(3) Cd(2)-O(1) (18) Cd(2)-O(2) 2.361(4) Cd(2)-O(2) 2.325(2) Cd(2)-O(7) 2.283(4) Cd(2)-O(8) 2.290(2) Cd(2)-N(3) 2.362(5) Cd(2)-N(3) 2.356(3) Cd(2)-N(4) 2.334(5) Cd(2)-N(4) 2.347(3) Αngles [ Ο ] Αngles [ Ο ] Αngles [ Ο ] Αngles [ Ο ] O(1)-Cd(1)-O(4) 95.15(6) O(1)-Cd(1)-O(3) 69.66(13) O(1)-Cd(1)-O(3) 67.83(6) O(1) -Cd(1) O(2) 83.66(6) O(3)-Cd(1)-O(4) (5) O(1)-Cd(1)-O(4) 77.41(14) O(1)-Cd(1)-O(4) (6) O(3) -Cd(1)-O(1) (5) O(3) -Cd(1) (5) O(1) O(3)-Cd(1)-O(4) (15) O(3)-Cd(1)-O(4) 85.72(7) O(3) -Cd(1)-O(1) 72.01(5) O(1)-Cd(1) O(3) 97.32(5) O(1)-Cd(1)-O(5) (12) O(1)-Cd(1)-O(5) 76.46(7) O(3) -Cd(1) O(2) 91.23(5) O(1) -Cd(1) O(1) 98.32(8) O(3)-Cd(1)-O(5) 86.09(15) O(3)-Cd(1)-O(5) (7) O(3) -Cd(1) O(2) 88.77(5) O(4) -Cd(1) O(1) (5) O(4)-Cd(1)-O(5) 50.00(12) O(4)-Cd(1)-O(5) (6) O(3) -Cd(1) O(3) (7) O(1)-Cd(1)-O(8) (15) O(1)-Cd(1)-O(7) (7) O(3) -Cd(1) O(4) 83.54(5) O(3)-Cd(1)-O(8) 93.13(15) O(3)-Cd(1)-O(7) 84.50(7) O(4) -Cd(1) O(4) 84.54(8) O(4)-Cd(1)-O(8) (15) O(4)-Cd(1)-O(7) 73.96(6) O(5)-Cd(1)-O(8) 72.52(13) O(5)-Cd(1)-O(7) (7) O(1)-Cd(1)-N(1) 84.90(15) O(1)-Cd(1)-N(1) 88.77(8) O(3)-Cd(1)-N(1) 94.12(17) O(3)-Cd(1)-N(1) 97.19(8) 152

190 O(4)-Cd(1)-N(1) (15) O(4)-Cd(1)-N(1) (7) O(5)-Cd(1)-N(1) (15) O(5)-Cd(1)-N (7) O(8)-Cd(1)-N(1) 86.08(16) O(7)-Cd(1)-N (7) O(1)-Cd(1)-N(2) 99.90(15) O(1)-Cd(1)-N(2) (7) O(3)-Cd(1)-N(2) (17) O(3)-Cd(1)-N(2) (8) O(4)-Cd(1)-N(2) 88.83(16) O(4)-Cd(1)-N(2) (8) O(5)-Cd(1)-N(2) (15) O(5)-Cd(1)-N(2) 87.16(8) O(8)-Cd(1)-N(2) 93.66(17) O(7)-Cd(1)-N(2) 95.08(8) N(1)-Cd(1)-N(2) 69.35(18) N(1)-Cd(1)-N(2) 71.30(9) O(6) -Cd(2)-O(5) 67.44(14) O(6) -Cd(2)- O(4) 68.29(7) O(6) -Cd(2)-O(1) (14) O(6) -Cd(2)-O(1) (6) O(5) -Cd(2)-O(1) (13) O(4) -Cd(2)-O(1) (6) O(6) -Cd(2)-O(2) (14) O(6) -Cd(2)-O(2) (7) O(5) -Cd(2)-O(2) 74.66(14) O(4) -Cd(2)-O(2) 76.99(7) O(1)-Cd(2)-O(2) 52.31(13) O(1)-Cd(2)-O(2) 51.80(6) O(6) i -Cd(2)-O(7) 85.36(15) O(6) -Cd(2)-O(8) 85.53(7) O(5) -Cd(2)-O(7) (17) O(4) -Cd(2)-O(8) (8) O(1)-Cd(2)-O(7) 80.19(14) O(1)-Cd(2)-O(8) 80.68(7) O(2)-Cd(2)-O(7) 95.87(18) O(2)-Cd(2)-O(8) 94.13(8) O(6) -Cd(2)-N(3) (16) O(6) -Cd(2)-N(3) (8) O(5) -Cd(2)-N(3) 93.58(17) O(4) -Cd(2)-N(3) (8) O(1)-Cd(2)-N(3) 82.82(15) O(1)-Cd(2)-N(3) 75.93(7) O(2)-Cd(2)-N(3) 84.54(19) O(2)-Cd(2)-N(3) 87.51(8) O(7)-Cd(2)-N(3) (18) O(8)-Cd(2)-N(3) (8) O(6) -Cd(2)-N(4) 84.78(16) O(6) -Cd(2)-N(4) 85.21(8) O(5) -Cd(2)-N(4) (17) O(4) -Cd(2)-N(4) (7) O(1)-Cd(2)-N(4) 86.16(15) O(1)-Cd(2)-N(4) 80.54(7) O(2)-Cd(2)-N(4) (17) O(2)-Cd(2)-N(4) (8) O(7)-Cd(2)-N(4) 94.71(18) O(8)-Cd(2)-N(4) 85.02(9) N(3)-Cd(2)-N(4) 70.26(18) N(3)-Cd(2)-N(4) 71.02(9) Cd(2)-O(1)-Cd1) (16) Διεργασίες συμμετρίας* ( ) x+1, y+1, -z+1; ( ) x, y+3/2, z 1/2; ( ) x+1, y 1/2, z+3/2 ** ( ) x+1, y, z+3/2 *** ( ) x, 1.5-y, -0.5+z **** ( ) x, y+3/2, z+1/2 153

191 7.2.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Τα φάσματα FT-IR των ενώσεων 4Α, 4Β, 5Α, 5Β σε KBr παρουσιάζουν αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων (Σχήμα 7.2.5). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα 1580 cm -1, στα 1630 cm -1, στα 1590 cm -1, 1583 cm -1 για τις ενώσεις 4Α, 4Β, 5Α, και 5Β, αντιστοίχως, ενώ οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται στην περιοχή cm -1, cm -1, cm -1, και cm -1. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT-IR των ενώσεων 4Α, 4Β και 5Α παρατηρείται μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου βασικού α-υδροξυ καρβοξυλικού υποκαταστάτη. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση του α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος (ΗΙΒΑ) όταν αυτό συναρμόζεται με το ιόν του καδμίου στις νέες ενώσεις συναρμογής. 154

192 Vas (coo-) Vs (coo-) Διαπερατότητα % Κυματαριθμός (cm -1 ) A Vas(coo-) Vs(coo-) 100 Διαπερατότητα %Τ Κυματαριθμός (cm -1 ) Β 155

193 100 Vas(COO - ) Vs(COO - ) Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) Γ 100 Vas(COO - ) Vs(COO - ) Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) Δ Σχήμα Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4A), Β. [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B), Γ. [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α), Δ. [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }. (NO 3 ) 2 ] n 2nH 2 O(5B) 156

194 7.2.6 Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C-, 1 H- σε διάλυμα Τα φάσματα 13 C-NMR και 1 H-NMR των ενώσεων 4Α και 5Α στην υδατική φάση καταγράφηκαν σε D 2 O. Το φάσμα 13 C-NMR της ένωσης 4Α αποκάλυψε τις ακόλουθες κορυφές (Σχήμα 7.2.6Α): α) Μία κορυφή στα 26.7 ppm, η οποία αποδίδεται στους μεθυλικούς άνθρακες του α-υδροξυ ισοβουτυρικού υποκαταστάτη (ΗΙΒΑ), β) μία κορυφή στα 73.6 ppm, η οποία αντιστοιχεί στον τεταρτοταγή άνθρακα του ΗΙΒΑ, γ) μία κορυφή στα ppm, η οποία βρίσκεται σε συμφωνία με τον άνθρακα του συναρμοσμένου με το ιόν του Cd(II) καρβοξυλικού υποκαταστάτη. Στο φάσμα 13 C-NMR της ένωσης 5Α παρατηρήθηκαν οι ακόλουθες κορυφές: (Σχήμα 7.2.7Α): α. Μια κορυφή στα 26.7 ppm, η οποία αποδίδεται στους μεθυλικούς άνθρακες του ΗΙΒΑ, β. Μία κορυφή στα 73.6 ppm του τεταρτοταγούς άνθρακα του υποκαταστάτη (ΗΙΒΑ), και γ. κορυφές στην περιοχή ppm, οι οποίες αποδίδονται στους αρωματικούς άνθρακες της συναρμοσμένης 2,2 -διπυριδίνης. Τέλος, η κορυφή η οποία εμφανίζεται στα ppm οφείλεται στον άνθρακα του συναρμοσμένου με το ιόν του Cd(II) καρβοξυλικού υποκαταστάτη (ΗΙΒΑ). Οι παραπάνω παρατηρήσεις ταυτοχρόνως επιβεβαιώθηκαν με την εφαρμογή της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ. Όσον αφορά στο φάσμα 1 H-NMR στην υδατική φάση των ενώσεων 4Α και 5Α σε D 2 O (Σχήμα 7.2.6Β, 7.2.7Β) παρατηρήθηκαν: α. Στο φάσμα της 4Α και 5Α μια κορυφή στα 1.2 ppm, η οποία δηλώνει την παρουσία των πρωτονίων των CH 3 μεθυλομάδων του α-υδροξυ καρβοξυλικού υποκαταστάτη, β. Στο φάσμα της ένωσης 5Α σημειώθηκαν κορυφές στην περιοχή ppm, οι οποίες βρίσκονται σε συμφωνία με τα αρωματικά πρωτόνια 157

195 Α Β Σχήμα Φάσμα Α. 13 C- NMR, και Β. 1 H-NMR της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) σε D 2 O 158

196 Α Β Σχήμα Φάσμα Α. 13 C NMR, και Β. 1 H-NMR της ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α) σε D 2 O 159

197 7.2.7 Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) των ενώσεων 4Α και 5Α Η θερμική διάσπαση των ενώσεων 4Α και 5Α μελετήθηκε κάτω από ατμόσφαιρα οξυγόνου (Σχήμα ). Η ένωση 4Α είναι σταθερή μέχρι την θερμοκρασία των 250 ºC. Μεταξύ των 250 ºC και 462 ºC παρατηρείται απώλεια μάζας, η οποία οφείλεται στην αποικοδόμηση του οργανικού τμήματος της ένωσης. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν σημεία διακριτά χωρίς μεταβολές μάζας σε αυτά τα στάδια. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέραν της θερμοκρασίας των 462 ºC, δεν παρουσιάζεται απώλεια μάζας έως και τους 900 ºC. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι το προϊόν πέραν των 462 ºC είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 60.0% και είναι πολύ κοντά στην υπολογιζόμενη θεωρητική τιμή 59.7% σύμφωνα με την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης που ακολουθεί. [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n + 9n O 2 n CdO + 8n CO 2 + 7n H 2 O % Βάρος ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( ο C) Σχήμα7.2.8: Διάγραμμα TGA της ένωσης [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) Όπως προκύπτει και από το διάγραμμα TGA της ένωσης 5Α (Σχήμα 7.2.8), η ένωση εμφανίζει μεγάλη ευαισθησία κατά την αύξηση της θερμοκρασίας (ιδιαίτερα ασταθής ένωση). Συγκεκριμένα, έως και τη θερμοκρασία των 432 ºC, παρατηρείται απώλεια μάζας τόσο αρχικά 160

198 λόγω της απομάκρυνσης του κρυσταλλικού νερού και κατόπιν των συναρμοσμένων, όσο και στη συνέχεια λόγω της αποικοδόμησης του οργανικού μέρους του πολυμερούς. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα TGA της ένωσης, δεν υπάρχουν σημεία διακριτά χωρίς μεταβολές μάζας σε αυτά τα στάδια. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέρα από τη θερμοκρασία των 432 ºC, η μάζα παραμένει αμετάβλητη γεγονός που υποδεικνύει ότι το μόνο προϊόν που έχει απομείνει είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 80.3% σε αντιστοιχία με τη στοιχειομετρική αντίδραση καύσης που ακολουθεί. [C d 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 ]. n (N O 3 ). 2n nh 2 O + 59/2n 61/ 2nOO 2 2n CdO + 28n CO n H 2 O + 3n N % Βάρος Θερμοκρασία (C) Σχήμα7.2.9 Διάγραμμα TGA της ένωσης [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α) 161

199 7.2.8 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στην ενότητα αυτή επεκτάθηκε η μελέτη της χημικής δραστικότητας του Cd(ΙΙ) σε ένα φυσιολογικό υποκαταστάτη χαμηλής μοριακής μάζας, ο οποίος ανήκει στην κατηγορία των α- υδροξυ καρβοξυλικών οξέων, το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ). Η μελέτη του συστήματος Cd(II) ΗΙΒΑ πραγματοποιήθηκε στην υδατική φάση και είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση και απομόνωση δύο νέων δυαδικών ενώσεων Cd(II)-HIBA, ενός πολυμερικού [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 ] n (4Α) και του αντίστοιχου μονομερούς μορίου του [Cd(C 4 H 7 O 3 ) 2 (H 2 O) 2 ] (4B). Οι παραπάνω ενώσεις χαρακτηρίστηκαν δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά, με την κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ να αποκαλύπτει τη δομή τους. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι με μία τροποποίηση των συνθηκών της αντίδρασης από την αντίδραση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε αντίδραση κάτω από υδροθερμικές συνθήκες και χωρίς περαιτέρω αλλαγές (ph, αναλογία αντιδρώντων, κ.ά.) είχε ως αποτέλεσμα τη μετάβαση από την πολυμερική ένωση 4Α, στο αντίστοιχο μονομερές 4Β. Τέλος, η τροποποίηση του χημικού περιβάλλοντος, στο οποίο συνυπάρχει το κάδμιο, με την προσθήκη Ν-υποκαταστατών, όπως της 2,2 -διπυριδίνης και της 1,10 -φαινανθρολίνης, οδήγησε στη σύνθεση και απομόνωση δύο νέων τριαδικών ενώσεων [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2 ] n nh 2 O (5Α), [{Cd 2 (C 4 H 7 O 3 ) 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (H 2 O) 2 }(NO 3 ) 2] n 2nH 2 O (5B), οι οποίες χαρακτηρίστηκαν πλήρως δομικά και φασματοσκοπικά. Οι νέες πλεγματικές δυαδικές και τριαδικές δομές καδμίου-(α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος), αποτελούν ένα ακόμη σημαντικό λίθο στη διερεύνηση της χημικής και μετέπειτα βιολογικής αξιολόγησης του ρόλου της ειδοκατανομής του τοξικού μετάλλου κατά την επαφή του με φυσιολογικά υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας, τα οποία συνυπάρχουν στους έμβιους οργανισμούς. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 Guneral, F.; Bachmann, C. Clin. Chem. 1994, 40, Rohwerder, T.; Muller, R.H. Microbial Cell Factories, 2010, 9,

200 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.3 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Cd(II) ΜΕ ΤΟΝ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΗ ΚΙΝΙΚΟ ΟΞΥ (D-quinic acid) Εισαγωγή Η μελέτη της χημικής συμπεριφοράς της μεταλλοτοξίνης του καδμίου (Cd(II)) με φυσιολογικά υποστρώματα, συνεχίσθηκε με τη διερεύνηση του δυαδικού συστήματος Cd(II) κινικό οξύ. Το κινικό οξύ αποτελεί μόριο φυσικής προέλευσης 1 με εξίσου σημαντικό βιοχημικό ρόλο (πρόδρομη ένωση στη σύνθεση αρωματικών αμινοξέων), 2 αλλά και σημαντική συμβολή στη βιομηχανία φαρμάκων και στη θεραπευτική γενικότερα (παραγωγή του φαρμακευτικού αντιγριπικού σκευάσματος Tamiflu). Από άποψη δομής, το κινικό οξύ είναι μια κυκλική πολυαλκοόλη με διαμόρφωση στο επίπεδο, όπως φαίνεται στην Εικόνα 7.3.1, με τις λειτουργικές -ΟΗ και -COOH ομάδες, που το καθιστούν σημαντικό συμπλοκοποιητή. Εικόνα Το κινικό οξύ Απαντάται σε πολλά προϊόντα της καθημερινής και απαραίτητης διατροφής του ανθρώπου, όπως ο καφές, τα ροδάκινα, τα μήλα, διάφορα λαχανικά, όπως το καρότο, κ.ά. 1 Η παρουσία του κινικού οξέος σε προϊόντα καθημερινής βασικής διατροφής και η πιθανή αλληλεπίδρασή του σε τοξικά επιβαρυμένο περιβάλλον με μέταλλα, όπως το κάδμιο, οδήγησε στην ανάγκη περαιτέρω διερεύνησης του συστήματος Cd(II)- κινικό οξύ. 163

201 Η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 με το κινικό οξύ σε υδατικό περιβάλλον είχε ως αποτέλεσμα την απομόνωση ενός νέου δυαδικού πολυμερικού κρυσταλλικού υλικού, το οποίο στη συνέχεια χαρακτηρίστηκε δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Ο χαρακτηρισμός της δομής της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου, είχε ως αποτέλεσμα τον προσδιορισμό του μοριακού τύπου της ένωσης ο οποίος είναι: [Cd(C 7 H 11 O 6 ) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Σύνθεση Η σύνθεση της νέας ένωσης του καδμίου με το κινικό οξύ πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα, η επίδραση κινικού οξέος σε Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O στην υδατική φάση, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, με στοιχειομετρική αναλογία 1:2, ανύψωση του ph με προσθήκη διαλύματος ΚΟΗ στην τελική τιμή 2.5, και εφαρμογή της μεθόδου layering με ψυχρή αιθανόλη, με σκοπό την τελική κρυστάλλωση της ένωσης, οδήγησε στην απομόνωση άχρωμου κρυσταλλικού υλικού με τύπο: [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: Στοιχειομετρική αντίδραση 6 n Cd(NO 3 ) 2 + 2n C 7 H 12 O 6 + 2n KOH [Cd(C 7 H 11 O 6 )] n n/2h 2 O + 2n KNO 3 + 3n/2 H 2 O Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού Όλες οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (κινικό οξύ, ΚΟΗ, αιθανόλη) προμηθεύτηκαν από εμπορικές πηγές (Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Χρησιμοποιήθηκαν ως διαλύτες υπερκαθαρό νερό και αιθανόλη. Η νέα ένωση, η οποία απομονώθηκε με διήθηση και ξήρανση στον αέρα, είναι σταθερή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. 164

202 Η στοιχειακή ανάλυση C, H, N (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή, λαμβάνει χώρα άνοδος της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης: N 2, CO 2, H 2 O, και SO 2. Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TDC, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. Η φασματοσκοπία 1 Η- και 13 C-NMR σε διάλυμα για την ένωση 6 διεξήχθη σε φασματόμετρο Varian 600 MHz. Η συγκέντρωση του δείγματος ήταν ~5 mm. Η προσφάτως παρασκευασμένη ένωση διαλύθηκε σε D 2 O. Τα φάσματα άνθρακα 13 C-παρελήφθησαν μετά από 5000 παλμούς σε φασματικό εύρος Hz και με καθυστέρηση χαλάρωσης 2s. Τα φάσματα 1 H-NMR παρελήφθησαν μετά από με 2046 παλμούς σε φασματικό εύρος 9000 Hz. Τα πειραματικά δεδομένα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας ρουτίνες VNMR. Οι χημικές μετατοπίσεις αναφέρονται σε ppm, ενώ τα φάσματα αναφορά βασίστηκαν στο πρότυπο της πειραματικής διάταξης. Σύνθεση της δυαδικής ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Μέθοδος α. Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.16 g, 0.50 mmol) διαλύθηκαν σε 3 ml υπερκαθαρού νερού σε σφαιρική φιάλη. Το διάλυμα αφέθηκε υπό ανάδευση μέχρι την τελική διάλυση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O και στη συνέχεια ακολούθησε προσθήκη κινικού οξέος (D-quinic acid) (0.19 g, 1.0 mmol). Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση σε θερμοκρασία δωματίου για 15 λεπτά. Στη συνέχεια, προστέθηκαν σταγόνες διαλύματος ΚΟΗ με σκοπό τη ρύθμιση του ph στην τελική τιμή ph και το τελικό διάλυμα της αντίδρασης παρέμεινε υπό ανάδευση για άλλα 20 λεπτά στην ίδια θερμοκρασία. Ακολούθησε τοποθέτησή του σε συνθήκες ψύξης στους 4 C και προσθήκη ψυχρής αιθανόλης σε τακτά χρονικά διαστήματα. Μετά από περίπου τρεις ημέρες εμφανίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό. Το κρυσταλλικό υλικό απομονώθηκε με διήθηση και ξηράνθηκε σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 7 H 11 O 6 ) 2 ] n n/2h 2 O (6) (C 14 H 23 CdO 12.5 ), Μοριακό βάρος: Θεωρητικές τιμές (%) C: 33.35, H: 4,56. Πειραματικές τιμές (%) C: 32.34, H:

203 Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Μονοκρύσταλλοι της ένωσης 6 παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2 εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo Ka (λ= Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της συλλογής των δεδομένων o κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS, με βάση τις διαστάσεις του κρυστάλλου. Τελικά οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP ενσωματωμένου στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Ακολουθεί ο Πίνακας 7.3.1, στον οποίο παρουσιάζονται τα σημαντικότερα κρυσταλλικά δεδομένα της ένωσης

204 Ένωση [Cd(C 7 H 11 O 6 ) 2 ] n n/2h 2 O Μοριακός Τύπος C 14 H 23 CdO 12.5 Μοριακό βάρος Τ ºΚ 293 Κρυσταλλικό σύστημα Μονοκλινές Ομάδα Συμμετρίας Χώρου P2 1 a (Ǻ) (5) b (Ǻ) (2) c (Ǻ) (12) α, deg 90 β, deg (5) γ, deg 90 V (Ǻ 3 ) (3) Ζ 8 D υπολ. (Mg m -3 ) Συντ. Απορ. (μ), mm -1 Τιμές R R= R w = (1) Οι τιμές του R βασίζονται στις τιμές του F, και οι τιμές του R w βασίζονται στο F 2. Πίνακας Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα της ένωσης 6. Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Η ένωση 6 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου P2 1. Η δομή της ένωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα Στον Πίνακα παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης. Στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης 6 η βασική δομική μονάδα αποτελείται από ένα ιόν Cd(II) και δύο κινικούς υποκαταστάτες. Ο πολυμερισμός της επαναλαμβανόμενης δομικής μονάδας οδηγεί στην πολυμερική ένωση

205 Στο πλέγμα της ένωσης υπάρχει και ½ μόριο νερού. Ο πολυμερισμός της βασικής δομικής μονάδας οδηγεί στο σχηματισμό της πολυμερικής ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6). Όπως προκύπτει από το διάγραμμα Diamond (Σχήμα 7.3.1) της ένωσης, δύο ιόντα Cd(II) συνδέονται με έναν κοινό κινικό υποκαταστάτη ο οποίος δρα και ως γέφυρα και ως συναρμοτής. Το καθένα κεντρικό ιόν του καδμίου παρουσιάζει αριθμό συναρμογής 6, με τη γεωμετρία γύρω του να είναι οκταεδρική. Συγκεκριμένα, το ιόν του καδμίου συνδέεται με τέσσερις κινικούς υποκαταστάτες. Ο τρόπος συναρμογής του ιόντος του Cd(ΙΙ) διαφέρει ανά δύο κυνικούς υποκαταστάτες. Συγκεκριμένα, με δύο κινικούς υποκαταστάτες η σύνδεση γίνεται μέσω του ενός οξυγόνου της καρβοξυλικής ομάδας και του οξυγόνου της OH ομάδας τους, με την τελευταία να μην είναι αποπρωτονιωμένη. Με τους άλλους δύο κινικούς υποκαταστάτες, η σύνδεση γίνεται μόνο μέσω του ενός οξυγόνου της ομάδας COO του μορίου. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο κινικός υποκαταστάτης είναι μονο-αποπρωτονιωμένος από την ομάδα του COOΗ. Τέλος, οκτώ μόρια περιέχονται στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης (Ζ=8). Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) Ακολουθεί ο Πίνακας με τις επιλεγμένες γωνίες και μήκη δεσμών της ένωσης. 168

206 Bonds [Å] Cd(1) O(20) i (6) Cd(1) O(14) ii (6) Cd(1) O(1) (7) Cd(1) O(3) (6) Cd(1) O(19) (6) Cd(1) O(21) (6) Cd(2) O(8) iii (6) Cd(2) O(6) (7) Cd(2) O(7) (6) Cd(2) O(9) (6) Cd(2) O(13) (6) Cd(2) O(15) (7) Bond angles [ o ] O(20) i Cd(1) O(14) ii 99.1 (2) O(20) i Cd(1) O(1) 92.3 (3) O(14) ii Cd(1) O(1) (3) O(20) i Cd(1) O(3) (2) O(14) ii Cd(1) O(3) 76.0 (2) O(1) Cd(1) O(3) 68.4 (2) O(20) i Cd(1) O(19) (2) O(14) ii Cd(1) O(19) 94.1 (3) O(1) Cd(1) O(19) 98.6 (3) O(3) Cd(1) O(19) 92.4 (2) O(20) i Cd(1) O(21) 73.5 (2) O(14) ii Cd(1) O(21) (2) O(1) Cd(1) O(21) 91.5 (2) O(3) Cd(1) O(21) (2) O(19 Cd(1) O(21) 69.7 (2) O(8) iii Cd(2) O(6) 79.5 (2) O(8) iii Cd(2) O(7) (2) O(6) Cd(2) O(7) 88.1 (3) O(8) iii Cd(2) O(9) 75.4 (2) O(6) Cd(2) O(9) (2) O(7) Cd(2) O(9) 69.9 (2) O(8) iii Cd(2) O(13) 89.7 (2) O(6) Cd(2) O(13) (2) O(7) Cd(2) O(13) (3) O(9) Cd(2) O(13) 94.2 (2) O(8) iii Cd(2) O(15) (2) O(6) Cd(2) O(15) 98.2 (2) O(7) Cd(2) O(15) 99.3 (2) O(9) Cd(2) O(15) (2) O(13) Cd(2) O(15) 71.0 (2) (i) x 1, y, z; (ii) x+1, y 1/2, z+1; (iii) x+1, y, z Πίνακας Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) 169

207 7.3.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Το φάσμα FT-IR της ένωσης 6 σε KBr παρουσιάζει αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων (Σχήμα 7.3.2). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα cm -1, ενώ οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται περίπου στα cm -1. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT-IR της ένωσης 6 παρατηρήθηκε μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου βασικού υποκαταστάτη του κινικού οξέος. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση του οργανικού υποκαταστάτη, όταν αυτό συναρμόζεται με το ιόν του καδμίου. 100 Vas (COO - ) Vs (COO - ) Διαπερατότητα Τ % Κυματαριθμός (cm -1 ) Σχήμα Φάσμα FT-IR της ένωσης [Cd(quinate) 2 ] n 1/2nH 2 O (6) 170

208 7.3.6 Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 13 C-, 1 H-NMR (NMR Spectroscopy) σε διάλυμα Τα φάσματα 13 C-NMR και 1 H-NMR της ένωσης 6 στην υδατική φάση καταγράφηκαν σε D 2 O. Το φάσμα 13 C-NMR της ένωσης αποκάλυψε τις ακόλουθες κορυφές (Σχήμα 7.3.3): α) Δύο κορυφές στα 37.4 και 40.5 ppm, οι οποίες αποδίδονται στην CH 2 - ομάδα του κινικού υποκαταστάτη, β) δύο κορυφές στα 67.0 και 70.4 ppm, οι οποίες αποδίδονται στις CHOH ομάδες, γ) μία κορυφή στα 75.2 ppm, η οποία βρίσκεται σε συμφωνία με την CHOH ομάδα του μεσαίου άνθρακα του κινικού οξέος, και δ) μία κορυφή στα 77 ppm, η οποία αποδίδεται στον τεταρτοταγή άνθρακα του υποκαταστάτη. Τέλος, η απορρόφηση στα ppm μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία του καρβοξυλικού άνθρακα, ο οποίος συναρμόζεται με το ιόν του Cd(II). Οι παρατηρήσεις αυτές επιβεβαιώθηκαν με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Όσον αφορά στο φάσμα 1 H-NMR στην υδατική φάση της ένωσης, παρατηρήθηκαν αρκετές κορυφές (Σχήμα 7.3.4): α) παρατηρήθηκαν κορυφές στα ppm, οι οποίες δηλώνουν την παρουσία CH 2 μεθυλενομάδων του κινικού υποκαταστάτη, β) μία κορυφή στα 3.4 ppm, η οποία αποδίδεται στην μεσαία CHOH μεθυλο-ομάδα του υποκαταστάτη, και γ) κορυφές στα 3.9 και 4.0 ppm, που αποδίδονται στα πρωτόνια της CHOH ομάδας του κινικού οξέος. Σχήμα Φάσμα 13 C-NMR της ένωσης 6 σε διάλυμα 171

209 Σχήμα Φάσμα 1 Η-NMR της ένωσης 6 172

210 7.3.7 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο πλαίσιο της παρούσας ενότητας μελετήθηκε συνθετικά το δυαδικό σύστημα Cd(II)- κινικού οξέος στην υδατική φάση. Αποτέλεσμα της διερεύνησης της ανάπτυξης της χημικής συμπεριφοράς της μεταλλοτοξίνης του καδμίου σε υδατικό περιβάλλον παρουσία του κινικού οξέος, ενός οργανικού κυκλικού οξέος με ισχυρή παρουσία στο φυτικό βασίλειο, ήταν η σύνθεση και απομόνωση ενός νέου δυαδικού πολυμερικού υλικού με τύπο [Cd(C 7 H 11 O 6 ) 2 ] n n/2h 2 O (6). Η ένωση χαρακτηρίστηκε πλήρως αναλυτικά, δομικά και φασματοσκοπικά. Η απομόνωση της νέας ένωσης 6 αποτελεί ένα ακόμη δομικό λίθο στη διερεύνηση της ικανότητας του Cd(II) να συναρμόζεται σε φυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία απαντώνται στους έμβιους οργανισμούς, στην περίπτωση του κινικού οξέος σε φυτικούς οργανισμούς. Δεδομένης της εκτεταμένης έκθεσης των φυτικών οργανισμών στην τοξική δράση μετάλλων, όπως το κάδμιο, και βασιζόμενοι στο γεγονός ότι οι φυτικοί οργανισμοί αποτελούν τον πρώτο κρίκο της τροφικής αλυσίδας, κρίθηκε σκόπιμη η αποσαφήνιση των πιθανών μορφών στις οποίες απαντάται το Cd(ΙΙ) (speciation) στους φυτικούς ιστούς. Ως εκ τούτου, η συνθετική μελέτη οδήγησε στην απομόνωση της νέας ένωσης [Cd(C 7 H 11 O 6 ) 2 ] n n/2h 2 O (6). Η περαιτέρω μελέτη της σχέσης δομής-τοξικής δράσης του σε διάφορες κυτταρικές σειρές αναμένεται να ρίξει άπλετο φως στις αλληλεπιδράσεις του Cd(II) με φυσικούς κυτταρικούς στόχους. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ganem, B. Tetrahedron, 1978, 34, Menelaou, M. et. al.. Inorg. Chem., 2010, 49,

211 ΕΝΟΤΗΤΑ 7.4 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΛΛΟΤΟΞΙΝΗΣ ΤΟΥ Cd(ΙΙ) ΜΕ ΑΡΩΜΑΤΙΚΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ Εισαγωγή Η ικανότητα του τοξικού μετάλλου του καδμίου να αλληλεπιδρά με α- υδροξυκαρβοξυλικά οξέα φυσιολογικής σημασίας, διερευνάται στην παρούσα έρευνα με ένα αντιπροσωπευτικό αρωματικό α-υδροξυκαρβοξυλικό οξύ, το βενζιλικό οξύ (C 6 H 5 ) 2 C(OH)COOH (Εικόνα 7.4.1). Εικόνα Το βενζιλικό οξύ. Το βενζιλικό οξύ, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο ως πρόδρομη ένωση στη βιομηχανία φαρμάκων, 1 αποτελεί υπόστρωμα σημαντικής προστιθέμενης αξίας, άξιο διερεύνησης της χημείας που αναπτύσσει με μεταλλοϊόντα, όπως το Cd(ΙΙ), κ.α. Επιπλέον, το αρωματικό αυτό οξύ αποτελεί σημαντικό υποκαταστάτη στη σφαίρα συναρμογής του Cd(II), καθώς διαθέτει ιδιαίτερα αξιόλογα δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά: 1. αρωματικό δακτύλιο, με σημαντικό χωρικό μέγεθος και υδροφοβικότητα, 2. ΟΗ ομάδα σε α-θέση ως προς το καρβοξύλιο, αποκτώντας έτσι ιδιότητες μεταλλο-χηλικοποιητού και 3. ομάδα -COOH ικανή μεταλλοσυμπλοκοποίησης. Η μελέτη, συνεπώς, της ανάπτυξης της χημικής δραστικότητάς του με μεταλλοϊόντα, όπως το Cd(ΙΙ), μπορεί να επεκταθεί σε πληθώρα ανάλογων υποστρωμάτων, παρέχοντας με τον τρόπο αυτό πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση του καδμίου με πολυπλοκότερα φυσιολογικά υποστρώματα με διαμόρφωση παρόμοια εκείνης του βενζιλικού μορίου. 174

212 Τέλος, το βενζιλικό οξύ είναι δυνατόν να προσδώσει κατά την σύνδεσή του με μεταλλοϊόντα, την χαρακτηριστική ιδιότητα της φωταύγειας, η οποία αυτομάτως καθιστά τη νέα δομή υλικό με διακριτές (πιθανώς μοναδικές) προηγμένες ιδιότητες και εμπορικές εφαρμογές. Η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 με το βενζιλικό οξύ σε υδατικό περιβάλλον παρουσία 2,2 -διπυριδίνης (C 10 H 8 N 2 ), αλλά και υπό την επίδραση ΝαΟΗ στην τιμή του ph>8 μέσω της υδροθερμικής μεθόδου, οδήγησε στη σύνθεση και απομόνωση ενός νέου τριαδικού κρυσταλλικού πλεγματικού υλικού, το οποίο χαρακτηρίστηκε δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Η δομή της νέας ένωσης συναρμογής προσδιορίστηκε με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου και αποδίδεται από το μοριακό τύπο: [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7). Η νέα ένωση του καδμίου με αρωματικό πλέον οργανικό υποκαταστάτη, ανοίγει νέο παράθυρο στη διερεύνηση της ικανότητας του καδμίου να συναρμόζεται με οργανικά υποστρώματα με αρωματικό δακτύλιο, επηρεάζοντας έτσι τη διαλυτότητα και βιοδιαθεσιμότητά του κατά την τοξική επαφή του με τους έμβιους οργανισμούς. Το υλικό που συντέθηκε είναι σταθερό στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα Σύνθεση Η σύνθεση της νέας ένωσης του καδμίου με το βενζιλικό οξύ πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Επίδραση βενζιλικού οξέος σε διάλυμα Cd(NO 3 ) 2 και επιπλέον προσθήκη στην υδατική φάση 2,2 -διπυριδίνης, σε αναλογία 1:2:1, ρύθμιση του ph του διαλύματος με NaΟΗ στην τελική τιμή >8, και εφαρμογή υδροθερμικών συνθηκών αντίδρασης, οδήγησε στην απομόνωση, αμέσως μετά από την έξοδο του αντιδρώντος μίγματος από τον φούρνο της υδροθερμικής διάταξης και επαναφορά του συστήματος σε συνθήκες περιβάλλοντος, ενός νέου κρυσταλλικού υλικού με τύπο: [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 7 Cd(NO 3 ) C 14 H 12 O C 10 H 8 N 2 + 2NaOH ph>8 Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 + 2NaNO H 2 O 175

213 7.4.3 Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού Όλες οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (βενζιλικό οξύ, 2,2 -διπιριδίνη, ΝαΟΗ) προμηθεύτηκαν από εμπορικές πηγές (Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Χρησιμοποιήθηκε ως διαλύτης υπερκαθαρό νερό. Η νέα ένωση, η οποία απομονώθηκε με διήθηση και ξήρανση στον αέρα, είναι σταθερή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. Η στοιχειακή ανάλυση C,H,N (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή πραγματοποιείται στιγμιαία άνοδο της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης (N 2, CO 2, H 2 O και SO 2 ). Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TC, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. Η θερμοσταθμική ανάλυση TGA πραγματοποιήθηκε σε αερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας το σύστημα Perkin Elmer Pyris 1 TGA. Ο ρυθμός θέρμανσης των δειγμάτων ήταν 5 C/min, στην περιοχή τιμών θερμοκρασίας ºC. Το δείγμα που αναλύθηκε είχε μάζα που κυμαινόταν από 2 έως 10 mg. Κατά την εκτέλεση της ανάλυσης, το δείγμα υποβάλλεται σε καύση με ρεύμα αέρα με ροή 20.0 ml/min. Το δείγμα θερμαίνεται από τους 25 έως τους 900º C με ρυθμό 5.00 C/min, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ουσία χάνει σταδιακά μάζα δίνοντας ως τελικά προϊόντα 176

214 H 2 O, CO 2 και N 2, και απομένει συνήθως το οξείδιο του αντίστοιχου μετάλλου. Η απώλεια της μάζας της ένωσης καταγράφεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου. Η μελέτη της φωταύγειας των υπό εξέταση νέων ενώσεων πραγματοποιήθηκε σε φασματοφωτόμετρο φθορισμού Hitachi F Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη με 15 ml H 2 O υπό ανάδευση. Ακολούθησε εισαγωγή βενζιλικού οξέος (0.29 g, 1.00 mmol) και εν συνεχεία (0.50 mmol, g) 2,2 -διπυριδίνης. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση για 20 λεπτά. Ακολούθησε αύξηση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή >8 με διάλυμα ΝαΟΗ. Το μίγμα μεταφέρθηκε σε ειδικό μικροαντιδραστήρα, ο οποίος στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε φούρνο σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης 160 C για 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Νέο κρυσταλλικό υλικό απομονώθηκε απευθείας από την υδροθερμική αντίδραση, με απόθεση στα τοιχώματα του ειδικού δοχείου αντίδρασης από τεφλόν. Το νέο κρυσταλλικό υλικό (7) παρελήφθη με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) (C 48 H 38 CdΝ 4 O 6, Μοριακό βάρος: Θεωρητικές τιμές (%) C: 65.51, H: 4.32, N: 6.37, Πειραματικές τιμές (%) C: 65.48, H: 4.27, N: Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Μονοκρύσταλλοι της ένωσης 7 παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2, εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo K α (λ= Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της συλλογής των δεδομένων κανένας κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα 177

215 που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS με βάση τις διαστάσεις των κρυστάλλων. Τελικά, οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP, ενσωματωμένο στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τέλος, η απεικόνιση της δομής σχεδιάστηκε με το κρυσταλλογραφικό πακέτο Diamond 3.1, με ελλειψοειδή του κάθε ατόμου της τάξης του 50%. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τα σημαντικότερα κρυσταλλικά δεδομένα της ένωσης 7 παρουσιάζονται στον Πίνακα Πίνακας Κρυσταλλογραφικά δεδομένα της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Ένωση [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Μοριακός Τύπος C 48 H 38 CdΝ 4 O 6 Μοριακό βάρος Τ ºΚ 293 Κρυσταλλικό σύστημα Ομάδα Συμμετρίας Χώρου Μονοκλινές C2/c a (Ǻ) (3) b (Ǻ) (11) c (Ǻ) (18) α, deg 90 β, deg (3) γ, deg 90 V, (Ǻ 3 ) (8) Ζ 16 D υπολ. (Mg m -3 ) Τιμές R 1 R R W Η 178

216 (1) Οι τιμές του R βασίζονται στις τιμές του F, και οι τιμές του R w βασίζονται στο F 2. Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Στην ενότητα αυτή, προσφέρεται μια όσον το δυνατόν πληρέστερη περιγραφή της δομής της νέας ένωσης 7. Συγκεκριμένα, η ένωση κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου C2/c. Στον Πίνακα παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα Diamond της ένωσης (Σχήμα 7.4.1), το κεντρικό ιόν του Cd(II) εμφανίζει αριθμό συναρμογής 6 παρουσιάζοντας οκταεδρική σφαίρα συναρμογής. Συγκεκριμένα, το κεντρικό ιόν του Cd(ΙΙ) συναρμόζεται μονοδοντικά με 2 βενζιλικούς υποκαταστάτες μέσω του ενός οξυγόνου της αποπρωτονιωμένης COOH ομάδας από κάθε υποκαταστάτη (Ο 7, Ο 7 ). Το κρυσταλλικό πλέγμα σταθεροποιείται με δύο μόρια 2,2 - διπυριδίνης, με τις οποίες το ιόν του καδμίου συνδέεται μέσω και των δύο ατόμων Ν (Ν 2, Ν 9, Ν 2, Ν 9 ). Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί ότι 16 μόρια υπάρχουν στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης (Ζ=16). Σχήμα Διάγραμμα Diamond της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) 179

217 Πίνακας Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) Μήκη δεσμών [Å] Cd(1) N(9) 2.407(5) Cd(1) N(2) 2.396(4) Cd(1) O(7) 2.224(4) Cd(1) N(2) 2.396(4) Cd(1) O(7) 2.224(4) Cd(1) N(9) 2.407(5) Γωνίες [ ] N(9) Cd(1) N(2) 67.85(15) N(9) Cd(1) O(7) 92.98(17) N(2) Cd(1) O(7) (15) N(9) Cd(1) N(2) 89.64(15) N(2) Cd(1) N(2) 150.5(2) O(7) Cd(1) N(2) 83.50(14) N(9) Cd(1) O(7) (16) N(2) Cd(1) O(7) 83.50(14) O(7) Cd(1) O(7) 104.0(2) N(2) Cd(1) O(7) (15) N(9) Cd(1) N(9) 82.5(2) N(2) Cd(1) N(9) 89.64(15) O(7) Cd(1) N(9) (16) N(2) Cd(1) N(9) 67.85(15) O(7) Cd(1) N(9) 92.98(17) Διεργασίες συμμετρίας: ( ) 1-x, y, 0.5-z. 180

218 7.4.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Το φάσμα FT-IR της ένωσης 7 σε KBr παρουσιάζει αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων των καρβοξυλίων (Σχήμα 7.4.2). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα 1620 cm -1, ενώ οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται στην περιοχή cm -1. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT-Υπερύθρου της ένωσης 7 παρατηρείται μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου βασικού υποκαταστάτη του βενζιλικού οξέος. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση του οργανικού υποκαταστάτη, όταν αυτό συναρμόζεται με το ιόν του καδμίου στην ένωση συναρμογής. V as (COO - ) V s (COO - ) Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) Σχήμα Φάσμα FT-IR της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) 181

219 7.4.6 Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA Analysis) Η ένωση 7 είναι σταθερή έως τη θερμοκρασία των 122ºC. Από τη θερμοκρασία αυτή και έως τους 211ºC, παρατηρείται απώλεια μάζας, προφανώς λόγω της απομάκρυνσης υγρασίας στην ένωση 7. Μεταξύ των 211 ºC και 414 ο C, η απώλεια μάζας οφείλεται στην αποδόμηση του οργανικού μέρους της ένωσης. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα TGA της ένωσης 7, δεν υπάρχουν ξεκάθαρα plateaus σε αυτά τα στάδια, χωρίς μεταβολές μάζας. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πάνω από τη θερμοκρασία των 414 ºC, η μάζα παραμένει αμετάβλητη, γεγονός που δηλώνει ότι το μόνο προϊόν που έχει απομείνει είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας όπως αντικατοπτρίζεται από την ακόλουθη στοιχειομετρική αντίδραση καύσης ανέρχεται στο 80.65%. [ Cd (C 14 H 11 O 3 ) (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] +159/2O 2 CdO +34 CO 2 +27/2H 2 O +4 N Ένωση 7 Βάρος % Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα Διάγραμμα TGA της ένωσης 7 182

220 7.4.7 Μελέτη φωταύγειας Στο πλαίσιο της μελέτης της δομής και των ιδιοτήτων του νέου συστήματος Cd(ΙΙ)- βενζιλικό οξύ-2,2 -διπυριδίνη, διερευνήθηκε η πιθανή ανάπτυξη του φαινόμενου της φωταύγειας της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7). Πράγματι, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 7.4.4, τόσο οι υποκαταστάτες (βενζιλικό οξύ και 2,2 -διπυριδίνη) όσο και το νέο μόριο παρουσιάζουν εκπομπή φωτός στην ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η μελέτη της φωταύγειας πραγματοποιήθηκε στη στερεά κατάσταση, σε θερμοκρασία δωματίου. Κατά τη διάρκεια της μελέτης, χρησιμοποιήθηκαν ίσες ποσότητες τόσο των Ο- και Ν-υποκαταστατών, όσο και της υπό εξέταση ένωσης 7. Στο διάγραμμα και στον πίνακα που ακολουθεί (Σχήμα και πίνακας 7.4.3) συνοψίζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της φωταύγειας. Συγκεκριμένα, η ένωση [Cd(C 12 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7) εμφάνισε έντονη εκπομπή φωτός σε μήκος κύματος λ em 348 nm (λ ex 325 nm). Τα αποτελέσματα της μελέτης της φωταύγειας του ελεύθερου βενζιλικού υποκαταστάτη λ em 377 nm (λ ex 320 nm) και της αδέσμευτης 2,2 -διπυριδίνης λ em 388 nm (λ ex 322 nm) είναι επίσης διακριτά. Είναι φανερό ότι η συναρμογή του βενζιλικού οξέος και της 2,2 -διπυριδίνης στο ιόν του Cd(II), είχε άμεση συμβολή στην εκπομπή ακτινοβολίας (φωταύγεια). Κατά τη διερεύνηση του φαινομένου της φωταύγειας άλλων ενώσεων συναρμογής, 2 οι κορυφές εκπομπής μπορούν να αποδοθούν σε φαινόμενα μεταφοράς φορτίου από τον υποκαταστάτη στο μέταλλο (LMCT) Απορρόφηση Α Μήκος κύματος (nm) Α 183

221 1400 Απορρόφηση Α Μήκος κύματος (nm) Απορρόφηση Α Μήκος κύματος (nm) Β Γ Σχήμα Φάσματα φωταύγειας Α. της ένωσης [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7), Β. του βενζιλικού υποκαταστάτη, και Γ. της 2,2 -διπυριδίνης 184

222 Ένωση Βενζιλικό οξύ 2,2 -Διπυριδίνη [Cd(benzilate) 2 (2,2 -bipy) 2 ] (7) λ ex (nm) λ em (nm) Πίνακας Αποτελέσματα μελέτης φωταύγειας ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο πλαίσιο εξιχνίασης της χημικής συμπεριφοράς του τοξικού μεταλλοϊόντος του καδμίου (Cd(ΙΙ)) σε περιβάλλον όπου συνυπάρχει με φυσιολογικά υποστρώματα, διερευνήθηκε η δυνατότητα αλληλεπίδρασής του με αρωματικά α- υδροξυκαρβοξυλ ικά οξέα. Ως α ντιπροσωπευτικό μέλος της κατηγορίας των αρωματικών α-υδροξυκαρβοξυλικών οξέων επιλέχθηκε το βενζιλικό οξύ. Αποτέλεσμα της μελέτης αυτής ήταν η σ ύνθεση και απομόνωση του νέου τριαδικού υλικού με μοριακό τύπο [Cd(C 14 H 11 O 3 ) 2 (C 10 H 8 N 2 ) 2 ] (7). Η ένωση χαρακτηρίστηκε πλήρως δομικά και φασματοσκοπικά, ενώ η εφαρμογή της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ προσδιόρισε την κρυσταλλική δομή του μορίου. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η φύση του διαλύτη (νερό), η αναλογία των αντιδρώντων, η καθοριστική παρουσία τόσο της 2,2 -διπυριδινης όσο και της βάσης ΝαΟΗ, το υψηλό ph στο οποίο πραγματοποιήθηκε η αντίδραση σύνθεσης, αλλά και οι συνθήκες της αντίδρασης (υδροθερμικές συνθήκες) διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο στην επιτυχή απομόνωση της ένωσης. Οποιεσδήποτε άλλες διαφορετικές 185

223 συνθήκες αντίδρασης απέτυχαν στο να οδηγήσουν στη σύνθεση του συστήματος Cd(ΙΙ)-βενζιλικό οξύ-2,2 -διπυριδίνης. Η νέα ένωση, επιπλέον, εμφανίζει μια ιδιαίτερα σημαντική ιδιότητα, αυτήν της ανάπτυξης του φαινομένου της φωταύγειας, ιδιότητα πολύτιμη για περαιτέρω αξιοποίηση του μορίου. Τέλος, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η μεταλλοτοξίνη του καδμίου όταν βρεθεί στις κατάλληλες συνθήκες, σχηματίζει δεσμούς συναρμογής και με αρωματικά καρβοξυλικά οξέα σχηματίζοντας σταθερές ενώσεις. Προτείνεται η βιολογική αξιολόγηση της νέας ένωσης, προκειμένου να αξιολογηθεί η σχέση δομής με την πιθανή ανάπτυξη τοξικότητας σε υγιή και καρκινικά κύτταρα. Μια τέτοια διερεύνηση δίνει τη δυνατότητα εμβάθυνσης της τοξικής αλληλεπίδρασης του Cd(II) με κυτταρικούς στόχους, επηρεάζοντας την κυτταρική φυσιολογία και τελικά την ακεραιότητα του ίδιου του κυττάρου. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 Halevas, E.; Hatzidimitriou, A.; Bertmer, M.; Vangelis, A.; Antzara, A.; Matescu, C.; Salifoglou, A. Crystal Growth and Design, 2014, 14, a) Tao, J.; Tong, M.L.; Shi, J.-X.; Chen, X.-M., S.W. Ng. Chem. Commun., 2000, b) Fu, Z.-Y.; Hu, S.M.; Dai, J-C.; Zhang, J.-J.; Wu, X.-T. Eur. J. Inorg. Chem., 2003,

224 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΥΔΑΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΥ Cd(II) ΜΕ ΔΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ 8.1 Εισαγωγή Η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης της μεταλλοτοξίνης του καδμίου με οργανικά μόρια, τα οποία συνιστούν φυσιολογικά υποστρώματα, συνεχίζεται με τη μελέτη της ανάπτυξης υδατικής χημείας του καδμίου με μια ιδιαίτερα σημαντική κατηγορία Ο-υποκαταστατών, τα δικαρβοξυλικά οξέα. Τα δικαρβοξυλικά οξέα, με γενικό μοριακό τύπο HO 2 C-R-CO 2 H, όπου R: αλειφατική ή αρωματική αλυσίδα, διαθέτουν δύο λειτουργικές ομάδες του COOH στα άκρα της ανθρακικής αλυσίδας. Οι ενώσεις αυτές απαντώνται είτε στους έμβιους οργανισμούς, είτε εμπλέκονται σε διάφορες ζωτικής σημασίας βιοχημικές διεργασίες πχ. κύκλος του Krebs. 1 Στην παρούσα μελέτη, διερευνήθηκε η χημική συμπεριφορά του καδμίου παρουσία αλειφατικών δικαρβοξυλικών οξέων ευθείας αλυσίδας με γενικό τύπο HO 2 C-(CH 2 ) n -CO 2 H, 2 πολλά εκ των οποίων απαντώνται στη φύση ως φυσικά υποστρώματα. Συγκεκριμένα, τα δικαρβοξυλικά οξέα τα οποία μελετήθηκαν ήταν το πιμελικό οξύ (C 7 H 12 O 4 ) (Εικόνα 8.1Α) με σημαντικό βιοχημικό ρόλο (παράγωγά του εμπλέκονται στη βιοσύνθεση της λυσίνης), το σουμπερικό οξύ (Εικόνα 8.1Β) και το σεβακικό οξύ (Εικόνα 8.1Γ). Το σουμπερικό οξύ (C 8 H 14 O 4 ), είναι ένα ακόμη μόριο φυσικής προέλευσης (το όνομα του προέρχεται από την λατινική ονομασία του φελλού), το οποίο αποτελεί μέλος της κατηγορίας των δικαρβοξυλικών οξέων, με σημαντική θέση στη σύνθεση φαρμακοσκευασμάτων και βιομηχανία πλαστικών. Το σεβακικό οξύ (C 10 H 18 O 4 ) αποτελεί α) παράγωγο του καστορελαίου με σημαντικές εμπορικές εφαρμογές (βασική πρώτη ύλη στην παραγωγή κεριών, λιπαντικών, καλλυντικών, υδραυλικών υγρών, και β) πρόδρομη ένωση στη σύνθεση αρωματικών ουσιών, βαφών και αντισηπτικών). 187

225 Α Β Γ Εικόνα 8.1 Α. Πιμελικό, Β. Σουμπερικό και Γ. Σεβακικό οξύ Η μελέτη της χημικής συμπεριφοράς του καδμίου με τα παραπάνω δικαρβοξυλικά οξέα πραγματοποιήθηκε παρουσία του Ν-υποκαταστάτη 2,2 -διπυριδίνη, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της μεταβολής του χημικού περιβάλλοντος στις φυσικοχημικές ιδιότητες του Cd(ΙΙ), με άμεσες επιπτώσεις στη σύνθεση ενώσεων με διαφοροποιημένες ιδιότητες (ιδιαίτερες αρχιτεκτονικές στη δομή και προηγμένες ιδιότητες π.χ. ανάπτυξη φωταύγειας). Αποτέλεσμα της ερευνητικής προσπάθειας ήταν η σύνθεση τριών νέων πολυμερικών ενώσεων συναρμογής με μοριακούς τύπους [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) (pimelate = C 7 H 10 O 4 πιμελικό ανιόν), [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9), (sebacate = C 10 H 16 O 4 σεβακικό ανιόν) και [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10), (suberate= C 8 H 12 O 4 σουμπερικό ανιόν), όπου 2,2 - bipy = C 10 H 8 N 2 2,2 -διπυριδίνη. Τα νέα κρυσταλλικά υλικά χαρακτηρίστηκαν πλήρως δομικά με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. 188

226 8.2 Σύνθεση Η σύνθεση των νέων ενώσεων πραγματοποιήθηκε στην υδατική φάση, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Οι νέες τριαδικές ενώσεις που συντέθηκαν είναι σταθερές στον αέρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για μεγάλο χρονικό διάστημα. Συγκεκριμένα, η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O με το πιμελικό οξύ και την 2,2 -διπυριδίνη, με εφαρμογή της υδροθερμικής μεθόδου, οδήγησε στην απομόνωση ενός νέου λευκού κρυσταλλικού υλικού με τύπο [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8). Σημειώνεται ότι η αντίδραση κατέστη εφικτή μόνο σε έντονα βασικό περιβάλλον, παρουσία της βάσης ΝαΟΗ. Η συνολική στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του πολυμερικού υλικού 8 φαίνεται παρακάτω (Αντίδραση 8). Στοιχειομετρική αντίδραση (8) ncd(no 3 ) 2 + nc 7 H 12 O 4 + nc 10 H 8 N 2 + 2nNaOH ph >8 [Cd(C 7 H 10 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n + 2nNaNO 3 + 2nH 2 O Ακόμη, η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O με το σεβακικό οξύ, παρουσία 2,2 -διπυριδίνης, κάτω από υδροθερμικές συνθήκες, σε ουδέτερο-ελαφρώς βασικό περιβάλλον, το οποίο επιτεύχθηκε με προσθήκη ΝαΟΗ, οδήγησε στην απομόνωση του κρυσταλλικού πολυμερικού τριαδικού υλικού [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9), του οποίου η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης (αντίδραση 9) δίνεται παρακάτω. Στοιχειομετρική αντίδραση (9) ncd(no 3 ) 2 + nc 10 H 18 O 4 + nc 10 H 8 N 2 + 2nNaOH + nh 2 O ph 7.5 [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n. 3nH 2 O + 2nNaNO 3 Τέλος, η αντίδραση του Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O με το σουμπερικό οξύ, παρουσία 2,2 -διπυριδίνης, κάτω από υδροθερμικές συνθήκες, ομοίως σε ουδέτερο-ελαφρώς βασικό περιβάλλον, το οποίο επιτεύχθηκε με προσθήκη ΝαΟΗ, οδήγησε στην απομόνωση του κρυσταλλικού πολυμερικού 189

227 τριαδικού υλικού [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O, (suberate = C 8 H 12 O 4 ) (10), του οποίου η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης (αντίδραση 10) δίνεται παρακάτω. Στοιχειομετρική αντίδραση (10) nc 8 H 14 O 4 + 2nC 10 H 8 N 2 + 2nNaOH ph 7 [Cd(C 8 H 12 O 4 )(C 10 H 8 N 2 ) 2 ] n. 2nH 2 O + 2nNaNO Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια Οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (πιμελικό, σουμπερικό, σεβακικό οξύ, 2,2 -διπυριδίνη, NaOH) προήλθαν από εμπορικές πηγές (Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Ο διαλύτης που χρησιμοποιήθηκε ήταν μόνο υπερκαθαρό νερό. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. Η στοιχειακή ανάλυση C,H,N (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή πραγματοποιείται στιγμιαία άνοδο της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης (N 2, CO 2, H 2 O και SO 2 ). Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TC, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. 190

228 Η θερμοσταθμική ανάλυση TGA πραγματοποιήθηκε σε αερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας το σύστημα Perkin Elmer Pyris 1 TGA. Ο ρυθμός θέρμανσης των δειγμάτων ήταν 5 C/min, στην περιοχή τιμών θερμοκρασίας ºC. Το δείγμα που αναλύθηκε είχε μάζα που κυμαινόταν από 2 έως 10 mg. Κατά την εκτέλεση της ανάλυσης, το δείγμα υποβάλλεται σε καύση με ρεύμα αέρα με ροή 20.0 ml/min. Το δείγμα θερμαίνεται από τους 25 έως τους 900º C με ρυθμό 5.00 C/min, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ουσία χάνει σταδιακά μάζα δίνοντας ως τελικά προϊόντα H 2 O, CO 2 και N 2, και απομένει συνήθως το οξείδιο του αντίστοιχου μετάλλου. Η απώλεια της μάζας της ένωσης καταγράφεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου. Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) Σε σφαιρική φιάλη τοποθετήθηκε Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Στο διάλυμα προστέθηκε πιμελικό οξύ (0.08 g, 0.50 mmol) και εν συνεχεία (0.50 mmol, 0.08 g) 2,2 -διπυριδίνης. Το αντιδρών μίγμα αφέθηκε υπό ανάδευση. Στο διάλυμα προστέθηκε αργά υδατικό διάλυμα ΝαΟΗ μέχρι την τελική τιμή ph>8 του διαλύματος. Το αντιδρών μίγμα μεταφέρθηκε σε ειδικό μικροαντιδραστήρα, ο οποίος στη συνέχεια τοποθετήθηκε σε φούρνο και σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης 160 C για 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στα τοιχώματα του ειδικού πλαστικού δοχείου αντίδρασης παρατηρήθηκε λευκό κρυσταλλικό υλικό (8) με όψη όμοια με χνούδι, το οποίο απομονώθηκε με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 7 H 10 O 4 )(C 10 H 8 Ν 2 )] n (8) (C 17 H 18 CdΝ 2 O 4, M r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 47.8, H: 4,20, N:6,56, Πειραματικές τιμές (%) C:46.8, H:4.14, N:6.52). Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη και διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Στο διάλυμα προστέθηκε υπό ανάδευση, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σεβακικό οξύ (0.20 g, 1.00 mmol) και εν συνεχεία (0.08 g, 0.50 mmol) 2,2 - διπυριδίνη. Ακολούθησε προσθήκη υδατικού διαλύματος ΝαΟΗ μέχρι την τελική τιμή ph 7.5. Το αντιδρών μίγμα μεταφέρθηκε στον ειδικό μικροαντιδραστήρα και τοποθετήθηκε σε φούρνο σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης 160 C για 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Στα τοιχώματα του ειδικού πλαστικού δοχείου αντίδρασης παρατηρήθηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό (9), το οποίο 191

229 απομονώθηκε με διήθηση και απλή ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n 3nH 2 O (9) (C 20 H 30 CdΝ 2 O 7, M r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 45.90, H: 5.73, N: 5.35 Πειραματικές τιμές (%) C 45.57, H 5.82, N 5.43). Σύνθεση της τριαδικής ένωσης [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Σε σφαιρική φιάλη εισήχθη Cd(NO 3 ) 2 4H 2 O (0.15 g, 0.50 mmol), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 15 ml H 2 O. Στο διάλυμα προστέθηκε υπό ανάδευση, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σουμπερικό οξύ (0.18 g, 1.00 mmol) και εν συνεχεία (0.08 g, 0.50 mmol) 2,2 - διπυριδίνη. Στο επόμενο στάδιο πραγματοποιήθηκε προσθήκη υδατικού διαλύματος ΝαΟΗ μέχρι την τελική τιμή ph 7. Το αντιδρών μίγμα μεταφέρθηκε στον ειδικό μικροαντιδραστήρα, ο οποίος τοποθετήθηκε σε φούρνο σε συνθήκες υδροθερμικής αντίδρασης 160 C για 72 h. Μετά το πέρας της αντίδρασης, το διάλυμα που προέκυψε αφέθηκε να επανέλθει σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ακολούθησε διήθηση του προκύπτοντος μίγματος και παραμονή του διηθήματος σε συνθήκες περιβάλλοντος για αργή εξάτμιση του διαλύτη (νερό) slow evaporation. Μετά τη διέλευση περίπου τριών εβδομάδων εμφανίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό (10), το οποίο παρελήφθη με διήθηση και ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση [Cd(C 8 H 12 O 4 )(C 10 H 8 N 2 ) 2 ] n 2nH 2 O (10) (C 28 H 32 CdΝ 4 O 6, Μ r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 53.08, H: 5.05, N: 8.85, Πειραματικές τιμές (%) C: 53.12, H:5.07, N:8.92). 8.4 Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής Μονοκρύσταλλοι της ένωσης 8, 9 και 10 παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2, εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo K α (λ= Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της συλλογής των δεδομένων κανένας κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS με βάση τις διαστάσεις των κρυστάλλων. 192

230 Τελικά, οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP, ενσωματωμένο στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τέλος, η απεικόνιση της δομής σχεδιάστηκε με το κρυσταλλογραφικό πακέτο Diamond 3.1, με ελλειψοειδή του κάθε ατόμου της τάξης του 50%. Στον Πίνακα 8.1 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 8, 9 και 10. Πίνακας 8.1. Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 8, 9 και10 Ενώσεις [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) bipy)] n 3nH 2 O (9) [Cd(sebacato)(2,2 - [Cd(suberato)(2,2 - bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Μοριακός Τύπος C 17 H 18 CdN 2 O 4 C 20 H 30 CdN 2 O 7 C 28 H 32 CdΝ 4 O 6 Μοριακό βάρος , Τ ºΚ Κρυσταλλικό σύστημα Ορθορομβικό Τρικλινές Μονοκλινές Ομάδα Συμμετρίας Pbca Pī C2/c Χώρου a (Ǻ) (13) (4) (8) b (Ǻ) (7) (4) (16) c (Ǻ) (16) (4) (11) α, deg (10) 90 β, deg (10) 98.74(2) γ, deg (10) 90 V, (Ǻ 3 ) (5) (7) Ζ 8 4 D υπολ. (Mg m -3 ) Τιμές R 1 R R W R R W (1) Οι τιμές του R βασίζονται στις τιμές του F, και οι τιμές του R w βασίζονται στο F

231 (2) Για την 1: 3598, για την 2: 7101, για την 3: 1651 και για την 4: 2451 ανακλάσεις I>2σ(I) Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8) Η ένωση 8 κρυσταλλώνει στο ορθορομβικό σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου Pbca. Το διάγραμμα της ένωσης παρουσιάζεται στο σχήμα 8.1. Στον πίνακα 8.2 παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος αποτελείται από ένα ιόν Cd(II), έναν πιμελικό υποκαταστάτη και ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης. Ο πολυμερισμός της μονάδας αυτής οδηγεί στην πολυμερική ένωση 8. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα Diamond (Σχήμα 8.1) της ένωσης, το κεντρικό ιόν του καδμίου παρουσιάζει αριθμό συναρμογής 7, με γεωμετρία πενταγωνικής διπυραμίδας. Συγκεκριμένα, το ιόν του καδμίου συνδέεται με τρείς πιμελικούς υποκαταστάτες, με δύο διαφορετικούς τρόπους συναρμογής. Ο τρόπος σύνδεσής του με δύο εκ των τριών πιμελικών υποκαταστατών, γίνεται μέσω των δύο οξυγόνων του καρβονυλίου της μίας καρβοξυλικής ομάδας των δικαρβοξυλικών υποκαταστατών (Ο2, Ο4, Ο12, Ο13 ), με τον τρίτο δικαρβοξυλικό υποκαταστάτη να συναρμόζεται μόνο μέσω του ενός οξυγόνου (Ο4 ) της μιας καρβοξυλικής του ομάδας. Κάθε δικαρβοξυλικός υποκαταστάτης συναρμόζεται μέσω των οξυγόνων της δεύτερης καρβοξυλικής του ομάδας με γειτονικά ιόντα Cd(ΙΙ), συμβάλλοντας στον πολυμερισμό της ένωσης. Τέλος, η σφαίρα συναρμογής του Cd(ΙΙ) ολοκληρώνεται με ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης, με την οποία η συναρμογή του πραγματοποιείται μέσω των 2 ατόμων Ν (Ν14, Ν21) της 2,2 - διπυριδίνης. Αναφέρεται, επίσης, ότι 8 μόρια περιέχονται στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης. 194

232 Σχήμα 8.1 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση 8 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της τριαδικής ένωσης [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) Η ένωση 9 κρυσταλλώνει στο τρικλινές σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου Pī. Το διάγραμμα της ένωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.2. Στον Πίνακα 8.2 παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος αποτελείται από ένα ιόν Cd(II), έναν σεβακικό υποκαταστάτη και ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης. Στο πλέγμα της ένωσης απαντώνται και 3 μόρια νερού. Ο πολυμερισμός της μονάδας αυτής οδηγεί στην πολυμερική ένωση 9. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα Diamond (Σχήμα 8.2) της ένωσης, το κεντρικό ιόν του καδμίου παρουσιάζει αριθμό συναρμογής 7, με τη γεωμετρία γύρω του να είναι πενταγωνική διπυραμίδας. Συγκεκριμένα, το ιόν του καδμίου συνδέεται με τρεις σεβακικούς υποκαταστάτες, με δύο διαφορετικούς τρόπους συναρμογής. Ο τρόπος σύνδεσής του, με δύο εκ των τριών 195

233 σεβακικών υποκαταστατών, γίνεται μέσω των δύο ατόμων οξυγόνου (Ο2, Ο4, Ο16, Ο140), του καρβονυλίου της μίας καρβοξυλικής ομάδας των δικαρβοξυλικών υποκαταστατών, με τον τρίτο δικαρβοξυλικό υποκαταστάτη να συναρμόζεται μόνο μέσω του ενός οξυγόνου (Ο2 ) της μιας καρβοξυλικής του ομάδας. Τέλος, η σφαίρα συναρμογής του Cd(ΙΙ) ολοκληρώνεται με ένα μόριο 2,2 -διπυριδίνης, με την οποία η συναρμογή του πραγματοποιείται μέσω των δύο αζώτων της (Ν22, Ν29). Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τρία μόρια H 2 O απαντώνται στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης. Επιπλέον, κάθε δικαρβοξυλικός υποκαταστάτης συναρμόζεται μέσω των οξυγόνων της δεύτερης καρβοξυλικής του ομάδας με γειτονικά ιόντα Cd(ΙΙ), συμβάλλοντας στον πολυμερισμό της ένωσης. Αναφέρεται, επίσης, ότι τέσσερα μόρια περιέχονται στην μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης. Σχήμα 8.2 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση [Cd(sebacato)(2,2 -bipy)] n 3nH 2 O (9) 196

234 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής της τριαδικής ένωσης [Cd(suberato)(2,2 - bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Η ένωση 10 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα, στην ομάδα συμμετρίας χώρου C2/c. Το διάγραμμα της ένωσης παρουσιάζεται στο σχήμα 8.3. Στον Πίνακα 8.2 παρουσιάζονται επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες της ένωσης. Η επαναλαμβανόμενη μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος αποτελείται από ένα ιόν Cd(II), έναν σουμπερικό υποκαταστάτη και δύο μόρια 2,2 -διπυριδίνης. Στο πλέγμα της ένωσης απαντώνται επίσης και δύο μόρια νερού. Ο πολυμερισμός της μονάδας αυτής οδηγεί στην πολυμερική ένωση 10. Σύμφωνα με το διάγραμμα Diamond (Σχήμα 8.3) της ένωσης, το κεντρικό ιόν του καδμίου παρουσιάζει αριθμό συναρμογής 8. Συγκεκριμένα, το ιόν του καδμίου συνδέεται αφενός μεν με δύο σουμπερικούς υποκαταστάτες, αφετέρου δε με δύο μόρια 2,2 -διπυριδίνης.. Η συναρμογή του ιόντος του Cd(ΙΙ) με το δικαρβοξυλικό ιόν πραγματοποιείται και για τους δύο υποκαταστάτες με τον ίδιο τρόπο. Συγκεκριμένα, το κεντρικό ιόν του καδμίου συνδέεται μέσω τον οξυγόνων (Ο3, Ο4, Ο3, Ο4) της αποπρωτονιωμένης καρβοξυλικής ομάδας του καθενός. Η δεύτερη καρβοξυλική ομάδα του κάθε σουμπερικού υποκαταστάτη συναρμόζεται με ένα άλλο γειτονικό ιόν καδμίου, οδηγώντας στο σχηματισμό της πολυμερικής ένωσης. Επιπλέον, το νέο πλεγματικό υλικό 10 σταθεροποιείται μέσω δύο μορίων 2,2 -διπυριδίνης, των οποίων η σύνδεση επιτυγχάνεται μέσω των ατόμων Ν του μορίου (Ν8, Ν15, Ν8, Ν15 ) (Σχήμα 8.3). Αναφέρεται επίσης, ότι τέσσερα μόρια περιέχονται στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης. 197

235 Σχήμα 8.3 Διάγραμμα Diamond της σύμπλοκης επαναλαμβανόμενης μονάδας στην ένωση [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) 198

236 Πίνακας 8.2 Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των ενώσεων 8, 9, 10 [Cd(pimelato)(2,2 - bipy)] n (8) * Μήκη δεσμών [Å] [Cd(sebacato)(2,2 - bipy)] n 3nH 2 O (9) Μήκη δεσμών[å] [Cd(suberato)(2,2 - bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10) Μήκη δεσμών[å] Cd(1) O(13) 2.357(3) Cd(1) O(2) (16) Cd(1) O(4) Cd(1) O(4) 2.345(3) Cd(1) O(2) (17) Cd(1) N(8) Cd(1) O(12) 2.326(3) Cd(1) O(4) (19) Cd(1) N(15) Cd(1) O(2) 2.557(3) Cd(1) O(16) (19) Cd(1) O(3) Cd1 O(4) 2.284(3) Cd(1) N(22) 2.332(2) Cd(1) N(14) 2.344(3) Cd(1) N(29) 2.358(2) Cd(1) N(21) 2.354(3) Cd(1) O(140) 2.483(5) Γωνίες [ ] Γωνίες [ ] Γωνίες [ ] O13 Cd(1) O (11) O2 Cd(1) O (7) O3- Cd(1) O O13 Cd(1) O (11) O2 Cd(1) O (6) O3-Cd1-N O4 Cd(1) O (11) O2 Cd(1) O (6) O3- Cd(1) N O13 Cd(1) O (11) O2 Cd(1) O (7) O3- Cd(1) N O4 Cd(1) O (10) O2 Cd(1) O (7) O3- Cd(1) N O12 Cd(1) O (11) O4 Cd(1) O (7) O3- Cd(1) O O13 Cd(1) O (12) O2 Cd(1) N (7) O3- Cd(1) O O4 Cd(1) O (13) O2 Cd(1) N (7) O4- Cd(1) N O12 Cd(1) O (11) O4 Cd(1) N (7) O4- Cd(1) O O2 Cd(1) O (10) O16 Cd(1) N (7) O4- Cd(1) N O13 Cd(1) N (12) O2 Cd(1) N (7) O4- Cd(1) Cd1-N O4 Cd(1) N (12) O2 Cd(1) N (7) O4-Cd)-O O12 Cd(1) N (11) O4 Cd(1) N (6) N8- Cd(1) N O2 Cd(1) N (11) O16 Cd(1) N (7) N8- Cd(1) N O4 Cd(1) N (11) N22 Cd(1) N (7) N8- Cd(1) N O13 Cd(1) N (12) O2 i Cd(1) O (14) O4 Cd(1) N (12) O2 Cd(1) O (14) O12 Cd(1) N (12) O4 Cd(1) O (13) O2 Cd(1) N (10) O16 Cd(1) O (14) O4 Cd(1) N (11) N22 Cd(1) O (14) N14 Cd(1) N (12) N29 Cd(1) O (14) Cd(1) O2 Cd(1) (7) * ( ) -0.5+x, y, 0.5-z; ( ) 1-x, 1-y, 1-z; ( ) 1-x, -0.5+y, 0.5-z; ( ) 1-x, -y, 1-z. ** ( ) -x, 1-y, 2-z 199

237 8.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Τα φάσματα FT-IR των ενώσεων 8, 9 και 10 σε KBr παρουσιάζουν τις αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων (Σχήμα 8.4). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα 1577 cm -1, 1565 cm -1, και 1564cm -1 για τις ενώσεις 8, 9 και 10, αντίστοιχα, ενώ οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται περίπου στα cm -1, cm -1, και cm -1. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT- IR των ενώσεων 8, 9 και 10 παρατηρείται μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου δικαρβοξυλικού βασικού υποκαταστάτη. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση των υποκαταστατών, όταν αυτά συναρμόζονται με το ιόν του καδμίου στις νέες ενώσεις συναρμογής Vas (COO - ) Vs (COO - ) Διαπερατότητα %Τ Κυματαριθμός (cm -1 ) Α 200

238 Vas (COO - ) Vs (COO - ) 100 Διαπερατότητα %Τ Κυματαριθμός (cm -1 ) Β Vas (COO - ) Vs (COO - ) 100 Διαπερατότητα %Τ Κυματαριθμός (cm -1 ) Γ Σχήμα 8.4 Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 8, Β. 9, και Γ

239 8.6 Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) Η θερμική διάσπαση της ένωσης 9 μελετήθηκε κάτω από ατμόσφαιρα οξυγόνου (σχήμα 8.5). Η ένωση εμφανίζει ιδιαίτερη ευαισθησία στην ανάπτυξη της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, από την αρχή της θέρμανσής της (25 C) και έως τη θερμοκρασία των 52 C παρατηρείται απώλεια μάζας. Από τους 52 C και έως τη θερμοκρασία των 141 C, η ένωση παραμένει σταθερή. Μεταξύ 141 ºC και 545 ºC παρατηρείται απώλεια μάζας, η οποία οφείλεται αρχικά στην απομάκρυνση του νερού, το οποίο συνυπάρχει στην ένωση και εν συνεχεία στην αποικοδόμηση του οργανικού τμήματος της ένωσης. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν διακριτά σημεία χωρίς μεταβολές μάζας σε αυτά τα στάδια. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέραν της θερμοκρασίας των 545ºC δεν παρουσιάζεται απώλεια μάζας έως και τους 900 ºC. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι το προϊόν πέραν των 545 ºC είναι το CdO. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο ~70%, κοντά στην υπολογιζόμενη θεωρητική τιμή ~75 % βάσει της στοιχειομετρικής αντίδρασης καύσης που ακολουθεί. [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n. 3nH 2 O + 49/2 no 2 ncdo + 20nCO nH 2 O + nn 2 202

240 % Βάρος Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα8.5: Διάγραμμα TGA της ένωσης [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n 3nH 2 O (9) 203

241 8.7 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Η εξιχνίαση της ανάπτυξης υδατικής χημείας του καδμίου Cd(ΙΙ) όταν βρεθεί σε περιβάλλον, όπου συνυπάρχουν φυσιολογικά υποστρώματα (στον οργανισμό των έμβιων οργανισμών), συνεχίστηκε με τη μελέτη μίας ακόμη ιδιαίτερα σημαντικής κατηγορίας οργανικών μορίων φυσικής προέλευσης, τα δικαρβοξυλικά οξέα αλειφατικής αλυσίδας. Ως αποτέλεσμα της επίδρασης του Cd(II) με τρία αντιπροσωπευτικά δικαρβοξυλικά οξέα της κατηγορίας αυτής, το πιμελικό, σουμπερικό και σεβακικό οξύ ήταν η σύνθεση και απομόνωση των πολυμερικών κρυσταλλικών υλικών [Cd(pimelato)(2,2 -bipy)] n (8), [Cd(C 10 H 16 O 4 )(C 10 H 8 N 2 )] n 3nH 2 O (9), [Cd(suberato)(2,2 -bipy) 2 ] n 2nH 2 O (10). Τα νέα τριαδικά πλεγματικά υλικά χαρακτηρίστηκαν πλήρως δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Οι ενώσεις 8, 9, 10 συντέθηκαν μόνο με εφαρμογή υδροθερμικών συνθηκών αντίδρασης. Η επίδραση της βάσης NaOH ήταν επίσης καθοριστική, καθώς η απομόνωση των νέων πολυμερικών υλικών ήταν ανέφικτη απουσία βάσης και σε χαμηλότερη τελική τιμή ph από εκείνη που χρησιμοποιήθηκε. Αποδεικνύεται για ακόμη μια φορά ότι οι σύνθεση και απομόνωση των νέων ειδών καδμίου σε υδατικό περιβάλλον εξαρτάται από το ph. Παρόμοια τριαδικά πλεγματικά υλικά καδμίου με δικαρβοξυλικά οξέα (αδιπικό και πιμελικό οξύ), χρησιμοποιώντας ως Ν-υποκαταστάτη την 1,10-φαινανθρολίνη συντέθηκαν και απομονώθηκαν σε αντίστοιχες μελέτες. 3 Στα επόμενα στάδια της έρευνας των ενώσεων αυτών προβλέπεται η διερεύνηση της πιθανής εμφάνισης του φαινομένου της φωταύγειας και λεπτομερέστερης διερεύνησης της δομής των νέων πλεγματικών υλικών 8, 9, 10 σε 2D και 3D επίπεδο, με σκοπό την αξιοποίησή τους σε τεχνολογικές και γενικότερα εμπορικές εφαρμογές (MOFs). Επιπλέον, η εξιχνίαση του τοξικού προφίλ των ενώσεων σε διάφορες κυτταρικές σειρές, με στόχο τη συσχέτιση του ρόλου της δομικής ειδοκατανομής του τοξικού μετάλλου του καδμίου, όταν συνυπάρξει σε περιβάλλον με φυσιολογικά μόρια, με την ανάπτυξη της τοξικότητάς του, αποτελεί έναν ακόμη σημαντικό μελλοντικό στόχο, ο οποίος θα ακολουθήσει την απομόνωση των τριών τριαδικών πολυμερικών ενώσεων που αναπτύχθηκαν στην παρούσα ενότητα. 204

242 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 Παπαγεωργίου, Β. Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία-Άκυκλες Ενώσεις, 2005, Cornils, B.; Lappe, P. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, Zheng, Y.-Q.; Liu, W.-H.; Lin, J.-L. Z. Anorg. Allg. Chem., 2002, 628,

243 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΣΥΝΘΕΣΗ, ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ, ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΝΕΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ Ti(ΙV) ΜΕ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΜΑΖΑΣ 9.1 Εισαγωγή Ένα ακόμη σημαντικό αντικείμενο, το οποίο διαπραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι η μελέτη της χημικής συμπεριφοράς του τιτανίου Ti(IV), ενός μεταλλοϊόντος με μοναδικές ιδιότητες και κατά συνέπεια με υψηλή εμπορική και τεχνολογική αξία του μετάλλου. Υψηλή αντοχή στη διάβρωση, σκληρό, ελαφρύ αλλά ανθεκτικό, με μεγάλη μηχανική αντοχή, χαμηλή τοξικότητα, βιοσυμβατότητα κ.α, είναι κάποιες από τις ιδιότητες του μεταβατικού αυτού μετάλλου, 1 καθιστούν πολύτιμη πρώτη ύλη σε προϊόντα καθημερινής χρήσης 2 που το (σκελετοί οράσεως, υπολογιστές, στην αεροναυπηγική, υπό μορφή TiO 2 ως λευκή χρωστική, σε αντηλιακά προϊόντα και προϊόντα καθημερινής υγιεινής, αλλά και ως βιοϋλικό στον τομέα της προσθετικής στην οδοντιατρική και ιατρική γενικότερα, 1 και τέλος στο χώρο της παραγωγής φαρμακοσκευασμάτων). 3 Όπως είναι φανερό από τα παραπάνω, το τιτάνιο λόγω της ευρείας εφαρμογής του σε πολλούς τομείς ανθρώπινων δραστηριοτήτων, έρχεται συχνά σε επαφή με μόριαφυσιολογικά υποστρώματα, τα οποία απαντώνται στους ιστούς και στα βιολογικά υγρά του ανθρώπου. Η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νέων, καλά καθορισμένων, ενώσεων συναρμογής του τιτανίου Ti(IV) με φυσιολογικά υποστρώματα-βιομόρια, με σκοπό την εξιχνίαση της χημικής συμπεριφοράς του μετάλλου αυτού, αποτελεί ένα ακόμη πεδίο έρευνας της παρούσας διατριβής. Τέλος, η δυνατότητα εφαρμογής των νέων ενώσεων του Ti(IV), που έχουν συντεθεί στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας, σε τομείς της φαρμακευτικής (παρασκευή δραστικών ουσιών χαμηλής τοξικότητας με όσο το δυνατόν λιγότερες αρνητικές παρενέργειες και με πιθανές αντικαρκινικές, ινσουλινομιμητικές ιδιότητες, κ.τ.λ.), προσδίνοντας στο Ti(IV) τη διάσταση του φαρμακευτικού μετάλλου, όπως στο παρελθόν έχει πραγματοποιηθεί με το μέταλλο του λευκοχρύσου (Pt) στην αντιμετώπιση διαφόρων τύπων νεοπλασιών (cisplatin, carboplatin), 3 αποτελεί έναν ακόμη φιλόδοξο στόχο της έρευνας που θα αναπτυχθεί στη συνέχεια. 206

244 Αποτέλεσμα της συνθετικής προσπάθειας, ήταν η απομόνωση τριών νέων ενώσεων συναρμογής του τιτανίου με τα φυσιολογικά υποστρώματα α-υδροξυ ισοβουτυρικό (ΗΙΒΑ) (C 4 H 8 O 3 ) και κινικό οξύ (C 7 H 12 O 6 ). Οι συντακτικοί τύποι των οξέων αυτών δίνονται στην Εικόνα 9.1 Α Εικόνα 9.1 Συντακτικός τύπος Α. α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ), Β. κινικό οξύ Β Η αντίδραση του TiCl 4 σε υδατικό περιβάλλον με το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση και απομόνωση δύο νέων κρυσταλλικών ενώσεων του τιτανίου (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), και (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12), ενώ η αντίδραση του TiCl 4 στην υδατική φάση με το κινικό οξύ, οδήγησε στην σύνθεση και απομόνωση του κρυσταλλικού υλικού (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13). Οι νέες ενώσεις χαρακτηρίστηκαν δομικά, αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Ο χαρακτηρισμός της δομής των ενώσεων με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου, είχε ως αποτέλεσμα τον προσδιορισμό του μοριακού τύπου των ενώσεων. 207

245 9.2 Σύνθεση Η σύνθεση των νέων ενώσεων του τιτανίου με το α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα, η επίδραση TiCl 4 σε διάλυμα α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος στην υδατική φάση, εν ψυχρώ, με στοιχειομετρική αναλογία 1:3 οδήγησε στη σύνθεση και απομόνωση δύο κρυσταλλικών υλικών. Συγκεκριμένα, κατά την ανύψωση του ph με προσθήκη διαλύματος NH 3 στην τελική τιμή 5, και εφαρμογή της μεθόδου βραδείας εξάτμισης του διαλύτη σε συνθήκες περιβάλλοντος, με σκοπό την τελική κρυστάλλωση της ένωσης, επετεύχθη η απομόνωση άχρωμου κρυσταλλικού υλικού με τύπο: (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: Στοιχειομετρική αντίδραση 11 TiCl C 4 H 8 O NH H 2 O ph 5 (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 3.5 H 2 O + 4 HCl Χρήση ανθρακικού γουανιδινίου, αφενός μεν για την ανύψωση του ph στην τελική τιμή υδατικού διαλύματος TiCl 4 -(α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ) (αναλογία 1:3) εν ψυχρώ, αφετέρου δε τη σταθεροποίηση του προκύπτοντος κρυσταλλικού πλέγματος, είχε ως αποτέλεσμα τη σύνθεση και απομόνωση κρυσταλλικού υλικού τιτανίου-ηιβα με τύπο: (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: Στοιχειομετρική αντίδραση 12 TiCl C 4 H 8 O 3 + 2CH 5 N H 2 O ph (CH 6 N 3 ) 2 [Ti (C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 1.5 H 2 O + 4HCl Η σύνθεση της νέας ένωσης 13 του τιτανίου με το κινικό οξύ πραγματοποιήθηκε στο νερό, με χρήση απλών αντιδραστηρίων. Συγκεκριμένα, η επίδραση TiCl 4 σε διάλυμα 208

246 κινικού οξέος στην υδατική φάση, εν ψυχρώ, με στοιχειομετρική αναλογία 1:2, ανύψωση του ph με προσθήκη διαλύματος NH 3 στην τελική τιμή 6.5, και εφαρμογή της μεθόδου επιστρωμάτωσης με ψυχρή αιθανόλη, με σκοπό την τελική κρυστάλλωση της ένωσης, οδήγησε στην απομόνωση άχρωμου κρυσταλλικού υλικού με τύπο: (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH) 2 6H 2 O (13). Η στοιχειομετρική αντίδραση σύνθεσης του νέου κρυσταλλικού υλικού είναι η ακόλουθη: Στοιχειομετρική αντίδραση 13 TiCl 4 + 3C 7 H 12 O 6 + 4NH 3 + 8H 2 O ph 6.5 (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH) 2. 6H 2 O + 4 HCl 9.3 Πειραματικό μέρος Χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια-μέθοδοι χαρακτηρισμού Όλες οι πειραματικές διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια (TiCl 4, α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (HIBA), κινικό οξύ, ανθρακικό γουανιδίνιο, ΝΗ 3, αιθανόλη) προμηθεύτηκαν από εμπορικές πηγές (Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, Fluka) και χρησιμοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω καθαρισμό. Το διαλυτικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για τη σύνθεση και απομόνωση των νέων κρυσταλλικών ενώσεων του τιτανίου ήταν το υπερκαθαρό νερό. Οι νέες ενώσεις, οι οποίες απομονώθηκαν με διήθηση και ξήρανση στον αέρα, είναι σταθερές σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέθοδοι χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία Υπερύθρου FT-IR μελετήθηκε σε φασματόμετρο Nicolet IR 200 FT-IR της εταιρείας Thermo Electron Corporation χρησιμοποιώντας δισκία KBr. Η στοιχειακή ανάλυση CHN (%) πραγματοποιήθηκε σε θερμικό αναλυτή Thermo Finnigan Flash EA 1112 CHNS. Κατά τη λειτουργία του θερμικού αναλυτή λαμβάνει χώρα άνοδος της θερμοκρασίας στους 1800º C, η οποία προκαλεί πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία παρασύρονται από ροή He κατά μήκος του αντιδραστήρα, έως ότου σχηματιστούν τα τελικά αέρια προϊόντα της οξείδωσης (N 2, CO 2, H 2 O και SO 2 ). Τα αέρια προϊόντα μαζί με το ήλιο οδηγούνται στη 209

247 χρωματογραφική στήλη GC για διαχωρισμό και στη συνέχεια καταλήγουν στον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας TCD, όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο ανιχνευτής συνδέεται με Ηλεκτρονικό Υπολογιστή για την τελική επεξεργασία των δεδομένων. Η θερμοσταθμική ανάλυση TGA πραγματοποιήθηκε σε αερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας το σύστημα Perkin Elmer Pyris 1 TGA. Ο ρυθμός θέρμανσης των δειγμάτων ήταν 5.0 C/min, στην περιοχή τιμών θερμοκρασίας ºC. Το δείγμα που αναλύθηκε είχε μάζα που κυμαινόταν από 2 έως 10 mg. Κατά την εκτέλεση της ανάλυσης, το δείγμα υποβάλλεται σε καύση με ρεύμα αέρα με ροή 20.0 ml/min. Το δείγμα θερμαίνεται από τους 25 έως τους 900º C με ρυθμό 5.0 C/min, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ουσία χάνει σταδιακά μάζα δίνοντας ως τελικά προϊόντα H 2 O, CO 2 και N 2, και απομένει συνήθως το οξείδιο του αντίστοιχου μετάλλου. Η απώλεια της μάζας της ένωσης καταγράφεται συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου. Σύνθεση της ένωσης (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) Σε σφαιρική φιάλη τοποθετήθηκαν (0.30 g, 3.0 mmol) α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος (ΗΙΒΑ), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 10 ml H 2 O. Το διάλυμα τοποθετήθηκε σε λουτρό νερού-πάγου και αφέθηκε υπό ανάδευση με σκοπό τη διάλυση του οργανικού υποκαταστάτη. Ακολούθησε εισαγωγή ατμίζοντος διαλύματος TiCl 4 (0.10 ml, 1.0 mmol) στο υδατικό διάλυμα του οργανικού οξέος ΗΙΒΑ, πάντα εν ψυχρώ υπό ανάδευση και σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου Ar. Τόσο η ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου, όσο και η εν ψυχρώ εισαγωγή του TiCl 4 στο διάλυμα του οργανικού υποκαταστάτη, αποβλέπουν στον κατά το δυνατό περιορισμό του βαθμού υδρόλυσης του τιτανίου. Στη συνέχεια, και εφόσον ολοκληρώθηκε η εισαγωγή του TiCl 4, αφέθηκε το αντιδρών σύστημα να επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος υπό συνεχή ανάδευση και πραγματοποιήθηκε ρύθμιση του ph του διαλύματος στην τελική τιμή 5 με βραδεία-σταδιακή προσθήκη υδατικού διαλύματος NH 3. Το διαυγές αντιδρών μίγμα παρέμεινε υπό ανάδευση για 30 περίπου λεπτά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και εν συνεχεία μεταφέρθηκε σε κατάλληλο γυάλινο ποτήρι ζέσεως, όπου και αφέθηκε ανοιχτό στον αέρα για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη σε συνθήκες περιβάλλοντος (slow evaporation). Μετά τη διέλευση μερικών εβδομάδων, εμφανίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό. Το κρυσταλλικό υλικό 210

248 παρελήφθη με διήθηση υπό κενό και ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), (C 12 H 33 N 2 O 12.5 Ti, M r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 31.76, H: 7.28, N: 6.18, Πειραματικές τιμές (%) C: 32.4, H:7.35, N:6.62). Σύνθεση της ένωσης (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12) Σε σφαιρική φιάλη τοποθετήθηκαν (0.30 g, 3.0 mmol) α-υδροξυ ισοβουτυρικού οξέος (ΗΙΒΑ), το οποίο διαλύθηκε υπό ανάδευση σε 10 ml H 2 O. Το διάλυμα τοποθετήθηκε σε λουτρό νερού-πάγου με σκοπό τη μείωση της θερμοκρασίας της αντίδρασης και αφέθηκε υπό ανάδευση έως την τελική διάλυση του οργανικού οξέος. Έπειτα, πραγματοποιήθηκε εισαγωγή ατμίζοντος διαλύματος TiCl 4 (0.1 ml, 1.0 mmol) στο υδατικό διάλυμα του υποκαταστάτη, πάντα εν ψυχρώ και υπό συνεχή ανάδευση σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου Ar. Στη συνέχεια, και εφόσον ολοκληρώθηκε η εισαγωγή του TiCl 4, αφέθηκε το αντιδρών διάλυμα να επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος υπό συνεχή ανάδευση και ρυθμίστηκε το ph του διαλύματος στην τελική τιμή με αργή σταδιακή προσθήκη ανθρακικού γουανιδινίου. Το διαυγές αντιδρών μίγμα παρέμεινε υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και εν συνεχεία μεταφέρθηκε σε κατάλληλο γυάλινο ποτήρι ζέσεως, όπου και αφέθηκε ανοιχτό στον αέρα για βραδεία εξάτμιση του διαλύτη σε συνθήκες περιβάλλοντος (slow evaporation). Μετά τη διέλευση μερικών εβδομάδων εμφανίστηκε κρυσταλλικό υλικό με μορφή λεπτών ινών 12. Το κρυσταλλικό υλικό παρελήφθη με διήθηση υπό κενό και ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12), (C 14 H 33 N 6 O 10.5 Ti, M r : Θεωρητικές τιμές (%) C: 33.67, H: 6.61, N:16.84, Πειραματικές τιμές (%) C:33.58, H:6.69, N:17.00). Σύνθεση της ένωσης (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) Μέθοδος Α: Σε σφαιρική φιάλη και σε 3 ml H 2 O διαλύθηκαν (0.20 g, 2.0 mmol) κινικού οξέος υπό ανάδευση. Το διάλυμα τοποθετήθηκε σε λουτρό νερού-πάγου με σκοπό τη μείωση της θερμοκρασίας της αντίδρασης και αφέθηκε υπό ανάδευση έως 211

249 την τελική διάλυση του οργανικού οξέος. Ακολούθησε ταχεία εισαγωγή ατμίζοντος διαλύματος TiCl 4 (0.10 ml, 1.0 mmol) στο υδατικό διάλυμα του υποκαταστάτη, πάντα εν ψυχρώ και υπό συνεχή ανάδευση σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου Ar. Εφόσον ολοκληρώθηκε η εισαγωγή του TiCl 4, το αντιδρών διάλυμα αφέθηκε να επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος υπό συνεχή ανάδευση και ρυθμίστηκε το ph του διαλύματος στην τελική τιμή 6.5 με βραδεία-σταδιακή προσθήκη υδατικού διαλύματος NH 3. Το διαυγές αντιδρών μίγμα παρέμεινε υπό ανάδευση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για περίπου 20 λεπτά και στη συνέχεια τοποθετήθηκε στο ψυγείο, όπου και πραγματοποιήθηκε σε τακτά χρονικά διαστήματα προσθήκη ψυχρής αιθανόλης EtOH (layering). Μετά από διέλευση μηνών εμφανίστηκε άχρωμο κρυσταλλικό υλικό 13. Το κρυσταλλικό υλικό παρελήφθη με διήθηση υπό κενό και ξήρανση στον αέρα. Στοιχειακή ανάλυση για την ένωση (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) (C 21 H 60 N 4 O 26 Ti, M r : ,Θεωρητικές τιμές (%) C: 30.02, H: 7.20, N: 6.73, Πειραματικές τιμές (%) C:30.53, H:7.38, N:6.96). Μέθοδος Β:Στο ίδιο κρυσταλλικό υλικό 13 οδηγήθηκε η αντίδραση TiCl 4 -κινικού οξέος, στην υδατική φάση και πάντα εν ψυχρώ με αναλογία 1:3 και τελική τιμή ph 4, με προσθήκη της ίδιας βάσης (ΝΗ 3 ) και εφαρμογή της τεχνικής της επιστρωμάτωσης. Μέθοδος Γ: Τέλος, κατά την προσπάθεια σύνθεσης τριαδικού κρυσταλλικού υλικού Ti-κινικού οξέος-h 2 O 2 με αναλογία 1:3:10, με προσθήκη αμμωνίας, τελική τιμή ph 4 και εφαρμογή της τεχνικής κρυστάλλωσης με επιστρωμάτωση δεν κατέστη δυνατή η συναρμογή του H 2 O 2, αλλά για μία ακόμη φορά απομονώθηκε το δυαδικό υλικό

250 9.4 Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Συλλογή δεδομένων και προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής Μονοκρύσταλλοι των ενώσεων 11, 12 και 13 παρελήφθησαν από το μητρικό υγρό και τοποθετήθηκαν σε συνθήκες περιβάλλοντος σε περιθλασίμετρο Bruker Kappa APEX2, εξοπλισμένο με παραβολικό μονοχρωμάτορα τύπου triumph και ακτινοβολία πηγής Mo K α (λ Å). Οι διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν κάνοντας χρήση τουλάχιστον 100 ανακλάσεων υψηλής γωνίας 2θ (20 ο <2θ<42 ο ). Η συλλογή δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση σαρώσεων ως προς φ και ω. Κατά τη διάρκεια της συλλογής των δεδομένων κανένας κρύσταλλος δεν εμφάνισε φθορά. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ενσωματώθηκαν με το πακέτο λογισμικού Bruker SAINT, κάνοντας εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αυστηρών περιορισμών. Τα δεδομένα διορθώθηκαν για απορρόφηση χρησιμοποιώντας την αριθμητική μέθοδο SADABS με βάση τις διαστάσεις των κρυστάλλων. Τελικά, οι δομές λύθηκαν με το πακέτο SUPERFLIP, ενσωματωμένο στο κρυσταλλογραφικό πακέτο Crystals. Η βελτιστοποίηση των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με χρήση μεθόδων ελαχίστων τετραγώνων πλήρους μήτρας των F 2, ενώ όλοι οι υπόλοιποι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό πακέτο Crystals έκδοσης 14.40b. Τέλος, η απεικόνιση της δομής σχεδιάστηκε με το κρυσταλλογραφικό πακέτο Diamond 3.1, με ελλειψοειδή του κάθε ατόμου της τάξης του 50%. Στον πίνακα 9.1 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα σημαντικότερα κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων 11, 12 και

251 Πίνακας 9.1. Βασικά κρυσταλλογραφικά δεδομένα των ενώσεων (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12), και (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) Ενώσεις Μοριακός Τύπος Μοριακό βάρος C 12 H 33 N 2 O 12.5 Ti C 14 H 33 N 6 O 10.5 Ti C 21 H 60 N 4 O 26 Ti Τ ºΚ Κρυσταλλικό σύστημα Ομάδα Συμμετρίας Χώρου Τρικλινές Μονοκλινές Κυβικό Pī P2 1 /n P2 1 3 a (Ǻ) (6) (7) (1) b (Ǻ) (6) (3) (1) c (Ǻ) (11) (7) (1) α, deg 89.09(3) β, deg 89.82(3) (8) 90 γ, deg 80.80(3) V, (Ǻ 3 ) 2270(2) 5076(3) (4) Ζ D υπολ. (Mg m -3 ) Τιμές R 1 R R W R R W R R W Οι τιμές του R βασίζονται στις τιμές του F, και οι τιμές του R w βασίζονται στο F

252 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) Η κρυσταλλική ένωση 11 κρυσταλλώνει στο τρικλινές σύστημα, με ομάδα συμμετρίας χώρου Pī. Η κρυσταλλική δομή του ανιοντικού τμήματος της ένωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.1. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα Diamond της ένωσης, το κεντρικό ιόν του Ti1 εμφανίζει αριθμό συναρμογής 6, με οκταεδρική γεωμετρία. Συγκριμένα, το ιόν του τιτανίου Ti1 συναρμόζεται με τον ίδιο τρόπο με τρεις α-υδροξυ ισοβουτυρικούς (ΗΙΒΑ) υποκαταστάτες. Η συναρμογή των υποκαταστατών γίνεται μέσω του ενός οξυγόνου της αποπρωτονιωμένης COOH ομάδας τους (Ο5, Ο14, Ο20) και μέσω του οξυγόνου της αντίστοιχης εξίσου αποπρωτονιωμένης -ΟΗ ομάδας των υποκαταστατών (Ο2, Ο9, Ο16). Σε κάθε περίπτωση ο υποκαταστάτης είναι διπλά αποπρωτονιωμένος. Το φορτίο του συμπλόκου ιόντος της ένωσης αντισταθμίζεται από δύο ιόντα ΝΗ + 4. Τέλος, 3.5 μόρια νερού Η 2 Ο περιέχονται στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης. Αναφέρεται ακόμη ότι στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης 11 περιέχονται δύο πανομοιότυπα μόρια, η δομή των οποίων περιγράφηκε παραπάνω (Ζ=2) Σχήμα 9.1 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 2- της ένωσης

253 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 1.5H 2 O (12) Η κρυσταλλική ένωση 12 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα, με ομάδα συμμετρίας χώρου P2 1 /n. Η δομή του ανιοντικού τμήματος της ένωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.2. Σύμφωνα με το διάγραμμα Diamond της ένωσης το κεντρικό ιόν του Ti1 εμφανίζει αριθμό συναρμογής 6, με γεωμετρία οκταέδρου. Και στην περίπτωση της ένωσης 12, το ιόν του τιτανίου συναρμόζεται με όμοιο τρόπο με τρεις α-υδροξυ ισοβουτυρικούς (ΗΙΒΑ) υποκαταστάτες. Η συναρμογή των διπλά αποπρωτονιωμένων υποκαταστατών γίνεται μέσω του ενός οξυγόνου της αποπρωτονιωμένης COOH ομάδας τους (Ο5, Ο14, Ο18) και μέσω του οξυγόνου της αντίστοιχης εξίσου αποπρωτονιωμένης ΟΗ ομάδας του κάθε υποκαταστάτη (Ο2, Ο11, Ο22). Το φορτίο του συμπλόκου ιόντος της ένωσης αντισταθμίζεται από δύο ιόντα γουανιδινίου CH 6 N + 3. Στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης επίσης συνυπάρχουν 1.5 μόρια νερού Η 2 Ο. Αναφέρεται, ακόμη, ότι στη μοναδιαία κυψελίδα της ένωσης 12 περιέχονται δύο πανομοιότυπα μόρια η δομή των οποίων περιγράφηκε παραπάνω (Ζ=2). Σχήμα 9.2 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 2- της ένωσης

254 Περιγραφή της κρυσταλλικής δομής (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) Η κρυσταλλική ένωση 13 κρυσταλλώνει στο κυβικό σύστημα με ομάδα συμμετρίας χώρου P2 1 3 και με 4 μόρια στην μοναδιαία κυψελίδα (Ζ=4). Σύμφωνα με το διάγραμμα Diamond της ένωσης (Σχήμα 9.3), η ένωση αποτελείται από διακριτά ανιόντα και αμμωνιακά κατιόντα. Το ανιοντικό ιόν συνίσταται από ένα μονοπυρηνικό σύμπλοκο του Ti(IV) με τρείς κινικούς υποκαταστάτες συναρμοσμένους με τον ίδιο τρόπο στο ιόν του τιτανίου. Τα οξυγόνα του πυρήνα Ti IV O 6 προέρχονται από το καρβοξύλιο και την ΟΗ ομάδα του C(1) από κάθε κινικό υποκαταστάτη. Με τον τρόπο αυτό, σχηματίζονται σταθεροί πενταμελείς μεταλλακυκλικοί δακτύλιοι, οι οποίοι συνεισφέρουν στη σταθερότητα της ένωσης. Τελικά, ο αριθμός συναρμογής που εμφανίζει το κεντρικό ιόν του τιτανίου Ti1 είναι 6, με οκταεδρική γεωμετρία. Το φορτίο του συμπλόκου ιόντος της ένωσης + αντισταθμίζεται από τέσσερα ιόντα NH 4 και από δύο ιόντα ΟΗ. Στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης υπάρχουν 6 μόρια Η 2 Ο (πλεγματικά). Σχήμα 9.3 Διάγραμμα Diamond της ανιοντικής οντότητας [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ] 4- της ένωσης 13. Ακολουθεί ο Πίνακας 9.2, στον οποίο παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι δεσμοί και γωνίες των ενώσεων 11, 12,

255 1 Πίνακας 9.2 Επιλεγμένα μήκη και γωνίες δεσμών των (11), (12), και (13) Bond length[å ] 2 Bond length [Å] 3 * Bond length [Å] Ti(1)-O(2) Ti(1) O(2) Ti(1)-O(3) Ti(1)-O(5) Ti(1) O(5) Ti(1)-O(3) Ti(1)-O(14) Ti(1) O(11) Ti(1)-O(3) Ti(1)-O(16) Ti(1) O(18) Ti(1)-O(1) Ti(1)-O(9) Ti(1) O(14) Ti(1)-O(1) Ti(1)-O(20) Ti(1) O(22) Ti(1)-O(1) Angles Angles [ ] Angles [ ] [ ] O(2)-Ti(1)-O(5) O(2) Ti(1) O(5) 78.72(10) O(3) -Ti(1)-O(3) 94.97(7) O(2)-Ti(1)-O(9) O(2) Ti(1) O(11) 99.61(12) O(3) -Ti(1)-O(3) 94.97(7) O(5)- Ti(1)-O(9) O(5) Ti(1) O(11) (10) O(3) -Ti(1)-O(3) 94.97(7) O(2)- Ti(1)-O(14) O(2) Ti(1) O(14) (12) O(3) -Ti(1)-O(1) 78.38(6) O(9)- Ti(1)-O(14) O(5) Ti(1) O(14) 80.73(10) O(3) -Ti(1)-O(1) (7) O(2)-Ti(1)-O(16) O(11) Ti(1) O(14) 79.28(10) O(3)-Ti(1)-O(1) (7) O(5)-Ti(1)-O(16) O(2) Ti(1) O (10) O(3) -Ti(1)-O(1) (7) O(9)-Ti(1)-O(16) O(5) Ti(1) O(18) 83.94(10) O(3) -Ti(1)-O(1) (7) O(14)-Ti(1)-O(16) O(11) Ti(1) O(18) 98.51(11) O(3)-Ti(1)-O(1) 78.38(6) O(2)-Ti(1)-O(20) O(14) Ti(1) O(18) 81.79(10) O(1) -Ti(1)-O(1) 82.56(7) O(5)-Ti(1)-O(20) O(2) Ti(1) O(22) 98.30(11) O(3) -Ti(1)-O(1) (7) O(9)-Ti(1)-O(20) O(5) Ti(1) O(22) 99.56(11) O(3) -Ti(1)-O(1) 78.38(6) O(14)-Ti(1)-O(20) O(11) Ti(1) O(22) (10) O(3)-Ti(1)-O(1) (7) O(16)-Ti(1)-O(20) O(14) Ti(1) O(22) (11) O(1)-Ti(1)-O(1) 82.56(7) O(18) Ti(1) O(22) 79.23(10) 218

256 9.5 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR Spectroscopy) Τα φάσματα FT-IR των ενώσεων 11, 12 και 13 σε KBr, παρουσιάζουν αντισυμμετρικές και συμμετρικές δονήσεις των καρβονυλικών ομάδων (Σχήμα 9.4). Συγκεκριμένα, οι αντισυμμετρικές δονήσεις εμφανίζονται γύρω στα 1632 cm -1, 1680 cm -1, και 1650 cm -1 για τις ενώσεις 11, 12 και 13, αντίστοιχα, ενώ οι αντίστοιχες συμμετρικές δονήσεις απαντώνται περίπου στα cm -1, cm -1, και cm -1. Κατά τη μελέτη των φασμάτων FT-IR των ενώσεων 11, 12, και 13 παρατηρείται μετατόπιση των δονήσεων τάσεων των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων σε χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες του ελεύθερου υποκαταστάτη. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει τη νέα δονητική κατάσταση των υποκαταστατών, όταν αυτοί συναρμόζονται με το ιόν του τιτανίου στις νέες ενώσεις συναρμογής. Vas (COO - ) Vs (COO - ) 100 Διαπερατότητα Τ% Κυματαριθμός (cm -1 ) Α 219

257 80 Vas (COO - ) Vs (COO - ) 70 Διαπερατότητα %Τ Κυματαριθμός (cm -1 ) B Vas (COO - ) Vs (COO - ) 100 Διαπερατότητα Τ % Κυματαριθμός (cm -1 ) Γ Σχήμα 9.4 Φάσματα FT-IR των ενώσεων Α. 11, Β. 12, και Γ

258 9.6 Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) Η θερμική διάσπαση της ένωσης 11 μελετήθηκε κάτω από ατμόσφαιρα οξυγόνου (Σχήμα 9.5). Η ένωση εμφανίζει ιδιαίτερη ευαισθησία στην ανάπτυξη της θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, από την αρχή της θέρμανσής της (25 C) έως τους 505 ºC παρατηρείται συνεχής απώλεια μάζας, η οποία οφείλεται αρχικά στην απομάκρυνση του νερού, το οποίο συνυπάρχει στην ένωση και εν συνεχεία στην αποικοδόμηση του οργανικού τμήματος της ένωσης. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν διακριτά σημεία χωρίς μεταβολές μάζας σε αυτά τα στάδια. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέραν της θερμοκρασίας των 505 ºC δεν παρουσιάζεται απώλεια μάζας έως και τους 900 ºC. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι το προϊόν πέραν των 505 ºC είναι το TiO 2. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο 90.7% αντικατοπτρίζοντας τη διεργασία αντίδρασης καύσης που ακολουθεί. (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 3.5 H 2 O + 17 O 2 TiO CO H 2 O + N % Απώλεια βάρους Θερμοκρασία Τ ( o C) Σχήμα 9.5 Διάγραμμα TGA της ένωσης

259 Η θερμική διάσπαση της ένωσης 12 μελετήθηκε κάτω από ατμόσφαιρα οξυγόνου (Σχήμα 9.6). Ομοίως, η ένωση εμφανίζει ιδιαίτερη ευαισθησία στην αύξηση της θερμοκρασίας. Από την αρχή της θέρμανσής της (25 C) και έως τη θερμοκρασία των 490 C παρατηρείται συνεχή απώλεια μάζας, η οποία οφείλεται αρχικά στην απομάκρυνση του νερού, το οποίο συνυπάρχει στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης και εν συνεχεία στην αποικοδόμηση του οργανικού τμήματος της ένωσης. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν διακριτά σημεία χωρίς μεταβολές μάζας σε αυτά τα στάδια. Συνεπώς, τα παράγωγα προϊόντα είναι ασταθή και διασπώνται περαιτέρω. Πέραν της θερμοκρασίας των 490 ºC δεν παρουσιάζεται απώλεια μάζας έως και τους 900 ºC. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι το προϊόν πέραν των 490 ºC είναι το TiO 2. Η συνολική απώλεια μάζας ανέρχεται στο ~90.44%, αντικατοπτρίζοντας την αντίδραση καύσης που ακολουθεί. (CH 6 N 3 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 1.5 H 2 O + 18 O 2 TiO CO H 2 O + 3 N % Απώλεια βάρους Θερμοκρασια Τ ( o C) Σχήμα 9.6 Διάγραμμα TGA της ένωσης

260 9.7 Βιολογική αξιολόγηση των ενώσεων 11 και 13 Σε μια προσπάθεια εκτίμησης της πιθανής τοξικής ή ατοξικής συμπεριφοράς των καλά χαρακτηρισμένων νέων ενώσεων του τιτανίου με τους φυσιολογικούς υποκαταστάτες HIBA: (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 3.5H 2 O (11) και κινικό οξύ: (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 2 6H 2 O (13), αντίστοιχα, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων συγκεντρώσεων των παραπάνω ενώσεων α) στην κυτταρική επιβίωση πρώιμων φυσιολογικών λιποκυττάρων λιπώδους ιστού ποντικού (3T3-L1), β) στη φυσιολογική μορφολογία των κυττάρων της παραπάνω κυτταρικής σειράς, και γ) στην ενδογενή φυσιολογική μεταναστευτικότητα των κυττάρων. Τα αποτελέσματα των παραπάνω δοκιμών θα αποτελέσουν τη σταθερή βάση, πάνω στην οποία θα στηριχθεί η περαιτέρω βιολογική μελέτη των ενώσεων αυτών, με σκοπό την αναζήτηση πιθανών φαρμακευτικών-θεραπευτικών ιδιοτήτων τους και αξιοποίησή τους στον τομέα της φαρμακευτικής χημείας-τεχνολογίας Έλεγχος επίδρασης στην κυτταρική επιβίωση Κατά την διερεύνηση της πιθανής τοξικής/ατοξικής δράσης των καλά χαρακτηρισμένων νέων ενώσεων του τιτανίου με τους φυσιολογικούς υποκαταστάτες HIBA (11) και κινικό οξύ (13), αντίστοιχα, εξετάστηκε η επίδραση στην κυτταρική επιβίωση πρώιμων λιποκυττάρων φυσιολογικού ιστού ποντικιού (3Τ3-L1) τόσο των φυσιολογικών υποκαταστατών ΗΙΒΑ και κινικό οξύ, όσο και οι νέες ενώσεις 11 και 13. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε επώαση για 24 h κυττάρων της κυτταρικής σειράς 3T3-L1 σε DMEM, τα οποία εμβολιάστηκαν με τις ενώσεις (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ]. 3.5H 2 O (11) και (NH 4 ) 4 [[Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 2 6H 2 O (13) σε συγκεντρώσεις 0.5, 1.0, 10, 50 και 100 μμ. Ως θετικός μάρτυρας χρησιμοποιήθηκε το δεοξυχολικό νάτριο (sodium deoxycholate: γνωστός κυτταροτοξικός παράγοντας). Ο προσδιορισμός του ποσοστού επιβίωσης των υπό εξέταση κυττάρων πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο ποσοτικοποίησης του παρόντος ATP των κυττάρων, το οποίο είναι ευθέως ανάλογο της βιωσιμότητας, άρα της παρουσίας των μεταβολικά ενεργών κυττάρων. Η πυκνότητα της παραγόμενης φωτοφωταύγειας της λουσιφεράσης προσδιορίσθηκε με φωτόμετρο Glomax 96 μικροπλακών (Promega Corporation, WI, USA). Ακολουθούν τα αποτελέσματα της μελέτης τοξικότητας. Τα αποτελέσματα του προσδιορισμού απεικονίζονται στο Σχήμα

261 Όπως φαίνεται από το σχήμα που ακολουθεί, η ένωση 11 δεν επιδρά στην κυτταρική επιβίωση σε ολόκληρο το εύρος των συγκεντρώσεων το οποίο μελετήθηκε. Όσον αφορά στην ένωση 13, στην περιοχή μμ, η ένωση είναι ατοξική, χωρίς καμία επίδραση στην κυτταρική επιβίωση των κυττάρων. Στην περιοχή μμ, το νέο σύμπλοκο αναπτύσσει σε μικρό ποσοστό τοξικότητα. Επισημαίνεται, επίσης, ότι κατά την εξέταση της επίδρασης των φυσιολογικών υποκαταστατών α-υδροξυ ισοβουτυρικό οξύ (ΗΙΒΑ) και κινικό οξύ στην κυτταρική επιβίωση, στα υπό εξέταση κύτταρα 3Τ3-L1 κατά την επώαση 24 h, αποδείχτηκε ότι τα μόρια αυτά δεν εμφανίζουν καμία τοξική δράση, σε καμία συγκέντρωση στην περιοχή μμ. Α Β Σχήμα 9.7 Ποσοστιαία μεταβολή της κυτταρικής επιβίωσης πρώιμων λιποκυττάρων 3Τ3- L1 ύστερα από συνεπώαση με Α. (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11), και Β. (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13), σε συγκεντρώσεις μμ για 24 h. Η ένωση δεοξυχολικό νάτριο (sodium deoxycholate) αποτελεί το θετικό μάρτυρα. 224

262 9.7.2 Διερεύνηση της πιθανής επίδρασης στην φυσιολογική κυτταρική μορφολογία Σε συνέχεια της βιολογικής αξιολόγησης των νέων ενώσεων του τιτανίου 11 και 13, αξιολογήθηκε η πιθανή επίδραση των ενώσεων στην φυσιολογική μορφολογία των κυττάρων. Για το σκοπό αυτό, κύτταρα της κυτταρικής σειράς 3T3-L1 επωάστηκαν με τις ενώσεις (NH 4 ) 2 [Ti(C 4 H 6 O 3 ) 3 ] 3.5H 2 O (11) και (NH 4 ) 4 [Ti(C 7 H 11 O 6 ) 3 ](OH) 2 6H 2 O (13) σε συγκέντρωση 50 μμ για 24 h. Όπως φαίνεται και από το Σχήμα 9.8, οι ενώσεις παρουσίασαν ήπια επίδραση στη μορφολογία των κυττάρων Α Β Γ Σχήμα 9.8 Επίδραση στην φυσιολογική μορφολογία κυττάρων 3Τ3-L1 των ενώσεων 11 και 13. Α. Μη επεξεργασμένο κύτταρο (control), Β. (11), και Γ. 13), επώαση 24 h. 225

263 9.7.3 Διερεύνηση της πιθανής επίδρασης στη φυσιολογική μεταναστευτικότητα των κυττάρων Κατά την βιολογική εκτίμηση των νεοσυντεθέντων ενώσεων τιτανίου 11 και 13, διερευνήθηκε επιπλέον, η ενδεχόμενη μεταβολή της κυτταρικής μετανάστευσης κατά την επίδραση των υπό εξέταση ενώσεων σε πρώιμα λιποκύτταρα ποντικιού 3T3-L1. Για τον σκοπό αυτό, το δυναμικό της φυσιολογικής μεταναστευτικότητας των κυττάρων υπό την παρουσία μόνο DMEM σε χρόνο t 0h αποτέλεσε το μάρτυρα (control). Ακολούθησε επώαση αφενός μεν του μάρτυρα, αφετέρου δε κυττάρων επεξεργασμένων με τις ενώσεις 11 και 13 στη συγκέντρωση 50 μμ για 24 h. Όπως φαίνεται και από το Σχήμα 9.9, καμία από τις δύο ενώσεις δεν προκαλεί αναστολή της φυσιολογικής ενδογενούς κυτταρικής μεταναστευτικότητας των κυττάρων στη συγκέντρωση των 50 μμ και για 24 h επώασης. Το γεγονός αυτό μπορεί να αποδοθεί ενδεχομένως στην μη επίδραση των ενώσεων σε βασικά συστατικά του κυτταρικού σκελετού (π.χ. στην ακτίνη). 226

264 Α Β Γ Δ Σχήμα 9.9 Επίδραση στην κυτταρική μετανάστευτικότητα 3Τ3-L1 πρώιμων λιποκυττάρων Α. Μάρτυρας(t 0 h), Β. Μάρτυρας μετά από 24 h, Κύτταρα ύστερα από έκθεση για 24 h σε 50 μμ Γ. της ένωσης 11, Δ. της ένωσης