ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΓΕΩΡΓΑΝΤΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΓΕΩΡΓΑΝΤΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Πτυχιούχος Χημείας Συνθετική και φυσικοχημική μελέτη δυαδικών/τριαδικών υλικών νευρο-μεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με (καρβοξυ)φωσφονικά υποστρώματα σε συσχετισμό με τη μεταλλοτοξικότητα σε διεργασίες νευροεκφύλισης. ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

ΓΕΩΡΓΑΝΤΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ «Συνθετική και φυσικοχημική μελέτη δυαδικών/τριαδικών υλικών νευρομεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με (καρβοξυ)φωσφονικά υποστρώματα σε συσχετισμό με τη μεταλλοτοξικότητα σε διεργασίες νευροεκφύλισης.» ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: Μάιος, 2013 Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Α. Σαλίφογλου Αν. Καθ. Α. Κόταλη Αν. Καθ. Π. Ακρίβος Επιβλέπων Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγήτρια Μ. Κυριακίδου Καθηγητής Μ. Σταματούδης Καθηγητής Ι. Πλακατούρας Επικ. Καθ. Σ. Χατζησπύρου Εξετάστρια Εξεταστής Εξεταστής Εξεταστής

Γεωργαντάς Βασίλειος Α.Π.Θ. «Συνθετική και φυσικοχημική μελέτη δυαδικών/τριαδικών υλικών νευρο-μεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με (καρβοξυ)φωσφονικά υποστρώματα σε συσχετισμό με τη μεταλλοτοξικότητα σε διεργασίες νευροεκφύλισης.» ISBN «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)

Στους γονείς μου, Κωνσταντίνο & Ευανθία

ABSTRACT The aim of this study is to delineate the interactions between aluminum and copper ions, and hydroxycaboxylic acid/hyperphosphorylated targets (e.g. proteins and peptides), which influence the onset and progression of neurodegenerative diseases. In order to delineate the biological role of such metals, therefore, it is essential that the nature of interactions arising between the aforementioned metal ions and corresponding substrates is understood. To this end, the implementation of this research effort is based on the study of binary and ternary systems of Al(III) and Cu(II) with phosphonic, carboxylic and mixed carboxy-phosphonic ligands of low molecular mass. Consequently, the rational design and ph-dependent synthetic efforts at the binary and ternary levels are key aspects in the isolation and physicochemical characterization of a series of new compounds in the solid state and in solution. The first part of the aforementioned studies deals with the potential chemical interactions in binary systems of Al(III) ions and bio-mimetic carboxylic and phosphonic ligands, such as: i) mandelic acid, ii) N-(phosphonomethyl) iminodiacetic acid (NTAP), iii) nitrilo-tris(methylenephosphonic acid) (NTA3P), and iv) 1-hydroxy ethylidene-1,1-diphosphonic acid (HEDP). Initially, aqueous speciation studies of the respective binary systems have been carried out, shedding light on the nature and the chemical composition of a variety of species that arise in solution, as a function of ph and aiding in the rational design of the ph-dependent synthesis. The new isolated materials were characterized with several techniques, namely, elemental analysis, spectroscopic techniques (FTIR, and NMR (solid state and solution)) and X-ray crystallography. 1. (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4H 2 O 2. (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O 3. (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O 4. K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O (3) The structural and spectroscopic characterization of the isolated species, project their properties in the solid state and in solution, revealing their high stability and diversity in their solubility. This information contributes to the understanding of the structural speciation of the aforementioned binary systems, providing insight into the chemical attributes of species in I

solution and in the solid state. Furthermore, they likely reflect upon the potential biological role of the metal ion and its chemical reactivity toward the corresponding substrates-biological targets. The second part of this study pertains to the interactions of Cu(II) ions with phosphonic substrates and in particular with butylene diamine tetramethylene phosphonic acid (BDTMP). In order to comprehend the arising interactions of the binary/ternary system, the synthesis was carried out by adding both inorganic (NaOH) and organic bases, with distinct chemical features e.g. N-aromatic molecules (pyridine, and 1,10-phenanthroline). The materials that emerged from the aqueous and/or non-aqueous Cu(II)-BDTMP systems are mentioned below. The techniques that were used include elemental analysis, spectroscopic techniques (FTIR, UV-Vis), magnetic susceptibility, cyclic voltammetry studies and X-ray crystallography. 1. Na 6 [Cu 2 (BDTP)(H 2 O) 4 ]. [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O 2. [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ]. 2H 2 O 3. [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)]. n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH The structural characteristics of the three new materials project their increased stability in the solid state and their high solubility in water. A sequential structural change can be observed by adding a bulky organic base instead of an inorganic one, thereby leading to the formation of a polymeric material as it is proven by the study of the ternary Cu(II)-BDTMP-1,10- phenanthroline. Collectively, the work undertaken has proven that binary/ternary metalhydroxycarboxylate and metal-(carboxy)phosphonate materials synthesized, isolated and fully characterized (in the solid state and in solution) exhibit structural characteristics and physicochemical properties a) shedding light into the role of the metal ions in biological fluids, and b) delineating interactions at the binary/ternary level with molecular targets heavily involved in neurodegenerative processes. II

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ανάγκη διαλεύκανσης των αλληλεπιδράσεων των μεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με υδροξυ-καρβοξυλικά οξέα και υπερφωσφορυλιωμένους πρωτεϊνικούς στόχους που επηρεάζουν την εκκίνηση και εξέλιξη νευροεκφυλιστικών ασθενειών, αποτέλεσε το βασικό κίνητρο αυτής της ερευνητικής προσπάθειας. Η ερευνητική αυτή προσπάθεια ξεκίνησε από τη μελέτη αλληλεπιδράσεων των αναφερόμενων μεταλλοϊόντων με υδρoξυ-καρβοξυλικά και φυσιολογικά σχετιζόμενα φωσφονικά υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας. Πραγματοποιήθηκε, δε, μέσα από τη μελέτη α) δυαδικών και τριαδικών συστημάτων των μεταλλοϊόντων με τα παραπάνω υποστρώματα, κάτω από συγκεκριμένες τιμές ph, β) των ιδιοτήτων αυτών στη στερεά κατάσταση και στο διάλυμα, και γ) του συσχετισμού των ιδιοτήτων των νέων ειδών με τη δομή και χημική δραστικότητά τους στο διάλυμα. Στο πρώτο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας, μελετήθηκε μία πληθώρα συστημάτων Al(III) σε υδατικό περιβάλλον. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα συστήματα που περιείχαν α) μανδελικό οξύ (mandelic acid), β) N-(φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ (NTAP), γ) νιτριλοτρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (Αl-NTA3P), και δ) 1-υδροξυ αιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (HEDP). Οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής των δυαδικών συστημάτων Al(III) με τα προαναφερθέντα υποστρώματα έδωσαν μια αναλυτική εικόνα για τη μορφή και χημική σύσταση των ειδών που σχηματίζονται στο διάλυμα σε όλο το εύρος της κλίμακας ph και αποτέλεσαν τη βάση για το σχεδιασμό της ph-εξαρτώμενης σύνθεσης. Η ph-εξαρτώμενη σύνθεση οδήγησε στην απομόνωση των παρακάτω τεσσάρων υλικών, τα οποία χαρακτηρίστηκαν με στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπικές τεχνικές (FTIR, NMR (solid state και solution)) και κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. 1. (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4H 2 O 2. (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O 3. (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O 4. K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O Ο δομικός και φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός των νέων ειδών, επιβεβαίωσαν την πιθανή ανάπτυξη χημείας του Αl(IΙΙ) με φωσφορυλιωμένους στόχους βιολογικής σημασίας, προβάλλοντας ταυτόχρονα πληροφορίες για τις ιδιότητες των ειδών αυτών στη στερεά III

κατάσταση και στο διάλυμα. Επιπλέον, τα νέα είδη παρουσίασαν δομικά χαρακτηριστικά που αναδεικνύουν τη μεγάλη σταθερότητα αυτών, ενώ προέκυψαν διαφορές στη διαλυτότητά τους. Το δεύτερο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας επικεντρώθηκε στις αλληλεπιδράσεις ιόντων Cu(II) με φωσφονικά υποστρώματα, με κυριότερο εκπρόσωπο το βουτυλενο διαμινο (τετραμεθυλενο φωσφονικό οξύ) (BDTMP). Το σύστημα του Cu(II)-BDTMP μελετήθηκε τόσο σε δυαδικά όσο και σε τριαδικά συστήματα, με την προσθήκη οργανικών αζωτούχων βάσεων, όπως η πυριδίνη και η 1,10-φαινανθρολίνη. Τα κρυσταλλικά υλικά που απομονώθηκαν από τα παραπάνω συστήματα είναι τα εξής: 1. Na 6 [Cu 2 (BDTP)(H 2 O) 4 ]. [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O 2. [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ]. 2H 2 O 3. [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)]. n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον πλήρη δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό όλων των ειδών που απομονώθηκαν είναι: στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπικές τεχνικές (FTIR, UV-Vis), μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας, κυκλική βολταμμετρία, και κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Ο δομικός και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των παραπάνω ειδών ανέδειξε την υψηλή σταθερότητα και διαλυτότητα των συμπλόκων στο νερό. Διερεύνηση των αναδυόμενων κρυσταλλικών πλεγμάτων αναδεικνλυει μία διαδοχική δομική αλλαγή με την προσθήκη ολοένα και μεγαλύτερου-ογκοδέστερου μορίου οργανικής βάσης, λόγω της οποίας μεταβάλλεται η συμπεριφορά και των ιόντων Cu(II) αλλά και του υποστρώματος. Συλλογικά, κατά τη μελέτη και το χαρακτηρισμό των συστημάτων του Al(III) και του Cu(II) αποδείχθηκε η ισχυρή αλληλεπίδραση υποστρωμάτων με επιλεγμένες χημικές ομάδες, όπως η υδροξυ-καρβοξυλική και φωσφονική ομάδα, σε χαμηλής μοριακής μάζας υποστρώματα. Ποικίλοι παράγοντες αποδείχθηκαν σημαντικοί τόσο για την απομόνωση νέων ειδών, όσο και για την απόδοση συγκεκριμένων δομικών και φυσικοχημικών χαρακτηριστικών. Ο πλήρης χαρακτηρισμός αυτών, σε στερεά κατάσταση και στο διάλυμα, αναδεικνύει το ρόλο των μεταλλοϊόντων αυτών σε βιολογικά υγρά και προβάλλει τη σημασία του συσχετισμού δομής χημικής δραστικότητας στην εκκίνηση και εξέλιξη ασθενειών, όπως η νευροεκφύλιση. IV

ΕΚΘΕΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΣ Δεδομένης της παρουσίας και ποικίλης χημικής δραστικότητας των μεταλλοτοξινών Al(III) και Cu(ΙΙ) προς ευαίσθητους μοριακούς στόχους σε νευρωνικά βιολογικά υγρά, η μελέτη των αλληλεπιδράσεων (βιο)μεταλλοτοξινών με μοριακούς στόχους (π.χ. αμυλοειδές πεπτίδιο και υπερφωσφορυλιωμένη μορφή της πρωτεΐνης τ) μικρής και μεγάλης μοριακής μάζας που σχετίζονται με νευροεκφυλιστικές διαδικασίες, αποτελεί κύριο στόχο αυτής της εργασίας. Η συγκεκριμένη ερευνητική προσπάθεια επικεντρώθηκε στη χημεία των μεταλλοτοξινών Al(III) και Cu(ΙΙ) με μικρής μοριακής μάζας στόχους που εκφράζονται με βιομιμητικά υποστρώματα αντιπροσωπευτικά της υπερφωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης και του αμυλοειδούς πεπτιδίου. Αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν δυαδικά και τριαδικά συστήματα των μεταλλοϊόντων με φωσφονικά ή/και καρβοξυλικά υποστρώματα. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής καθιστούν τη μελέτη αυτή πρωτότυπη λόγω: της στοχευμένης έρευνας αλληλεπιδράσεων και συνθετικής προσπάθειας κατανόησης της φύσης των ειδών που υπάρχουν στο διάλυμα, στα διάφορα δυαδικά συστήματα (μετάλλουυποστρώματος (ligand)) που μελετήθηκαν, στο πλαίσιο της μελέτης της δομικής ειδοκατανομής δυαδικών και τριαδικών συστημάτων των προαναφερθέντων μεταλλοϊόντων με επιλεγμένα υποστρώματα. του γεγονότος ότι υπήρχε επιτυχής και ακριβής μετάβαση από τα προτεινόμενα είδη της υδατικής ειδοκατανομής στη δομική ειδοκατανομή, επιβεβαιώνοντας ότι τα είδη που υπάρχουν στο διάλυμα μπορούν να υπάρξουν και στη στερεά κατάσταση (όχι απαραίτητα με την ίδια μορφή). της μελέτης των ειδών που απομονώθηκαν στη στερεά κατάσταση και την ταυτόχρονη μελέτη των ιδιοτήτων τους τόσο στη στερεά κατάσταση όσο και στο διάλυμα. Ως αποτέλεσμα των προσπαθειών αυτών γεννήθηκε νέα γνώση συσχετισμού δομής στη στερεά κατάσταση και στο διάλυμα με επιπτώσεις στη βιολογική δράση των μεταλλοϊόντων αυτών. V

του πλήρους φυσικοχημικού χαρακτηρισμού των ιδιοτήτων των ενώσεων που απομονώθηκαν, θέτοντας έτσι τα θεμέλια για την περαιτέρω ανάπτυξη τεχνολογίας νευροπροστασίας ευαίσθητων μοριακών στόχων στον εγκέφαλο. της προσπάθειας που έγινε να γίνει κατανοητός ο μηχανισμός με τον οποίο εκδηλώνεται η τοξικότητα του αργιλίου και του χαλκού, μέσω της διερεύνησης των μοριακών αλληλεπιδράσεών των μετάλλων με χαμηλής μοριακής μάζας βιολογικούς στόχους σε δυαδικά αλλά και τριαδικά συστήματα. της ανάπτυξης μίας πληθώρας νέων υλικών (μοριακά διακριτών ή πολυμερικών) τα οποία αποτελούν μοναδικά υλικά, με προοπτική περαιτέρω χρήσης τους σε προηγμένες τεχνολογίες νευροπροστασίας. της σχεδίασης των πειραμάτων (επιλογής συνθηκών αντίδρασης, μοριακής στοιχειομετρίας, τιμές ph και θερμοκρασίας) ώστε να προκύψουν υλικά με δομικά χαρακτηριστικά, τα οποία αντικατοπτρίζουν είδη και αλληλεπιδράσεις που αναδύονται στα βιολογικά υγρά της απομόνωσης ενός νέου υδατοδιαλυτού είδους μεταξύ του Al(III) και του φυσιολογικού υποκαταστάτη μανδελικό οξύ, γεγονός το οποίο δίνει τη δυνατότητα για περαιτέρω μελέτη της (βιο)τοξικής δράσης του μετάλλου σε συνδυασμό με την πιθανή νευροπροστατευτική δράση του μανδελικού οξέος. της ανάπτυξης νέων οργανοφωσφονικών ειδών, τα οποία μπορούν να βρουν πιθανή εφαρμογή στην επιστήμη και τεχνολογία υλικών, στοχεύοντας σε εφαρμογές στην κατάλυση, στην ιοντοανταλλαγή, σε απορροφητικά υλικά, σε αγωγούς πρωτονίων και ως πρώτες ύλες για υμένια με οπτικές ή ηλεκτρονικές ιδιότητες. Για όλους τους παραπάνω λόγους, η μελέτη αυτή είναι πρωτότυπη και τα αποτελέσματα έχουν α) δημοσιευτεί ή αναμένεται να δημοσιευτούν σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά, β) δημοσιευθεί στα πρακτικά εθνικών και διεθνών συνεδρίων, και γ) παρουσιασθεί ως προφορικές εργασίες και αναρτημένες εργασίες σε εθνικά και διεθνή συνέδρια. VI

ΕΥΧΑΡΙΣΤΊΕΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Αθανάσιου Σαλίφογλου. Πρωταρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Αθανάσιου Σαλίφογλου για την απεριόριστη εμπιστοσύνη που μου έδειξε με την ανάθεση της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας. Το ενδιαφέρον, η υποστήριξη και η καθοδήγησή του με στήριξαν τόσο γνωστικά όσο και πνευματικά και αποτέλεσαν πηγή έμπνευσης σε όλη τη διάρκεια της ερευνητικής προσπάθειας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, κ. Α. Κόταλη και κ. Π. Ακρίβο, για τη στήριξή τους, καθώς και τα υπόλοιπα μέλη της επταμελούς επιτροπής, κ. Μ. Κυριακίδου, κ. Μ. Σταματούδη, κ. Ι. Πλακατούρα, και κ. Σ. Χατζησπύρου, που πρόθυμα δέχτηκαν να συμμετάσχουν στην εξεταστική επιτροπή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συνεργάτες μου την Κ. Ραπτοπούλου (ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος ), Β. Ταγκούλη (Τμήμα Χημείας, Α.Π.Θ.), Δρ. Μαρία Ζερβού (Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών και Τεχνολογίας) και τον καθ. T. Kiss (University of Szeged, Szeged, Hungary), οι οποίοι με τις γνώσεις τους και τηn επιστημονική συμβολή τους βοήθησαν να ολοκληρωθεί αυτή η προσπάθεια. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Δρ. Μ. Μενελάου, Δρ. Κ. Γαβριήλ, Δρ. Π. Παναγιωτίδη, Δρ. Ι. Κατσούναρο, Δρ. Μ. Δόρτσιου και Δρ. C. Nday, τους υποψήφιους διδάκτορες Ρ. Σχιζοδήμου, Σ. Πετανίδη, Ε. Κιοσέογλου, Ε. Χαλέβα, καθώς και το γραμματέα του Εργαστηρίου Ανόργανης Χημείας Σέργιο Γιαννούλου για την εποικοδομητική συνεργασία, την υποστήριξη και τη φιλία τους. Το μεγαλύτερο ευχαριστώ, το οφείλω στους γονείς μου Κώστα και Ευανθία, οι οποίοι στάθηκαν δίπλα μου ηθικά, πνευματικά και συναισθηματικά όλα αυτά τα χρόνια. Αποτέλεσαν πρότυπο στην προσπάθειά μου για πνευματική και επαγγελματική άνοδο. Ελπίζω να φανώ αντάξιος των προσδοκιών τους και να καταφέρω να ανταποδώσω την προσφορά τους. VII

VIII

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ABSTRACT... I ΠΕΡΙΛΗΨΗ... III ΕΚΘΕΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑΣ... V ΕΥΧΑΡΙΣΤΊΕΣ... VII ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... IX Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο... 1 1.1. Εισαγωγικά στοιχεία για το Αργίλιο... 1 1.2. Φυσικοχημικές ιδιότητες του Αργιλίου... 1 1.3. Διαδικασία απομόνωσης του Αργιλίου... 4 1.4. Ανακύκλωση απορριμμάτων από Αργίλιο... 7 1.5. Το Αργίλιο στην ανθρώπινη καθημερινότητα... 10 1.6. Η επίδραση του Αργιλίου στον ανθρώπινο οργανισμό... 14 1.7. Η επίδραση του Αργιλίου στους φυτικούς οργανισμούς... 17 1.8. Βιβλιογραφία... 19 Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός... 23 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία για τον Χαλκό... 23 2.2. Φυσικοχημικές ιδιότητες του Χαλκού... 23 2.3. Διαδικασία απομόνωσης του Χαλκού... 26 2.4. Ανακύκλωση απορριμμάτων από Χαλκό... 28 2.5. Ο Χαλκός στην ανθρώπινη καθημερινότητα... 29 2.6. Ο Χαλκός στα βιολογικά συστήματα.... 33 2.7. Η επίδραση του Χαλκού στον άνθρωπο και τους μικροοργανισμούς... 34 2.8. Βιβλιογραφία... 39 IX

2.8. Βιβλιογραφία... 39 Κεφάλαιο 3: Οργανικά Υποστρώματα (Ligands).... 41 3.1. Εισαγωγή... 41 3.2 Φυσιολογικά υποστρώματα... 42 3.2.1 Μανδελικό οξύ (Mandelic acid)... 42 3.2.1.1 Δομή και ιδιότητες του μανδελικού οξέος... 42 3.2.1.2 Χρήσεις μανδελικού οξέος... 42 3.2.1.3 Απομόνωση και σύνθεση μανδελικού οξέος... 43 3.3. Μη φυσιολογικά υποστρώματα... 45 3.3.1. 1-υδροξυαιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (1-hydroxyethane 1,1-diphosphonic acid (HEDP))... 45 3.3.1.1. Δομή και ιδιότητες του HEDP... 45 3.3.1.2. Χρήσεις του HEDP.... 46 3.3.2. Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικό οξύ (N-Phosphonomethyl)-Imino-diacetic Acid) 47 3.3.2.1. Δομή και ιδιότητες του ΝΤΑΡ... 47 3.3.2.2. Χρήσεις του ΝΤΑΡ.... 49 3.3.3. Νιτριλο-τρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (Nitrilotri(methyl phosphonic acid) NTA3P)... 50 3.3.3.1. Δομή και ιδιότητες του ΝΤΑ3Ρ... 50 3.3.3.2. Σύνθεση του ΝΤΑ3Ρ... 50 3.3.3.3. Χρήσεις του ΝΤΑ3Ρ... 51 3.3.4. Βουτυλενο διαμινο τετρα(μεθυλο φωσφονικό) οξύ (BDTMP)... 51 3.3.4.1. Δομή και ιδιότητες του ΒDTMP... 51 3.3.4.2. Σύνθεση του BDTMP... 52 3.3.4.3. Χρήσεις του BDTMP... 52 3.3.5. 1, 10-Φαινανθρολίνη... 52 3.3.5.1. Δομή και ιδιότητες της 1, 10-Φαινανθρολίνης... 52 3.3.5.2. Σύνθεση και χρήσεις της 1, 10-Φαινανθρολίνης... 53 X

Κεφάλαιο 4: Τεχνικές Χαρακτηρισμού των Υλικών... 57 4.1. Εισαγωγή στις τεχνικές χαρακτηρισμού των υλικών... 57 4.2. Στοιχειακή Ανάλυση (Elemental Analysis)... 57 4.3. Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ... 58 4.3.1. Εισαγωγή στην Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ... 58 4.3.2. Το κρυσταλλικό πλέγμα... 59 4.3.3. Ο Νόμος του Bragg... 61 4.3.4. Προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής με Περίθλαση Ακτίνων - Χ... 62 4.4. Φασματοσκοπικές μέθοδοι προσδιορισμού και ταυτοποίησης υλικών... 64 4.4.1. Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία... 64 4.4.2. Φασματοσκοπία Υπερύθρου... 66 4.4.2.1. Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία Υπερύθρου... 66 4.4.2.2. Η θεωρεία των δονήσεων... 67 4.4.2.3. Η φασματοσκοπία των δονήσεων... 68 4.4.2.4. Η τεχνική της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας... 71 4.4.3. Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV Visible spectroscopy)... 72 4.4.3.1. Εισαγωγή στη φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού... 72 4.4.3.2. Ο Νόμος του Lambert-Beer... 74 4.4.3.3. Η θεωρεία των ηλεκτρονικών μεταπτώσεων... 74 4.4.3.4. Το φασματοφωτόμετρο... 76 4.4.4. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός NMR... 78 4.4.4.1. Εισαγωγή στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό... 78 4.4.4.2. Η θεωρεία του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού... 78 4.4.4.3. Χημικές μετατοπίσεις... 81 4.4.4.4. Οργανολογία... 81 4.5. Μαγνητικές Ιδιότητες Υλικών... 84 4.5.1. Εισαγωγή στις Μαγνητικές Ιδιότητες των Υλικών... 84 4.5.2. Μαγνητική επιδεκτικότητα (Magnetic susceptibility)... 85 XI

4.5.3. Σιδηρομαγνητισμός και Αντισιδηρομαγνητισμός... 86 4.6. Κυκλική Βολταμμετρία (Cyclic Voltammetry)... 88 4.6.1. Εισαγωγή στην Κυκλική Βολταμμετρία... 88 4.6.2. Η Αρχή λειτουργίας της μεθόδου... 88 4.6.3. Οργανολογία... 91 4.7. Ποντενσιομετρική Ανάλυση στην Υδατική Ειδοκατανομή... 93 4.7.1. Εισαγωγή στην Ποτενσιομετρική Ανάλυση... 93 4.7.2. Ποτενσιομετρικές ογκομετρήσεις... 94 4.7.3. Η Μεθόδος Gran... 95 4.7.4. PSEQUAD: Υπολογισμός των συνολικών σταθερών σχηµατισµού των μοντέλων συμπλόκων... 98 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ... 100 Κεφάλαιο 5: Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου... 103 5.1. Περίληψη... 103 5.2. Εισαγωγή... 104 5.3. Πειραματικό μέρος... 107 5.3.1. Αντιδραστήρια... 107 5.3.2. Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ.... 109 5.3.3. Μέθοδοι Χαρακτηρισμού... 112 5.3.4. Φασματοσκοπία υγρού πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού... 113 5.3.4.1. Σε υγρή κατάσταση... 113 5.3.4.2. Σε στερεά κατάσταση... 113 5.3.5. Ποτενσιομετρικές μετρήσεις (ph-potentiometric measurements)... 114 5.4. Αποτελέσματα... 116 5.4.1. Μη φυσιολογικά υποστρώματα... 116 5.4.1.1. Σύνθεση... 116 XII

5.4.1.2. Η δομή των κρυσταλλικών υλικών 1-3... 117 5.4.1.3. Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR).... 125 5.4.1.4. Φασματοσκοπία ΝΜR (solution και solid state)... 128 5.4.1.5. Μελέτες υδατικής ειδοκατανομής στο δυαδικό σύστημα Al(III) HEDP... 136 5.4.2. Φυσιολογικά Υποστρώματα... 140 5.4.2.1. Σύνθεση... 140 5.4.2.2. Η δομή του κρυσταλλικού υλικού 4... 141 5.4.2.3. Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR)... 146 5.5. Συζήτηση Αποτελεσμάτων... 147 5.5.1. Η υδατική συνθετική χημεία του συστήματος Αl(III)-φωσφονικών... 147 5.5.2. Συσχετισμός της υδατικής ειδοκατανομής του δυαδικού συστήματος Al(III) φωσφονικών με τη συνθετική χημεία... 150 5.5.3. Συσχετισμός της υδατικής και συνθετικής χημείας με το νευροτοξικό ιόν Al(III).. 154 Κεφάλαιο 6: Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer... 161 6.1 Εισαγωγή... 161 6.2. Πειραματικό μέρος... 161 6.3. Αποτελέσματα Συζήτηση... 162 6.3.1. Η επίδραση των έξι σύμπλοκων ενώσεων Al(ΙΙΙ) στη βιωσιμότητα των ιπποκαμπιαίων κυττάρων... 162 6.3.2. Παράγοντες που παρέχουν νευροπροστασία στις κυτταροκαλλιέργειες έναντι των ιόντων Al(III) και του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου.... 165 6.4. Συμπεράσματα... 167 6.5. Βιβλιογραφία... 170 Κεφάλαιο 7: Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού... 172 7.1 Περίληψη... 173 7.2 Εισαγωγή... 174 7.3 Πειραματικό Μέρος... 178 XIII

7.3.1 Αντιδραστήρια... 178 7.3.2 Πειραματική διαδικασία... 178 7.3.3 Μέθοδοι Προσδιορισμού... 179 7.3.4 Ηλεκτροχημικές μελέτες... 179 7.3.5 Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ... 180 7.4 Αποτελέσματα... 181 7.4.1 Σύνθεση... 181 7.4.2 Περιγραφή Κρυσταλλικών Δομών... 183 7.4.3. Ηλεκτρονική Φασματοσκοπία... 195 7.4.4. Φασματοσκοπία Υπερύθρου.... 197 7.4.5. Κυκλική Βολταμμετρία... 199 7.4.6. Μελέτη μαγνητικής επιδεκτικότητας των υλικών 1, 2 και 3 (Magnetic susceptibility studies)... 199 7.5. Συζήτηση... 204 7.5.1.Μελέτη της χημικής συμπεριφοράς των συστημάτων Cu(II)-οργανοφωσφονικών ligands.... 204 7.5.2. Προσανατολισμός και αρχιτεκτονική πλέγματος... 206 7.6. Συμπεράσματα... 209 7.7. Βιβλιογραφία... 210 Κεφάλαιο 8: Τελικά Συμπεράσματα Μελλοντικοί στόχοι... 213 8.1. Τελικά Συμπεράσματα... 213 8.2. Μελλοντικοί Ερευνητικοί Στόχοι... 216 XIV

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 1.1. Εισαγωγικά στοιχεία για το Αργίλιο Το αργίλιο είναι ένα χημικό στοιχείο, το οποίο συναντάται σε υψηλή συγκέντρωση στο περιβάλλον, καθώς είναι το τρίτο στη σειρά περιεκτικότητας (8% κατά βάρος) στο έδαφος και το υπέδαφος της γης μετά από το οξυγόνο και το πυρίτιο. 1 Το γεγονός αυτό έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί το αργίλιο σε ποικίλες και ευρείες βιομηχανικές εφαρμογές. Τις τελευταίες δεκαετίες έγινε η αντιληπτή η εμπλοκή του αργιλίου σε βιολογικούς μηχανισμούς, τόσο στους ανθρώπινους όσο και στους ζωικούς και φυτικούς οργανισμούς. Οι παραπάνω λόγοι δημιουργούν έντονο ενδιαφέρον για τη μελέτη της φύσης και της δράσης αυτού του μετάλλου. 1.2. Φυσικοχημικές ιδιότητες του Αργιλίου Το αργίλιο (aluminum) είναι το χημικό στοιχείο που βρίσκεται στην 13 η ομάδα (ΙΙΙΑ) και στην 3 η περίοδο του περιοδικού πίνακα. Συμβολίζεται ως Αl (Σχήμα 1.1). Ο ατομικός του αριθμός είναι 13 και η οξειδωτική του κατάσταση είναι +3. Η σφαίρα συναρμογής του έχει είτε τέσσερις είτε έξι θέσεις συναρμογής. Η ηλεκτρονιακή του διαμόρφωση φαίνεται στον Πίνακα 1.1: Πίνακας 1.1. Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Αργιλίου. Υποστοιβάδες 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Κατανομή e - στα τροχιακά p x p y p z p x p y p z 1

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 13 Al Αργίλιο Aluminum 26.982 Σχήμα 1.1. Περιοδικός Πίνακας των χημικών στοιχείων. Το αργίλιο είναι ένα αρκετά ελαφρύ στερεό, αλλά ταυτόχρονα είναι μαλακό, εύπλαστο και ελατό. Είναι αδιάλυτο στο νερό και συναντάται σε χρωματισμούς από σκούρο γκρι έως ασημί (Σχήμα 1.2), ανάλογα με την τραχύτητα της επιφάνειας. Είναι ένα μέταλλο γνωστό για την χαμηλή του πυκνότητα και την ικανότητά του να μη διαβρώνεται κατά την επαφή του με τον αέρα και την υγρασία. Η ανθεκτικότητα στη διάβρωση που χαρακτηρίζει Σχήμα 1.2. Απεικόνιση καθαρού το αργίλιο, επιτυγχάνεται με τη δημιουργία ενός λεπτού Αl σε μορφή πελλετών. προστατευτικού στρώματος από οξείδιο του αργιλίου (2.5 nm), αναστέλλοντας την περαιτέρω οξείδωση και διάβρωση του μετάλλου. Κατ επέκταση, το αργίλιο δεν είναι διαλυτό στο νερό για τιμές ph κοντά στο φυσιολογικό (4.5-8.5). Σε ισχυρά όξινα και βασικά υδατικά περιβάλλοντα υπάρχει έντονη διάβρωση. Υπάρχει η δυνατότητα να ενισχυθεί η ανθεκτικότητα του αργιλίου με την προσθήκη διαφορετικών μετάλλων. 2 Επιπλέον, αποτελεί πολύ καλό αγωγό της θερμότητας και του ηλεκτρισμού καθώς έχει το 60% της αντίστοιχης αγωγιμότητας του Cu. 3 Παρουσιάζει έντονη αντανακλαστική ικανότητα στο ορατό 2

(400-700 nm), στο εγγύς (700-3000 nm) και άπω υπέρυθρο (3000-10000 nm), καθώς και στο υπεριώδες (200-400 nm) φως, σε μεγαλύτερο βαθμό από κάθε άλλο μέταλλο. 4 Τέλος, δεν παρουσιάζει ιδιότητες μαγνητισμού. Οι φυσικές ιδιότητες του Αl παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.2. Πίνακας 1.2. Φυσικές ιδιότητες αργιλίου (Al) Αργίλιο Σύμβολο Al Ατομικός αριθμός 13 Κατανομή ηλεκτρονίων [Νe] 3s 2 3p 1 Ηλεκτρόνια ανά επίπεδο ενέργειας Ατομική ακτίνα K L M 2 8 3 1.43 Å Ιοντική ακτίνα 1.21Å Ατομική μάζα 26.98 g/mol Πυκνότητα (στους 25 ο C) 2.70 g. cm -3 Υγρή Πυκνότητα (στο σ.τ.) 2.375 g. cm -3 Σημείο τήξεως Σημείο ζέσεως Θερμοχωρητικότητα Θερμότητα τήξης Θερμότητα εξάτμισης 660 ο C 2519 ο C 1 24.200 J mol 1 K 10.71 kj mol 1 294.0 kj mol 1 Στη φύση συναντάμε δύο ισότοπα του αργιλίου, το 27 Al και το 26 Al. Το ισότοπο 27 Al είναι αρκετά σταθερό και βρίσκεται σε αφθονία στη φύση (99.9%). Το 26 Al είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο με χρόνο ημιζωής (t 1/2 =0.73 Μa). 5 3

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 1.3. Διαδικασία απομόνωσης του Αργιλίου Το αργίλιο είναι ένα από τα κύρια συστατικά του εδάφους και για το λόγο αυτό λαμβάνει χώρα στο σχηματισμό πληθώρας πετρωμάτων. Εμφανίζει έντονη προτίμηση στις αλληλεπιδράσεις του με άτομα οξυγόνου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μη συναντάται στη στοιχειακή του μορφή. Δημιουργεί ενώσεις οξειδίων (Αl 2 O 3 ), υδροξειδίων, όπως ο γκιμπσίτης (Gibbsite) (Al(OH) 3 ), το διάσπορο (Diaspore) α-(alo(oh)), και ο βοαιμίτης (Boehmite) γ- (AlO(OH)) αλλά και άλατα, κυρίως φωσφορικά. Οι ενώσεις αυτές συμβάλλουν στη δημιουργία ορυκτών του εδάφους, τα οποία ονομάζονται αργιλοπυριτικά ορυκτά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι ο βωξίτης και το αργιλόχωμα. Ο βωξίτης αποτελεί την κύρια πηγή αργιλίου (AlO x (OH) 3-2x ) (Σχήμα 1.3. α και β). α β Σχήμα 1.3. α. Απεικόνιση βωξίτη, β. Εξόρυξη βωξίτη Η απομόνωση του αργιλίου από το βωξίτη γίνεται σε στάδια, βάσει των μεθόδων Bayer 6 και Hall-Héroult. Τα στάδια που ενέχονται στη μέθοδο Bayer είναι τα εξής: 1. Προετοιμασία βωξίτη: α) διασφαλίζεται η ομοιομορφία στη τροφοδοσία βωξίτη ως προς τη χημική του σύσταση β) ακολουθεί η θραύση και η λειοτρίβηση του βωξίτη. 2. Εκχύλιση υπό πίεση: στο στάδιο αυτό επιχειρείται η διάλυση των οξειδίων του αργιλίου, με σκοπό να παραχθεί διάλυμα με τη μέγιστη συγκέντρωση αυτών. Αυτό επιτυγχάνεται με πλύση του ορυκτού με ζεστό αλκαλικό διάλυμα. 4

Κύριες χημικές αντιδράσεις: Αl 2 O 3 + 2OH + 3 H 2 O 2 [Al(OH) 4 ] (aq) Γκιμπσίτης: Al(OH) 3(s) + NaOH Al(OH) 4 (aq) + Na + (aq) Βαιμίτης /Διάσπορος: AlO(OH) (s) + NaOH + H 2 O [Al(OH) 4 ] (aq) + Na + (aq) Οι παραπάνω αντιδράσεις γίνονται με αύξηση της θερμοκρασίας (180 ο C) και της αλκαλικότητας (προσθήκη διαλύματος ΝaOH) ώστε να αυξηθεί η διαλυτότητα των ενώσεων αργιλίου. Σε αυτό το σημείο, μέσα στο διάλυμα υπάρχουν μόνο ενώσεις του αργιλίου καθώς οι ενώσεις των άλλων μετάλλων είναι αδιάλυτες. 3. Καταβύθιση: ο σκοπός αυτού του σταδίου είναι η ανάκτηση όλης της ποσότητας αργιλίου από το διάλυμα. Aυτό επιτυγχάνεται με ομογενή ή ετερογενή πυρηνοποίηση. Προτιμάται η ετερογενής πυρηνοποίηση (προσθήκη πυρήνων κρυστάλλωσης γκιμπσίτη), λόγω μεγαλύτερης ταχύτητας και απόδοσης. Η αντίδραση της καταβύθισης είναι: [Al(OH) 4 ] (aq) Al(OH) 3(s) + ΟΗ (aq) 4. Θερμική διάσπαση: το στερεό που προκύπτει, θερμαίνεται στους 1000-1100 ο C, έτσι ώστε να προκύψει άνυδρη αλουμίνα (Αl 2 O 3 ). 2Al(OH) 3(s) Αl 2 O 3 + 3H 2 O Για να ολοκληρωθεί η απομόνωση του αργιλίου, θα πρέπει να εφαρμοστεί και η μέθοδος Hall-Héroult, 7 σύμφωνα με την οποία το αργίλιο με τη μορφή καθαρού μετάλλου λαμβάνεται με ηλεκτρολυτική αναγωγή της αλουμίνας. Αναλυτικά: 1. Η αλουμίνα έχει αρκετά υψηλό σημείο ζέσεως (2000 ο C). Η χρήση τέτοιων θερμοκρασιών δεν είναι συμφέρουσα ούτε ενεργειακά ούτε οικονομικά. Για το λόγο αυτό, η αλουμίνα διαλύεται σε τήγμα κρυόλιθου (Νa 3 AlF 6 ) στους 1000 ο C. Ο ηλεκτρολύτης τοποθετείται σε σιδερένιο δοχείο (Σχήμα 1.4), το οποίο έχει πρώτα επικαλυφθεί με γραφίτη. 2. Α) Η άνοδος είναι φτιαγμένη από C και τοποθετείται από την πάνω πλευρά του δοχείου μέσα στον ηλεκτρολύτη. Το οξυγόνο που παράγεται στην άνοδο, αντιδρά με αυτήν και παράγει μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα (CO, CO 2 ). Η αντίδραση είναι η εξής: 3. 5

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο Άνοδος: 6 O 2 3 O 2 (g) + 12 e Β) Το δοχείο αποτελεί τη κάθοδο. Το μεταλλικό αργίλιο σχηματίζεται στην κάθοδο, καταβυθίζεται και απομακρύνεται από τον πυθμένα του δοχείου. Η αντίδραση είναι η εξής: Κάθοδος: 4 Al(ΙΙΙ) + 12 e 4 Al (l) Συνολική αντίδραση: 4 Al(ΙΙΙ) + 6 O 2 4 Al (l) + 3 O 2(g) 4. Το τήγμα πρέπει να διατηρείται σε υγρή μορφή όσο χρονικό διάστημα κρατάει η αντίδραση. Αυτό πραγματοποιείται με το ρεύμα που διοχετεύεται (4-5 volts και 100 kiloamperes) Σχήμα 1.4. Διάταξη Hall-Héroult Από τα προαναφερθέντα, γίνεται αντιληπτό ότι απαιτούνται πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας για να γίνει η απομόνωση του αργιλίου. Για το λόγο αυτό, η διαδικασία της απομόνωσης γίνεται σε χώρες οι οποίες έχουν φθηνό και άφθονο ηλεκτρικό ρεύμα, όπως η Κίνα, οι Η.Π.Α., η Ρωσία και ο Καναδάς. 8,9,10 Οι χώρες που κατέχουν μεγάλα αποθέματα βωξίτη είναι κατά σειρά η Αυστραλία, η Βραζιλία, η Νέα Γουϊνέα και η Τζαμάικα (Σχήμα 1.5). 11 Η χώρα με το μεγαλύτερο ρυθμό εξόρυξης και απομόνωσης του αργιλίου ήταν η Αυστραλία μέχρι πριν μία πενταετία, όταν η Κίνα κατέλαβε την πρώτη θέση, την οποία διατηρεί μέχρι σήμερα. 10 6

Σχήμα 1.5 Απεικόνιση παγκόσμιας παραγωγής (S) και ζήτησης (D) βωξίτη. 1.4. Ανακύκλωση απορριμμάτων από Αργίλιο Σύμφωνα με τη Διεθνή Επιτροπή Πόρων, ο παγκόσμιος μέσος όρος της κατά κεφαλή χρήσης του αργιλίου (κτήρια, αυτοκίνητα, συσκευές) αγγίζει τα 80 kg ετησίως. Στον αναπτυγμένο κόσμο, η κατά κεφαλή χρήση του αργιλίου φτάνει τα 350-500 kg, ενώ στις λιγότερο αναπτυγμένες χώρες η κατά κεφαλή αναλογία είναι περίπου 35 kg. Με το πέρασμα των χρόνων, η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για αργίλιο αύξησε τους ρυθμούς εξόρυξής του, προκαλώντας έντονες περιβαλλοντικές καταστροφές. Επιπλέον, αυξήθηκαν και τα ποσά ενέργειας που απαιτούνται γα την απομόνωση του αργιλίου, καθόσον πρόκειται για μία ενεργειακά δαπανηρή διαδικασία, όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Ως εκ τούτου, κρίθηκε αναγκαία η ελαχιστοποίηση του κόστους τόσο της εξόρυξης, όσο και της απομόνωσης. Η λύση δόθηκε μέσα από την ιδέα της ανακύκλωσης. Η ιδέα της ανακύκλωσης άρχισε να παίρνει μεγαλύτερες διαστάσεις μετά τη δεκαετία του 1960, όταν αυξήθηκε κατακόρυφα η χρήση των δοχείων αλουμινίου για πόσιμα υγρά (αναψυκτικά, μπύρες, κ.ά.). Πάρα ταύτα, παρατηρείται συνεχής αύξηση στη ζήτηση και παραγωγή του αργιλίου. Έχει υπολογιστεί ότι η παγκόσμια παραγωγή αργιλίου αυξανόταν κατά μέσο όρο 8.5% κάθε έτος, από το 1910 μέχρι το 2004. 12 Τα τελευταία χρόνια ο άνθρωπος και οι κοινωνίες του εισάγουν ολοένα και περισσότερο την ανακύκλωση στη καθημερινότητά τους, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 1.6). 13 7

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο Σχήμα 3.6. Ρυθμός ανακύκλωσης περιεκτών από αργίλιο 1991-2002 Θεωρητικά, το αργίλιο ανακυκλώνεται 100% χωρίς να έχει απώλειες και το προϊόν που προκύπτει είναι γνωστό ως δευτερογενές (secondary) αργίλιο. Παρόλα αυτά, διατηρεί τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με το πρωτογενές (primary) αργίλιο. Πλέον, το 35% του αργιλίου που χρησιμοποιείται προέρχεται από το δευτερογενές αργίλιο. Η παραγωγή δευτερογενούς αργιλίου αντιμετωπίζει τις ίδιες προκλήσεις με την εξόρυξη του πρωτογενούς αργιλίου, όπως είναι η απομόνωση του επιθυμητού προϊόντος με τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια και τη μικρότερη δυνατή παραγωγή αποβλήτων. Εν συνεχεία, το παραγόμενο αργίλιο χρησιμοποιείται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης άλλων κραμάτων. Η ανακύκλωση ξεκινάει με τη διαδικασία της διαλογής, δηλαδή το φυσικό διαχωρισμό του αργιλίου από αντικείμενα διαφόρων μετάλλων και υλικών. Η διαλογή μπορεί να πραγματοποιηθεί με τους εξής τρόπους: Α. Διαχωρισμός με το χέρι: επιτυγχάνεται με χρήση ειδικών κάδων Β. Διαχωρισμός με αέρα: απομακρύνονται όλα τα πολύ ελαφριά και χαμηλής πυκνότητας απορρίμματα. Γ. Διαχωρισμός με μαγνητισμό: Απομακρύνονται όλα τα απορρίμματα που περιέχουν σίδηρο και νικέλιο. 14 Δ. Eddy-current διαχωρισμός. 15 Ε. Διαχωρισμός με καταβύθιση σε υγρό μέσο (HMS): όσα υλικά έχουν χαμηλότερη πυκνότητα του μέσου επιπλέουν, ενώ τα άλλα καταβυθίζονται. 13 8

Ακολουθεί θερμική επεξεργασία η οποία συμβάλει στον καθαρισμό και διαχωρισμό των απορριμμάτων αργιλίου από την παραπάνω διαδικασία: Α. Decoating: πρόκειται για απομάκρυνση όλων των επικαλυπτικών οργανικών ουσιών. 16 Β. Πυρόλυση σύνθετων συσκευασιών: εκτελείται σε απορρίμματα πολλών στρωμάτων ή απορρίμματα καλυμμένα με χαρτί. Γ. Απομάκρυνση της μπογιάς. 17 Δ. Μερική τήξη: διαχωρίζει τα απορρίμματα-κράματα στα συστατικά τους, όπως το αργίλιο και το χαλκό. 18 Ε. Τήξη διαχωρισμού: διαχωρίζει το αργίλιο από το σίδηρο που υπάρχει στο κράμα του απορρίμματος. 19 Τέλος, το αργίλιο τροποποιείται για να αποκτήσει κατάλληλο μέγεθος και σχήμα για αποδοτική μεταφορά και αποθήκευση. Α. Δέμα. 20,21 Β. Δέμα με αρκετά μικρή αναλογία επιφάνειας:όγκου. 22 Η ανακύκλωση κρίνεται ως μία επιτακτική διαδικασία καθώς: 1. Προστατεύει το περιβάλλον επιβάλλοντας χαμηλότερους ρυθμούς εξόρυξης. Επιπλέον, κατά την ανακύκλωση παράγονται 90% λιγότερα απόβλητα (ανά τόνο ανακυκλωμένου αργιλίου) σε σχέση με την πρωτογενή παραγωγή αργιλίου. Παρομοίως, αυτό συμβαίνει και με τις εκπομπές αερίων, όπως το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) και τα φθορίδια (fluorides), τα οποία είναι τοξικά αέρια, και το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που δεν είναι τοξικό. 23 Έχει υπολογιστεί ότι παράγονται και 100 kg επικίνδυνων αποβλήτων λιγότερα, ανά τόνο παραγόμενου αργιλίου. 24 2. Μικρότερο κόστος παραγωγής. Η παραγωγή δευτερογενούς αργιλίου απαιτεί λιγότερο εξειδικευμένες εγκαταστάσεις καθώς και πολύ μικρότερα ποσά ενέργειας (20 GJ αντί 113 GJ). 25 Συνεπώς, καταλήγουμε να έχουμε ένα κέρδος της τάξεως του 80-85% ανά τόνο. 3. Το προϊόν της δευτερογενούς παραγωγής είναι ποιοτικά πανομοιότυπο του προϊόντος της πρωτογενούς παραγωγής. 9

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 1.5. Το Αργίλιο στην ανθρώπινη καθημερινότητα Το αργίλιο είναι ένα μέταλλο, το οποίο βρίσκεται σε πολύ μεγάλη περιεκτικότητα στο έδαφος. Παρόλο που η εξόρυξή του είναι δαπανηρή έχει καταφέρει να εισέλθει σε ένα τεράστιο πλήθος εφαρμογών της καθημερινής μας ζωής, χάριν των ιδιοτήτων του. Πολλές από αυτές τις ιδιότητες ενισχύονται με προσθήκη διαφόρων μετάλλων. Τα κράματα που δημιουργήθηκαν ταξινομούνται βάσει των μετάλλων που προστέθηκαν και των ιδιοτήτων τους (Πίνακας 1.3). Σφυρήλατα κράματα: Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι κατηγορίες των σφυρήλατων κραμάτων, με το αντίστοιχο μέταλλο που περιέχουν και τις αντίστοιχες ιδιότητες. 10

Πίνακας 1.3. Κατηγορίες σφυρήλατων κραμάτων Ονομασία Πρόσθετα μέταλλα Ιδιότητες 1xxx Series 99% καθαρότητα σε Al Υψηλή θερμική αγωγιμότητα Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα Ανθεκτικότητα στη διάβρωση Όχι καλή μηχανική αντοχή 2xxx Series Co Μηχανική προστασία Ηλεκτρολυτική προστασία Υψηλή ανθεκτικότητα στη διάβρωση 3xxx Series Μn Υψηλή ανθεκτικότητα στη διάβρωση Υψηλή αντίσταση στη μορφοποίησή του 4xxx Series Si Μείωση του σημείου τήξης, χωρίς να αυξάνεται η ευθραυστότητα 5xxx Series Μg Θερμική αγωγιμότητα Ηλεκτρική αγωγιμότητα Ανθεκτικότητα στη διάβρωση Επιδέχεται οξυγονοκόλληση 6xxx Series Mg, Si Επιδέχεται μορφοποίηση Υψηλή ανθεκτικότητα στη διάβρωση Υψηλή μηχανική αντοχή 7xxx Series Zn Επιδέχεται επεξεργασία με θερμότητα Υψηλή αντοχή 8xxx Series Li Ελαστικότητα Υψηλή αντοχή Χυτοκράματα Τα κράματα αυτής της κατηγορίας περιέχουν περισσότερα μέταλλα από ότι η προηγούμενη κατηγορία. Για το λόγο αυτό, τα μέταλλα των χυτοκραμάτων δεν μπορούν να διαχωριστούν και κατ επέκταση να ανακυκλωθούν. Ταξινομούνται σε οκτώ κατηγορίες (1xxx) ανάλογα με τη περιεκτικότητα των μετάλλων. 11

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο Τα παραπάνω κράματα-προϊόντα αργιλίου βρίσκουν εφαρμογές σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: Α. Μέσα μαζικής μεταφοράς: τα κράματα αργιλίου αποτελούν την πρώτη ύλη για την κατασκευή εξαρτημάτων για αυτοκίνητα, φορτηγά, τρένα, αεροπλάνα, διαστημικά αεροσκάφη, σκάφη νερού, ακόμα και ποδήλατα. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται μέσα μαζικής μεταφοράς και εξαρτήματα αυτών, κατασκευασμένα από αργίλιο, και διάφορα κράματά τους (Σχήμα 1.7). α β γ δ ε Σχήμα 1.7. α. Πιστόνια β. Ζάντα αυτοκινήτου γ. Μηχανή αυτοκινήτου δ. Αεροσκάφος ε. Σκάφος νερού Β. Δομικά υλικά: Τα κράματα του αργιλίου βρίσκουν αρκετές εφαρμογές στο πεδίο των δομικών υλικών, όπως είναι τα κουφώματα, οι πόρτες και οι εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων (Σχήμα 1.8). Σχήμα 3.8. Στέγη κτιρίου φτιαγμένη από κράμα αργιλίου 12

Γ. Συσκευασία Η χρήση του αργιλίου στον τομέα της συσκευασίας περιλαμβάνει δύο μεγάλες κατηγορίες: α) τους άκαμπτους περιέκτες (Σχήμα 1.9), και β) τα προϊόντα σε μορφή φύλλων. 26 Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα αλουμινένια κουτιά ποτών, αναψυκτικών, φαγητού αλλά και εντομοκτόνων, τα οποία παρασκευάζονται με χρήση τριών κραμάτων του αργιλίου. 27 Το κύριο μέρος του δοχείου παρασκευάζεται από κράμα της κατηγορίας 3xxx (75% του συνολικού βάρους), ενώ το καπάκι και η ετικέτα από κράματα της κατηγορίας 5xxx (22% και 3%, αντίστοιχα) (βλ. Πίνακα 1.3). Τα παραπάνω δοχεία εισήχθησαν στην αμερικανική αγορά το 1959 και υπολογίζεται πλέον ότι κάθε άνθρωπος της Αμερικανικής ηπείρου χρησιμοποιεί 350 κουτιά αλουμινίου το χρόνο. Εν αντιθέσει με την εικόνα αυτή, ο Ευρωπαίος πολίτης καταναλώνει κατά μέσο όρο το 1/7 της αντίστοιχης χρήσης στις Η.Π.Α. 28 Στην Ιαπωνία, το αργίλιο, ενώ έχει κυριαρχήσει έναντι του σιδήρου, δέχεται μεγάλο ανταγωνισμό από τις γυάλινες και χάρτινες συσκευασίες. 29 Η αλματώδης άνοδος της χρήσης των αλουμινένιων δοχείων στηρίζεται στην εύκολη ανακύκλωσή τους καθώς συμβάλλει στην περιβαλλοντική προστασία και στην εξοικονόμηση τεράστιων ποσών ενέργειας. Σχήμα 1.9. Κουτιά ποτών από αλουμίνιο Η δεύτερη κατηγορία περιέχει όλα εκείνα τα προϊόντα που παρασκευάζονται από ρολό ή φύλλο αργιλίου, όπως οι δίσκοι φαγητού, οι περιέκτες φαγητού μιας χρήσης και το αλουμινόχαρτο. Συνήθως αυτοί οι περιέκτες κατασκευάζονται από κράματα των σειρών 1xxx και 8xxx σε ρολό (βλ. Πίνακα 1.3). 30 Θεωρητικά, θα έπρεπε η ανακύκλωση αυτών των προϊόντων να είναι μία εύκολη διαδικασία. Όμως, η χρήση χαρτιού και πλαστικού σε πολλά από αυτά τα προϊόντα καθιστά αναγκαία την απομάκρυνσή τους πριν την τήξη του μετάλλου. Για το λόγο αυτό, το κόστος ανακύκλωσης ανά μονάδα βάρους ανακτημένου μετάλλου είναι υψηλό. 13

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο Δ. Καθαρισμός νερού Ο καθαρισμός του νερού είναι μία ακόμα διεργασία στην οποία βρίσκει εφαρμογή το αργίλιο, με τη μορφή θειικού αργιλίου (Al 2 SO 4 ). Το θειικό αργίλιο χρησιμοποιείται τόσο για τον καθαρισμό τρεχούμενου νερού όσο και αστικών λυμάτων. Το κόστος του είναι χαμηλό, με αποτελεσματική δράση, καθώς δρα ως α) παράγοντας συσσωμάτωσης και κατακρήμνισης, και β) διαλυτικό γαλακτωμάτων. Η χρήση του θειικού αργιλίου έχει ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση της θολερότητας και του συνολικού οργανικού άνθρακα (TOC), που μπορεί να προέρχεται από υποπροϊόντα απολύμανσης, αιωρούμενα στερεά και κολλοειδή χρώματα. Επιπλέον, το αργίλιο μειώνει την τιμή του βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου (BOD) και κατ επέκταση το οργανικό φορτίο των λυμάτων. 31 1.6. Η επίδραση του Αργιλίου στον ανθρώπινο οργανισμό Το αργίλιο είναι ένα μέταλλο, το οποίο υπάρχει στη φύση σε μεγάλη αφθονία. Παρόλα αυτά, δεν εμφανίζει καμία βιολογική χρησιμότητα. Επιπλέον, αντιμετωπίζεται ως μη τοξικό μέταλλο, καθώς άλατα του αργιλίου (π.χ. Al 2 (SO 4 ) 3 ) παρουσιάζουν τιμή LD 50 6207 mg/kg σε πειραματόζωα (ποντίκια). Στην περίπτωση του ανθρώπου η τιμή LD 50 αγγίζει τα 500g/80 kg ανθρώπου. 32 Η αυξημένη τιμή LD 50 αιτιολογείται με το γεγονός ότι ιστοί, όπως ο γαστρεντερικός σωλήνας και οι πνεύμονες, συμβάλλουν στην απομάκρυνση του Al(III) από τον οργανισμό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση μόνο του 0.1-0.4% της δόσης του μετάλλου που προσλαμβάνεται κατά την κατάποση. 33 Το απορροφούμενο Al(III) δεν κατανέμεται σε όλους τους ιστούς με το ίδιο ποσοστό. Η κατακάθισή του στον εγκέφαλο λαμβάνει χώρα σε μικρότερο ποσοστό σε σχέση με τους υπόλοιπους ιστούς του ανθρώπινου οργανισμού. 34 Εντούτοις, η δραστικότητα του Al(III) δεν καθορίζεται τόσο από το συνολικό καθαρό βάρος του Al(III) και τη συγκέντρωσή του σε διάφορους ιστούς όσο από το είδος των κυττάρων-στόχων, διότι διάφορα είδη κυττάρων δείχνουν εξαιρετική ευαισθησία όταν αλληλεπιδρούν με αυτό. Η ευαισθησία που παρουσιάζουν κάποια κύτταρα στο αργίλιο, και κυρίως τα εγκεφαλικά, καθιστά το Al(III) τοξικό μεταλλοϊόν. 35 Η διερεύνηση της κατανομής του Al(III) εντός του εγκεφάλου, παρουσιάζει μεγάλη ανομοιομορφία, με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις του παρόντος αργιλίου να εμφανίζονται σε περιοχές, όπως η παρεγκεφαλίδα και ο ιππόκαμπος, όπου αναπτύσσονται τα παθολογικά νευροϊνιδώδη συμπλέγματα. 36 Η τοξική δράση του Al(III) και η 14

σύνδεσή της με νευροεκφυλιστικές νόσους είναι αναπόφευκτη. Ιστολογικές μελέτες εγκεφάλων ανθρώπων, που έπασχαν από τη νόσο Alzheimer (ΑD), ανίχνευσαν υψηλές συγκεντρώσεις Al(III). Η περιεκτικότητα του Al(ΙΙΙ) έχει υπολογιστεί στα 25 μm κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής γήρανσης του εγκεφάλου και στα 970 μm σε δείγματα εγκεφάλου με νόσο Alzheimer. 37 Τα δύο κύρια παθολογοανατομικά χαρακτηριστικά της νόσου Alzheimer περιλαμβάνουν τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα (NFTs: neurofibrillary tangles) και τις ανοιακές πλάκες (SP: senile plaques). Πρόκειται για δομές που συγκεντρώνουν τις μεγαλύτερες ποσότητες αργιλίου. 38 Τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα είναι ενδοκυτταρικά συσσωματώματα του Al(III) με την υπερφωσφορυλιωμένη μορφή της πρωτεΐνης τ (ταυ), ενώ οι ανοιακές πλάκες είναι εξωκυττάριες ιζηματικές δομές, οι οποίες σχηματίζονται μεταξύ άλλων και από την αλληλεπίδραση του Al(III) με το β-αμυλοειδές πεπτίδιο (Αβ). Επομένως, η δράση του Al(III) στα νευρωνικά κύτταρα συντελεί στην απόπτωση αυτών και στην καταστροφή των συνάψεων του νευρικού δικτύου, φανερώνοντας την ανάπτυξη νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως η νόσος Alzheimer. Τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα εμφανίζονται επίσης στη νόσο Parkinson και στη σκλήρυνση κατά πλάκας. Οι δύο αυτές νόσοι εμφανίζουν πανομοιότυπα αποτελέσματα τόσο από ιστολογικής όσο και από βιοχημικής άποψης, συγκριτικά με τα συμπλέγματα της AD. 39 Οι ανοιακές πλάκες εμφανίζονται μόνο στην παθολογία της νόσου AD. 40 Επιστημονικές μελέτες έχουν αναδείξει και την ανάμειξη του Al(III) σε γονιδιακούς μηχανισμούς έκφρασης, με πολύ αρνητικά αποτελέσματα για τον οργανισμό. Η παρουσία του αργιλίου μπορεί να προκαλέσει μείωση στο βαθμό μεταγραφής του DNA διαμέσω της συμπύκνωσης της χρωματίνης. Επιπλέον, το αργίλιο μπορεί να παρέμβει και στους μηχανισμούς επιδιόρθωσης του DNA, προκαλώντας αδυναμία απόσβεσης των λαθών και δυσλειτουργία στη σύνθεση φυσιολογικού DNA. 41 Επιπροσθέτως, το αργίλιο αναστέλλει και τη λειτουργία της RNA πολυμεράσης ΙΙ όταν η συγκέντρωση του (nm) γίνεται ίση με αυτή που ανιχνεύτηκε σε ασθενείς της νόσου AD. Το Al(ΙΙΙ) λαμβάνει χώρα σε ακόμα περισσότερους μηχανισμούς, προκαλώντας τη δυσλειτουργία του οργανισμού, καθώς: Αναστέλλει τη λειτουργία του αιματοεγκεφαλικού φραγμού επηρεάζοντας την ολική διαπερατότητά του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αποσταθεροποίηση των κυτταροπλασματικών μεμβρανών, διαταράσσοντας έτσι την ομοιόσταση των κυττάρων. Οι 15

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο επιπτώσεις αυτές καθιστούν τον οργανισμό ανήμπορο να εμποδίσει την είσοδο του αργιλίου στον εγκέφαλο. 42 Ανταγωνίζεται τη θέση του ασβεστίου στα οστά παρεμποδίζοντας ταυτόχρονα τόσο την εισροή όσο και τη διατήρηση του ασβεστίου σε αυτά. Η διατήρηση του αργιλίου στα οστά μπορεί να προκαλέσει οστεομαλάκυνση και δραστικά τραύματα στους ασθενείς που βρίσκονται σε μακροχρόνια αιμοκάθαρση (dialysis). Πειραματικές μελέτες κατέληξαν ότι τα οστικά κύτταρα επηρεάζονται από την παρουσία του αργιλίου και συμβάλλουν στην ελάττωση της ασβεστοποίησης του οστικού ιστού. Επιπλέον, το αργίλιο ενισχύει την απομάκρυνση του ασβεστίου από τα οστά μέσω ενός ανεξάρτητου κυτταρικού μηχανισμού. 43 Ανταγωνίζεται αποτελεσματικά το Mg(II), αναστέλλοντας ενζυματικές δραστηριότητες που εξαρτώνται από Mg(II) και παρεμβαίνοντας στη χρησιμοποίηση του ATP από το κύτταρο. Επίσης, πιστεύεται ότι διαταράσσει την ομοιόσταση του σιδήρου με αποτέλεσμα τη μηφυσιολογική παραγωγή των ερυθρών αιμοσφαιρίων. 44 Αντικαθιστά τον ψευδάργυρο στην περιοχή δέσμευσής του και μπορεί να επιφέρει αντίστοιχα αποτελέσματα στην έκφραση γονιδίων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία των υποδοχέων των οιστρογόνων, οδηγώντας σε πολύ πιθανή εμφάνιση καρκίνου του μαστού. 45,46 Για λόγο αυτό, το αργίλιο (όπως και το Cd) κατατάσσεται στην κατηγορία των μέταλλο-οιστρογόνων. Η υψηλή περιεκτικότητα (25% w/v) 47 αλάτων Al(III) σε προϊόντα κοσμητικής (π.χ. αποσμητικά) προκαλεί ανησυχία, γιατί αυξάνει τις πιθανότητες εμφάνισης καρκίνου του μαστού. 48 Σύμφωνα με τα προαναφερθέντα, η εισχώρηση του αργιλίου στον ανθρώπινο οργανισμό χρήζει ιδιαίτερης προσοχής, καθόσον αυτή επιτυγχάνεται διαμέσω του φαγητού, του νερού και της αναπνοής. Το αργίλιο που προσλαμβάνεται μέσω του φαγητού απορροφάται ευκολότερα από ότι στην περίπτωση του νερού. 49 Επιπροσθέτως, θα πρέπει να γίνεται προσεκτική χρήση των καλλυντικών και κυρίως των αποσμητικών από το γυναικείο πληθυσμό, λόγω κινδύνου πρόκλησης καρκίνου του μαστού. Η περιορισμένη χρήση αποσμητικών και αντιόξινων φαρμάκων και η χρησιμοποίηση σκευών αργιλίου δεν έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί στις παραπάνω τοξικές επιδράσεις του μετάλλου. 16

1.7. Η επίδραση του Αργιλίου στους φυτικούς οργανισμούς Τα εδάφη περιέχουν αργίλιο σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις, υπό τη μορφή αδιάλυτων ενώσεων πυριτίου και οξειδίων. 50 Η διαρκής οξύνιση του περιβάλλοντος, η οποία προκαλείται κυρίως από την έντονη και συνεχή καλλιέργεια της γης, καθώς και από τη ρύπανση του περιβάλλοντος (ρυπογόνα απόβλητα και όξινη βροχή), μετατρέπει τις αδιάλυτες ενώσεις του αργιλίου σε διαλυτές. 51 Εκτιμάται ότι τα όξινα εδάφη υπολογίζονται να αποτελούν το 40% της συνολικής καλλιεργήσιμης έκτασης του πλανήτη και το 43% όλων των τροπικών περιοχών. 52 Όσο εντείνεται η οξύνιση του περιβάλλοντος, τόσο μεγαλύτερες ποσότητες κατιόντων αργιλίου (Al(ΙΙΙ)) απελευθερώνονται στο έδαφος και εισβάλλουν στον φυτικό οργανισμό. Η ευαισθησία των φυτών στο αργίλιο, το καθιστά ως ένα φυτοτοξικό μεταλλοϊόν, ακόμα και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Το αργίλιο αποτελεί έναν πολύ σημαντικό περιοριστικό παράγοντα όσον αφορά την παραγωγικότητα των φυτών. 53 Τα όξινα εδάφη δημιουργούν έντονο πρόβλημα στις καλλιέργειες αραβόσιτου, σόργου και ρυζιού. Οι περισσότερες από τις ποικιλίες των παραπάνω ειδών είναι ευαίσθητες στη δραστικότητα του Al(ΙΙΙ), καθώς μειώνεται η απόδοση της καλλιέργειας κατά 80%. 54 Η δραστικότητα των ιόντων Al(ΙΙΙ) αποτελεί τοξικό παράγοντα για τα φυτά. Δείγματα από ρίζες και βλαστούς φυτών παρουσίασαν ποικίλα συμπτώματα παρουσία αργιλίου, τα οποία οφειλόταν σε ανεπάρκεια θρεπτικών ουσιών. Η τοξικότητα του μεταλλοϊόντος εμποδίζει την ανάπτυξη και τη σωστή λειτουργία των ριζών, 55,56 μετά από προσβολή των κορυφών 57 και των τριχιδίων των ριζών, καθόσον το μεταλλοϊόν διεισδύει και συγκεντρώνεται κατά μήκος του άξονα της ρίζας. 58 Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να δυσχεραίνει την πρόσληψη θρεπτικών ιχνοστοιχείων από το έδαφος (P, K, Ca, Mg, Zn, and Fe). 59 Μελέτες επίδρασης του αργιλίου στα φυτά ανέδειξαν είδη που εμφάνισαν υψηλή ανθεκτικότητα στο τοξικό μεταλλοϊόν. Συγκεκριμένα, διάφορες ποικιλίες σιταριού έχουν παρουσιάσει ποικίλες καταστάσεις ανθεκτικότητας στο αργίλιο. Κάποια είδη περιέχουν γονίδια, όπως το Alt1, τα οποία προσδίδουν υψηλή ανθεκτικότητα στο φυτό. 60 Έχει βρεθεί ότι διάφοροι γενότυποι σιταριού έχουν τη δυνατότητα να αποβάλλουν το αργίλιο από τις κορυφές των ριζών τους, με αποτέλεσμα να συγκεντρώνεται κατά οκτώ φορές λιγότερο αργίλιο απ ότι στους μη ανθεκτικούς γενότυπους. 61 Βάσει των παραπάνω, τα ανθεκτικά στο αργίλιο είδη διαθέτουν μηχανισμούς σύμφωνα με τους οποίους εκκρίνουν υποκαταστάτες, οι οποίοι δεσμεύουν τα ιόντα Al(ΙΙΙ) και τα απομακρύνουν από το εσωτερικό των φυτικών κυττάρων. 62 Τα οργανικά οξέα 17

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο αποτελούν κύριο εκπρόσωπο αυτών των υποκαταστατών. Το κιτρικό οξύ στα φρέσκα φασολάκια (snapbeans) 63 και το μαλικό οξύ στο σιτάρι 64 αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα οργανικών οξέων που συμβάλλουν στην αποτοξίνωση των φυτικών οργανισμών από το αργίλιο. 18

1.8. Βιβλιογραφία 1. N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2nd Edition, Butterworth- Heinemann, 1997, p. 217. 2. I.J. Polmear, Light Alloys: Metallurgy of the Light Metals, Arnold, 1995, p. 70-72. 3. High Conductivity Coppers For Electrical Engineering CDA Publication 122, 1998, p 18. 4. H.A. Macleod, Thin-film optical filters, CRC Press, 2001, p. 158 159. 5. K. Makide1, K. Nagashima, A.N. Krot, G.R. Huss, F.J. Ciesla, E. Hellebrand, E. Gaidos, L. Yang, Astr. J. Letter, 31 (2011) 733-737. 6. S. Wolf, H. Hoberg, Recycling of aluminium and its effect on sustainable development, 3rd ASM Int. Conf. Recycl. Metals, ASM International, Brussels, Belgium, 1997, p. 257. 7. http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/aluminum/aluminum.html. 8. J. Emsley, "Aluminium" Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, 2001, p. 24. 9. C. Schmitz, J. Domagala, P. Haag, Handbook of aluminium recycling: fundamentals, mechanical preparation, metallurgical processing, plant design, Vulkan-Verlag GmbH, 2006, p. 27. 10. British Geological Survey (2009). World Mineral Production 2003 2007. 11. Handbook of Aluminum Volume 1 Physical Metallurgy and Processes, George E.Totten and D. Scott MacKenzie, 2003. 12. M.E. Schlesinger, Aluminum Recycling, CRC Press Taylor & Francis Group, U.S. 2007. 13. A. Filleti, F. Correa, M. Mendes, Recycling of aluminum used beverage cans in Brazil, 3rd ASM Int. Conf. Recycl. Met., ASM International Europe, Brussels, Belgium, 1997, p. 269. 14. H. Ness, The automobile scrap processing industry in Impact of Materials Substitution on the Recyclability of Automobiles, ASME, New York, 1984, p. 39. 15. W.L Dalmijn, Practical applications of eddy current separators in the scrap recycling, 2nd Int. Symp. Recycl. Met. Eng. Mater., van J.H.L Linden, D.L Stewart, Y. Sahai, Eds., TMS AIME, Warrendale, PA, 1990, p. 303. 16. B. McAvoy, J. McNeishand, W. Stevens, The Alcan decoater process for UBC decoating, 2nd Int. Symp. Recycl. Met. Eng. Mater., van J.H.L Linden, D.L. Stewart, Y. Sahai, Eds., TMS AIME, Warrendale, PA, 1990, p. 203. 19

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 17. W. Bateman, G. Guest, R. Evans, Decoating of aluminum products and the environment, in Light Metals TMS AIME, Warrendale, PA, 1999, p. 1099. 18. F. Ambrose, R.D. Brown, D. Montagna, H.V. Makar, Conserv. Recycl., 6 (1983) 63-69. 19. A.A. Nijkerk, W.L. Dalmijn, Handbook of Recycling Techniques, Nijkerk Consultancy, Hague, Netherlands, 1998. 20. B. Taylor, Recycl. Today, 41 (2003). 21. A. Zöllner, Processing aluminium scrap profitably, MBM, 2003. 22. W. Pietsch, Briquetting of aluminum swarf for recycling, TMS AIME, Warrendale, PA, 1993, p. 1045 23. K.J. Martchek, Life cycle benefits challenges and the potential of recycled aluminum, Proc. Air & Waste Manage. Assoc. 90th Ann. Meet. Exhib., 1997. 24. L.B. Lave, J. Env. Eng., 125 (1999) 944. 25. G. Rombach, Integrated assessment of primary and secondary aluminium production, Material for the Future: Aluminium Products and Processes, DMG Business Media, UK, 1998. 26. D.G. Altenpohl, Aluminum: Technology, Applications, and Environment, 6th Edition., TMS AIME, Warrendale, PA, 1998, p. 61. 27. R.E. Sanders, A.B. Trageser, C.S. Rollings, Recycling of lightweight aluminum containers: present and future perspectives, 2nd Int. Symp. Recycl. Met. Eng. Mater., van J.H.L. Linden, D.L. Stewart, Y. Sahai, Eds., TMS AIME, Warrendale, PA, 1990, p. 187. 28. D. Flaa, The outlook for the European aluminium industry in the 90 s, 2nd Int. Secondary Alum. Conf., OEA, Düsseldorf, Germany, 1992. 29. T. Itou, Recycling of used aluminum beverage cans in Japan, 3rd Int. Symp. Recycl. Met. Eng. Mater., P.B. Queneau, R.D. Peterson, Eds., TMS AIME, Warrendale, PA, 1995, p. 703. 30. A. Gesing, R. Wolanski, JOM, 53 (2001) 21. 31. http://www.generalchemical.com/aluminum-sulfate.html. 32. O. Helmboldt, L.K. Hudson, C. Misra, K. Wefers, W. Heck, H. Stark, M. Danner, N. Rösch, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Aluminum Compounds Inorganic, Wiley- VCH, Weinheim, 2007. 20

33. T. Morie, M. Iwamoto, N. Harada, S. Masumoto, M. Yamada, Y. Kusunose, Arch. Geront. Geriatrics, 22 (1996) 287-295. 34. C. Steinhausen, G. Kislinger, C. Winklhofer, E. Beck, C. Hohl, E. Nolte, H.T. Ittel, M.J.L. Alvarez-Brückmann, Food and Chemical Toxicology, 42 (2004) 363-371. 35. A. Ruud, B. Gijsbert, E. Marani, M. Jan-Peter, A. Frederik, J. Neurol. Sciences, 93 (1989) 157-166. 36. S.F.M. Belen, A.B. Soldado, S. Medel, J.A.V. Alfredo, A. Novelli, M.T. Fernández- Sánchez, Brain Research, 835 (1999) 125-136. 37. K.C. Jones, B.G. Bennett, Science Tot. Env. 52 (1986) 65-82. 38. E.T. Jansson, J. Alzheimer s Dis. 3 (2001) 541 549. 39. H. Braak, R.A.I. de Vos, E.N.H. Jansen, H. Bratzke, E. Braak, Progress in Brain Research, 117 (1998) 267-285. 40. T.A. Bayer, P. Jäkälä, T. Hartmann, L. Havas, C. McLean, J.G. Culvenor, Q.X. Li, C.L. Masters, P. Falkai, K. Beyreuther, Neuroscience Letters, 266 (1999) 213-216. 41. A. Lankoff, A. Banasik, A. Duma, E. Ochniak, H. Lisowska, T. Kuszewski, S. Góźdź, A. Wojcik, Toxicology Letters, 161 (2006) 27-36. 42. W.A. Banks, A.J. Kastin, Neurosci. Biobehav. Rev. 13 (1989) 47 53. 43. W.G. Goodman, J. O'Connor, Kidney International, 39 (1991) 602 607. 44. T. Kiss, P. Zatta, B. Corain, Coord. Chem. Rev. 149 (1996) 329-346. 45. P.D. Darbre, J. Inorg. Biochem. 99 (2005) 1912-1919. 46. P.D. Darbre, J. Appl. Toxicology, 26 (2006) 191 197. 47. K. Laden, C.B. Felger, Antiperspirants and deodorants (cosmetic science and technology series), Volume 7, Marcel Dekker, 1988. 48. C. Exley, L.M. Charles, L. Barr, C. Martin, A. Polwart, P.D. Darbre, J. Inorg. Biochem. 101 (2007) 1344 1346. 49. R.A. Yokel, C.L. Hicks, R.L. Florence, Food and chemical toxicology, 46 (2008) 2261 2266. 50. C.D. Foy, R.L. Chaney, M.C. White, Ann. Rev. Plant Physiol. 29 (1978) 511-566. 51. L.V. Kochian, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 46 (2005) 237-260. 21

Κεφάλαιο 1: Το Αργίλιο 52. H. Eswaran, P. Reich, F. Beinroth, Global distribution of soils with acidity in Plant-Soil Interactions at Low p H, A.C. Moniz, 1997, p. 159-164. 53. T.B. Kinraide, Plant Soil, 134 (1991) 167-178. 54. M. Saigusa,, S. Shoji, T. Takahashi, Soil Sci. 130 (1980) 241-250. 55. M. Llugany, C. Poschenrieder, I. Barcel, Physiol. Plant, 93 (1995) 265-271. 56. Z. Rengel, New Phytol. 13 (1996) 389-406. 57. P.R. Ryan, J.M. Di Tomaso, L.V. Kochian, J. Exp. Bot. 44 (1993) 437-446. 58. J.M. De la Fuente, V. Ramirez-Rodiguez, J.L. Cabrera-Ponce, L. Herrera-Estrella, Science, 276 (1997) 1566-1568. 59. V.C. Baligar, R.E. Schaffert, H.L. Dos Santos, G.V.E. Pitta, A.F. Bahia Filho, Plant Soil, 150 (1993) 271-277. 60. W.A. Berzonsky, Genome, 35 (1992) 689-693. 61. M. Rincón, R.A. Gonzales, Plant. Physiol. 99 (1992) 1021-1028. 62. G.J. Taylor, Curr. Top. Plant Biochem. Physiol. 10 (1991) 57-93. 63. S.C. Miyasaka, J.G. Buta, R.K. Howell, C.D. Foy, Plant Physiol. 96 (1991) 737-743. 64. E. Delhaize, P.R. Ryan, P.J. Randall, Plant Physiol. 103 (1993) 695-702. 22

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία για τον Χαλκό Ο χαλκός είναι από τα πρώτα μέταλλα, τα οποία έχουν κάνει την εμφάνισή τους στους ανθρώπινους πολιτισμούς ανά τους αιώνες. Πήρε το όνομά του από την περιοχή εξόρυξής του που είναι η Κύπρος (Κύπρος Cyprus cyprium cuprum copper), κατά τη ρωμαϊκή περίοδο. Μάλιστα, τη χρονική περίοδο περίπου 2600 π.χ. 1100 π.χ. η χρήση του χαλκού στον Ελλαδικό χώρο ήταν τόσο εκτεταμένη που ονομάστηκε «Εποχή του Χαλκού». Με την πάροδο χρόνων, ο άνθρωπος άρχισε να χρησιμοποιεί το χαλκό ολοένα και περισσότερο και να εκμεταλλεύεται τις ιδιότητές του, οι οποίες πλέον συμβάλλουν στην τεχνολογική ανάπτυξη με τη δημιουργία νέων υλικών. Επιπλέον, έχει βρεθεί ότι λαμβάνει χώρα σε διάφορες βιολογικές διεργασίες είτε με επιθυμητά είτε με ανεπιθύμητα αποτελέσματα. Η φύση και οι ιδιότητες του μετάλλου δημιουργούν έντονο ενδιαφέρον για να μελετηθούν οι αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσει το συγκεκριμένο μέταλλο σε αβιοτικό και έμβιο περιβάλλον. 2.2. Φυσικοχημικές ιδιότητες του Χαλκού Ο χαλκός (copper) συμβολίζεται ως Cu και είναι ένα χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 29 (Σχήμα 2.1). Βρίσκεται στην 4 η περίοδο και στην 11 η ομάδα του Περιοδικού Πίνακα, δηλαδή ανήκει στον τομέα d και στα στοιχεία μετάπτωσης. H ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του χαλκού είναι [Ne] 3d 10 4s 1. Ο χαλκός έχει χαρακτηριστικό πορτοκαλί χρώμα (Σχήμα 2.2) και είναι ένα από τα τρία μέταλλα (Os και Au) που δεν έχουν γκρι ή ασημί χρώμα, όπως έχουν όλα τα υπόλοιπα μέταλλα. Το χρώμα οφείλεται στη μετάπτωση διεγερμένου ηλεκτρονίου από την 4s στην 3d υποστοιβάδα. 1 Ο χαλκός είναι ένα μέταλλο με υψηλή ολκιμότητα, η οποία οφείλεται στους ασθενείς μεταλλικούς δεσμούς και χαρακτηρίζεται με 3.0 βαθμούς της κλίμακας Mohs. Επίσης, χαρακτηρίζεται από υψηλή ηλεκτρική (5.96 10 7 S/m) και θερμική αγωγιμότητα, γεγονός που επιβεβαιώνεται από τη θεωρία μοριακών τροχιακών για τα μέταλλα (θεωρία ταινιών). Αποτελεί μέταλλο με τη δεύτερη κατά σειρά υψηλότερη τιμή αγωγιμότητας μετά τον άργυρο (Ag). 2 23

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός 29 Cu Χαλκός Copper 63.546 Σχήμα 2.1. Περιοδικός Πίνακας των χημικών στοιχείων. Σχήμα 2.2. Απεικόνιση Χαλκού Επιπλέον, ο χαλκός εμφανίζει υψηλή ανθεκτικότητα στην υγρασία και δεν αντιδρά με το νερό. Όμως, δεν ισχύει το ίδιο και για το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, το οποίο αντιδρά με το μέταλλο με αργό ρυθμό σχηματίζοντας ένα καστανό-μαύρο στρώμα οξειδίου του χαλκού (Σχήμα 2.3.Α). Σε αντίθεση με τη περίπτωση του σιδήρου, το στρώμα οξειδίων του χαλκού δρα ως προστασία και παρεμποδίζει την περαιτέρω διάβρωση του μετάλλου. Σε άλλες περιπτώσεις, σχηματίζεται ένα πράσινο στρώμα που οφείλεται στη δημιουργία του ανθρακικού χαλκού (CuCO 3 ). Αυτό παρατηρείται κυρίως σε κτιριακές κατασκευές (Σχήμα 2.3.Β). 24

A B Σχήμα 2.3.Α. Επιφανειακή οξείδωση του χαλκού, Β. Σχηματισμός CuCO 3 Οι κυριότερες οξειδωτικές καταστάσεις που βρίσκεται ο χαλκός όταν σχηματίζει ενώσεις είναι η +1 και η+2. Επίσης, έχει πολλά ισότοπα (29), εκ των οποίων τα ισότοπα 63 Cu και 65 Cu είναι τα πιο σταθερά. Όλα τα υπόλοιπα ισότοπα θεωρούνται ραδιενεργά. Το σταθερότερο ισότοπο είναι το 67 Cu με χρόνο ημιζωής t 1/2 = 61.83 h. 3 Τέλος, οι φυσικές ιδιότητες του χαλκού φαίνονται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1. Φυσικές ιδιότητες χαλκού. Χαλκός Σύμβολο Cu Ατομικός αριθμός 29 Κατανομή ηλεκτρονίων [Νe] 3d 10 4s 1 Ατομική ακτίνα Ιοντική ακτίνα Ατομική μάζα 1.28 Å 1.32 Å 63.55 g/mol Πυκνότητα (στους 25 ο C) 8.94 g. cm -3 Υγρή Πυκνότητα (στο σ.τ.) 8.02 g. cm -3 Σημείο τήξεως Σημείο ζέσεως Θερμοχωρητικότητα Θερμότητα τήξης Θερμότητα εξάτμισης 1084 ο C 2562 ο C 1 24.440 J mol 1 K 13.26 kj mol 1 300.4 kj mol 1 25

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός 2.3. Διαδικασία απομόνωσης του Χαλκού Ο χαλκός που συναντάται στη φύση και συγκεκριμένα στο υπέδαφος, βρίσκεται είτε στη φυσική του μορφή είτε ως μέρος κάποιων ορυκτών, όπως ο χαλκοπυρίτης (CuFeS 2 ) και χαλκοσίτης (Cu 2 S), όπου ο χαλκός βρίσκεται με τη μορφή σουλφιδίων του μετάλλου, και ο αζουρίτης (Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 ) και μαλαχίτης (Cu 2 (OH) 2 CO 3 ) όπου βρίσκεται με τη μορφή ανθρακικών αλάτων. Ο αζουρίτης και ο μαλαχίτης θεωρούνται ημιπολύτιμοι λίθοι. Επίσης, συναντάται και στον κυπρίτη ως οξείδιο του χαλκού (Cu 2 O). Η εξόρυξη του χαλκού γίνεται σε υπαίθρια ορυχεία και η κύρια μορφή εξόρυξής του είναι τα σουλφίδια. Οι χώρες που έχουν τέτοιου είδους ορυχεία και φημίζονται για την εξόρυξη του χαλκού είναι η Χιλή, οι Η.Π.Α., η Ινδονησία, το Περού, η Κίνα και το Μεξικό. Συγκεκριμένα, η Χιλή είναι η μεγαλύτερη παραγωγός χαλκού, καθώς «κατέχει» το 30% της παγκόσμιας εξαγωγής του μετάλλου. Η απομόνωση του χαλκού από τα παραπάνω ορυκτά ακολουθεί κάποια στάδια τα οποία διέπονται από φυσικοχημικές και ηλεκτροχημικές διεργασίες. Σημαντικό ρόλο στην απομόνωση του μετάλλου παίζει το είδος του ορυκτού και η μορφή του χαλκού μέσα σε αυτό. Τα στάδια της απομόνωσης είναι τα παρακάτω: 1. Προετοιμασία του ορυκτού Τα ορυκτά περιέχουν καθαρό χαλκό 0.6% και μαζί με τα υπόλοιπα αξιοποιήσιμα ορυκτά φτάνει στο 2%. Η υπόλοιπη μάζα αποτελείται από ορυκτά, τα οποία δεν έχουν αξία. Έτσι, η απομάκρυνση της περιττής και η απομόνωση της αξιοποιήσιμης μάζας είναι υψίστης σημασίας (κυρίως ενεργειακής και οικονομικής). Αυτό επιτυγχάνεται με τη διαδικασία του κατακερματισμού (comminution). Στη συνέχεια. απομονώνονται τα ορυκτά που περιέχουν χαλκό και διαχωρίζονται σε ορυκτά που περιέχουν σουλφίδια χαλκού και σε ορυκτά που περιέχουν οξείδια χαλκού. 2. Διαχωρισμός του χαλκού από τις υπόλοιπες ενώσεις (concentration): Τα ορυκτά που περιέχουν μεγάλες ποσότητες χαλκού (4%), όπως ο χαλκοπυρίτης (CuFeS 2 ), ακολουθούν τη διαδικασία της τήξης του μετάλλου (smelting process). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, απομονώνεται το επιθυμητό ορυκτό με τη διαδικασία Froth-Floatation (επίπλευση αφρού). Το θρυμματισμένο ορυκτό εισάγεται σε μεγάλη ποσότητα νερού που περιέχει μικρή ποσότητα πευκόλαδο και διοχετεύεται αέρας με έντονη πίεση. Τα λιπόφιλα σωματίδια προσκολλώνται στα επιθυμητά θραύσματα και τα παρασύρουν στην επιφάνεια, 26

δημιουργώντας ένα στρώμα αφρού. Το υπόλοιπο άχρηστο υλικό βυθίζεται στον πυθμένα. Τα ορυκτά που έχουν μικρή περιεκτικότητα σε χαλκό ακολουθούν την υδρο-μεταλλουργική μέθοδο (hydro metallurgical process). 3. Θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες (roasting): Η ποσότητα του ορυκτού (υψηλής συγκέντρωσης) που απομονώνεται από τις παραπάνω διαδικασίες εισάγεται σε κλίβανο, παρουσία αέρα. Η ποσότητα του θείου που περιέχεται στο ορυκτό οξειδώνεται σε SO 2. Το αρσενικό και το αντιμόνιο απομακρύνονται με τη μορφή των οξειδίων τους, τα οποία είναι πτητικά. Οι παραπάνω διαδικασίες γίνονται σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις: 2CuFeS 2 + O 2 Cu 2 S + 2FeS + SO 2 S + O 2 SO 2 4As + 3O 2 As 2 O 3 4Sb + 3O 2 2Sb 2 O 3 Οι σουλφιδικές ενώσεις του Cu και του Fe οξειδώνονται με τη σειρά τους στα οξείδια τους σύμφωνα με τις αντιδράσεις: 2Cu 2 S + 3O 2 2Cu 2 O + 2SO 2 2FeS + 3O 2 2FeO + 2SO 2 4. Τήξη του μετάλλου: Το μίγμα οξειδίων που προκύπτει αναμιγνύεται με ημίκαυστο άνθρακα (κωκ) και άμμο (SiO 2 ). Το τελικό μίγμα εισάγεται σε υψικάμινο, όπου καυτός αέρας μετατρέπει τα οξείδια του σιδήρου (FeO) σε πυριτικό άλας του σιδήρου (FeSiO 3 ). Το πυριτικό άλας διαχωρίζεται από τη μάζα του χαλκού καθώς επιπλέει πάνω από αυτήν και αποτελεί ανεπιθύμητο προϊόν, το οποίο απομακρύνεται. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην υψικάμινο είναι οι εξής: FeO + SiO2 FeSiO 3 Cu 2 O + FeS Cu 2 S + FeO 5. Απομάκρυνση του θείου και του οξυγόνου από το χαλκό: Ο χαλκός, ως καθαρό μέταλλο, απομονώνεται με τη μέθοδο του Bessemer χρησιμοποιώντας τον αντιδραστήρα που σχεδίασε ο ίδιος. Συγκεκριμένα, το τήγμα των ενώσεων του χαλκού εισάγεται στον αντιδραστήρα. Εισάγεται αέρας με αρκετή πίεση, ο οποίος μετατρέπει μερικώς το Cu 2 S σε Cu 2 Ο. Με τη σειρά του το Cu 2 Ο που παράγεται, αντιδρά με το 27

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός εναπομείναν Cu 2 S για να δώσει τελικά, καθαρό χαλκό. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα μέσω των αντιδράσεων: 2Cu 2 S + 3O 2 2Cu 2 O + 2SO 2 2Cu 2 O + Cu 2 S 6Cu + SO 2 Ο χαλκός που λαμβάνεται ονομάζεται blister copper (χαλκός με φυσαλίδες). Η ονομασία του προέρχεται από το εγκλωβισμένο αέριο SO 2, το οποίο όταν απομακρύνεται από το τήγμα του χαλκού δημιουργεί φυσαλίδες στην επιφάνειά του. Το συγκεκριμένο προϊόν είναι 99% καθαρό. Το 1% είναι «ακαθαρσίες», οι οποίες περιέχουν κατά κύριο λόγο σίδηρο και μικρές ποσότητες πολλών άλλων μετάλλων (As, Zn, Pb, Ag και Au). Αν και το ποσοστό είναι αρκετά μικρό, είναι ικανό να μεταβάλλει τις ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες του τήγματος χαλκού και για το λόγο αυτό θα πρέπει να απομακρυνθούν. 6. Εξευγενισμός του χαλκού Η πλήρης εκκαθάριση του χαλκού γίνεται με τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Ως άνοδος χρησιμοποιείται ο χαλκός που απομονώθηκε (99% καθαρότητας) σε μορφή πλακών και ως κάθοδος χρησιμοποιούνται λεπτά φύλλα καθαρού χαλκού (100%). Τα φύλλα της καθόδου φέρουν επίστρωση από γραφίτη ώστε να είναι εφικτή η απομάκρυνση του εναποτιθέμενου χαλκού. Ο ηλεκτρολύτης είναι θειικός χαλκός (CuSO 4 ), στον οποίο έχει προστεθεί μικρή ποσότητα θειικού οξέος (H 2 SO 4 ) για να αυξηθεί η ηλεκτρική του αγωγιμότητα. Η ιδανική διαφορά δυναμικού για τη συγκεκριμένη διαδικασία είναι 1.3 V. Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης, καθαρός χαλκός εναποτίθεται στα ηλεκτρόδια της καθόδου και οι ακαθαρσίες καθιζάνουν στον πυθμένα του κελιού. Ο χαλκός που παραλαμβάνεται είναι 100% καθαρός και οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης είναι οι εξής: Cu Cu +2 + 2e- (άνοδος) Cu +2 +2e- Cu (κάθοδος) 2.4. Ανακύκλωση απορριμμάτων από Χαλκό Ο χαλκός χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο περίπου 10.000 χρόνια. Παρόλα αυτά, η βιομηχανική και η τεχνολογική ανάπτυξη οδήγησε σε υπερβολική χρήση του μετάλλου, καθώς κοστολογείται ότι τον περασμένο αιώνα χρησιμοποιήθηκε το 95% του συνολικού χαλκού που έχει εξορυχθεί στο πέρασμα των αιώνων. Επιπλέον, το 80% του χαλκού που έχει εξορυχθεί χρησιμοποιείται ακόμη, με αποτέλεσμα ο παγκόσμιος μέσος όρος της κατά κεφαλή χρήσης του 28

χαλκού να αγγίζει τα 35-55 kg ετησίως. Συγκεκριμένα, στις ανεπτυγμένες χώρες, ο κατά κεφαλή μέσος όρος είναι 140 300 kg, ενώ στις μη ανεπτυγμένες είναι 30 40 kg. Υπολογισμοί έχουν δείξει ότι τα αποθέματα αρκούν μόνο για τα επόμενα 60 χρόνια. Η συνεχής και αυξημένη κατανάλωση χαλκού καθιστούν αναγκαία τη διαδικασία της ανακύκλωσης. Ο χαλκός είναι ένα 100% ανακυκλώσιμο μέταλλο (όπως το αργίλιο), χωρίς να αλλοιώνεται η ποιότητά του είτε βρίσκεται στη φυσική του κατάσταση είτε βρίσκεται σε κάποιο προϊόν. Είναι το τρίτο κατά σειρά ανακυκλώσιμο μέταλλο μετά από το σίδηρο και το αργίλιο. Η ανακύκλωση του χαλκού ακολουθεί ακριβώς την ίδια διαδικασία που ακολουθεί και η απομόνωσή του, εξαιρώντας τα βήματα της εξόρυξης των ορυκτών. 2.5. Ο Χαλκός στην ανθρώπινη καθημερινότητα Ο χαλκός ανήκει σε εκείνη την κατηγορία μετάλλων που βρίσκουν πάρα πολλές εφαρμογές στην καθημερινή ζωή. Πολλά προϊόντα περιέχουν χαλκό στην καθαρή του μορφή εκμεταλλευόμενα τις ιδιότητές του. Σε περίπτωση που απαιτούνται ιδιότητες που δεν έχει ο χαλκός, χρησιμοποιούνται κράματα του χαλκού με μέταλλα που προσδίδουν τις επιπλέον επιθυμητές ιδιότητες. Οι εφαρμογές που απαιτούν τη χρήση του χαλκού είναι οι εξής: Ηλεκτρονικές συσκευές και παρεμφερή προϊόντα Η κύρια εφαρμογή του χαλκού είναι στον τομέα της ηλεκτρονικής. Αντιπροσωπευτικό προϊόν αυτής της εφαρμογής είναι τα χάλκινα καλώδια, τα οποία παρέχουν πολύ υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η κατασκευή χάλκινων καλωδίων καταλαμβάνει το 60% της χρήσης του χαλκού. Επίσης, χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτρομαγνητών και πλακετών τυποποιημένων κυκλωμάτων. Τέλος, μπορεί να αξιοποιηθεί σε σωλήνες κενού, σωλήνες καθοδικών ακτίνων και λυχνίες σε φούρνους μικροκυμάτων. Μηχανήματα και διατάξεις. Η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού χρησιμοποιείται στην κατασκευή κινητήρων ώστε να μειωθούν οι απώλειες ρεύματος. Ο χαλκός χρησιμοποιείται και στην κατασκευή βιομηχανικών και εργαστηριακών διατάξεων, όπως ο εναλλάκτης θερμότητας, αξιοποιώντας την υψηλή θερμική του αγωγιμότητα. Κατασκευές. Η αξιοποίηση του χαλκού σε αυτήν την κατηγορία εφαρμογών στηρίζεται στην αντίσταση που παρουσιάζει το μέταλλο στη διάβρωση από το νερό και την υγρασία. Για το λόγο αυτό 29

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός πολλά υδραυλικά συστήματα, όπως σωληνώσεις και βρύσες κατασκευάζονται από χαλκό. Επιπλέον, ο τομέας των κατασκευών αξιοποιεί τόσο την ηλεκτρική του αγωγιμότητα στην κατασκευή αλεξικέραυνων όσο και την ικανότητά του να συγκολλάται με μέταλλα. Σε παλαιότερες εποχές, ο χαλκός αποτέλεσε πολύ καλό υλικό για σκεπές, λόγω της αδιάβροχης φύσης του και της θερμικής του αγωγιμότητας. Παρόλα αυτά, η οξείδωση του μετάλλου και η αργή του αντίδραση με τα συστατικά της ατμόσφαιρας οδηγεί στη δημιουργία ενός πράσινου στρώματος στην επιφάνεια του χαλκού. Το πράσινο στρώμα σχηματίζεται κατά τη μετατροπή του χαλκού σε ανθρακικό χαλκό, ο οποίος είναι γνωστός και ως verdigris (Σχήμα 2.4.Δ). Ο σχηματισμός του verdigris αποτρέπει την περαιτέρω διάβρωση του χαλκού καθώς εμφανίζει υψηλή ανθεκτικότητα σε αυτή. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε έντονα και στην κατασκευή κουζινικών σκευών (Σχήμα 2.4.Β). Ο χαλκός είναι ένα μέταλλο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε αρκετά στην τέχνη και τα κοσμήματα. Το πρώτο κόσμημα βρέθηκε στο βόρειο Ιράκ πριν από 11.000 χρόνια, ενώ οι αρχαίοι Αιγύπτιοι κατασκεύαζαν αγαλματίδια του θεού Ankh από χαλκό, καθόσον η θεότητα συμβολίζει την αιώνια ζωή. Ο χαλκός χρησιμοποιήθηκε έντονα και στην αρχαία Ελλάδα. Από την «Εποχή του Χαλκού» και έπειτα,κατασκευάστηκαν πάρα πολλά κοσμήματα και έργα τέχνης από χαλκό, όπως το άγαλμα της θεάς Αθηνάς, το οποίο βρίσκεται στο εξωτερικό τμήμα του Παρθενώνα (Σχήμα 2.4.Α). Στα τέλη του 19 ου αιώνα κατασκευάστηκε το άγαλμα της ελευθερίας, το οποίο είναι ένα άγαλμα 46.6 μέτρων με χάλκινο περίβλημα. Η αξιοποίησή του στην τέχνη και τη διακοσμητική συνεχίζεται μέχρι και τις μέρες μας (Σχήμα 2.4.Γ). 30

Β A Γ Δ Δ Σχήμα 2.4. Α. Άγαλμα θεάς Αθηνάς Β. Χάλκινα κουζινικά σκεύη Γ. Ελιά φτιαγμένη από χαλκό (έργο τέχνης) Δ. Χάλκινες σκεπές (verdigris). 31

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός Κράματα χαλκού Ο χαλκός έχει κάποιες συγκεκριμένες ιδιότητες, οι οποίες αξιοποιούνται σε πάρα πολλές εφαρμογές. Παρόλα αυτά, υπάρχουν εφαρμογές, οι οποίες απαιτούν επιπλέον ιδιότητες που δεν έχει ο χαλκός. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιούνται κράματα του χαλκού, δηλαδή μίγμα μετάλλων όπου ο χαλκός είναι το κύριο συστατικό. Οι δύο μεγάλες κατηγορίες κραμάτων του χαλκού είναι ο μπρούντζος και ο ορείχαλκος, οι οποίες ανάλογα με τα μέταλλα που αναμιγνύονται δημιουργούν υποκατηγορίες. Τα κράματα του χαλκού φτάνουν περίπου στα 2200 σε αριθμό. Κάθε ένα από αυτά χαρακτηρίζεται με έναν αριθμό σύμφωνα με το Ενιαίο Σύστημα Αρίθμησης (U.N.S) με γενικό τύπο Cxxxxx και παίρνει τιμές από C00001 έως C99999. Οι κυριότερες υποκατηγορίες που προκύπτουν είναι οι εξής: 4 Κράμα με Κασσίτερο (Sn): χαλκοκασσίτερος (tin bronze) Κράμα με Φώσφορο (P): χαλκοφωσφόρος (phosphor bronze) Κράμα με Αργίλιο (Al): αργίλιο με μπρούντζο (aluminum bronze) Κράμα με Ψευδάργυρο (Zn): ορείχαλκος (brass) Κράμα με Κασσίτερο και Ψευδάργυρο (Sn & Zn-gunmetal) Κράμα με Νικέλιο (Ni): χαλκού νικελίου (copper-nickel) Κράμα με Νικέλιο και Ψευδάργυρο (Ni &Zn):νικελιοχαλκός (nickel silver) Κράμα με Βηρύλλιο (Be): χαλκός βηρυλλίου (beryllium copper). Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται συνοπτικά οι ιδιότητες που αποκτούν τα κράματα του χαλκού όταν προστίθενται τα αντίστοιχα μέταλλα: Σχήμα 2.5. Απεικόνιση κραμάτων χαλκού σε κατηγορίες βάσει των ιδιοτήτων τους. 5 32

Γενικές χρήσεις: 1. Οι ενώσεις του χαλκού (σε υγρή μορφή) χρησιμοποιούνται ως συντηρητικό του ξύλου και ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης των ζημιών που οφείλονται σε ξηρά αποσύνθεση. 2. Αποτρέπει την ανάπτυξη των βρύων σε σκεπές, αν τοποθετηθεί μαζί με ψευδάργυρο, πάνω από τα μη αγώγιμα υλικά της κατασκευής της. 3. Χρησιμοποιείται σε κλωστοϋφαντουργικές ίνες για τη δημιουργία αντιμικροβιακών προστατευτικών υφασμάτων. 4. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή κεραμικών υαλότοιχων και βιτρό. 5. Σε μουσικά όργανα. 6. Ο χαλκός είναι ένα από τα τρία μέταλλα, μαζί με το μόλυβδο και άργυρο, που χρησιμοποιείται σε διαδικασία δοκιμής υλικών στα μουσεία με την ονομασία δοκιμή Oddy. Στη διαδικασία αυτή, ο χαλκός χρησιμοποιείται για την ανίχνευση χλωριδίων, οξειδίων και ενώσεων του θείου. 2.6. Ο Χαλκός στα βιολογικά συστήματα. Ο χαλκός ανήκει σε εκείνη την κατηγορία μετάλλων, τα οποία είναι παρόντα σε βιολογικά περιβάλλοντα και συμμετέχουν σε διεργασίες που λαμβάνουν χώρα μέσα σε αυτά. Συναντάται τόσο στον άνθρωπο όσο και στα ζώα και στα θαλασσινά. Συγκεκριμένα, απαντάται στο συκώτι του ανθρώπου, των βοοειδών και του αρνιού, στα στρείδια και στον αστακό. Επιπλέον, ανιχνεύεται σε φυτά και στους καρπούς τους, όπως οι ξηροί καρποί, το μαύρο πιπέρι, το κακάο, οι πράσινες ελιές, τα αβοκάντο και το πίτουρο σιταριού. Περαιτέρω, ο χαλκός εμφανίζεται δεσμευμένος σε πρωτεϊνικά υποστρώματα. Στα μαλάκια και στα αρθρόποδα ο χαλκός είναι δεσμευμένος σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται αιμοκυανίνη και είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά του οξυγόνου στους οργανισμούς. Επίσης, μπορεί να δεσμευτεί από ένζυμα παρεμφερούς δομής με την αιμοκυανίνη, όπως η λακκάση (laccase) και η τυροσινάση (tyrosinase), τα οποία ανήκουν στην οικογένεια των οξειδασών και καταλύουν τις αντιδράσεις οξείδωσης των φαινολών. Επιπλέον, η φωτοσύνθεση πραγματοποιείται μέσα από μια αλυσίδα αντιδράσεων εντός της θυλακοειδούς μεμβράνης (Σχήμα 2.6). Ένα πολύ σημαντικό κομμάτι αυτής της αλυσίδας είναι η πλαστοκυανίνη (plastocyanin), η οποία είναι μια μπλε πρωτεΐνη που περιέχει χαλκό. Ο χαλκός συναντάται, 33

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός επίσης, στην οξειδάση του κυτοχρώματος c (cytochrome c), το οποίο απαιτείται για την αερόβια αναπνοή. Στο βιομόριο αυτό, με τη βοήθεια του χαλκού και σιδήρου ανάγεται το οξυγόνο, με αποτέλεσμα την παραγωγή μορίων νερού και τη συμβολή στη σύνθεση του ΑΤΡ. Ο χαλκός βρίσκεται, επίσης, σε πολλές σουπεροξειδικές δισμουτάσες, οι οποίες είναι πρωτεΐνες που δρουν ενάντια σε σουπεροξείδια και τα μετατρέπουν σε υπεροξείδια (2 + 2Η + H 2 O 2 + O 2 ). Οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα που περιέχουν χαλκό εκμεταλλεύονται την εύκολη οξειδοαναγωγική μετατροπή του χαλκού (Cu(I) Cu(II)) και λαμβάνουν μέρος σε βιολογικές διεργασίες μεταφοράς ηλεκτρονίων και οξυγόνου. O 2 Plastocyanin Σχήμα 2.6. Αλυσίδα αντιδράσεων κατά τη φωτοσύνθεση. 2.7. Η επίδραση του Χαλκού στον άνθρωπο και τους μικροοργανισμούς Ο χαλκός εντοπίζεται τόσο στον άνθρωπο και στα ζώα όσο και στα φυτά και κάποιους μικροοργανισμούς. Ο χαλκός έχει χρήσιμο ρόλο σε πολλές βιολογικές διεργασίες, αλλά θα πρέπει η ποσότητά του να παραμένει σε επιτρεπτά επίπεδα. Η περιεκτικότητα του χαλκού στο ανθρώπινο σώμα σε φυσιολογικές συνθήκες κυμαίνεται από 1.4-2.1 mg/kg. Σύμφωνα με την RDA (Recommended Dietary Allowance), η επιτρεπόμενη ημερήσια εισροή χαλκού θα πρέπει να κυμαίνεται στην περιοχή 0.97 3.0 mg. Ο χαλκός απορροφάται στο έντερο, δεσμεύεται από την αλβουμίνη και μεταφέρεται στο συκώτι. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια της σερουλοπλασμίνης (ceruloplasmin) εισέρχεται στη ροή του αίματος και φτάνει στα σημεία όπου η παρουσία του είναι απαραίτητη. Μετά το πέρας των βιολογικών διεργασιών οδηγείται στη χολή, από όπου τελικά απεκκρίνεται. 34

Ο χαλκός είναι πολύ δραστικός όταν βρίσκεται στην κατιονική μορφή Cu(ΙΙ) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί προς όφελος του ανθρώπου. Σε περίπτωση δηλητηρίασης, χορηγείται διάλυμα θειικού χαλκού (CuSO 4 ) περιεκτικότητας 5% ώστε να προκληθεί έμετος, ενώ ο οξικός χαλκός (Cu(CH 3 COO) 2 H 2 O) χρησιμοποιείται ως ήπιο καυστικό από την ιατρική. Παρόλα αυτά, όταν η περιεκτικότητα των δραστικών ιόντων του χαλκού ξεπεράσουν τα επιτρεπτά όρια, ο χαλκός αποκτά τοξική δράση: Αναπτύσσει ισχυρές αλληλεπιδράσεις με το DNA Έχει αποδειχθεί κρυσταλλογραφικά, 6 ότι το χλωρίδιο του χαλκού (CuCl 2 ) και το DNA αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους, σχηματίζοντας δεσμούς ανάμεσα στα ιόντα χαλκού (Cu(ΙΙ)) και στα άζωτα που περιέχουν τα μόρια γουανίνης και συγκεκριμένα τα άτομα Ν1 και Ν7 της πουρίνης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει η δομή του DNA και να αναδύεται πρόβλημα στη λειτουργία του. Αυτό το φαινόμενο παρουσιάζεται και στην περίπτωση των πολυνουκλεοτιδίων και των πρωτεϊνών. Επίσης, πρέπει να τονιστεί ότι ο χαλκός λαμβάνει μέρος σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Μέσω αυτών των αντιδράσεων έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου, καθώς δρα ως καταλύτης στις αντιδράσεις Haber Weiss (όπου Μ= Cu(ΙΙ)): M n +O - 2 M (n-1) +O 2 M (n-1) + H 2 O 2 M n +. OH +OH Συνολική αντίδραση: O - 2 + H 2 O 2. OH + OH +O 2 Σύμφωνα με έρευνες, υψηλές συγκεντρώσεις Cu(ΙΙ) έχουν τη δυνατότητα να παράγουν μεγάλη ποσότητα ελεύθερων ριζών υδροξυλίου, οι οποίες με τη σειρά τους θα βλάψουν το γενετικό υλικό και θα επιφέρουν ανεξέλεγκτη αναπαραγωγική αύξηση και πιθανότατα καρκίνο. 7 Νόσος Wilson (Wilson Disease W.D.) Η νόσος Wilson είναι μια από τις πιο γνωστές νόσους που προκαλείται από τη δράση ιόντων χαλκού. Αποτελεί μια αυτοσωμική υπολειπόμενη γενετική διαταραχή, η οποία επιτρέπει την αύξηση συγκέντρωσης του χαλκού σε διάφορους ιστούς. Οι κύριοι ιστοί που συγκεντρώνεται ο χαλκός είναι το συκώτι και ο εγκέφαλος, προκαλώντας ηπατικές δυσλειτουργίες και νευροψυχιατρικά συμπτώματα, αντίστοιχα. Στα πρώτα στάδια της νόσου, οι ηπατικές διαταραχές μπορούν να παρουσιαστούν ως συμπτώματα κούρασης ή/και αυξημένης τάσης για αιμορραγία ακόμα και συμπτώματα ηπατικής εγκεφαλοπάθειας. Σε δεύτερο χρόνο, αυξάνεται η πίεση στην πυλαία φλέβα και συνεπακόλουθα 35

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός σχηματίζονται κιρσοί στον οισοφάγο. Έτσι, επέρχεται αιμορραγία των αιμοφόρων αγγείων αυτού. Επίσης, προκαλείται και διόγκωση της σπλήνας. Οι ασθενείς που πάσχουν από τη νόσο Wilson εμφανίζουν σε υψηλό ποσοστό προβλήματα νευρολογικής και ψυχιατρικής φύσεως, τα οποία οφείλονται σε διεργασίες νευροεκφύλισης που λαμβάνουν χώρα στον εγκέφαλο. Κατά κύριο λόγο, εμφανίζονται συμπτώματα παρκινσονισμού, δηλαδή έντονο τρέμουλο, βραδυκινησία, δυσαρθρία και έλλειψη συντονισμού. 8 Επιπλέον, η πρόοδος της νόσου προκαλεί διαταραχές στη λειτουργία του μετωπιαίου λοβού αλλά και υποφλοιώδη άνοια. Στην πρώτη περίπτωση παρουσιάζονται προβλήματα στην παρορμητικότητα, μειωμένη κρίση, απάθεια, κακός σχεδιασμός και λήψη αποφάσεων. Στη δεύτερη περίπτωση, υπάρχει βραδύτητα σκέψης, απώλειας μνήμης, απραξία και αγνωσία. Τέλος, υπάρχει η πιθανότητα να αναπτυχθούν προβλήματα στη συμπεριφορά του ασθενούς, όπως κατάθλιψη, άγχος και ψύχωση. Η νόσος Wilson εξαρτάται από τη μετάλλαξη του γονιδίου που εκφράζει την πρωτεΐνη ATP7B. Βρίσκεται στο 13 ο χρωμόσωμα και εκφράζεται κατά κύριο λόγο στο συκώτι, στα νεφρά και στον πλακούντα. Το γονίδιο κωδικοποιεί μια ATPάση (ATP7B), η οποία παίζει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη της νόσου. Οι μεταλλάξεις του γονιδίου παράγουν μορφές οι οποίες έχουν διαφορετική δομή και δράση από την αρχική. Σε φυσιολογικές συνθήκες, το ένζυμο ATP7B έχει διττό ρόλο: i) συνδέει το χαλκό στη σερουλοπλασμίνη η οποία τον ελευθερώνει στη ροή αίματος, και ii) μεταφέρει την περίσσεια του χαλκού στη χολή από όπου αποβάλλεται από τον οργανισμό. Ο ρόλος του ATP7B καθορίζει την ανάπτυξη της νόσου, καθώς η μεταλλαγμένη της μορφή δεν δρα όπως θα έπρεπε. Αρχικά, ο χαλκός συσσωρεύεται στο συκώτι, όπου η σερουλοπλασμίνη δεσμεύει το χαλκό, αλλά δεν είναι στη φυσιολογική της μορφή (αποσερουλοπλασμίνη) η οποία αποδομείται στο αίμα. 9 Έτσι, ελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα χαλκού στο αίμα η οποία οδηγείται ανεξέλεγκτα προς όλους τους ιστούς με αποτέλεσμα να συσσωρεύεται στον εγκέφαλο, στα μάτια και στα νεφρά. Ο χαλκός που έχει παραμείνει στο συκώτι δεν μπορεί να απομακρυνθεί προς τη χολή καθώς το ATP7B δεν είναι στη φυσιολογική του μορφή, με αποτέλεσμα την συσσώρευση του μετάλλου στον ιστό. Η τάση του χαλκού να συμμετέχει σε οξειδοαναγωγικές διαδικασίες και να δημιουργεί ρίζες, προκαλεί βλάβες σε όλους τους ιστούς που συσσωρεύεται, αναπτύσσοντας τα παθολογοανατομικά χαρακτηριστικά της WD. 10 36

Υπάρχουν αρκετοί τρόποι για να καταπολεμηθεί η νόσος. Σε περίπτωση που ο ασθενής βρίσκεται σε αρχικό στάδιο απλά προσέχει τις διατροφικές του συνήθειες αποφεύγοντας τα μανιτάρια, τους ξηρούς καρπούς, τη σοκολάτα, τα αποξηραμένα φρούτα και το συκώτι. Μια ήπια φαρμακευτική αγωγή είναι η χορήγηση οξικού ψευδαργύρου, αν και η πιο συνήθης αγωγή είναι η πενικιλλαμίνη (penicillamine), η οποία έχει ανεπιθύμητες συνέπειες όπως πόνοι και εξασθένηση των μυών. Σε περίπτωση που όλες οι παραπάνω αγωγές δεν είναι αποτελεσματικές και ειδικά στις περιπτώσεις των νευρολογικών διαταραχών, χορηγείται Dimecarpol ενδοφλέβια, το οποίο επιφέρει πολύ έντονους πόνους. Τέλος, εάν το συκώτι έχει υποστεί κίρρωση σε μεγάλο βαθμό απαιτείται μεταμόσχευση ύπατος. 11,12 Η νόσος του Menkes Η νόσος του Menkes (ΜΝΚ) περιγράφηκε από τον John Hans Menkes το 1962. Η νόσος αυτή, είναι μια διαταραχή, η οποία επηρεάζει την ποσότητα του χαλκού στο σώμα και οδηγεί στην έλλειψη αυτού. Αποτελεί μια φυλλοσύνδετη υπολειπόμενη διαταραχή, που εμφανίζεται πιο συχνά στους άνδρες, ενώ η εμφάνιση της νόσου στις γυναίκες απαιτεί συνδυασμό δύο ελαττωματικών αλληλόμορφων. Το γονίδιο που είναι υπεύθυνο για τη νόσο Menkes βρίσκεται στο χρωμόσωμα Χ και καθορίζει την παραγωγή της ΑΤΡ7Α. Η ΑΤΡ7Α είναι μια πρωτεΐνη, η οποία ευθύνεται για τη δέσμευση και κατανομή του χαλκού σε διάφορους ιστούς αλλά και στο εσωτερικό των κυττάρων. Κάτω από κανονικές συνθήκες, η ATP7A μεταφέρει το χαλκό εκτός κυττάρων για να ενσωματωθεί στη συνέχεια στα χαλκο ένζυμα. Με άλλα λόγια, η αύξηση του χαλκού στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον προκαλεί τη μετακίνηση της ATP7A που έχει δεσμεύσει το χαλκό στην κυτταρική μεμβράνη. Με αυτό τον τρόπο, ο χαλκός συγκεντρώνεται σε κύστες ώστε να απεκκριθεί, με αποτέλεσμα να μειώνεται η συγκέντρωσή του στο κυτταρόπλασμα και η ATP7A να επιστρέφει στα συμπλέγματα Golgi. Έρευνες έχουν δείξει ότι το γονίδιο που εκφράζει την ATP7A μπορεί να υποστεί μεταλλάξεις, με αποτέλεσμα να παράγει είτε μια ελλιπή είτε μια πιο επιμηκυμένη μορφή της πρωτεΐνης. Η ελλιπής μορφή συναντάται στο σύνδρομο του ινιακού κέρατος, το οποίο είναι μια ήπια έκφραση του ΜΝΚ, καθώς απλά περιορίζεται η μετακίνηση του Cu. 13 Η επιμηκυμένη μορφή εμφανίζεται στην ΜΝΚ και οφείλεται σε μεταλλάξεις προσθήκης. Οι μεταλλάξεις του γονιδίου που εκφράζει την ATP7A δημιουργούν μία «καινούργια» μεταλλαγμένη πρωτεΐνη, η οποία έχει χάσει τη λειτουργικότητά της, δηλαδή την ικανότητα της να δεσμεύσει και να 37

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός μεταφέρει τον χαλκό. Για αυτό το λόγο, ο χαλκός δεν καταλήγει σε εκείνα τα ένζυμα που απαιτούν την παρουσία του χαλκού για να δράσουν. Παραδείγματα τέτοιων «χαλκο-ενζύμων» είναι η κυτοχρωμική C οξειδάση, η σουπεροξειδική δισμουτάση, η λυσυλο οξειδάση, η τυροσινάση, οξειδάση ασκορβικού οξέος, η σερουλοπλασμίνη, και η ντοπαμινική β- υδροξυλάση. 14 Η νόσος Menkes γίνεται αρχικά αντιληπτή από τις εύθραυστες αραιές και χονδροειδείς τρίχες. Οι ασθενείς ΜΝΚ εμφανίζουν αναπτυξιακή καθυστέρηση με ταυτόχρονη μυϊκή ατονία (hypotonia), οστεοπόρωση καθώς και οστικές δυσπλασίες. Επιπλέον, διαταράσσεται και η λειτουργία του νευρικού συστήματος, οδηγώντας σε συχνές επιληπτικές κρίσεις, νοητική υστέρηση και εκτεταμένη νευροεκφύλιση της φαιάς ουσίας. 15 Επίσης, οι αρτηρίες του εγκεφάλου μπορεί να υποστούν στρέψη και να φθαρούν τόσο τα εσωτερικά όσο και τα εξωτερικά τοιχώματά τους, και να οδηγηθούν σε φραγή η ακόμα και ρήξη. Η ΜΝΚ συνήθως εμφανίζεται στη βρεφική ηλικία και μπορεί να προκαλέσει την πρόωρη γέννηση του βρέφους. Σε σπάνιες περιπτώσεις, τα συμπτώματα αρχίζουν αργότερα στην παιδική ηλικία και είναι λιγότερο σοβαρές. Η εμφάνιση της νόσου οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη μη φυσιολογική απορρόφηση του χαλκού από το έντερο με συνεπακόλουθη ανεπάρκεια χαλκού στα ένζυμα των μιτοχονδρίων που εξαρτώνται από αυτό. 16 Η ανάπτυξη της νόσου περιορίζεται με ενδοφλέβια χορήγηση συμπληρωμάτων χαλκού κυρίως με τη μορφή οξικού χαλκού. 17 Αντιμικροβιακή δράση Ο χαλκός δεν εμφανίζει τοξική δράση μόνο απέναντι στον άνθρωπο αλλά και στους μικροοργανισμούς. Έρευνες έχουν δείξει ότι ο χαλκός στις ενώσεις του όσο και στα κράματά του παρουσιάζει αντιμικροβιακή δράση, εξολοθρεύοντας βακτήρια (E. coli O157:H7), μύκητες και ιούς (αδενοϊοί και ιός τύπου Α). Μάλιστα, οι επιφάνειες κάποιων κραμάτων του χαλκού σκοτώνουν το 99.9% των παθογόνων μικροοργανισμών που βρίσκονται πάνω σε αυτές. Η αντιμικροβιακή τους δράση έχει αναγνωριστεί και χρησιμοποιούνται σε διάφορα υλικά της καθημερινής μας ζωής, όπως νεροχύτες, χερούλια, πόμολα, κ.λ.π. 38

2.8. Βιβλιογραφία 1. G.L. Trigg, E.H. Immergut, Encyclopedia of applied physics, VCH Publishers, 1992, 267 272. 2. D. Griffiths, Alison Reeves (ed.), Introduction to Electrodynamics, 3rd Edition. Upper Saddle River: New Jersey, 1999. 3. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra, Nuclear Physics A 729, (2003) 3. 4. http://www.matweb.com/reference/copper.aspx 5. http://www.copperinfo.co.uk/alloys 6. T.F. Kagawa, B.H. Geierstanger, A.H.J. Wang, P. Shing Ho, J Biol Chem., 266 (1991) 20175 20184. 7. O. Hiroyuki, S. Norimassa, I. Hiroshi, M. Michio, Carcinogenesis 17 (1996) 2157 2161. 8. M.T. Lorincz, Annals of the New York Academy of Sciences, 1184 (2010) 173 187. 9. P. De Bie, P. Muller, C. Wijmenga, L.W. Klomp, J. Med. Genet. 44 (2007) 673 88. 10. T. Theophanides, J. Anastassopoulou Critical Reviews in Oncology/Hematology 42 (2002) 57 64. 11. E.A. Roberts, M.L. Schilsky, Hepatology 37 (2003) 1475 1492. 12. J.M. Walshe, Q.J.M., 89 (1996) 553 555. 13. J. Tang, A. Donsante, V. Desai, N. Patronas, S.G. Kaler, Mol Genet Metab. 95 (2008) 174-181. 14. M. Linnebank, H. Lutz, E. Jarre, Neurobiol Dis. 23 (2006) 725-730. 15. N. Barnes, R. Tsivkovskii, N. Tsivkovskaia, S. Lutsenko, J. Biol. Chem. 280 (2005) 9640 9645. 16. http://emedicine.medscape.com/article/1180460, (Author: C.H. Chang, Chief Editor: Amy Kao) 17. S.G. Kaler, C.S. Holmes, D.S. Goldstein, N. Engl. J. Med. 358 (2008) 605 614. 39

Κεφάλαιο 2: Ο Χαλκός 40

Κεφάλαιο 3: Οργανικά Υποστρώματα (Ligands). 3.1. Εισαγωγή Τα περισσότερα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων των Al(III) και Ga(III) διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις δραστηριότητες της ζωής μας. Συνδράμουν στην τεχνολογική ανάπτυξη με την εμπλοκή τους στη δημιουργία καινούργιων υλικών και συμμετέχουν σε διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο έμβιο περιβάλλον. Η εμπλοκή των μετάλλων σε αυτές τις βιολογικές διεργασίες καθορίζεται από τη δέσμευσή τους από οργανικά υποστρώματα. Το αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών καθορίζεται πλήρως από τις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των οργανικών υποστρωμάτων και των μετάλλων. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές μπορεί να οδηγήσουν είτε σε ευεργετικά είτε σε τοξικά φαινόμενα. Στην προκειμένη περίπτωση, η μελέτη της συμπεριφοράς των δύο αυτών μεταλλοϊόντων διεξάγεται σε υδατικά διαλύματα, σε ένα εύρος ph, με υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας (οργανικά οξέα, αμινοξέα, γλουταθειόνη, κτλ) και με υποστρώματα υψηλής μοριακής μάζας (ολιγοπεπτίδια και πρωτεΐνες). Η πλήρης μελέτη της αλληλεπίδρασης των εν λόγω μεταλλοϊόντων με τα διάφορα υποστρώματα (φυσικοχημικός, δομικός, και ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός), μπορεί να επεκταθεί σε τριαδικά συστήματα και να διαλευκάνει τις αλληλεπιδράσεις που αναδύονται στα βιολογικά υγρά σε φυσιολογικές τιμές ph. Παρακάτω περιγράφονται οι υποκαταστάτες (φυσιολογικοί και μη φυσιολογικοί), οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη εργασία, για να μελετηθούν οι ιδιότητες δυαδικών και τριαδικών συστημάτων, σε υδατικά και μη υδατικά διαλύματα, με τα μεταλλοϊόντα Al(III) και Ga(III). 41

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) 3.2 Φυσιολογικά υποστρώματα 3.2.1 Μανδελικό οξύ (Mandelic acid) 3.2.1.1 Δομή και ιδιότητες του μανδελικού οξέος Το μανδελικό οξύ είναι μια λευκή κρυσταλλική ένωση και ανήκει στην κατηγορία των α- υδροξυ-οξέων, δηλαδή έχει ένα υδροξύλιο στο άτομο άνθρακα το οποίο είναι ενωμένο με την καρβοξυλομάδα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.1). Το μανδελικό οξύ αποδίδεται ονοματολογικά και ως φαινυλογλυκολικό οξύ, ενώ κατά IUPAC φέρεται ως 2- υδροξυ-2-φαινυλοξικό οξύ. Είναι το μικρότερο α-υδροξυ-οξύ που περιέχει αρωματική ομάδα. Διαθέτει ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα και επομένως, έχει δύο εναντιοστερεοϊσομερείς μορφές, δηλαδή οπτικούς αντίποδες (το ένα μόριο είναι το κατοπτρικό είδωλο του άλλου). Οι αντίποδες του μανδελικού οξέος είναι οι R(-)-μανδελικό οξύ (D(-)-μανδελικό οξύ) και S(+)- μανδελικό οξύ (L(+)-μανδελικό οξύ), οι οποίοι εμφανίζουν διαφορετικές φυσιολογικές και φαρμακολογικές ιδιότητες, καθώς και διαφορές στην κρυσταλλική τους μορφή. Επιπλέον, το μανδελικό οξύ διαλύεται μερικώς στο νερό, ενώ διαλύεται πλήρως σε αιθυλική και ισοπροπυλική αλκοόλη. 1 HO OH O Σχήμα 3.1: Δομή του μανδελικού οξέος, C 6 H 5 CH(OH)COOH. 3.2.1.2 Χρήσεις μανδελικού οξέος Εδώ και πολλά χρόνια, το μανδελικό οξύ χρησιμοποιείται στην ιατρική ως αντισηπτικό του ουροποιητικού συστήματος. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται η μανδελική μεθεναμίνη (methenamine mandelate) (Mandelamine, Parke-Davis, Morris Plains, NJ), η οποία εκμεταλλεύεται ταυτόχρονα την αντισηπτική δράση της μεθεναμίνης και του μανδελικού οξέος. Όταν η συγκέντρωσή του στα ούρα φτάνει τα 35-50g/100L, αναστέλλεται η λειτουργία των βακτηρίων Staphylococcus aureus, Bacillus proteus, Escherichia coli και Aerobacter aerogenes. 2 42

Το μανδελικό οξύ δεν είναι τοξικό κατά την πρόσληψή του από το στόμα και απομακρύνεται με τα ούρα. Το γλυκολικό οξύ είναι το απλούστερο α-υδροξυ-οξύ και λόγω του μικρού μοριακού βάρους και μεγέθους του, προσδίδει την ικανότητα στο μανδελικό οξύ να διεισδύει στο δέρμα. Για το λόγο αυτό τα α-υδροξυ-οξέα (α-hydroxy acids, ΑΗΑ) χρησιμοποιούνται ευρέως στα καλλυντικά. Τα ΑΗΑ χρησιμοποιούνται ως απολεπιστικοί παράγοντες για να καταπολεμήσουν την τραχιά όψη, τη λιπαρότητα, τη θαμπή εμφάνιση, τις κηλίδες και τις μικρές ρυτίδες, ακόμα και την ακμή, ενυδατώνοντας και λευκαίνοντας την επιδερμίδα. 3 Παρόλα αυτά, απαιτείται προσοχή στη χρήση σκευασμάτων κοσμετολογίας που περιέχουν ΑΗΑ, όπως το μανδελικό οξύ. Έχει αποδειχθεί ότι η κατηγορία αυτών των οξέων προκαλεί φωτοευαισθησία και για το λόγο αυτό απαιτείται χρήση αντηλιακής προστασίας. Συνεπώς, η περιεκτικότητα των σκευασμάτων και η «ιδιότητα» του χρήστη παίζουν καθοριστικό ρόλο στη χρήση τους. Τα προϊόντα που πωλούνται ευρέως στους καταναλωτές έχουν περιεκτικότητά σε ΑΗΑ μικρότερη από 10%. Οι έμπειροι αισθητικοί και κοσμετολόγοι μπορούν να χρησιμοποιούν σκευάσματα µε περιεκτικότητα 20%-30%, ενώ οι γιατροί έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν προϊόντα µε τη μέγιστη δυνατή περιεκτικότητα αυτών, δηλαδή 50%-70%. 3.2.1.3 Απομόνωση και σύνθεση μανδελικού οξέος Το μανδελικό οξύ είναι ένας φυσιολογικός υποκαταστάτης, δηλαδή είναι μια ένωση η οποία συναντάται στη φύση και παίρνει μέρος σε διεργασίες που αναπτύσσονται σε αυτή. Συγκεκριμένα, το μανδελικό οξύ προέρχεται από την αμυγδαλίνη (Σχήμα 3.2), η οποία είναι ένας κυανογενετικός γλυκοζίτης που βρίσκεται σε πολλά φυτά, όπως τα πικραμύγδαλα, και στον πυρήνα του βερίκοκου. Η αμυγδαλίνη υδρολύεται με υδροχλωρικό οξύ και διασπάται σε μανδελικό οξύ, D-γλυκόζη, και αμμωνία. Γι αυτό, ένα συνώνυμο του μανδελικού οξέος είναι: αμυγδαλικό οξύ, ενώ η λέξη «μανδελικό» προέρχεται από το αμύγδαλο στη γερμανική γλώσσα: mandel. 43 Σχήμα 3.2: Απεικόνιση της αμυγδαλίνης.

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) Η βιομηχανική παρασκευή του μανδελικού οξέος ξεκινά από τη βενζαλδεΰδη, στην οποία προστίθεται υδρογονοθειώδες νάτριο (NaHSO 3 ) και στη συνέχεια κυανίδιο του νατρίου (NaCN), ώστε να παραχθεί η κυανυδρίνη της βενζαλδεΰδης. Τέλος, η όξινη καταλυτική υδρόλυση του μανδελονιτριλίου (2-υδροξυ-2-φαινυλακετονιτρίλιο) αποδίδει το μανδελικό οξύ (Σχήμα 3.3). 4,5 O OH H NaHSO 3 SO 3 Na OH SO 3 Na NaCN OH CN OH CN H+ / H 2 O OH CO 2 H Σχήμα 3.3: Σύνθεση μανδελικού οξέος από βενζαλδεΰδη. Πίνακας 3.1: Ταυτότητα και φυσικοχημικές ιδιότητες μανδελικού οξέος. 3,6 Αριθμός μητρώου CAS Μοριακός τύπος 90-64-2 611-71-2 (R), 17199-29-0 (S) C 8 H 8 O 3 (C 6 H 5 CH(OH)COOH) Σχετική μοριακή μάζα (M r ) 152.15 g mol -1 Πυκνότητα 1.32 g cm -3 Διαλυτότητα στο νερό (20 o C) 16 g/100 ml Οξύτητα (pk a ) 3.41 Σημείο τήξης 118-121 o C (οπτικά καθαρό: 132 135 o C) 44

3.3. Μη φυσιολογικά υποστρώματα 3.3.1. 1-υδροξυαιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (1-hydroxyethane 1,1-diphosphonic acid (HEDP)) 3.3.1.1. Δομή και ιδιότητες του HEDP Το 1-υδροξυαιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (Σχήμα 3.4) είναι παγκοσμίως γνωστό και ως «etidronic acid». Εν συντομία γράφεται ως HEDP. Η συγκεκριμένη ένωση περιέχει μια αλκοολική ομάδα σε α θέση και δύο φωσφονικές ομάδες. Το οξύ αυτό είναι τετραπρωτικό και για το λόγο αυτό οι τρεις ομάδες που κατέχει έχουν τη δυνατότητα να δεσμεύουν μέταλλα με αρκετή ευκολία (M n -HEDP, με n=1-4). Συγκεκριμένες ιδιότητες και κρυσταλλογραφικά δεδομένα δίνονται στους Πίνακες 3.2 και 3.3, αντίστοιχα. C H 3 OH HO O P OH OH P O OH Σχήμα 3.4 Δομή του υποκατάστατη HEDP Πίνακας 3.2 Ιδιότητες του υποστρώματος HEDP. Αριθμός μητρώου CAS 2809-21-4 Εμφάνιση Λευκή σκόνη Μοριακός τύπος C 2 H 8 O 7 P 2 Σχετική μοριακή μάζα (M r ) 206.03 g mol -1 Διαλυτότητα στο νερό (20 o C) 10 mg/l 45

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) Πίνακας 3.3 Κρυσταλλογραφικά δεδομένα του HEDP. Κρυσταλλογραφικά δεδομένα Σύστημα κρυστάλλωσης HEDP Μονοκλινές Space group P2 1 /c a (Å) 7.011(3) b (Å) 17.613(7) c (Å) 7.143(3) α 90.00 β 108.57(7) γ 90.00 V, Å 3 836.128 Μ r 209.032 Z 4 3.3.1.2. Χρήσεις του HEDP. Η δεσμευτική ικανότητα του HEDP έναντι των διαφόρων μετάλλων το καθιστά απαραίτητη ένωση σε πολλές διεργασίες της καθημερινής μας ζωής: 1. Χρησιμοποιείται για τη δέσμευση και αδρανοποίηση κατιόντων μετάλλων (όπως τα ιόντα Ca(ΙΙ) και τα Fe(ΙΙ), Fe(ΙΙΙ)), τα οποία βρίσκονται στα αστικά λύματα και πολύ πιθανόν να περνούν σε υπόγεια ύδατα και να τα μολύνουν. 2. Το HEDP και τα άλατα αυτού προστίθενται σε απορρυπαντικά και σε καθαριστικά, ώστε να προλαμβάνουν τη δράση του σκληρού νερού. 46

3. Η δέσμευση κατιόντων μετάλλου χρησιμοποιείται και στις πισίνες, όπου η παρουσία του φωσφονικού υποστρώματος εμποδίζει τα μέταλλα να «εξέλθουν» από τον όγκο του νερού και να δημιουργήσουν λεκέδες στα τοιχώματα της πισίνας. 4. Εμποδίζει τη διάβρωση του καθαρού σιδήρου. 5. Δρα ενεργά στην αργή τάγγιση και οξείδωση των λιπαρών οξέων. 6. Χρησιμοποιείται σε προϊόντα κοσμετολογίας, καθόσον παρεμποδίζει το σχηματισμό ριζών και δρα ως γαλακτωματοποιητής και σταθεροποιητής του ιξώδους. Το HEDP είναι μια ένωση, η οποία βρίσκει πάρα πολλές εφαρμογές στον τομέα της υγείας και της φαρμακευτικής. Η δράση του αφορά κατά κύριο λόγο παθήσεις των οστών, καθώς τα δυναμώνει και θεραπεύει την οστεοπόρωση και τη νόσο Paget. Η χρήση του HEDP θα πρέπει να γίνεται με προσοχή, καθώς έχει βρεθεί ότι η συχνή χρήση του παρεμποδίζει την οστεοποίηση (bone calcification) και σε βάθος χρόνου μπορεί να προκαλέσει οστεομαλάκυνση. Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται ένας άλλος διφωσφονικός υποκαταστάτης, το «alendronic acid» και άλατα αυτού. Στις περιπτώσεις που το HEDP χρησιμοποιείται ως δεσμευτικό η επιθυμητή δοσολογία είναι 1 10 mg/l, ενώ για προστασία από τη διάβρωση είναι 10 50 mg/l και για πλήρεις παρεμποδίσεις είναι 1000 2000 mg/l. 3.3.2. Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικό οξύ (N-Phosphonomethyl)-Imino-diacetic Acid) 3.3.2.1. Δομή και ιδιότητες του ΝΤΑΡ Το Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικό οξύ (N-Phosphonomethyl)-Iminodiacetic Acid, NTAP) (Σχήμα 3.5) είναι ένας μικτός οργανοφωσφονικός υποκαταστάτης που περιέχει στο μόριό του δύο καρβοξυλικές ομάδες και μια φωσφονική ομάδα. Η μοριακή μάζα του NTAP είναι 227 g/mol και διατίθεται στο εμπόριο σε μορφή στερεής λευκής πούδρας. 47

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) HO P O OH HO O N HO O Σχήμα 3.5: Η δομή του Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικού οξέος Το NTAP είναι διαλυτό στο νερό, ενώ είναι αδιάλυτο στην αιθανόλη, στην προπανόνη, στο βενζόλιο και άλλους κοινούς οργανικούς διαλύτες. Συνθετικά, ο οργανοφωσφονικός υποκαταστάτης NTAP προκύπτει από την αντίδραση του ιμινο-διοξικού οξέος (Imino Diacetic Acid, IDA) σε φορμαλδεΰδη, παρουσία τριχλωριδίου του φωσφόρου. Το NTAP συντέθηκε και χαρακτηρίστηκε κρυσταλλογραφικά το 1982. Τα δεδομένα της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.4. Πίνακα 3.4 Κρυσταλλογραφικά δεδομένα του Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικού οξέος. Κρυσταλλογραφι κά δεδομένα Σύστημα κρυστάλλωσης Space group NTAP Τρικλινές P1 a, Å 5.590(2) b, Å 7.422(3) c, Å 10.648(5) α 93.12(4) β 95.03(3) 48

γ 90.40(3) V, Å 439.4(6) M r 227.11 d calc, g/cm 3 1.716(2) Z 2 Το ΝΤΑΡ είναι ένα τετραπρωτικό οξύ, δηλαδή παρουσιάζει τέσσερις βαθμίδες διάστασης που το καθιστούν δραστικότατο χηλικό ligand. Το συγκεκριμένο φωσφονικό υπόστρωμα χρησιμοποιείται στην παρασκευή της N-(φωσφονομεθυλο)γλυκίνης, που είναι γνωστό διασυστημικό μη εκλεκτικό μετεφυτρωτικό ζιζανιοκτόνο, με το όνομα glyphosate. Το άλας αυτού με ισοπροπυλαμίνη είναι γνωστό με το εμπορικό όνομα Roundup. H σύνθεσή του περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια: (α) οξείδωση του Ν-(φωσφονομεθυλο)ιμινο-διοξικού οξέος με υπεροξείδια ή οξυγόνο σε υδατικό διάλυμα παρουσία ετερογενούς καταλύτη σε θερμοκρασία 50-150ºC. (β) διαχωρισμό του καταλύτη από το υδατικό μέσο της αντίδρασης. (γ) συμπύκνωση του διαλύματος με εξάτμιση. (δ) διαχωρισμό της N-(φωσφονομεθυλο)γλυκίνης από το πυκνό διάλυμα της αντίδρασης με διήθηση. 3.3.2.2. Χρήσεις του ΝΤΑΡ. Ο οργανοφωσφονικός υποκαταστάτης NTAP, αντιδρώντας με βάσεις ή αμίνες, παράγει άλατα. Μια σημαντική χρήση του υποκαταστάτη αυτού είναι ότι αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν στην παραγωγή του ισχυρού ζιζανιοκτόνου, γνωστού με την εμπορική ονομασία glyphosate. Συγκεκριμένα, το NTAP με διμεθυλοκαρβοξυλίωση παρουσία θειικού οξέος και υπεροξειδίου του υδρογόνου παράγει την ουσία Ν-(φωσφονομεθυλο)-γλυκίνη (Glyphosate) με χημικό τύπο C 3 H 8 NO 5 P. 49

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) 3.3.3. Νιτριλο-τρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (Nitrilotri(methyl phosphonic acid) NTA3P) 3.3.3.1. Δομή και ιδιότητες του ΝΤΑ3Ρ Το Νιτριλο-τρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (NTA3P) ( Σχήμα 3.6) είναι ένας οργανοφωσφονικός υποκαταστάτης που περιέχει στο μόριό του τρεις φωσφονικές ομάδες. Το ΝTA3P διατίθεται στο εμπόριο με τη μορφή λευκής σκόνης. Ο μοριακός του τύπος είναι N[CH 2 PO(OH) 2 ] 3 και έχει μοριακή μάζα 299.05 g/mol. NTA3P 3.3.3.2. Σύνθεση του ΝΤΑ3Ρ Η σύνθεση του NTA3P έγινε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, 7 κατά την οποία: Ποσότητες 17.80 g (0.33 mol) χλωριδίου του αμμωνίου (NH 4 Cl) και 82 g (1.0 mol) κρυσταλλικού φωσφορώδους οξέος διαλύονται σε 100 ml νερού. Επιπλέον, προστίθενται 100 ml πυκνού υδροχλωρικού οξέος (HCl) στάγδην με αργό ρυθμό και το μίγμα αντίδρασης θερμαίνεται μέχρι αντιρροής (reflux). Στη συνέχεια προστίθενται 160 ml (2.0 moles) διαλύματος 37% φορμαλδεΰδης σε διάστημα 1h και διατηρείται υπό θέρμανση και αντιρροή για μια επιπλέον 1h. Αφήνεται το διάλυμα να ψυχθεί σε θερμοκρασία δωματίου και το οξύ αρχίζει να καταβυθίζεται με τη μορφή κρυσταλλικού υλικού, με απόδοση 75%. Το κρυσταλλικό υλικό απομονώνεται με φιλτράρισμα, ξεπλένεται με μίγμα ακετόνης-νερού (5:1) και στεγνώνει σε θερμοκρασία 120 ο C. Στον παρακάτω πίνακα αναφέρονται τα κρυσταλλογραφικά δεδομένα του NTA3P. Πίνακας 3.5. Κρυσταλλογραφικά δεδομένα του ΝΤΑ3Ρ. Κρυσταλλογραφικά δεδομένα NTA3P Σύστημα κρυστάλλωσης Μονοκλινές Space group P2 1 /c a (Å) 12.050(14) O OH P OH CH 2 HO CH 2 P O Σχήμα 3.6 Απεικόνιση υποστρώματος N HO CH 2 P O OH OH 50

b (Å) 7.474(8) c (Å) 11.868(13) α 90.00 β 104.17(25) γ 90.00 V, Å 3 1036.331 M r 299.05 d calc, g/cm 3 1.914 Z 4 3.3.3.3. Χρήσεις του ΝΤΑ3Ρ Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί αρκετή βαρύτητα στη χημεία των οργανοφωσφονικών υποστρωμάτων (NTA3P) και κυρίως στις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσουν με τα μεταλλικά ιόντα. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές μπορούν να αποδώσουν δομές μονοδιάστατων αλυσίδων, δισδιάστατων στρωμάτων ακόμα και τρισδιάστατων πλεγμάτων. Τα υλικά που προκύπτουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατάλυση, στην ιοντοανταλλαγή, στην πρωτονική αγωγιμότητα, στην χημεία παρεμβολής (intercalation), στη φωτοχημεία, κα ι στον τομέα των υλικών. 8,9,10,11,12 1 αισθητήρων. 13,14,15, 6 Επιπλέον, γίνονται προσπάθειες να αξιοποιηθούν τα μικροπορώδη υλικά που προκύπτουν από τις παραπάνω αλληλεπιδράσεις στα πεδία της οπτικής και των 3.3.4. Βουτυλενο διαμινο τετρα(μεθυλο φωσφονικό) οξύ (BDTMP) 3.3.4.1. Δομή και ιδιότητες του ΒDTMP Το βουτυλενο διαμινο τετρα(μεθυλο φωσφονικό) οξύ (BDTMP) είναι ένας συμμετρικός πολυδοντικός υποκαταστάτης (Σχήμα 3.7). Το συγκεκριμένο φωσφονικό υπόστρωμα περιέχει τέσσερις φωσφονικές ομάδες και μια ανθρακική αλυσίδα τεσσάρων ανθράκων, η οποία καταλήγει σε άτομα αζώτου και από τις δύο πλευρές. Το BDTMP θεωρείται ένας πολύ αποδοτικός χηλικός υποκαταστάτης, καθόσον μπορεί να δεσμεύσει μεταλλικά ιόντα (δισθενή Mn(II), Co(II), Ni(II) 17,18 και τρισθενή (Fe(III), La(III), Gd(III) 19,20,21 ). Το μέγεθος, η γεωμετρία και η υψηλή δεσμευτικότητα του υποστρώματος, του επιτρέπουν να λάβει μέρος σε 51

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) δυαδικά και τριαδικά συστήματα μετάλλων προωθώντας την ανάπτυξη κρυσταλλικών πλεγμάτων (1D-3D) με συγκεκριμένη αρχιτεκτονική και ιδιότητες. O HO P OH CH 2 HO CH 2 P O OH N CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N HO O P OH CH 2 HO CH 2 P OH O Σχήμα 3.7 Απεικόνιση του υποστρώματος BDTMP 3.3.4.2. Σύνθεση του BDTMP Η σύνθεση του BDTMP έγινε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, 7 σύμφωνα με την οποία: Ποσότητες 0.25 mol διαμινο-βουτανίου (H 2 N(CH 2 ) 4 NH 2 ) και 1.0 mol κρυσταλλικού φωσφορώδους οξέος (H 3 PO 3 ) διαλύονται σε 100 ml νερού και προστίθενται άλλα 100 ml διαλύματος πυκνού HCl. Στη συνέχεια, θα πρέπει να προστεθούν 2.0 moles διαλύματος φορμαλδεΰδης (37%) σε διάστημα 1h με ταυτόχρονη θέρμανση. Το διάλυμα διατηρείται σε θερμοκρασία ανιρροής για άλλη 1h και ύστερα το μίγμα αντίδρασης αφήνεται να κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου. Το φωσφονικό υπόστρωμα κρυσταλλώνει (λευκοί κρύσταλλοι) σε διάστημα μιας ημέρας και με απόδοση 77%. Το κρυσταλλικό υλικό απομονώνεται, ξεπλένεται με κρύο νερό και στεγνώνει σε φούρνο στους 120 ο C. 3.3.4.3. Χρήσεις του BDTMP Η κύρια χρήση του BDTMP, όπως και των περισσότερων φωσφονικών υποστρωμάτων, αναφέρονται στην προηγούμενη ενότητα 3.3.3.3. 3.3.5. 1, 10-Φαινανθρολίνη N N 3.3.5.1. Δομή και ιδιότητες της 1, 10-Φαινανθρολίνης Η φαινανθρολίνη είναι μια ετεροκυκλική οργανική ένωση με τρεις βενζολικούς δακτυλίους (ισομερές με το 52 Σχήμα 3.8 Δομή της 1,10- φαινανθρολίνης

ανθρακένιο) και δύο άτομα αζώτου στις θέσεις 1 και 10 των δακτυλίων (Σχήμα 3.8). Συμβολίζεται ως "phen.". Στην οργανική χημεία και στη χημεία συναρμογής, η 1,10- φαινανθρολίνη λειτουργεί ως διδοντικός υποκαταστάτης και δημιουργεί ισχυρά σύμπλοκα με τα περισσότερα μέταλλα. Ο τρόπος με τον οποίο συναρμόζεται η φαινανθρολίνη εμφανίζει αρκετές ομοιότητες με τον τρόπο που συναρμόζεται η 2,2-διπυριδίνη (2,2-bipy). ΠΙΝΑΚΑΣ 3.7 Ιδιότητες 1,10-φαινανθρολίνης Χημικό όνομα 1,10-φαινανθρολίνη Μοριακός τύπος C 12 H 8 N 2 Μοριακή μάζα 180.21 g/mol Πυκνότητα 1.31 g/cm 3 Σημείο τήξης 117 C Διαλυτότητα στο νερό μέτρια 3.3.5.2. Σύνθεση και χρήσεις της 1, 10-Φαινανθρολίνης Η 1, 10-φαινανθρολίνη μπορεί ν α παρασκευαστεί με αντίδραση ο-φαινυλενοδιαμίνης, θειικού οξέος, γλυκερόλης, διάλυμα αρσενικού οξέος και νερού ( δύο διαδοχικές αντιδράσεις 2+ Skraup). 22 Το σύμπλοκο [Fe(phen) 3 ], ονομάζεται "ferroin," και χρησιμοποιείται για το 23 φωτομετρικό προσδιορισμό του Fe(II). Χρησιμοποιείται ως οξειδοαναγωγικός δείκτης με σταθερό δυναμικό +1.06 V. Η ανηγμένη μορφή του σιδήρου έχει βαθύ κόκκινο χρώμα και η οξειδωμένη μορφή ανοικτό μπλε. Η "ferroin," χρησιμοποιείται ως παρεμποδιστής της διαπερατότητας των κυττάρων για τη μεταλλοπρωτεάση. Το ροζ σύμπλοκο [Ni(phen) 3 ] 2+ λύεται στα Δ και Λ ισομερή. 24 Το ανάλογο σύμπλοκο [Ru(phen) 3 ] 2+ είναι γνωστό ως βιοενεργό. 25 Η φαινανθρολίνη είναι χηλικοποιητής μετάλλων. Χρησιμοποιείται στην βιομηχανία μετάλλων και οι διάφορες εφαρμογές περιλαμβάνουν: Συναρμογή οργανομεταλλικών συμπλόκων. Οξειδοαναγωγικός μεσολαβητής σε βιοαισθητήρες. 53

Οργανικά Υποστρώματα (Ligands) Καταλύτης για διάφορες οξειδοαναγωγικές οργανικές συνθέσεις. Μοριακή Χημεία. Διάγνωση ασθενειών και θεραπεία. Κατεργασία νερού. Χημεία φωτόλυσης. Μικροβιολογία. 3.4. Βιβλιογραφία 1. The Merck Index, 7th ed. Rahway, NJ: Merck & Co; 1978, 898. 2. S.K. Panda, F. Baluska, H. Matsumoto, Plant Signaling & Behavior, 4 (2009) 592-597. 3. M.B. Taylor, Cosmetic Dermatology, June, 1999. 4. M. Korn, R. Wodarz, W. Schoknecht, H. Weichardt, E. Bayer, Archives of Toxicology, 55 (1984) 59-63. 5. B.B. Corson, R.A. Dodge, S.A. Harris, J.S. Yeaw, Organic Syntheses, 1 (1941) 336 6. J.G. Aston, J.D. Newkirk, D.M. Jenkins, J. Dorsky, Organic Syntheses, 3 (1952) 538. 7. K. Moedritzer, R. R. Irani, J. Org. Chem., 31 (1966) 1603. 8. A. Clearfield, Progress in Inorganic Chemistry, vol. 47, Wiley, New York: 1998, 371 510. 9. E. Stein, A. Clearfield, M.A. Subramanian, Solid State Ionics 83 (1996) 113. 10. G. Alberti, U. Costantino, Comprehensive Supramolecular Chemistry, Pergamon-Elsevier Science Ltd., London: 1996. 11. A. Clearfield, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 1 (1996) 268. 12. M.E. Thompson, Chem. Mater. 6 (1994) 1168. 13. A.K. Cheetham, G. Ferey, T. Loiseau, Angew. Chem. Int. Ed., 38 (1999) 3268. 14. J. Zhu, X. Bu, P. Feng, G.D. Stucky, J. Am. Chem. Soc., 122 (2000) 11563. 15. P.M. Forster, P.M. Thomas, A.K. Cheetham, Chem. Mater., 14 (2002) 17. 16. N. Stock, G.D. Stucky, A.K. Cheetham, Chem. Commun., 22 (2000) 2277. 54

17. N. Stock, M.Rauscher, T. Bein, J. Solid State Chem., 177 (2004) 642-647. 18. N. Stock, T. Bein, Angew. Chem. Int. Ed., 43 (2004) 749-752. 19. S.M. Ying, J.G. Mao, Cryst. Grow. & Design, 6 (2006) 964-968. 20. S.M. Ying, X.R. Zeng, X.N. Fang, X.F. Li, D.S. Liu, Inorg. Chim. Acta, 1593. 359 (2006) 1589-21. S.M. Ying, J.Q. Liu, S.L. Cai, F. Zhonga, G.P. Zhou, Acta Cryst., E63 (2007) m415 m417. 22. B.E. Halcrow, W.O. Kermack, J. Chem. Soc., (1946) 155 157. 23. R. Belcher, Pure and Applied Chemistry, 34 (1973) 13-27. 24. G.B. Kauffman, L.T. Takahashi, Inorg. Synth., 5 (1966) 227 232. 25. F.P. Dwyer, E.C. Gyarfas, W.P. Rogers, J.H. Koch, Nature, 170 (1952) 190 191. 55

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 56

Κεφάλαιο 4: Τεχνικές Χαρακτηρισμού των Υλικών 4.1. Εισαγωγή στις τεχνικές χαρακτηρισμού των υλικών Η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ μεταλλοϊόντων Al(ΙΙΙ) και Cu(ΙΙ) και οργανικών υποστρωμάτων είναι απαραίτητη για τη διαλεύκανση της τοξικής δραστικότητάς τους. Η επίτευξη του συγκεκριμένου στόχου απαιτεί λεπτομερή περιγραφή των ενώσεων που προκύπτουν μέσα από κατευθυνόμενες συνθετικές διεργασίες βάσει των παραπάνω δυαδικών συστημάτων, τόσο στη στερεά όσο και στην υγρή κατάσταση. Αφού απομονωθούν οι παραπάνω ενώσεις, λαμβάνονται όλες οι απαραίτητες πληροφορίες μέσα από τον πλήρη δομικό, φασματοσκοπικό και ηλεκτροχημικό (για την περίπτωση του χαλκού) χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων τους. Ο χαρακτηρισμός των ενώσεων πραγματοποιείται από μια πληθώρα τεχνικών που περιγράφονται παρακάτω. 4.2. Στοιχειακή Ανάλυση (Elemental Analysis) Η στοιχειακή ανάλυση είναι μια τεχνική, η οποία χρησιμοποιείται για ποιοτική και ποσοτική ανάλυση υλικών. Η στοιχειακή ανάλυση μπορεί να είναι ποιοτική καθόσον καθορίζονται τα στοιχεία που είναι παρόντα μέσα σε συγκεκριμένο δείγμα και ποσοτική καθόσον καθορίζεται το ποσό του κάθε στοιχείου που περιέχεται στο δείγμα. Η τεχνική αυτή υπολογίζει το επί τοις εκατό ποσοστό βάρους ενός στοιχείου σε μια ένωση και για το λόγο αυτό αποτελεί χρήσιμο εργαλείο ποσοτικής ανάλυσης στη σύγχρονη έρευνα χημικών, φυσικών, βιολογικών, ιατρικών, μηχανικών και φαρμακευτικών πεδίων. Ο πιο κοινός τύπος στοιχειακής ανάλυσης μπορεί να καθορίσει το ποσοστό του άνθρακα C, του υδρογόνου H, του θείου S και του αζώτου N (στοιχειακή ανάλυση CHSN). Ο καθορισμός του ποσοστού κάθε στοιχείου είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για τις οργανικές ενώσεις. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, ένα δείγμα καίγεται σε ατμόσφαιρα οξυγόνου και οι διάφορες παγίδες συλλέγουν τα προϊόντα καύσης, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το νερό (H 2 O), το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) και τέλος, το οξείδιο του αζώτου (NO). Στη συνέχεια, υπολογίζονται οι μάζες των προϊόντων καύσης, από τα οποία προσδιορίζεται η σύνθεση του 57

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής άγνωστου δείγματος. Η συνολική πορεία που ακολουθεί ένα δείγμα σε έναν στοιχειακό αναλυτή, φαίνεται στο Σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1. Απεικόνιση διάταξης ενός στοιχειακού αναλυτή Επομένως, η στοιχειακή ανάλυση μιας ένωσης (CHSN) είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στον καθορισμό του εμπειρικού τύπου της εξεταζόμενης ένωσης. Ο εμπειρικός τύπος καθορίζει τις μικρότερες καθορισμένες αναλογίες ακέραιων αριθμών για τα στοιχεία στην εξεταζόμενη χημική ένωση. 4.3. Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ 4.3.1. Εισαγωγή στην Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ Οι ακτίνες-χ ανακαλύφθηκαν από τον Wilhelm Conrad Röntgen το 1895. Αρχικά, η φύση της ακτινοβολίας ήταν άγνωστη ενώ στη συνέχεια, διαπιστώθηκε ότι οι ακτίνες Χ συμπεριφέρονται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία., όπως το φως. Τα πειράματα του Charles Glover Barkla έδειξαν ότι οι ακτίνες Χ σχετίζονται με φαινόμενα που οφείλονται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως η εγκάρσια πόλωση και οι φασματικές γραμμές παρόμοιες με εκείνες που εμφανίζονται στην περιοχή των ορατών μηκών κυμάτων. Ο Arnold Sommerfeld υπολόγισε το μήκος κύματος των ακτινών-χ περίπου στο 1 Angstrom. Ο Albert Einstein εισήγαγε την έννοια φωτόνιο τo 1905 και στη συνέχεια ο Arthur Compton επιβεβαίωσε τη σωματιδιακή φύση των ακτίνων Χ παράγοντάς τες από ηλεκτρόνια. Οι ακτίνες ονομάζονται με το γράμμα «Χ» καθώς όταν ανακαλύφθηκαν αποτελούσαν ένα τελείως άγνωστο είδος ακτινοβολίας. Επίσης, έχουν και το όνομα του Röntgen, προς τιμή του που τις ανακάλυψε (ακτίνες Röntgen). Αποτελούν μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 58

με μήκος κύματος από 0.01 ως 10 nm και βρίσκονται ανάμεσα στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV) και στις ακτίνες γ (Gamma rays). Οι ακτίνες Χ διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την τιμή του μήκους κύματος. Οι μαλακές ακτίνες Χ έχουν μήκος κύματος από 0.10 μέχρι 10 nm, ενώ οι σκληρές (λόγω διεισδυτικής ικανότητας) από 0.01 μέχρι 0.10 nm. Η παραγωγή ακτίνων επιτυγχάνεται με επιτάχυνση και πρόσπτωση ηλεκτρονίων με μεγάλη ταχύτητα σε μεταλλικό στόχο υψηλού ατομικού αριθμού. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόνια του μεταλλικού στόχου αποκτούν ενέργεια λόγω κρούσης καταλαμβάνοντας θέσεις σε τροχιακά υψηλότερης ενέργειας και κατά την αποδιέγερσή τους παράγονται φωτόνια ακτίνων Χ. Στις μέρες μας, η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τις δομές ποικίλων και πολύπλοκων μορίων, συμπεριλαμβανομένων των ανόργανων ενώσεων, των νουκλεϊκών οξέων (DNA και RNA) και των πρωτεϊνών, καθώς είναι η μόνη που μπορεί να δώσει αξιόπιστες πληροφορίες για: α) τις ενδομοριακές αποστάσεις ατόμων ή ιόντων, β) τις γωνίες δεσμών, γ) τη διάταξη των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα, δ) τη διαμόρφωση των ομάδων ατόμων στο χώρο, και ε) τη στοιχειομετρία της κρυσταλλικής ένωσης. 4.3.2. Το κρυσταλλικό πλέγμα Κάθε κρύσταλλος αποτελεί μια τρισδιάστατη διάταξη βασικών μονάδων, η οποία είναι γνωστή ως κρυσταλλικό πλέγμα. Η επαναλαμβανόμενη βασική μονάδα ονομάζεται μοναδιαία κυψελίδα (unit cell) και είναι η μικρότερη και απλούστερη τρισδιάστατη μονάδα. Οπότε, στο εσωτερικό ενός κρυστάλλου επικρατεί μια οργάνωση επαναλαμβανόμενων ισαπεχόντων παράλληλων επίπεδων του ίδιου είδους ατόμων ή μορίων (επανάληψη όμοιων μοναδιαίων κυψελίδων) (Σχήμα 4.2.) 59. Σχήμα 4.2. Απεικόνιση μοναδιαίας κυψελίδας σε κρυσταλλικό υλικό

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Τα επίπεδα αυτά μπορούν να δράσουν ως επιφάνειες ανάκλασης των ακτίνων Χ. Όταν οι ακτίνες Χ ανακλώνται από τα επίπεδα αυτά, αναδύεται ένα διάγραμμα περίθλασης, το οποίο μπορεί να καταγραφεί πάνω σε μια φωτογραφική πλάκα ως μια σειρά από κηλίδες και να αναλυθεί. Σχήμα 4.3. Καταγεγραμμένο διάγραμμα περίθλασης ακτίνων-χ πάνω σε μια φωτογραφική πλάκα ως μια σειρά από κηλίδες Με ανάλυση του διαγράμματος περίθλασης, μπορούν να προσδιοριστούν οι θέσεις όλων των ατόμων στη μοναδιαία κυψελίδα του κρυστάλλου. Ο ορισμός μοναδιαίας κυψελίδας πραγματοποιείται με τον προσδιορισμό των εξής έξι παραμέτρων: α) των τριών ακμών της κυψελίδας (a, b, c), και β) των τριών γωνιών (α, β, γ). Ως α ορίζεται η γωνία μεταξύ των ακμών b και c, β είναι η γωνία μεταξύ των ακμών a και c, και τέλος, γ είναι η γωνία μεταξύ των ακμών a και b (Σχήμα 4.4). Σχήμα 4.4. Απεικόνιση της μοναδιαίας κυψελίδας με τις παραμέτρους ορισμού της. Υπάρχουν επτά βασικά σχήματα μοναδιαίων κυψελίδων, από τα οποία απορρέουν επτά κρυσταλλικά συστήματα. Επιπλέον, υπάρχουν επτά κύριοι τύποι μοναδιαίων κυψελίδων που μαζί με τις επτά δομές πλέγματος συνιστούν τα δεκατέσσερα πλέγματα Bravais (Σχήμα 4.5). Στην κρυσταλλογραφία, πλέγμα Bravais (από τον Auguste Bravais) είναι ένα άπειρο σύνολο 60

σημείων που δημιουργείται από ένα διακριτό σύνολο διαδικασιών ολίσθησης (translation operations). Κάθε ένα από τα 14 πλέγματα περιγράφει ευδιάκριτα ένα τύπο κρυσταλλικού πλέγματος. Σχήμα 4.5. Απεικόνιση των δεκατεσσάρων πλεγμάτων Bravais. 4.3.3. Ο Νόμος του Bragg Στην κρυσταλλογραφία, ο νόμος του Bragg χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της δομής του κρυσταλλικού υλικού, βάσει της γωνίας σκέδασης της ακτίνας από τα άτομα. Συγκεκριμένα, ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης, τα κύματα των ακτίνων Χ είτε βρίσκονται σε φάση και αλληλοενισχύονται, είτε δε βρίσκονται σε φάση και αποσβένονται. Επομένως, η περίθλαση ή ενισχυτική συμβολή κυμάτων συμβαίνει μόνον όταν τα κύματα είναι σε φάση, δηλαδή όταν τα μέγιστα (κορυφές) και τα ελάχιστα (κοιλάδες) του κύματος συμπίπτουν. Σε 61

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής αυτή την περίπτωση, τα κύματα υφίστανται ανάκλαση Bragg. Ο νόμος αυτός περιγράφεται με την εξής σχέση και φαίνεται στο σχήμα 4.6: όπου: n= ένας ακέραιος αριθμός λ= μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας d= απόσταση των επιπέδων του πλέγματος θ= γωνία προσπίπτουσας ακτινοβολίας (γωνία Bragg) Σχήμα 4.6: Σχηματική παράσταση του νόμου Bragg 4.3.4. Προσδιορισμός της κρυσταλλικής δομής με Περίθλαση Ακτίνων - Χ Ο προσδιορισμός της δομής ενός κρυστάλλου γίνεται με τη βοήθεια ενός οργάνου που ονομάζεται περιθλασίμετρο (Diffractometer). Το περιθλασίμετρο αποτελείται από μια πηγή ακτινοβολίας ακτίνων-χ, ένα μηχανισμό στρέψης του κρυστάλλου, ένα σύστημα ανίχνευσης και έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή για τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων. 1 Για την παραγωγή μονοχρωματικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ χρησιμοποιείται ένας σωλήνας παραγωγής ακτίνων-χ που φέρει λυχνία βολφραμίου υψηλής εκκενώσεως. Αφού παράγονται οι ακτίνες Χ, ευθυγραμμίζονται περνώντας μέσα από μικρό άνοιγμα ενός διαφράγματος που απορροφά σε μεγάλο βαθμό τις ακτίνες Χ (π.χ. διάφραγμα μολύβδου). Στη συνέχεια, προσπίπτουν πάνω στο δείγμα, το οποίο περιστρέφεται με τη βοήθεια ενός γωνιομέτρου. Η στρέψη γίνεται μέχρι να υπάρξει περίθλαση που να ικανοποιεί την εξίσωση του Bragg. Η περίθλαση ακτίνων-χ οδηγεί σε ένα διάγραμμα περίθλασης, το οποίο μπορεί να καταγραφεί πάνω σε μια φωτογραφική πλάκα ως μια σειρά από κηλίδες (Σχήμα 4.3). Οι σκοτεινές περιοχές του φωτογραφικού film οφείλονται σε ακτίνες Χ υψηλής έντασης που προκαλούνται από ενισχυτική συμβολή αυτών, ενώ οι φωτεινές περιοχές οφείλονται σε ακτίνες Χ χαμηλής έντασης που προκαλούνται από 62

ακτίνες που συμβάλλουν αποσβεστικά. Τέλος, τα δεδομένα από τον ανιχνευτή οδηγούνται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, όπου και επεξεργάζονται. Με αυτή τη διαδικασία επιλύεται η δομή του κρυστάλλου και απεικονίζεται παρακάτω: Σχήμα 4.7 Σχηματική διάταξη κρυσταλλογραφίας ακτίνων-χ 63

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.4. Φασματοσκοπικές μέθοδοι προσδιορισμού και ταυτοποίησης υλικών 4.4.1. Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία Κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (Σχήμα 4.8) εμφανίζονται διάφοροι τύποι ακτινοβολιών, όπως οι ακτίνες γ, οι ακτίνες Χ, η υπεριώδης ακτινοβολία, η υπέρυθρη ακτινοβολία, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα. Το ορατό φως είναι ένα μικρό τμήμα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και είναι το μόνο που γίνεται οπτικά αντιληπτό από τον άνθρωπο. 2 Σχήμα 4.8 Απεικόνιση ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Οι διάφοροι τύποι ακτινοβολίας αντιστοιχούν σε ταλαντώσεις ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Η ενέργεια του κάθε τύπου ακτινοβολίας είναι κβαντισμένη, δηλαδή χωρίζεται σε μικρές αυτοτελείς ποσότητες ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Ένα μόριο απορροφά μια ακτινοβολία όταν η ενέργεια αυτής ισοδυναμεί με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των κβαντισμένων σταθμών ενέργειας που αντιστοιχούν στις διάφορες καταστάσεις του μορίου. Δηλαδή αν ΔΕ είναι η διαφορά ενέργειας τότε ισχύει: όπου: h = η σταθερά Plank = 6.623. 10-27 J. s -1 c = η ταχύτητα του φωτός (m. s -1 ) λ = το μήκος κύματος ακτινοβολίας (m) Κάθε τύπος ακτινοβολίας όταν προσπίπτει σε ένα μόριο μπορεί να έχει και διαφορετικές επιπτώσεις, ανάλογα με τη συχνότητά της. Η επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου (που είναι 64

συστατικό της ακτινοβολίας) στο εκάστοτε μοριακό σύστημα, έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη: α) της φασματοσκοπίας περιστροφής ή δόνησης, δηλαδή της φασματοσκοπίας υπερύθρου (FT-IR spectroscopy), και β) της ηλεκτρονικής φασματοσκοπίας, δηλαδή της φασματοσκοπίας υπεριώδους-ορατού (UV-Visible spectroscopy). Η επίδραση του μαγνητικού πεδίου σε συγκεκριμένο μοριακό σύστημα μελετάται από α) τη φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR spectroscopy), και β) τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR spectroscopy). Οι φασματοσκοπίες υπερύθρου, υπεριώδους-ορατού, πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και η φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού θα εξεταστούν παρακάτω. 65

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.4.2. Φασματοσκοπία Υπερύθρου 4.4.2.1. Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία Υπερύθρου Η φασματοσκοπία υπερύθρου (Infrared, IR) είναι μια από τις φασματοσκοπικές μεθόδους που χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση της μοριακής σύστασης και ταυτοποιήσεως οργανικών ενώσεων. 3,4,5 Η αξία της φασματοσκοπίας υπερύθρου αποδίδεται σε πολλούς λόγους, όπως α) στο μικρό χρόνο μετρήσεως, β) στη μικρή ποσότητα δείγματος, γ) στις ήπιες συνθήκες και δ) γενικά στη μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία. 6 Η περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας βρίσκεται δίπλα στην περιοχή του ορατού φωτός προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Η υπέρυθρη ακτινοβολία κυμαίνεται από 750 ως 10 6 nm και το τμήμα αυτό αντιστοιχεί σε συχνότητες από 300 10 9 Hz ως 400 10 12 Hz. Η περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας χωρίζεται στις εξής υπό-περιοχές: α) στο εγγύς υπέρυθρο (Near-IR) μεταξύ 750 nm και 2500 nm, β) στο μέσο υπέρυθρο (Mid-IR) μεταξύ 2500 nm και 25000 nm, που είναι και η συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη περιοχή στη χημεία και τις επιστήμες γενικότερα, και γ) στο άπω υπέρυθρο (Far-IR) μεταξύ 25000 nm και 10 6 nm. Ο κύριος στόχος της φασματοσκοπίας υπερύθρου είναι να προσδιορίσει τις διάφορες λειτουργικές ομάδες που υπάρχουν στο μόριο μιας εξεταζόμενης ένωσης (δείγμα), καθόσον αυτές απορροφούν σε χαρακτηριστικές συχνότητες δόνησης. H μέθοδος αυτή, μπορεί να προσδιορίσει ένα ευρύ φάσμα οργανικών και ανόργανων ουσιών και στις τρεις φυσικές καταστάσεις: στερεά, υγρή και αέρια. Για να επιτευχθεί ο προσδιορισμός των λειτουργικών αυτών ομάδων, αναπτύσσονται πειραματικές προσεγγίσεις που στηρίζονται στο συνδυασμό προχωρημένης οργανολογικής υποδομής (hardware) και κατάλληλων λογισμικών (software). Οι θέσεις απορρόφησης δονήσεων της υπέρυθρης ακτινοβολίας δίνονται γενικά είτε ως κυματαριθμοί (ṽ) είτε ως μήκη κύματος (λ). Ο κυματαριθμός (wavenumber) ορίζει τον αριθμό των κυμάτων ανά μονάδα μήκους και είναι ευθέως ανάλογος της συχνότητας, αλλά και της ενέργειας της απορρόφησης. Η μονάδα μέτρησης του κυματαριθμού είναι το cm -1. Αντίθετα, το μήκος κύματος (wavelength) είναι αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας και η μονάδα μέτρησης του μήκους κύματος είναι το nm. Οι πληροφορίες για την απορρόφηση υπερύθρου παρουσιάζονται γενικά με τη μορφή ενός φάσματος (Σχήμα 4.9), όπου στον χ-άξονα καταγράφεται το μήκος κύματος ή ο κυματαριθμός, ενώ στον ψ-άξονα καταγράφεται η ένταση της απορρόφησης (Absorbance) (%Α) ή το ποσοστό 66

διαπερατότητας (Transmittance) (%Τ). Τα φασματόμετρα υπερύθρου, επιτρέπουν στους ερευνητές να πάρουν φάσματα απορρόφησης των ενώσεων, τα οποία αντανακλούν τη δονητική κατάσταση και μέσω αυτής τη μοριακή τους δομή. 18 17 16 15 14 13 12 11 %T 10 9 8 7 6 5 4 3 2 4000 3500 3000 2500 2000 Wav enumbers (cm-1) 1500 1000 500 Σχήμα 4.9: Το FT-IR φάσμα του νιτρικού αργιλίου Al(NO 3 ) 3 4.4.2.2. Η θεωρεία των δονήσεων Ο δονούμενος δεσμός μεταξύ δύο ατόμων Α και Β μπορεί να προσομοιωθεί με σύστημα αρμονικού ταλαντωτή. Τα άτομα και ο χημικός δεσμός μπορούν να παρασταθούν με σφαίρες μάζας m Α και m Β και ελατήριο, αντίστοιχα. Όταν οι Μ α και Μ β απομακρύνονται από τη θέση ισορροπίας τους, εκτελείται αρμονική ταλάντωση με συχνότητα δόνησης που δίνεται από την εξίσωση: όπου: f= σταθερά ελατηρίου μ= ανηγμένη μάζα, η οποία δίνεται από τους παρακάτω τύπους: ή όπου Μ α και Μ β οι μάζες των δύο σωμάτων. 67

(scissoring) ή λικνιζόμενη (rocking) ή παλλόμενη (wagging) ή συστρεφόμενη (twisting). 3,4,5 68 Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η ενέργεια του αρμονικού ταλαντωτή μπορεί να έχει μόνο ορισμένες τιμές ενέργειας Ε: Συνεπώς, η ενέργεια ενός αρμονικού ταλαντωτή μπορεί να είναι μόνο ακέραια πολλαπλάσια του 1/2hν. Οι διακριτές δονητικές καταστάσεις ενός διατομικού μορίου φαίνονται στο Σχήμα 4.10.Α (φυλλάδιο φασμάτων σελ. 32). Παρόλα αυτά, στα πραγματικά μόρια οι δονήσεις δεν είναι απόλυτα αρμονικές και η μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του συστήματος σε σχέση με την απόσταση δεν είναι παραβολή, αλλά είναι η καμπύλη του Morse (Σχήμα 4.10.Β). 1,5,7,8 Α Β Σχήμα 4.10 Α. Διακριτές δονητικές καταστάσεις ενός διατομικού μορίου (αρμονικός ταλαντωτής). Β. Διακριτές δονητικές καταστάσεις ενός μη αρμονικού ταλαντωτή 4.4.2.3. Η φασματοσκοπία των δονήσεων Τα φάσματα υπερύθρου (ΙR) οφείλονται σε διεγέρσεις ανάμεσα σε διάφορες στάθμες δονήσεως και περιστροφής του μορίου. Αν αποκλειστούν η μεταφορική και η περιστροφική κίνηση του μορίου, τότε απομένουν δυο είδη κινήσεων που μπορούν να εκτελέσουν τα άτομα του μορίου: α) τη δόνηση ή την ταλάντωση τάσεως (Stretching vibration), και β) τη δόνηση κάμψεως ή την ταλάντωση κάμψεως (Deformation or Bending vibration). 7 Οι δονήσεις τάσεως, που απεικονίζονται στο Σχήμα 4.11, λαμβάνουν χώρα κατά μήκος του χημικού δεσμού που συνδέει τα δονούμενα άτομα και αλλάζει η απόσταση μεταξύ τους. Η δόνηση τάσεως μπορεί να είναι είτε συμμετρική είτε αντισυμμετρική. Στις δονήσεις κάμψεως, που απεικονίζονται στο Σχήμα 4.12, αλλάζει η γωνία μεταξύ των δύο δεσμών και η δόνηση μπορεί να είναι ψαλιδοειδής

Σχήμα 4.11: Δονήσεις τάσεως α) αντισυμμετρική και β) συμμετρική Σχήμα 4.12: Δονήσεις κάμψεως α) ψαλιδοειδής, β) λικνιζόμενη, γ) συστρεφόμενη και δ) παλλόμενη Ένα μόριο θα απορροφήσει υπέρυθρη ακτινοβολία μόνο όταν η διπολική ροπή του μορίου θα μεταβληθεί κατά τη διάρκεια της δόνησης. Στην περίπτωση που ένας δεσμός δεν εμφανίζει διπολική ροπή, ο τρόπος που δονείται θεωρείται ανενεργός στην περιοχή του υπέρυθρου IR (δηλαδή δεν απορροφούν ενέργεια). Συνεπώς, όλες οι συμμετρικές ενώσεις (Η 2, Cl 2 ) που δεν εμφανίζουν μεταβολή της διπολικής ροπής τους, δεν απορροφούν στο υπέρυθρο. Οι δονήσεις των ενώσεων αυτών καλούνται ανενεργές ή/και απαγορευμένες δονήσεις και εμφανίζονται σε φάσματα Raman. Η χαρακτηριστική συχνότητα δόνησης ενός δεσμού μεταξύ δύο ατόμων ή ομάδων ατόμων καθορίζεται από τα άτομα που παίρνουν μέρος στο δεσμό, από την ισχύ του δεσμού και από την επίδραση δεσμών υδρογόνου. Επιπλέον, παρατηρούνται μετατοπίσεις, στις χαρακτηριστικές συχνότητες των δραστικών ομάδων, ιδίως κατά την προσθήκη υποκαταστατών, οι οποίες οφείλονται σε: α) ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις μέσα στο μόριο, που προέρχονται από φαινόμενα συζυγίας ή επαγωγικά φαινόμενα ή φαινόμενα συντονισμού, και β) στερεοχημικές παρεμποδίσεις. 3,4,5 Στον Πίνακα 4.1 εμφανίζονται επιλεγμένες χαρακτηριστικές απορροφήσεις διαφόρων ομάδων. 69

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Πίνακας 4.1 Επιλεγμένες χαρακτηριστικές απορροφήσεις διαφόρων ομάδων. Ομάδα Συχνότητα ṽ (cm -1 ) Ομάδα Συχνότητα ṽ (cm -1 ) Ο-Η 3550-3650 C-O-C 1000-1300 Ο-Η (συζευγμ.) 3200-3550 C N 2200-2260 N-H 3300-3500 C=N 1620-2660 C-H 3200-3300 S=O 1300-1400 =C-H 3000-3100 C-F 100-1100 C C 2100-2250 C-Cl 800-850 C=C 1620-1680 C-Br 500-680 C=C (αρωμ) 1580-1610 C-I 200-500 C-H 2850-2960 -NO 2 1550-1570 C=C=O 2100-2150 1320-1360 Ο αριθμός απορροφήσεων που παρατηρείται μπορεί να μειωθεί από τη μοριακή συμμετρία, τους περιορισμούς των φασματομέτρων, και τους επιλεγμένους φασματοσκοπικούς κανόνες. 9 Όταν εξετάζεται ένα μόριο που εμφανίζει υψηλή συμμετρία, τότε μπορεί να δει κανείς ότι δύο ή περισσότερες δονήσεις ταυτίζονται και απορροφούν στην ίδια συχνότητα. Όταν δύο τρόποι δόνησης ταυτίζονται, η δόνηση λέγεται διπλά εκφυλισμένη. Η δονητική αυτή συμπεριφορά είναι σαφώς πολύπλοκη. Η πολυπλοκότητα μπορεί να αυξηθεί, εξαιτίας των συχνοτήτων κάποιων δονήσεων που βρίσκονται πολύ κοντά η μια στην άλλη, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατος ο διαχωρισμός τους. Αντιθέτως, ο αριθμός των παρατηρούμενων απορροφήσεων μπορεί να αυξηθεί με πρόσθετες αλληλεπιδράσεις που α) οδηγούν στην παραμόρφωση της δομής, β) μειώνουν τη μοριακή συμμετρία, και γ) αίρουν τον εκφυλισμό. 70

4.4.2.4. Η τεχνική της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Μια από τις σπουδαιότερες και πιο αξιόπιστες τεχνικές στη φασματοσκοπία υπερύθρου είναι η φασματομετρία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR), η οποία προσφέρει τη δυνατότητα α) διάκρισης των διαφόρων χαρακτηριστικών ομάδων, β) διαπίστωσης της ύπαρξης δεσμών υδρογόνου, και γ) ελέγχου της καθαρότητας διαφόρων ουσιών. 6 Η τεχνική Fourier- Transform (FT-IR) είναι η συχνότερη, η πιο σύγχρονη και η δημοφιλέστερη τεχνική λήψης υπέρυθρου φάσματος. Με την τεχνική αυτή καταγράφονται πολλαπλές σαρώσεις του φάσματος, στις οποίες δημιουργείται και μια δέσμη από ορατή ακτινοβολία ταυτόχρονα με τη δέσμη της ακτινοβολίας. Η δέσμη ορατής ακτινοβολίας παράγεται από laser. Η ακτινοβολία laser παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα: α) έχει μεγάλη ένταση β) έχει μικρή διατομή γ) δεν αλληλεπιδρά με τη δέσμη του οργάνου, αφού οι συχνότητες αυτές είναι αρκετά απομακρυσμένες μεταξύ τους. δ) δρα ως οδηγός ελέγχου λειτουργίας του συμβολόμετρου Michelson Τα φασματόμετρα υπερύθρου κατηγοριοποιούνται σε δύο ομάδες: α) απλής δέσμης, και β) διπλής δέσμης. Ένα φασματόμετρο υπερύθρου απλής δέσμης περιλαμβάνει: 1. Μια πηγή ακτινοβολίας σταθερής ισχύος. 2. Έναν επιλογέα μήκους κύματος για την απομόνωση της επιθυμητής ακτινοβολίας, η οποία γίνεται με μονοχρωμάτορα. 3. Κυψελίδες, από NaCl, όπου τοποθετούνται τα δείγματα. 4. Ανιχνευτή ακτινοβολίας, ο οποίος συνήθως είναι θερμοζεύγος ή θερμοηλεκτρική στήλη ή βολτόμετρο, που μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό. 5. Ένα σύστημα μετρήσεως, το οποίο συνήθως περιλαμβάνει ενισχυτή σήματος και όργανο αναγνώσεως. Το δείγμα, στα φασματόμετρα υπερύθρου (Σχήμα 4.13), τοποθετείται μετά το μονοχρωμάτορα για να αποφευχθεί η αποσύνθεση ορισμένων ενώσεων κατά την έκθεση του δείγματος στην ισχυρή υπεριώδη ακτινοβολία. 71

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Σχήμα 4.13 Φασματόμετρο υπερύθρου FT-IR Στις περισσότερες περιπτώσεις καταγραφής φάσματος για τις περισσότερες ανόργανες και οργανικές ενώσεις, το δείγμα μας βρίσκεται στη στερεή κατάσταση. Συγκεκριμένα, το δείγμα λειοτριβείται παρουσία κάποιου ξηρού άλατος (KBr) σε ποσοστό μάζας 0.5-1.0% μέχρι να σχηματιστεί ένα ομοιόμορφο μίγμα. Το μίγμα αυτό υποβάλλεται σε πίεση με τη βοήθεια μηχανικής πρέσας προς σχηματισμό σταθερού δισκίου (pellet). Το δισκίο τοποθετείται στην κυψελίδα του φασματόμετρου και καταγράφεται η διερχόμενη ακτινοβολία. Τέλος, το λαμβανόμενο σήμα (συμβολόγραμμα) επεξεργάζεται με μετασχηματισμό Fourier για να πάρουμε το τελικό φάσμα. 4.4.3. Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV Visible spectroscopy) 4.4.3.1. Εισαγωγή στη φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού Η φασματοσκοπία UV Visible είναι η φασματοσκοπία απορρόφησης που αναφέρεται τόσο στην υπεριώδη όσο και στην ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, δηλαδή από 200 έως 400 nm και από 400 έως 800 nm, αντίστοιχα. Τα μήκη κύματος που θεωρούνται ως ιδιαίτερα χρώματα στην ορατή περιοχή του φάσματος παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.14. Αν και το φως του ήλιου (ή το λευκό φως) θεωρείται ομοιόμορφο ή ομοιογενές ως προς το χρώμα, στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος ακτινοβολίας, που εκτείνεται από την υπεριώδη μέχρι την ορατή και την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. 72

Σχήμα 4.14 Η ανάλυση του λευκού φωτός, τα μήκη κύματος και οι συχνότητες που αντιστοιχούν σε κάθε χρώμα (Βιολετί: 400-420 nm Ιώδες: 420-440 nm Μπλε: 440-490 nm Πράσινο: 490-570 nm Κίτρινο: 570-585 nm Πορτοκαλί: 585-620 nm Κόκκινο: 620-780 nm). Όταν δέσμη λευκού φωτός (400-800 nm) πέσει σε ένα σώμα και ανακλαστεί πλήρως, τότε το σώμα θα εμφανισθεί ως λευκό. Όταν, όμως, κάποιο μέρος της ακτινοβολίας διαπερνά μια χρωματισμένη ουσία, απορροφάται (αφαιρείται) ένα μέρος της φωτεινής ακτινοβολίας και εκπέμπεται η συμπληρωματική ακτινοβολία της αρχικής. Αυτή η σχέση απεικονίζεται στο παρακάτω Σχήμα 4.15. Η συμπληρωματική ακτινοβολία έχει μήκος κύματος (χρώμα) διαμετρικά αντίθετο από το μήκος κύματος της απορροφώμενης ακτινοβολίας, δηλαδή η απορρόφηση φωτός με μήκος κύματος 420-430 nm καθιστά μια ουσία κίτρινη, και η απορρόφηση φωτός στα 500-520 nm την κάνει κόκκινη. Αν, όμως, το φως απορροφηθεί ολοκληρωτικά, τότε το σώμα θα εμφανισθεί ως μαύρο. Το τμήμα του μορίου που απορροφά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ονομάζεται χρωμοφόρο. Σχήμα 4.15 Διάταξη χρωμάτων (μήκος κυμάτων) βάσει της συμπληρωματικότητάς τους. Η τεχνική αυτή στηρίζεται στη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη με απορρόφηση ενέργειας καθώς και στην αποδιέγερσή του, δηλαδή στην επιστροφή του στην αρχική ενεργειακή κατάσταση. Η απορρόφηση της ενέργειας γίνεται με την απορρόφηση ακτινοβολίας συγκεκριμένης ενέργειας (hν), η οποία είναι ίση με τη διαφορά 73

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ενέργειας των δύο ενεργειακών σταθμών μεταξύ των οποίων λαμβάνει χώρα η ηλεκτρονική μετάπτωση. Η ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένο μήκος κύματος (λ) και συχνότητα (ν). 4.4.3.2. Ο Νόμος του Lambert-Beer Τα φάσματα υπεριώδους-ορατού απεικονίζονται ως μεταβολές της απορρόφησης Α ή της επί τοις εκατό διαπερατότητας (%Τ) ή του μοριακού συντελεστή απόσβεσης ε, σε συνάρτηση με το μήκος κύματος λ. Αυτό πραγματοποιείται με τη μέτρηση της μεταβολής της έντασης (Ι) ή της ισχύος (Ρ) της ακτινοβολίας. Κατά την πρόσπτωση ακτινοβολίας υπεριώδους-ορατού σε διάλυμα, που περιέχει μια διαλυμένη ουσία (αναλύτης), παρατηρείται απορρόφηση μέρους της ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα η εκπεμπόμενη ακτινοβολία να έχει μικρότερη ένταση από την προσπίπτουσα. Η παρατηρούμενη ελάττωση της ακτινοβολίας είναι αποτέλεσμα: α) της συγκέντρωσης της ουσίας που απορροφάει (c) και της απόστασης (b) που διάνυσε η προσπίπτουσα ακτινοβολία μέσα στο διάλυμα, δηλαδή το μήκος της κυψελίδας. Η μαθηματική σχέση που συνδέει όλα τα παραπάνω εκφράζεται μέσω του νόμου του Lambert- Beer: Α= ε b c όπου: Α: η μετρούμενη απορρόφηση Ι ο : η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας για δεδομένο μήκος κύματος λ Ι: η ένταση ακτινοβολίας που εκπέμπεται b: η οπτική διαδρομή της ακτινοβολίας μέσω του δείγματος, cm c: η συγκέντρωση της υπό μελέτη ουσίας, mol/l ε: ο μοριακός συντελεστής απόσβεσης (Μ -1. cm -1 ). Η σταθερά αυτή αποτελεί χαρακτηριστική ιδιότητα του αναλύτη για δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. 4.4.3.3. Η θεωρεία των ηλεκτρονικών μεταπτώσεων Η φασματοσκοπία UV Visible στηρίζεται στη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους από τη θεμελιώδη κατάσταση σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη (διεγερμένη κατάσταση) με απορρόφηση ενέργειας, καθώς και στην αποδιέγερσή του, δηλαδή στην επιστροφή του στην αρχική ενεργειακή κατάσταση με ταυτόχρονη εκπομπή ακτινοβολίας. Οι κυριότεροι τύποι ηλεκτρονικών διεγέρσεων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.16). Η διέγερση απορρόφησης αντιστοιχεί στην ανύψωση ενός ηλεκτρονίου από τη βασική 74

(δεσμική (bonding) ή την αδεσμική (non-bonding)) κατάσταση στην αντιδεσμική (anti-bonding). Υπάρχουν έξι δυνατές διεγέρσεις που αντιστοιχούν στην περιοχή μήκους κύματος από 200 to 800 nm. Σχήμα 4.16: Οι κυριότεροι τύποι ηλεκτρονικών διεγέρσεων Το ηλεκτρονικό φάσμα μιας ένωσης συναρμογής παρουσιάζει έντονες και σημαντικές διαφορές από το φάσμα κοινών οργανικών ενώσεων. Οι μεταπτώσεις σ σ*, n σ*, n π* και π π* παρατηρούνται μόνο σε φάσματα απλών οργανικών ενώσεων ενώ οι d-d μεταπτώσεις και οι ταινίες μεταφοράς φορτίου παρατηρούνται σε σύμπλοκες ενώσεις μεταβατικών στοιχείων. Με άλλα λόγια, στην περίπτωση των ενώσεων συναρμογής, το ηλεκτρόνιο θα μεταβεί από το κατειλημμένο μοριακό τροχιακό με την υψηλότερη ενέργεια (HOMO) στο επόμενο τροχιακό, το οποίο είναι το κενό τροχιακό με τη χαμηλότερη ενέργεια (LUMO). Οι πιο πιθανές ηλεκτρονικές διεγέρσεις και συναφείς μεταπτώσεις παρουσιάζονται πιο κάτω: σ σ* μεταπτώσεις: Οι σ σ* μεταβάσεις παρουσιάζονται στα πιο χαμηλά μήκη κύματος και απαιτείται μεγάλο ποσό ενέργειας για να πραγματοποιηθεί η διέγερση n σ* μεταπτώσεις: Οι ενώσεις που αποτελούνται από άτομα με μη δεσμικά ηλεκτρόνια, παρουσιάζουν μεταβάσεις n σ*. Οι μεταβάσεις αυτές εμφανίζονται στο υπεριώδες φάσμα και συγκεκριμένα στην περιοχή από 150 έως 250 nm n π* και π π* μεταπτώσεις: Οι μεταβάσεις αυτές, εμφανίζονται στο υπεριώδες φάσμα, με τις n π* (λ max = 290 nm) να απαιτούν λιγότερη ενέργεια από τις μεταβάσεις π π* (λ max = 180 nm). 75

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής d-d μεταπτώσεις: Είναι η μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από ένα d τροχιακό ενός μεταβατικού μετάλλου σε ένα άλλο. Αυτό επιτυγχάνεται μόνο με παρουσία υποκαταστάτη (ligand) καθώς μόνο τότε τα d τροχιακά έχουν διαφορετική ενέργεια, δεδομένου ότι απουσία υποκαταστάτη τα d τροχιακά είναι εκφυλισμένα (θεωρία κρυσταλλικού πεδίου). Ταινίες μεταφοράς φορτίου: Οι διαδικασίες είναι δυο ειδών, αναλόγως με το ποια ενεργειακή κατάσταση χαρακτηρίζεται ως αφετηρία και ποια ως το τέλος της διέγερσης. Στις περιπτώσεις ταινίας μεταφοράς φορτίου, παρουσιάζονται ισχυρές απορροφήσεις στην περιοχή του υπεριώδους με υψηλό μοριακό συντελεστή απορρόφησης ε (ε max = 10 3-10 4 cm -1. Μ -1 ). Οι ταινίες είναι οι εξής: Ταινίες μεταφοράς από τον υποκαταστάτη στο μέταλλο (Ligand-to-Metal Charge Transfer LMCT) Ταινίες μεταφοράς από το μέταλλο στον υποκαταστάτη (Metal-to-Ligand Charge Transfer MLCT) 4.4.3.4. Το φασματοφωτόμετρο Το όργανο που χρησιμοποιείται στη φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού ονομάζεται UV- Visible φασματοφωτόμετρο (Σχήμα 4.17). Ο ρόλος του οργάνου είναι να μετράει την ένταση της ακτινοβολίας που διέρχεται από το εξεταζόμενο δείγμα (Ι) και να την συγκρίνει με την ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο δείγμα (Ι ο ). Ο λόγος I/Ι ο ονομάζεται διαπερατότητα και εκφράζεται σε ποσοστό επί τοις εκατό (% Τ). Ένα φασματοφωτόμετρο μπορεί να είναι απλής ή διπλής δέσμης και τα βασικά τμήματα του είναι: 1. Η πηγή της ακτινοβολίας. Για την περιοχή του υπεριώδους χρησιμοποιείται συνήθως λυχνία δευτερίου, ενώ για την περιοχή του ορατού χρησιμοποιούνται λυχνίες πυρακτώσεως ή λυχνίες Nernst και λυχνίες Laser. 2. Ο μονοχρωμάτορας. Αποτελεί το σημαντικότερο τμήμα του φασματοφωτομέτρου, καθώς μετατρέπει την εκπεμπόμενη δέσμη ακτινοβολιών σε μονοχρωματική δέσμη ακτινοβολίας συγκεκριμένου μήκους κύματος. Ως μονοχρωμάτορες χρησιμοποιούνται είτε διαθλαστικά πρίσματα είτε ανακλαστικά φράγματα ή φράγματα διαπερατότητας. 3. Ο φωτοανιχνευτής. Δέχεται την ακτινοβολία που εξέρχεται από το διάλυμα, και αφού την ενισχύσει (με τη βοήθεια ενός ενισχυτή), τη μετατρέπει σε μορφή μεταβολής δυναμικού ηλεκτρικού ρεύματος για να «οδηγηθεί» στην έξοδο του οργάνου. Ως φωτοανιχνευτές 76

χρησιμοποιούνται τα φωτοκύτταρα, οι φωτοπολλαπλασιαστές, τα φωτοστοιχεία και οι φωτολυχνίες. 4. Η κυψελίδα. Περιέχει το προς μέτρηση έγχρωμο διάλυμα και είναι κατασκευασμένη από καθαρό χαλαζία. Η κυψελίδα έχει ορθογώνιο σχήμα και εσωτερικό πλάτος b = 1 cm (νόμος Lambert - Beer) 5. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής. Εμφανίζει με αναλογική ή ψηφιακή μορφή τις τιμές της απορρόφησης ή της διαπερατότητας. Σχήμα 4.17: Βασικά τμήματα ενός φασματοφωτομέτρου UV-Visible. 77

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.4.4. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός NMR 4.4.4.1. Εισαγωγή στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού είναι μια τεχνική, η οποία εκμεταλλεύεται τις μαγνητικές ιδιότητες συγκεκριμένων πυρήνων, με σκοπό να προσδιορίσει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των ατόμων ή των μορίων που περιέχουν τους συγκεκριμένους πυρήνες. Έτσι, το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μπορεί να δώσει ακριβείς πληροφορίες για τη δομή, τη δυναμική και το χημικό περιβάλλον των μορίων. 4.4.4.2. Η θεωρεία του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Η φασματοσκοπία NMR οφείλεται στη διέγερση μαγνητικών πυρήνων που βρίσκονται μέσα σε ισχυρό και ομογενές μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνητικοί πυρήνες χαρακτηρίζονται από την περιστροφή γύρω από τον άξονά τους και από τη μαγνητική ροπή μ που αποκτούν. Η μαγνητική ροπή ενός πυρήνα και η επίδραση που μπορεί να δεχθεί από ένα μαγνητικό πεδίο μπορούν να εξηγήσουν το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Η περιστροφή κάθε πυρήνα καθορίζεται από τις ιδιότητες περιστροφής των πρωτονίων και των νετρονίων που απαρτίζουν τον πυρήνα και εκφράζεται με τον κβαντικό αριθμό spin Ι. Όταν ένας πυρήνας έχει ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων ( 12 C, 16 O), τότε δεν περιστρέφεται και Ι=0. Στην περίπτωση που ένας πυρήνας έχει περιττό μαζικό αριθμό ( 1 H, 13 C, 15 N, 31 P), δηλαδή ο αριθμός των πρωτονίων είναι διαφορετικός από τον αριθμό των νετρονίων, περιστρέφεται και εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες. Ο κβαντικός πυρηνικός αριθμός spin I θα είναι διάφορος του μηδενός και θα παίρνει συγκεκριμένες τιμές Ι= 1/2, 1, 3/2,..., οι οποίες καθορίζονται από τη φύση κάθε πυρήνα. Εάν ο περιστρεφόμενος πυρήνας δε βρίσκεται εντός μαγνητικού πεδίου, το άνυσμα της στροφικής ορμής του πυρήνα μπορεί να έχει οποιοδήποτε προσανατολισμό, ενώ αν βρεθεί εντός ομογενούς μαγνητικού πεδίου, αποκτά και συγκεκριμένο αριθμό προσανατολισμών, ο οποίος είναι ίσος με 2Ι+1 (Σχήμα 4.18 α, β). 78

Σχήμα 4.18. Α. προσανατολισμός στροφορμής με εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Β. Είδη προσανατολισμών σε πυρήνα με Ι=1/2 Παραδείγματος χάριν, αν ένας πυρήνας υδρογόνου με Ι=1/2, τεθεί σε μαγνητικό πεδίο, το άνυσμα της στροφορμής του θα έχει 2 προσανατολισμούς σε σχέση με τη διεύθυνση του εξωτερικού πεδίου: α) ο παράλληλος προσανατολισμός με Ι=+1/2, και β )ο αντιπαράλληλος προσανατολισμό με Ι= -1/2. Η ενεργειακά προτιμότερη διευθέτηση είναι αυτή, για την οποία η γωνιακή στροφορμή είναι παράλληλη με το εφαρμοζόμενο πεδίο, ενώ η αντιπαράλληλη διευθέτηση έχει υψηλότερη ενέργεια. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων δίνεται από τη σχέση και στο Σχήμα 4.19: 79 Σχήμα 4.19 Στάθμες ενέργειας για πυρήνα (Ι=1/2) μέσα σε μαγνητικό πεδίο

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Το μέγεθος της μαγνητικής ροπής που παράγεται από περιστρεφόμενο πυρήνα διαφέρει από άτομο σε άτομο σύμφωνα με την εξίσωση: μ π = γ. ħ. I όπου: ħ = η σταθερά Planck διαιρεμένη με το 2π, δηλαδή ħ = h/2π Ι = κβαντικός αριθμός πυρηνικού spin γ = ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος και έχει χαρακτηριστική τιμή για κάθε πυρήνα Β 0 = η ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Το spin του πυρήνα δεν ευθυγραμμίζεται τέλεια κατά μήκος του εφαρμοζόμενου πεδίου Β ο, αλλά περιστρέφεται γύρω από το πεδίο με γωνιακή συχνότητα ω 0, η οποία ονομάζεται συχνότητα Larmor. H γωνιακή ταχύτητα δίνεται από τη σχέση ω 0 = γβ 0 και μετριέται σε rad. sec -1. Παρατηρούμε ότι η αύξηση ισχύος του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου επιφέρει αύξηση της γωνιακής συχνότητας. Η συγκεκριμένη αντιστοιχία αναπτύσσεται και μεταξύ της ενέργειας και του μαγνητικού πεδίου σύμφωνα με τις σχέσεις: ΔΕ = ħ. ω ο = ħ. γ. Β 0 Η διαφορά ενέργειας ΔΕ που αντιστοιχεί στις διεγέρσεις των πυρήνων είναι πολύ μικρή. Για το λόγο αυτό υπάρχει μια μικρή περίσσεια των πυρήνων που βρίσκονται στη βασική κατάσταση σε σχέση με τη διεγερμένη. Ο λόγος Ν upper /N lower ακολουθεί κατανομή Boltzmann. όπου: Ν: είναι ο αριθμός των πυρήνων στην αντίστοιχη κατάσταση spin γ: ο γυρομαγνητικός λόγος h: η σταθερά του Planck Β 0? το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο K: η σταθερά Boltzmann Τ: η θερμοκρασία Σε θερμοκρασία δωματίου ο λόγος Ν upper /N lower, είναι πολύ μικρός με αποτέλεσμα οι δυο ενεργειακές καταστάσεις να έχουν σχεδόν ίδιο αριθμό πυρήνων, με πολύ μικρή περίσσεια στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. 80

4.4.4.3. Χημικές μετατοπίσεις Σε κάθε μαγνητικό πυρήνα και σε σταθερό εξωτερικό ομογενές μαγνητικό πεδίο, η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των καταστάσεων spin καθορίζεται από τη μαγνητική ροπή του. Όλοι οι πυρήνες ενός ατόμου έχουν την ίδια μαγνητική ροπή, αλλά δεν έχουν τα ίδια σήματα συντονισμού και αυτό οφείλεται στη σύνδεσή τους με άλλα άτομα και πιο συγκεκριμένα στην ύπαρξη επιπλέον ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου που μελετάται. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια παρέχουν προστασία στον πυρήνα από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δημιουργώντας επαγωγικό πεδίο, το οποίο είναι αντίθετο του εφαρμοσμένου και έχει ισχύ Β Π = Β 0 (1-σ), όπου σ είναι ο παράγοντας χημικής μετατόπισης. Η μεγαλύτερη προστασία απαιτεί και μεγαλύτερη ισχύ εξωτερικού μαγνητικού πεδίου ώστε να επέλθει συντονισμός. 10 Κρίθηκε αναγκαία η δημιουργία μιας κλίμακας, η οποία είναι ανεξάρτητη από την ένταση του εφαρμοζόμενου πεδίου (B 0 ). Για αυτό το λόγο καθορίστηκε η παράμετρος δ, η οποία υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση και μετριέται σε Hz/MHz (ή ppm). όπου: Δ: η διαφορά συχνότητας συντονισμού (Hz) μεταξύ της μέτρησης του δείγματος και τη μέτρηση μιας πρότυπης ένωσης Δ 0 : η βασική συχνότητα λειτουργίας του οργάνου NMR (MHz) 4.4.4.4. Οργανολογία Υπάρχει μεγάλη ποικιλία οργάνων στη φασματοσκοπία NMR. Παρόλα αυτά, κάποια εξαρτήματα παραμένουν κοινά, όπως: α) ένας μαγνήτης που παρέχει μαγνητικό πεδίο (Β 0 ), β) συσκευές που παράγουν παλμό (Β 1 ) και λαμβάνουν το σήμα που προκύπτει, γ) ο ανιχνευτής σήματος (probe) όπου τοποθετείται το δείγμα, δ) συσκευές οι οποίες σταθεροποιούν το μαγνητικό πεδίο (Β 0 ) και βελτιστοποιούν το σήμα, και ε) ηλεκτρονικούς υπολογιστές για να ελέγχουν τη μέτρηση και να επεξεργάζονται το σήμα. Τα σύγχρονα μηχανήματα (Σχήμα 4.20.Α) για μετρήσεις πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού χρησιμοποιούν υπεραγώγιμο μαγνήτη και επεξεργάζονται το σήμα με μετασχηματισμό Fourier (FT-NMR). Οι συγκεκριμένοι μαγνήτες προσδίδουν υψηλή ευαισθησία αλλά και σταθερότητα στην τεχνική. Η ισχύς αυτών των μαγνητών κυμαίνεται από 3,5 έως 18,8 Τesla (Τ). Τα ισχυρά πεδία που παράγονται, έχουν ως αποτέλεσμα τον καλύτερο διαχωρισμό των παρατηρούμενων κορυφών, λόγω των χημικών μετατοπίσεων και του 81

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής γεγονότος ότι οι διαφορές μεταξύ των σημάτων αυξάνονται σε ισχυρότερα μαγνητικά πεδία. Ο μαγνήτης περικλείεται από μια διάταξη διπλού Dewar-jacket. Το εξωτερικό τμήμα της διάταξης περιέχει υγρό άζωτο και το εσωτερικό της τμήμα περιέχει υγρό ήλιο. Τα σωληνοειδή πηνία βρίσκονται βυθισμένα στο υγρό ήλιο έχοντας θερμοκρασία περίπου 4.2 0 Κ. Η συνολική διάταξη έχει τη μορφή κυλίνδρου με αξονική οπή διαμέτρου 53-89 mm (Σχήμα 4.20.Β). Σχήμα 4.20 Α. Συσκευή πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Β. Απεικόνιση του εσωτερικού του οργάνου NMR. Μια διάταξη εφαρμογής πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού σε πρωτεϊνικά δείγματα θα πρέπει να έχει και μια κονσόλα, η οποία θα περιέχει κανάλια πομπών (transmitter channels), τα οποία καθορίζουν τη συχνότητα και την ενίσχυση της ισχύος. Έτσι, το μαγνητικό πεδίο Β 1 που δημιουργείται από τον πομπό παίρνει τιμές από 1 έως 40 mt. Για να ολοκληρωθεί η διάταξη απαιτούνται: α) ένας ρυθμιστής θερμοκρασίας, β) μια πηγή ισχύος (shim coil power supply), και γ) ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Τέλος, υπάρχει η υποδοχή του δείγματος, η οποία διαφέρει ανάλογα με την κατάσταση του δείγματος, δηλαδή αν βρίσκεται σε υγρή ή στερεά κατάσταση. Συγκεκριμένα, στην πρώτη περίπτωση διαλύουμε την ουσία μας στον διαλύτη και τοποθετούμε το διάλυμα σε μακρύ και λεπτό σωλήνα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Στη δεύτερη περίπτωση, το δείγμα λειοτριβείται και τοποθετείται σε ρότορα (Σχήμα 4.21). 82

Σχήμα 4.21 Α. Υάλινος σωλήνας όπου τοποθετείται δείγμα υγρής κατάστασης Β. Ρότορας όπου τοποθετείται δείγμα στερεάς κατάστασης 83

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.5. Μαγνητικές Ιδιότητες Υλικών 4.5.1. Εισαγωγή στις Μαγνητικές Ιδιότητες των Υλικών Ο μαγνητισμός αποτελεί χαρακτηριστική ιδιότητα όλων των υλικών που περιέχουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Το ηλεκτρόνιο κατά την περιστροφή του γύρω από τον άξονά του παράγει μαγνητική ροπή, δηλαδή τη μαγνητική ροπή του spin. Επιπλέον, παράγεται μαγνητική ροπή όταν το ηλεκτρόνιο κινείται γύρω από τον πυρήνα. Αυτή είναι η τροχιακή μαγνητική ροπή. Ο συνδυασμός των δύο αυτών ροπών των ατόμων ενός υλικού οδηγεί στην ανάπτυξη των μαγνητικών του ιδιοτήτων. Οι μαγνητικές ιδιότητες εκφράζονται σε μαγνητόνες Bohr. Τα ηλεκτρόνια (που συνήθως παριστάνονται ως αρνητικά φορτισμένα σφαιρικά σωματίδια) παράγουν μαγνητικό πεδίο κάθετο στην κίνηση τους. Σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια έχουν ίση και αντίθετη γωνιακή ροπή με αποτέλεσμα να μην υπάρχει μαγνητική ροπή. Σε περίπτωση όμως που στο ζεύγος ηλεκτρονίων εφαρμοστεί μαγνητικό πεδίο εξωγενώς, τότε η ταχύτητα της κίνησης του ενός θα αυξηθεί, ενώ αντίστοιχα του άλλου θα μειωθεί. Η συμπεριφορά αυτή έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μαγνητικού διπόλου στο ζεύγος ηλεκτρονίων. Αντίθετα, η συμπεριφορά είναι πολύ διαφορετική στην περίπτωση που υπάρχει ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Στην περίπτωση αυτή, υπάρχει μόνιμο μαγνητικό πεδίο, καθόσον δεν υπάρχει δεύτερο ηλεκτρόνιο να εξουδετερώσει την ροπή. Έτσι, μονήρη ηλεκτρόνια παρουσιάζουν μαγνητικά δίπολα σε μόνιμη βάση. Οι διάφορες ενώσεις, με βάση τις μαγνητικές τους ιδιότητες, διακρίνονται σε διαμαγνητικές και παραμαγνητικές. Οι διαμαγνητικές ενώσεις έχουν την ιδιότητα να απωθούνται από το μαγνητικό πεδίο, ενώ οι παραμαγνητικές ενώσεις έλκονται από το μαγνητικό πεδίο. Γενικά, όλες οι ενώσεις που έχουν συμπληρωμένα τροχιακά από ηλεκτρόνια παρουσιάζουν την ιδιότητα του διαμαγνητισμού. Έτσι, δημιουργείται αντίθετο μαγνητικό πεδίο από το αρχικό εξωτερικό πεδίο που εφαρμόστηκε. Ο παραμαγνητισμός προέρχεται από το spin και την γωνιακή στροφορμή των ηλεκτρονίων. Αν όλα τα ηλεκτρόνια είναι σε ζεύγη, τότε το spin τους και η γωνιακή στροφορμή 84

αναιρούνται. Έτσι, ο παραμαγνητισμός εφαρμόζεται μόνο σε ενώσεις που έχουν μονήρη ηλεκτρόνια σε αντίθεση με τον διαμαγνητισμό. 4.5.2. Μαγνητική επιδεκτικότητα (Magnetic susceptibility) Όταν μια ένωση βρεθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο έντασης H, το μαγνητικό πεδίο Β μέσα στην ένωση δίνεται από τον ακόλουθο τύπο: 11 B=H+4. π. I όπου Ι= ένταση μαγνήτισης της ουσίας Η μαγνητική επιδεκτικότητα αντιπροσωπεύει το μέτρο της μαγνητικής συμπεριφοράς των υλικών. Αν το Β είναι μικρότερο από το H, τότε η ουσία χαρακτηρίζεται ως διαμαγνητική (απωθείται από το μαγνητικό πεδίο) και η επιδεκτικότητα είναι αρνητική. Σε αυτή την περίπτωση, η μαγνητική επιδεκτικότητα δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία και από την ισχύ του εξωτερικού πεδίου. Αντίθετα, αν το Β είναι μεγαλύτερο από τo H, η ουσία χαρακτηρίζεται ως παραμαγνητική (έλκεται από το μαγνητικό πεδίο) και η επιδεκτικότητα είναι θετική (Σχήμα 4.24). Σχήμα 4.24 Η συμπεριφορά των διαμαγνητικών και παραμαγνητικών υλικών παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Στα παραμαγνητικά υλικά, η μαγνητική επιδεκτικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: όπου C: η σταθερά Curie 85

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Η μαγνητική επιδεκτικότητα χ, σχετίζεται με τη μαγνητική ροπή μ σύμφωνα με την παρακάτω μαθηματική σχέση: όπου: k είναι η σταθερά Boltzmann (1.38. 10-23 J. K -1 ) Ν ο αριθμός Avogadro Οι πιο σημαντικές κινήσεις των ηλεκτρονίων είναι η στροφορμή των ηλεκτρονίων γύρω από τον άξονά τους και γύρω από τον πυρήνα. Αν στη βασική κατάσταση δεν υπάρχει εκφυλισμός τροχιακών τότε δεν υπάρχει τροχιακή συνεισφορά στη μαγνητική ροπή που αναπτύσσεται και η μαγνητική ροπή δίνεται από τη μαθηματική σχέση: όπου: S ολικός κβαντικός αριθμός του spin Αν, όμως, η βασική κατάσταση είναι τροχιακά εκφυλισμένη, τότε υπάρχει συνεισφορά στη μαγνητική ροπή και η περίπτωση αυτή είναι πιο περίπλοκη. Στην περίπτωση αυτή, η συνολική μαγνητική ροπή δίνεται από τη μαθηματική σχέση: όπου: S ο ολικός κβαντικός αριθμός του spin και L ο ολικός κβαντικός αριθμός της γωνιακής τροχιακής στροφορμής 4.5.3. Σιδηρομαγνητισμός και Αντισιδηρομαγνητισμός Οι ενώσεις, στις οποίες τα παραμαγνητικά κέντρα χωρίζονται το ένα από το άλλο με διαμαγνητικά άτομα (π.χ. υποκαταστάτες), χαρακτηρίζονται ως μαγνητικά αραιωμένα. Αν σ αυτή την περίπτωση, οι υποκαταστάτες ή άλλα διαμαγνητικά κέντρα απομακρυνθούν, τότε τα γειτονικά παραμαγνητικά κέντρα αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές προκαλούν: α) το σιδηρομαγνητισμό, δηλαδή τα γειτονικά μαγνητικά δίπολα προσανατολίζονται προς την ίδια κατεύθυνση, και β) τον αντισιδηρομαγνητισμό, δηλαδή τα γειτονικά μαγνητικά δίπολα προσανατολίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν ενισχυμένο παραμαγνητισμό. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται κυρίως στο σίδηρο και σε κράματα. Ο αντισιδηρομαγνητισμός συναντάται, όμως, πιο συχνά στις χημικές ενώσεις. Το φαινόμενο αυτό ελαττώνει την επιδεκτικότητα άρα 86

και τη μαγνητική ροπή της ένωσης. Παραδείγματα αντισιδηρομαγνητισμού είναι τα οξείδια των στοιχείων μετάπτωσης (π.χ. NiO) και τα μέταλλα, όπως το χρώμιο. Αυτοί οι τύποι παραμαγνητικών ενώσεων παρουσιάζουν μια χαρακτηριστική σχέση μεταξύ επιδεκτικότητας και θερμοκρασίας. Αρχικά, οι σιδηρομαγνητικές ενώσεις συμπεριφέρονται ως κανονικές παραμαγνητικές ενώσεις στις υψηλές θερμοκρασίες. Σε κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που αναφέρεται ως θερμοκρασία Curie, παρατηρείται σημαντική αύξηση στην επιδεκτικότητα χ που χαρακτηρίζεται από σημαντική εξάρτηση της επιδεκτικότητας από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Ανάλογα, οι αντισιδηρομαγνητικές ενώσεις συμπεριφέρονται ως παραμαγνητικές μέχρι το σημείο Neel, οπότε η επιδεκτικότητα ελαττώνεται με την επίδραση της θερμοκρασίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.25. 11 Το σημείο Neel είναι συχνά κάτω των 100 Κ και υπάρχουν πολλές ενώσεις που είναι αντισιδηρομαγνητικές στη συνήθη θερμοκρασία. Σχήμα 4.25. Η εξάρτηση της θερμοκρασίας από την επιδεκτικότητα για παραμαγνητικές, σιδηρομαγνητικές και αντισιδηρομαγνητικές ενώσεις 87

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.6. Κυκλική Βολταμμετρία (Cyclic Voltammetry) 4.6.1. Εισαγωγή στην Κυκλική Βολταμμετρία Η κυκλική βολταμμετρία είναι μια τεχνική, η οποία παρέχει πληροφορίες που σχετίζονται με οξειδωτικές ή/και αναγωγικές διαδικασίες. Επιπλέον, συμβάλλει στην κατανόηση πολύπλοκων διαδικασιών που σχετίζονται με μεταφορά ηλεκτρονίων συστημάτων που βρίσκουν εφαρμογές στη βιοχημεία και στη χημεία. Συγκεκριμένα, η τεχνική αυτή παρέχει πληροφορίες, όπως: α) αν μια ηλεκτροχημική αντίδραση είναι αντιστρεπτή ή όχι β) αν διεξάγεται σε περισσότερα στάδια γ) αν το λαμβανόμενο ρεύμα είναι Faradaic δ) αν στο ηλεκτρόδιο διεξάγονται φαινόμενα προσρόφησης ή εκρόφησης ε) αν παράγονται ενδιάμεσα προϊόντα στ) αν συμβαίνουν φαινόμενα κατάλυσης ή παρεμπόδισης ζ) αν η ηλεκτροδιακή αντίδραση συνοδεύεται από ομογενείς χημικές αντιδράσεις. 12 4.6.2. Η Αρχή λειτουργίας της μεθόδου Η κυκλική βολταμμετρία μελετά την οξειδοαναγωγική συμπεριφορά ενός υλικού κάτω από ένα ευρύ φάσμα δυναμικού συναρτήσει της ταχύτητας σάρωσης. Το δυναμικό του ηλεκτροδίου αναφοράς μεταβάλλεται με γραμμικό τρόπο μεταξύ δύο τιμών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.26. Η γραμμική σάρωση του δυναμικού είναι συνεχής και αλλάζει φορά όταν φτάνει σε μια από τις δύο ακραίες τιμές. Όταν η τιμή του δυναμικού επιστρέφει στην αρχική τιμή τότε έχει ολοκληρωθεί ο πρώτος κύκλος σάρωσης του δυναμικού και ξεκινάει ο δεύτερος. Στις ανοδικές σαρώσεις προκαλούνται οξειδωτικές αντιδράσεις, ενώ στις καθοδικές σαρώσεις προκαλούνται αναγωγικές αντιδράσεις. 88

Σχήμα 4.26: Η εξάρτηση του δυναμικού από το χρόνο Τα δεδομένα που προκύπτουν από τη μεταβολή του δυναμικού, σχηματίζουν το διάγραμμα της μεταβολής φορτίου (i) συναρτήσει του δυναμικού (E). Το διάγραμμα αυτό ονομάζεται βολταμμογράφημα και απεικονίζεται στο Σχήμα 4.27. Σχήμα 4.27. Απεικόνιση βολταμμογραφήματος Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, ο πρώτος κύκλος σάρωσης ξεκινάει από την μικρότερη τιμή δυναμικού ακολουθώντας την ανοδική κατεύθυνση του δυναμικού. Καθώς το δυναμικό αυξάνεται, αρχίζει η οξείδωση της ουσίας και η διαδικασία κορυφώνεται όταν το ρεύμα πάρει την τιμή ελάχιστη τιμή Ι pa, που αντιστοιχεί στην τιμή δυναμικού Ε pa. Καθώς το δυναμικό συνεχίζει να αυξάνεται, το ρεύμα αρχίζει και αυτό να αυξάνεται. Η ανοδική κατεύθυνση της σάρωσης σταματάει στη μέγιστη τιμή δυναμικού που έχει οριστεί, όπου η φορά σάρωσης 89

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής αντιστρέφεται προς την καθοδική κατεύθυνση. Το δυναμικό αρχίζει να μειώνεται και το ρεύμα συνεχίζει να αυξάνεται. Για αυτό το λόγο κατά την καθοδική σάρωση αρχίζει η αναγωγή μέχρι το ρεύμα να πάρει τη μέγιστη τιμή Ι pc, που αντιστοιχεί στην τιμή Ε pc. Στη συνέχεια, το ρεύμα και το δυναμικό μειώνονται συνεχώς έως ότου το δυναμικό λάβει την αρχική τιμή από όπου ξεκίνησε η σάρωση και με αυτόν τον τρόπο τελειώνει ο πρώτος κύκλος σάρωσης. Γενικά, μια οξειδοαναγωγική διαδικασία μπορεί να είναι αντιστρεπτή, ημιαντιστρεπτή ή/και μη-αντιστρεπτή. Ο προσδιορισμός της διαδικασίας γίνεται με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν από το βολταμμογράφημα και τις μαθηματικές σχέσεις μεταξύ του δυναμικού (mv) και του ρεύματος (ma). Η συμπεριφορά του συστήματος είναι σύμφωνη με τη θεωρία Nernst. Στους 25 ο C, το ρεύμα δίνεται από την εξίσωση Randles-Sevcik. 14 Σε ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος, όπου τα ηλεκτρόνια ανταλλάσσονται ταχέως, το επίσημο δυναμικό δίνεται από την σχέση: όπου: Ε pa : το ανοδικό δυναμικό (το δυναμικό όπου το ρεύμα είναι ελάχιστο) Ε pc : το καθοδικό δυναμικό (το δυναμικό όπου το ρεύμα είναι μέγιστο) Η κορυφή διαχωρισμού, ΔΕ p, είναι ανάλογη με τον αριθμό των ηλεκτρονίων n που μεταφέρονται σύμφωνα με την σχέση: Το ρεύμα κορυφής περιγράφεται από την εξίσωση Randles-Sevcik. Ι p =(2.69x10 5 ).n 3/2.A.D 1/2 ο.c.v 1/2 όπου: I p : το ρεύμα κορυφής (A) ν: η ταχύτητα σάρωσης (V/sec) A: η επιφάνεια του ηλεκτροδίου (cm 2 ) C: η συγκέντρωση της ουσίας στο διάλυμα (mol/l) D: η σταθερά διάχυσης (cm 2 /sec) Η διαφορετική οξειδοαναγωγική συμπεριφορά κάθε δείγματος επηρεάζει τη διαδικασία της κυκλικής βολταμμετρίας και αποδίδει βολταμμογραφήματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά: Αντιστρεπτή διαδικασία: είναι αρκετά ταχεία. Έτσι, τα αντιδρώντα και τα προϊόντα βρίσκονται σε ισορροπία, καθώς το δυναμικό του ηλεκτροδίου αλλάζει με το χρόνο. Επιπλέον, 90

το ρεύμα εξαρτάται μόνο από το συντελεστή διάχυσης και συγκεκριμένα εξαρτάται γραμμικά από την τετραγωνική ρίζα αυτού. Επίσης, στις αντιστρεπτές διαδικασίες ισχύει: Μη αντιστρεπτή διαδικασία: η μεταφορά του ηλεκτρονίου από το ηλεκτρόδιο είναι εξαιρετικά αργή. Οι ξεχωριστές κορυφές μειώνονται σε μέγεθος και η μεταξύ τους απόσταση μεγαλώνει. Στις ολικά μη αντιστρεπτές διαδικασίες παρατηρείται μετατόπιση της κορυφής του δυναμικού σε σχέση με την ταχύτητα σάρωσης. Στην ημιαντιστρεπτή διαδικασία: η ένταση του ρεύματος επηρεάζεται τόσο από τη μεταφορά μάζας λόγω διάχυσης όσο και από τη μεταφορά φορτίου. Με μείωση της ταχύτητας σάρωσης, η συνολική διεργασία προσεγγίζει αυτήν της αντιστρεπτής αντίδρασης. Αντίθετα, για μικρές τιμές του ρεύματος (δηλαδή μεγάλες ταχύτητες σάρωσης), το σύστημα παρουσιάζει συμπεριφορά μη-αντιστρεπτής δράσης. 4.6.3. Οργανολογία Η εφαρμογή αυτής της τεχνικής απαιτεί την χρήση τριών ηλεκτροδίων: α) το ηλεκτρόδιο εργασίας (working electrode), β) το ηλεκτρόδιο αναφοράς (reference electrode), και γ) το βοηθητικό ηλεκτρόδιο (auxiliary electrode). Το δυναμικό (mv) εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο εργασίας, σε συνδυασμό με το ηλεκτρόδιο αναφοράς. Το βοηθητικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιείται για να ολοκληρωθεί το ηλεκτρικό κύκλωμα. Το ηλεκτρόδιο εργασίας είναι συνήθως κατασκευασμένο από αδρανές μέταλλο (λευκόχρυσος, Pt, ή χρυσός, Au), ή από υαλώδη άνθρακα (glassy carbon). Το βοηθητικό ηλεκτρόδιο είναι συνήθως σύρμα Pt. Το ηλεκτρόδιο αναφοράς που χρησιμοποιείται είναι συνήθως ένα ηλεκτρόδιο Ag/AgCl ή ένα ηλεκτρόδιο καλομέλανος (Σχήμα 4.28). Σύμφωνα με την τεχνική της κυκλικής βολταμμετρίας, το δυναμικό στο ηλεκτρόδιο εργασίας αυξάνει από μια αρχική τιμή σε μια ανώτατη επιθυμητή τιμή και στη συνέχεια ελαττώνεται γραμμικά μέχρι την αρχική του τιμή. Σε κάθε ηλεκτροχημική διαδικασία που λαμβάνει χώρα στο σημείο επαφής των δύο φάσεων, η μεταφορά μάζας των ηλεκτροενεργών ειδών στην διεπιφάνεια πραγματοποιείται με κίνηση ενός φορτισμένου σωματιδίου υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Η μετανάστευση εμποδίζεται από τη χρήση κάποιας χημικής 91

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ουσίας που λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης (π.χ. νιτρικό κάλιο KNO 3 ), παρουσία του οποίου καθίσταται το διάλυμα καλός ιοντικός αγωγός. Σχήμα 4.28: Η ηλεκτροχημική κυψελίδα παρουσία των τριών ηλεκτροδίων (εργασίας, αναφοράς και βοηθητικού) 92

4.7. Ποντενσιομετρική Ανάλυση στην Υδατική Ειδοκατανομή 4.7.1. Εισαγωγή στην Ποτενσιομετρική Ανάλυση Η ηλεκτροαναλυτική χημεία περιλαμβάνει μια πληθώρα από τεχνικές ανάλυσης. Οι τεχνικές αυτές, βασίζονται σε ένα ιδιαίτερο φαινόµενο, που λαµβάνει χώρα σε ένα ηλεκτροχηµικό στοιχείο και μετρώνται ηλεκτρικά μεγέθη όπως η ένταση του ρεύματος, το δυναμικό ή/και η αντίσταση (αγωγιμότητα). Σε κάθε μια ηλεκτροαναλυτική τεχνική, ελέγχεται μια από τις τρεις προαναφερθείσες παραμέτρους ώστε να καταγραφούν και να μελετηθούν οι πειραματικές τιμές μιας δεύτερης παραμέτρου και με βάση αυτές, επιτελείται ποιοτική και ποσοτική ανάλυση. Η εφαρμογή κάθε ηλεκτροχημικής τεχνικής στηρίζεται στο πειραματικό ηλεκτροχηµικό σύστηµα, το οποίο αποτελείται από: α. τον ηλεκτρολύτη που άγει το ρεύµα β. τα ηλεκτρόδια, και γ. το εξωτερικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την εφαρµογή και μέτρηση ηλεκτρικών σηµάτων. Οι ηλεκτροχηµικές τεχνικές συνήθως ονοµατίζονται µε βάση την μετρούµενη ή την ελεγχόμενη παράμετρο. Γενικότερα, αυτές οι τεχνικές µμπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες: Α. Τεχνικές ισορροπίας: οι οποίες χαρακτηρίζονται από μηδενική ροή ρεύματος Β. Δυναμικές τεχνικές: στις οποίες τιμές του ρεύματος είναι μη μηδενικές Στον Πίνακα 4.2 φαίνεται η αναλυτική ταξινόμηση των ηλεκτροαναλυτικών τεχνικών στις παραπάνω κατηγορίες. 93

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Πίνακας 4.2: Ηλεκτροχημικές τεχνικές αναλύσεως όπου, i = ένταση ρεύματος, Ε= τάση, AC= εναλλασσόμενο ρεύµα, 1/R=αγωγιµότητα. Τεχνική Ελεγχόμενη Ηλεκτρική Παράμετρος Μετρούμενη Παράμετρος ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Ποτενσιομετρία i=0 Ε ενδ.ηλεκτρ Αγωγιμομετρία Ε εφαρμ (AC) Αγωγιμότητα S=1/R ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ Ηλεκτροσταθμική ανάλυση Ε εφαρμ ή Ε ηλ. εργ. Μάζα m Κουλομετρία Ε ηλ. εργ. Φορτίο Q Βολταμμετρία Ε ηλ. εργ. (t) i κυψελ. ως προς Ε ηλ. εργ. (t) Αμπερομετρία Ε ηλ. εργ. (σταθερό) i κυψελ. 4.7.2. Ποτενσιομετρικές ογκομετρήσεις Η ποτενσιομετρική ογκομέτρηση είναι μια τεχνική, η οποία ανήκει στη γενική κατηγορία της ποτενσιομετρίας. Οι ποτενσιομετρικές ογκομετρήσεις χρησιμοποιούνται για αντιδράσεις εξουδετέρωσης, οξειδοαναγωγής, καθίζησης και συμπλοκοποίησης, τόσο σε υδατικά όσο και σε μη υδατικά διαλύματα. Σε μια ποτενσιομετρική ογκομέτρηση, μετριέται η Η.Ε.Δ. ενός στοιχείου (Ε στοιχ ) μετά την προσθήκη γνωστών όγκων πρότυπου διαλύματος. Το στοιχείο αυτό αποτελείται: α) από ένα ενδεικτικό ηλεκτρόδιο, µε δυναμικό Ε ενδ, το οποίο εξαρτάται από τη σύσταση του διαλύματος και β) από ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, το οποίο εμφανίζει σταθερό και επαναλήψιμο δυναμικό Ε αναφ, και είναι ανεξάρτητο από τη σύσταση του διαλύματος και τις μεταβολές της έντασης του ρεύματος. 94

Επιπλέον, απαιτείται μια προχοΐδα σταθερής ροής, μέσω της οποίας θα διοχετεύεται το πρότυπο διάλυμα στο σύστημα. Τέλος, η μέτρηση της Η.Ε.Δ. πραγματοποιείται µε την βοήθεια ενός υψηλής ποιότητας βολταμμέτρου (όργανο μετρήσεως), το οποίο μετατρέπει τις μετρήσεις του σε τιμές της κλίμακας ph και ονομάζεται πεχάμετρο. Η διάταξη της ποτενσιομετρικής ογκομέτρησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.29). Σχήμα 4.29. Πειραματική διάταξη για ποτενσιομετρικές ογκομετρήσεις και καμπύλη ογκομέτρησης. Η καταγραφή των πειραματικών τιμών μας δίνει την καμπύλη ογκομέτρησης, η οποία είναι το διάγραμμα των τιμών του δυναμικού Ε (ή του ph) συναρτήσει του προστιθέμενου όγκου πρότυπου διαλύματος. Στη συνέχεια, υπολογίζεται το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης, το οποίο είναι το μέσο του απότομα μεταβαλλόμενου ευθύγραμμου τμήματος. Ο προσδιορισμός του τελικού σημείου μπορεί να πραγματοποιηθεί και με τη βοήθεια των διαγραμμάτων Gran (ΔV/ΔΕ ή antilog(ε/s) ως συνάρτηση του όγκου) και παρουσιάζεται παρακάτω. 4.7.3. Η Μεθόδος Gran Η μέθοδος Gran χρησιμοποιείται για την τιτλοδότηση πρότυπου διαλύματος, για την ρύθμιση ηλεκτροδίων υάλου, για τον υπολογισμό της περιεκτικότητας ενός υδατικού διαλύματος σε ανθρακικά όπως και για τον υπολογισμό των σταθερών ιονισμού Κ a και K b για ασθενή οξέα και βάσεις, αντίστοιχα. Η συγκεκριμένη μέθοδος εμφανίζει πλεονεκτήματα έναντι όλων μεθόδων όπως: 1. η μεγάλη απλότητα της μεθόδου, 95

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 2. ο προσδιορισμός του ισοδύναμου σημείου που μπορεί να γίνει μόνο με μερικά ζεύγη τιμών και μάλιστα σε απόσταση από το ισοδύναμο σημείο. Για αυτό το λόγο, η μέθοδος είναι πιο ακριβής. 3. δεν είναι απαραίτητο η καµπύλη τιτλοδότησης να είναι συμμετρική γύρω από το ισοδύναμο σημείο. Κατά την πειραματική διαδικασία τιτλοδοτείται όγκος V οξέος αρχικής συγκέντρωσης Η, με όγκο v μιας ισχυρής βάσης, με συγκέντρωση Β, σε ένα γαλβανικό στοιχείο και το δυναμικό σε αυτό το στοιχείο δίνεται από την εξίσωση: όπου: E ο : περιλαμβάνει το δυναµικό του ηλεκτροδίου αναφοράς και το κανονικό δυναµικό του ηλεκτροδίου εργασίας. E j : είναι το δυναµικό υγρού συνδέσµου R: είναι η παγκόσμια σταθερά των αερίων T: η θερμοκρασία F: η σταθερά του Faraday n: ο αριθμός των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στην οξειδοαναγωγή α: η ανηγμένη και οξειδωμένη μορφή του οξειδοαναγωγικού ζεύγους, αντίστοιχα. Το ηλεκτρόδιο του πεχαμέτρου ανταποκρίνεται στην ενεργότητα των κατιόντων υδρογόνου και όχι στη συγκέντρωση, δηλαδή ισχύει η σχέση: [H + ]γ H+ = 10 -ph Η τελική σχέση για την επεξεργασία των δεδομένων με το διάγραμμα Gran (Σχήμα 4.30) στις ποτενσιομετρικές ογκομετρήσεις ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση δίνεται από τον τύπο: Το διάγραμμα V. b 10 -ph σε συνάρτηση με V b καλείται διάγραμμα Gran. Έτσι, αν ο όρος γ HA /γ - A είναι σταθερός κατά τη διάρκεια της τιτλοδότησης, τότε το διάγραμμα Gran είναι μια ευθεία γραμμή με κλίση [-γ. HA K a /γ A- ] και το σημείο τομής στον άξονα V b (άξονας x) θα είναι η τιμή [γ. ΗΑ Κ. a V e /γ - A ]. Από την κλίση των διαγραμμάτων Gran δίνεται η δυνατότητα για τον υπολογισμό της σταθεράς ιονισμού K a του ασθενούς οξέος ΗΑ. Το διάγραμμα Gran μπορεί να 96

εφαρμοστεί τόσο για τα μονοπρωτικά όσο και για τα πολυπρωτικά οξέα. Η ανάλογη σχέση κατά την τιτλοδότηση ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ δίνεται παρακάτω: όπου: V H : ο όγκος του ισχυρού οξέος και K a : η σταθερά διάστασης του οξέος Αντίστοιχα με την περίπτωση των ασθενών οξέων, το διάγραμμα Gran σχεδιάζεται ως εξής: Ο y-άξονας δίνεται από τον όρο [V. H 10 +ph ] και ο όρος x του διαγράμματος δίνεται από τον όρο V H. Η ευθεία γραμμή έχει κλίση [-γ - A / (γ. HA Κ a )] και το σημείο τομής με τον άξονα x - (V H ) ισούται με την τιμή [γ. A V e /(γ. ΗΑ Κ a )]. Οι δυο ευθείες που σχηματίζονται θα πρέπει να τέμνονται στο ίδιο σημείο του άξονα, ενώ στην πραγματικότητα αυτό δε συμβαίνει. Συνήθως, κατά την παρασκευή του διαλύματος της βάσης για την προφύλαξή της από το διοξείδιο του άνθρακα, αυτό περιέχεται σε μικρή ποσότητα, η οποία όμως επηρεάζει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Το ισοδύναμο σημείο υπολογίζεται από τη μέση τιμή των δύο σημείων, όπου οι δύο ευθείες τέμνουν τον άξονα των όγκων. Σε περίπτωση που η απόκλιση είναι μεγάλη τότε θα πρέπει να α) παρασκευαστεί νέο και πιο καθαρό διάλυμα τιτλοδότη, και β) ελεγχθεί η καθαρότητα της επιφάνειας του ηλεκτροδίου. Σχήμα 4.30: Διάγραμμα Gran 97

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής 4.7.4. PSEQUAD: Υπολογισμός των συνολικών σταθερών σχηµατισµού των μοντέλων συμπλόκων Το πρόγραμμα PSEQUAD αναπτύχθηκε από τον László Zékàny (Ινστιτούτο Ανόργανης και Αναλυτικής Χημείας του Πανεπιστημίου Lajos Kossuth, Debrecen, Ουγγαρία) και τον István Nagypál (Ινστιτούτο Φυσικοχημείας του Πανεπιστημίου Attila József, Szeged, Ουγγαρία) το 1983. Η προσαρμογή όμως του προγράμματος σε προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή (PC) έγινε από τον Gábor Peintler (Ινστιτούτο Φυσικοχημείας του Πανεπιστημίου Attila József, Szeged, Ουγγαρία) το 1990. Το πρόγραμμα PSEQUAD χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση ποτενσιομετρικών ή/και φασματοφωτομετρικών δεδομένων, χρησιμοποιώντας δεδομένα-τιμές που προκύπτουν από τις αναλυτικές μεθόδους. Η ποτενσιομετρία και η φασματοφωτομετρία είναι και οι δυο εύχρηστες πειραματικές τεχνικές για τη μελέτη συστημάτων ισορροπίας. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα, μπορεί να επεξεργαστεί και τους δύο παραπάνω τύπους πειραματικών δεδομένων, είτε ταυτόχρονα είτε ξεχωριστά. Η επιλογή αφήνεται στο χρήστη αλλά και στα αποτελέσματα που θέλει να λάβει μετά το πέρας της χρήσης του λογισμικού. Το πρόγραμμα έχει τη δυνατότητα να χειριστεί και να αξιολογήσει δεδομένα από ποικίλες πειραματικές διαδικασίες, οι οποίες έχουν γίνει στα διαλύματα διαφόρων συστατικών. Οι παραγόμενες καμπύλες τιτλοδότησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα με σκοπό: α) τον υπολογισμό των τιμών των σταθερών διάστασης των οξέων β) την τιμή των σταθερών σχηματισμού των συμπλόκων. Τέλος, υπάρχουν δύο βασικά στάδια στους υπολογισμούς που εκτελούνται από το PSEQUAD και αφορούν: α) την επίλυση της εξίσωσης ισορροπίας-μάζας για τον υπολογισμό της άγνωστης ελεύθερης συγκέντρωσης, και β) τη βελτιστοποίηση των σταθερών σχηματισμού των συμπλόκων. Όλοι οι υπολογισμοί γίνονται με χρήση μαθηματικών μεθόδων. 98

4.8. Βιβλιογραφία 1. C.N. Banwell, E.M. McCash, Fundamentals of Molecular Spectroscopy Fourth Edition, McGraw-Hill Publishing Company, 1994. 2. http://www.cem.msu.edu/~reusch/virttxtjml/spectrpy/infrared/infrared.htm 3. R.S. Mocomber, A Complete Introduction to Modern NMR Spectroscopy, Willey & Sons, 1998. 4. R.C. Harris, Nuclear Magnetic Resonance, Addison Wesley Longman, 1997. 5. R.J. Abraham, J. Fisher, P. Lofus, Introduction to NMR Spectroscopy, John Willey &Sons Chichester New York, 1997. 6. S.C. Brian, Fourier Transformation Infrared Spectroscopy, CRC Press, 1996. 7. I.D. Campbell, R.A. Dwek, Biological Spectroscopy, The Benjamin/ Cummings publishing Company, Inc., 1984. 8. I.S. Butter, J. F. Harrod, Ανόργανη Χημεία, Αρχές και Εφαρμογές, Εκδόσεις ΙΙ Τραυλός-Ε. Κωσταράκη, 1994. 9. Θ. Π. Χατζηιωάννου, Μ. Α. Κούππαρη, Ενόργανη Ανάλυση, Εκδ. Παν. Αθηνών, Αθήνα (1990) 229-244. 10. J.B. Lambert, E.P. Mazzola, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, An Introductions to Principles, Applications and Experimental Methods, Pearson education Inc., New Jersey, 2003. 11. Π. Π. Καραγιαννίδης, Ανόργανη Χημεία, Εκδ. Ζήτη, Θεσσαλονίκη, (2001) 255. 12. J. Wang, Analytical Electrochemistry; Wiley-VCH, Inc., 1994. 99

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Η δημιουργία και η πρόοδος νευροεκφυλιστικών διεργασιών στον ανθρώπινο εγκέφαλο, προκαλώντας μία σειρά νοσημάτων, προσελκύουν το ενδιαφέρον της παγκόσμιας κοινότητας εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Παλαιότερες έρευνες έχουν εντοπίσει τη δράση μεταλλοτοξικών ουσιών που συμμετέχουν και ενισχύουν τις διεργασίες αυτές. Τα ιόντα Al(III) και Cu(II) αποτελούν σημαντικά γρανάζια για την πρόοδο νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως η νόσος Alzheimer και η νόσος Wilson, κυρίως με την πρόσδεση τους σε φωσφορυλιωμένα υποστρώματα, όπως η υπερφωσφορυλιωμένη μορφή της πρωτεΐνης τ. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσουν σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα των μεταλλοϊόντων Al(III) και Cu(II) με φυσιολογικά και μη φυσιολογικά βιομιμητικά υποστρώματα χαμηλής μοριακής μάζας. Οι λόγοι που επιλέχθηκαν τα συγκεκριμένα μέταλλα είναι οι εξής: α) η τοξική τους δράση έναντι των νευρώνων, β) η συμμετοχή του καθενός στη πρόοδο διαφορετικών νευροεκφυλιστικών ασθενειών, γ) η διαφορετική χημική δραστικότητα λόγω της θέσεώς τους στο περιοδικό σύστημα και δ) η σημασία τους στην τεχνολογία υλικών. Το αργίλιο έχει αναγνωριστεί ως μεταλλοτοξικό στοιχείο, εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Οι αυξημένες συγκεντρώσεις αργιλίου στις ευαίσθητες περιοχές του εγκεφάλου, έχουν συνδεθεί με νευροεκφυλιστικές ασθένειες και θεωρείται σημαντικός παράγοντας στη δημιουργία και στην ανάπτυξη της νόσου Alzheimer (AD). Ο σχηματισμός συσσωματωμάτων με φωσφονικά και καρβοξυλικά υποστρώματα προωθεί την απόπτωση των νευρωνικών κυττάρων και την εμφάνιση των παθολογοανατομικών χαρακτηριστικών της. Λαμβάνοντας υπόψη τη σημαντικότητα των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ του Al(III) και των συγκεκριμένων περιοχών της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ, προσανατολίσαμε το ερευνητικό μας έργο α) στην κατανόηση της χημικής δραστικότητας του νευροτοξικού ιόντος Al(III) έναντι υποστρωμάτων παρόμοιων της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ και β) στον προσδιορισμό των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των αλληλεπιδράσεων του Al(III) παρόμοιων με αυτών που αναπτύσσονται μεταξύ του μετάλλου και της πρωτεΐνης ταυ, οι οποίες 100

οδηγούν σε βιοχημικές διεργασίες που είναι τοξικές για τους νευρώνες του εγκεφάλου. Ο τρόπος για να εξιχνιάσουμε αυτές τις διεργασίες, είναι η σύνθεση (ph εξαρτώμενη) και η μελέτη διαλυτών και βιοδιαθέσιμων ειδών αργιλίου, τα οποία φέρουν φωσφορυλιωμένα υποστρώματα, με ταυτόχρονη μελέτη υδατικής ειδοκατανομής των συστημάτων που αποδίδουν τα παραπάνω είδη. Τα υποστρώματα που επιλέχθηκαν είναι τα: 1-υδροξυ αιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (HEDP), N-(φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ (NTAP), νιτριλο-τρι(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (NTA3P), τα οποία αποτελούν βιομιμητικό ανάλογο των φωσφορυλιωμένων υποστρωμάτων καθώς περιέχουν φωσφονικές ομάδες. Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα οργανικά υποστρώματα αυτής της οικογένειας χρησιμοποιούνται από την επιστήμη των υλικών σε εφαρμογές όπως η κατάλυση, η ιοντοανταλλαγή, τα απορροφητικά υλικά, οι αγωγοί πρωτονίων και ως πρώτες ύλες για films με οπτικές ή ηλεκτρονικές ιδιότητες. Τέλος χρησιμοποιήθηκε και το μανδελικό οξύ το οποίο είναι ένας καρβοξυλικός φυσιολογικός υποκαταστάτης. Ο χαλκός είναι απαραίτητος για τον άνθρωπο καθώς συνδέεται σε μία πληθώρα πρωτεϊνικών υποστρωμάτων και βοηθάει στην αποπεράτωση σημαντικών οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. Παρόλα αυτά, έρευνες έχουν δείξει ότι η «αφύσικη» περιεκτικότητα του χαλκού στον ανθρώπινο οργανισμό παίζει καθοριστικό ρόλο στην πρόοδο διαταραχών με νευρολογικά συμπτώματα. Παραδείγματα νευρολογικών διαταραχών αποτελούν η νόσος Alzheimer (AD), η νόσος Wilson (WD). Η τοξική δράση του χαλκού στην AD είναι διττή: α) δεσμεύεται στην ΑΡΡ (Amyloid Precursor Protein) η οποία τον ανάγει από Cu(II) σε Cu(I) και αυτός με τη σειρά του προκαλεί οξειδωτικό stress, προκαλώντας σοβαρές βλάβες στους νευρώνες, β) προσδένεται στην υπερφωσφορυλιωμένη και μη φυσιολογικά φωσφορυλιωμένη πρωτεΐνη τ, με αποτέλεσμα την αναδιαμόρφωση της δομής της, τη συσσωμάτωση της και τέλος την απόπτωση του κυττάρου. Κατά τη WD η ανικανότητα του οργανισμού να διώξει το χαλκό, τον οδηγεί στον εγκέφαλο με τη βοήθεια της ροής του αίματος, όπου λαμβάνει μέρος σε αντιδράσεις Fenton προκαλώντας οξειδωτικό stress. Οι ελεύθερες ρίζες (ROS) διεγείρουν και επάγουν τη μη φυσιολογική παραγωγή ινών της πρωτεΐνης τ και του πεπτιδίου Αβ, δηλαδή το οξειδωτικό stress ευνοεί την πρόοδο των συμπτωμάτων της AD, τα οποία με τη σειρά τους επιφέρουν κυτταρική οξειδωτική καταστροφή. Παρόλα αυτά, η οξειδοαναγωγική δράση της πρωτεΐνης τ με δεσμευμένο χαλκό δεν έχει πλήρως διευκρινιστεί καθώς δεν είναι γνωστό το είδος των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ του μετάλλου και της πρωτεΐνης. 101

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Για τον λόγο αυτόν, προσανατολίσαμε το ερευνητικό μας έργο στην κατανόηση της χημικής δραστικότητας των ιόντων Cu(II) έναντι υποστρωμάτων παρόμοιων της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ. Για να επιτευχθεί αυτό έπρεπε να γίνει φυσικοχημικός προσδιορισμός των παραπάνω αλληλεπιδράσεων. Ο τρόπος για να εξιχνιάσουμε αυτές τις διεργασίες, είναι η ph εξαρτώμενη σύνθεση και η μελέτη των ειδών του χαλκού τα οποία φέρουν φωσφορυλιωμένα ligands. Το υπόστρωμα που επιλέχθηκε είναι το Butylene diamine tetra-(methylene phosphonic acid) (ΒDΤΜP). To BDTMP έχει τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά και να δεσμεύσει μεταλλικά ιόντα, όπως τα ιόντα Cu(II), σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα, προωθώντας το σχηματισμό πλεγμάτων με διακριτή αρχιτεκτονική και χαρακτηριστικές φυσικοχημικές ιδιότητες. Οι ενώσεις που αναπτύχθηκαν από τις αλληλεπιδράσεις του συστήματος αυτού και ο δομικός και φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός των νέων ειδών που προέκυψαν επιβεβαιώνουν την ανάπτυξη της μεταλλοχημείας του Al(III) και Cu(II)με βιολογικά υγρά και δίνουν τη δυνατότητα α) κατανόησης της δομικής ειδοκατανομής των εν λόγω συστημάτων, β) περαιτέρω μελέτης της βιολογικής δράσης (τοξικότητα), και γ) πιθανή χρησιμοποίησή τους ως προδρόμων ενώσεων στην επιστήμη και τεχνολογία υλικών. 102

Κεφάλαιο 5: Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.1. Περίληψη Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η εξιχνίαση των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ του νευροτοξικού Al(III) και χαμηλής μοριακής μάζας υποστρωμάτων, τα οποία είναι σχετικά με διαδικασίες νευροεκφύλισης. Η προσπάθεια αυτή στηρίχθηκε στη ph-εξαρτώμενη συνθετική χημεία των δυαδικών συστημάτων Al(III)-[N-(φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ] (Αl-NTAP), Al(III)-[νιτριλοτρις(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ)] (Αl-NTA3P), Αl(III)-[1-υδροξυ αιθυλενο-1,1- διφωσφονικό οξύ] (Αl-HEDP), και Al(ΙΙΙ)-[μανδελικού οξέος] (Al-mandelic) σε συνδυασμό με αντίστοιχες μελέτες υδατικής ειδοκατανομής. Η αντίδραση του Al(NO 3 ). 3 9H 2 O με το NTAP σε ph 7.0 και 4.0 απέδωσε δύο νέα είδη: το (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O (1) και το (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O (2), ενώ η αντίδραση του Al(NO 3 ). 3 9H 2 O με το NTA3P σε ph 8.0 οδήγησε στο σχηματισμό του νέου είδους K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O (3). Η αντίδραση με το φυσιολογικό καρβοξυλικό υπόστρωμα (mandelic acid) απέδωσε το κρυσταλλικό υλικό (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4H 2 O (4). Οι ενώσεις 1-4 χαρακτηρίστηκαν με στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπία FT-IR, 13 C-, 31 P-NMR (στο διάλυμα 1 και σε στερεά κατάσταση για τις ενώσεις 1 και 2), και κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. Οι δομές των 1-4 στη στερεά κατάσταση αποκάλυψαν την ύπαρξη διμερών ενώσεων αργιλίου με οκταεδρική γεωμετρία. Το Al(III) είναι συναρμοσμένο με αποπρωτονιωμένα φωσφονικά και καρβοξυλικά υποστρώματα, με μόρια νερού και υδροξυ-ομάδες. Οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής στα παραπάνω δυαδικά συστήματα παραθέτουν μία καθαρή εικόνα για τις αλληλεπιδράσεις και τα είδη που προκύπτουν σε δυαδικά συστήματα Al(III)-(καρβοξυ)φωσφονικών υποστρωμάτων, κάτω από ποικίλες τιμές ph και συγκεκριμένες στοιχειομετρίες μετάλλου-υποκαταστάτη. Η συγκεκριμένη εργασία α) αναδεικνύει τα δομικά και χημικά χαρακτηριστικά των υδατοδιαλυτών ειδών, αντανακλώντας πλήρως ερμηνευμένες αλληλεπιδράσεις του Αl(III) με φωσφονικά 103

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου υποστρώματα, και β) ενισχύει την πιθανή αλληλεπίδραση του νευροτοξικού Al(III) με (καρβοξυ)φωσφονικούς κυτταρικούς στόχους. 5.2. Εισαγωγή Το αργίλιο περιέχεται στο υπέδαφος σε μεγάλες περιεκτικότητες υπό τη μορφή ορυκτών και μεταλλευμάτων. Παρόλο που συμμετέχει σε δυσδιάλυτες ενώσεις ανόργανων φυσικών ορυκτών υλικών, η οξίνιση του περιβάλλοντος οδηγεί στη διαλυτοποίηση και στην αυξανόμενη εισροή αυτών στους έμβιους οργανισμούς. Το αργίλιο έχει αναγνωριστεί ως μεταλλοτοξικό στοιχείο, εδώ και πάρα πολλά χρόνια. 1,2 Το τοξικό ιόν του μετάλλου έχει ανιχνευθεί στον οργανισμό και μπορεί να προέρχεται από την τροφική αλυσίδα, το νερό, 3 διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως σκόνη και από έκθεση σε βιομηχανική ρύπανση. 4 Οι αυξημένες συγκεντρώσεις αργιλίου στις ευαίσθητες περιοχές του εγκεφάλου, έχουν συνδεθεί με νευροεκφυλιστικές ασθένειες, όπως η μικροκυτταρική αναιμία, 5,6 οι εγκεφαλοπάθειες 7,8 και η οστεομαλάκυνση. 9 Επιπλέον, το αργίλιο θεωρείται σημαντικός παράγοντας στη γένεση και στην ανάπτυξη της νόσου Alzheimer (AD). 10,11,12,13 Σε παλαιότερες έρευνες έχουν ανιχνευθεί αυξημένα ποσά του μετάλλου σε εγκεφάλους ασθενών που έπασχαν από την νόσο AD και για το λόγο αυτό έχει συσχετιστεί με τα παθολογοανατομικά χαρακτηριστικά της νόσου, όπως οι ανοιακές πλάκες (senile plaques, SP) και τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα (neurofibrillary tangles, NFT). 14 Ο σχηματισμός των παραπάνω συσσωματωμάτων προωθεί την απόπτωση των νευρωνικών κυττάρων στον ιππόκαμπο και κατ επέκταση συνεισφέρει αναπόφευκτα στην ανάπτυξη της νόσου Alzheimer. Σύμφωνα με τα παραπάνω, αναδύεται ένας συσχετισμός τόσο μεταξύ των NFT και του αργιλίου, όσο και μεταξύ της υπερφωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ και του μετάλλου. Η υπερφωσφορυλιωμένη μορφή της πρωτεΐνης ταυ περιέχει φωσφορυλιωμένες ομάδες προσδίδοντας μία έμφυτη κλίση για χημική αλληλεπίδραση με το ιόν του Al(III). 15,16,17,18,19 Για το λόγο αυτό, το αργίλιο, όταν βρεθεί στο εσωτερικό ενός νευρικού κυττάρου, παρουσιάζει μία ακατανίκητη επιθυμία να αλληλεπιδράσει με την υπερφωσφορυλιωμένη πρωτεΐνη ταυ. Λαμβάνοντας υπόψη τη σημαντικότητα των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ του Al(III) και των συγκεκριμένων περιοχών της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης 104

ταυ, προσανατολίσαμε το ερευνητικό μας έργο α) στην κατανόηση της χημικής δραστικότητας του νευροτοξικού ιόντος Al(III) έναντι υποστρωμάτων παρόμοιων της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ (τ), και β) στον προσδιορισμό των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των αλληλεπιδράσεων του Al(III) παρόμοιων με αυτών που αναπτύσσονται μεταξύ του μετάλλου και της πρωτεΐνης ταυ, οι οποίες οδηγούν σε βιοχημικές διεργασίες που είναι τοξικές για τους νευρώνες του εγκεφάλου. Ο τρόπος για να εξιχνιάσουμε αυτές τις διεργασίες, είναι η σύνθεση και η μελέτη διαλυτών και βιοδιαθέσιμων ειδών αργιλίου, τα οποία φέρουν φωσφορυλιωμένα υποστρώματα. Ένα πολύ κοντινό βιομιμητικό ανάλογο των φωσφορυλιωμένων ομάδων είναι η φωσφονική ομάδα, στη μορφή ενός οργανοφωσφονικού υποκαταστάτη. Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι υποκαταστάτες οι οποίοι φέρουν ποικίλες ενεργές ομάδες, όπως καρβοξυλικά, φωσφονικά και υδροξυλικά συστατικά, αποτελούν κατάλληλα οργανοφωσφονικά υποστρώματα για να μελετηθούν οι αλληλεπιδράσεις των δυαδικών συστημάτων Al(III)-φωσφονικών ομάδων με ταυτόχρονη α) μελέτη υδατικής ειδοκατανομής, και β) εκτέλεση ph-εξαρτώμενης σύνθεσης, σε δυαδικά συστήματα Al(III) με συγκεκριμένα οργανοφωσφονικά υποστρώματα. Τα υποστρώματα που επιλέχθηκαν είναι τα: μανδελικό οξύ (Σχήμα 5.1), 1-υδροξυ αιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (H 4 HEDP, στο κείμενο αναφέρεται ως HEDP), N- (φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ (H 4 NTAP, στο κείμενο αναφέρεται ως NTAP), και νιτριλο-τρι(μεθυλενο-φωσφονικό οξύ) (H 6 NTA3P, στο κείμενο αναφέρεται ως NTA3P) (Σχήμα 5.2). Επιπλέον, τα οργανικά υποστρώματα αυτής της οικογένειας χρησιμοποιούνται στην κατάλυση, στην ιοντοανταλλαγή, σε απορροφητικά υλικά, σε αγωγούς πρωτονίων και ως πρώτες ύλες για υμένια (films) με οπτικές ή ηλεκτρονικές ιδιότητες. 20,21,22,23,24,25 Σε συγκεκριμένες τιμές ph, οι φωσφονικοί υποκαταστάτες αποβάλλουν τα πρωτόνιά τους και βρίσκονται στην πλήρως αποπρωτονιωμένη τους μορφή προσφέροντας σημεία πρόσδεσης για τα ιόντα Al(III), με αποτέλεσμα το σχηματισμό σταθερών και πιθανώς υδατοδιαλυτών συμπλόκων. Το ερευνητικό μας έργο επικεντρώθηκε στην υδατική και συνθετική χημεία του Al(III) με τους μη φυσιολογικούς φωσφονικούς υποκαταστάτες NTAP, NTA2P, NTA3P, HEDP, EDTMP και BDTMP, καθώς και με το φυσιολογικό καρβοξυλικό υποκαταστάτη, 105

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου μανδελικό οξύ, τρυγικό οξύ, τη σερίνη και τη φωσφο-σερίνη, με σκοπό τη διαλεύκανση της φύσης των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται στα προαναφερθέντα δυαδικά συστήματα. Τέλος, βάσει της προσπάθειας αυτής, θα αναφερθούμε α) στην υδατική ειδοκατανομή του δυαδικού συστήματος Al(ΙΙΙ)-HEDP, β) στη συνθετική χημεία εξαρτώμενου ph για τα δυαδικά συστήματα Al(III)-ΝΤΑP, Al(III)-ΝΤΑ3P και Al(III)- mandelic, γ) στο φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των υλικών που απομονώθηκαν από τα τρία τελευταία συστήματα, και δ) στο συσχετισμό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων υδατοδιαλυτών ειδών Al(III), με πιθανή χημική δραστικότητα του Αl (III) ως μεταλλοτοξίνη, σε βιολογικό περιβάλλον. OH HO O HN Σχήμα 5.1. Σχηματική απεικόνιση του υποκαταστάτη μανδελικού οξέος C H 2 C H 2 C H 2 C OOH C OOH P OH O O- N -( pho s p h o no me th y l) imin o d ia cetic acid (N T AP ) HN CH 2 CH 2 PO(OH) 2 PO(OH) 2 CH 2 P OH O O- Nitrilo-tris(methylene-phosphon ic a cid) (NTA3P) + α + β CH 3 H 2 O 3 P C OH PO 3 H 2 γ 1-hydroxy ethylidene -1,1-diphosphonic acid (HEDP) Σχήμα 5.2 α) Σχηματική απεικόνιση του υποκαταστάτη, N-(φωσφονομεθυλο) ιμινοδιοξικό οξύ (NTAP), β) νιτριλο-τρι(μεθυλενο- φωσφονικό οξύ) (NTA3P), γ) 1- υδροξυ αιθυλενο-1,1-διφωσφονικό οξύ (HEDP). 106

5.3. Πειραματικό μέρος 5.3.1. Αντιδραστήρια Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων προμηθεύτηκαν από διάφορες εταιρίες και η καθαρότητα τους κυμαινόταν από 97% έως 99%. Τα ανόργανα και οργανικά άλατα του αργιλίου, που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα εξής: το νιτρικό αργίλιο [Αl(NO 3 ). 3 9H 2 O] και το χλωριούχο αργίλιο [AlCl. 3 6H 2 O] που προμηθεύτηκαν από την εταιρία Aldrich, όπως επίσης και οι υποκαταστάτες NTAP, NTA3P, HEDP, και μανδελικό οξύ. Οι βάσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), το υδροξείδιο του καλίου (KOH), η πιπεραζίνη και η ανθρακική γουανιδίνη (CH 6 N 3 ) 2 CO 3 που προμηθεύτηκαν από την Aldrich, ενώ η αμμωνία (ΝΗ 3 ) αγοράσθηκε από την Fluka. Το αρχικό διάλυμα του Al(III) που χρησιμοποιήθηκε για τις ποτενσιομετρικές μετρήσεις προετοιμάστηκε από ανακρυστάλλωση του AlCl. 3 6H 2 O. Το αρχικό διάλυμα περιείχε 0.1Μ HCl για να αποφύγουμε την υδρόλυση του ιόντος του μετάλλου. Οι ακριβείς συγκεντρώσεις του διαλύματος του υποκαταστάτη προσδιορίστηκαν με ποτενσιομετρική τιτλοδότηση, με τη βοήθεια της μεθόδου Gran. 26 Θα πρέπει να τονιστεί ότι η παρασκευή όλων των διαλυμάτων έγινε με υπερκαθαρό νερό. Παρασκευή υλικού (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O (1): Ποσότητα Al(NO 3 ). 3 9H 2 O (0.50 g, 1.3 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη και διαλύθηκε σε 3.0 ml υπερκαθαρό H 2 O. Ακολούθως, προστέθηκε ο υποκαταστάτης NTAP (0.60 g, 1.3 mmol) με αργό ρυθμό και υπό συνεχή ανάδευση. Στη συνέχεια προστέθηκε ανθρακική γουανιδίνη (CH 6 N 3 ) 2 CO 3 με αργό ρυθμό για να ρυθμίσει το ph στην τιμή 7.0. Το διάλυμα που προέκυψε θερμάνθηκε στους 50 ο C και η ανάδευση συνεχίστηκε έως την επόμενη μέρα. Το διάλυμα ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου και ακολούθησε προσθήκη αιθανόλης στους 4 ο C. Μετά από την πάροδο μερικών ημερών προέκυψαν διαφανείς κρύσταλλοι στον πυθμένα της φιάλης. Οι κρύσταλλοι απομονώθηκαν με φιλτράρισμα, ξηράθηκαν σε κενό και ακολούθησε φυσικοχημική ανάλυση και χαρακτηρισμός. Η απόδοση της αντίδρασης ήταν ~53% παραλαμβάνοντας 0.30 g προϊόντος. Στοιχειακή ανάλυση για (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O (1), 107

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου C 14 H 54 Al 2 N 14 O 24 P 2, M r = 918.62, Θεωρητικές τιμές (%): C, 18.31; N, 21.35; H, 5.93. Πειραματικά αποτελέσματα (%): C, 18.85; N, 21.05; H, 5.60. Παρασκευή υλικού (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O (2): Ποσότητα Al(NO 3 ). 3 9H 2 O (0.50 g, 1,3 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη και διαλύθηκε σε 3.0 ml υπερκαθαρού H 2 O. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε αργή προσθήκη NTAP (0.30 g, 0.65 mmol) υπό συνεχή ανάδευση. Στη συνέχεια, προστέθηκε αμμωνία με αργό ρυθμό για να ρυθμιστεί το ph στην τιμή 4.0. Το διάλυμα θερμάνθηκε στους 50 ο C υπό συνεχή ανάδευση για 16 ώρες. Αφού ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, προστέθηκε αιθανόλη στους 4 ο C και ύστερα από μερικές εβδομάδες προέκυψε διάφανο κρυσταλλικό υλικό στον πυθμένα της φιάλης. Οι κρύσταλλοι απομονώθηκαν με φιλτράρισμα, ξηράθηκαν σε κενό και ακολούθησε φυσικοχημική ανάλυση και χαρακτηρισμός. Η απόδοση ήταν 0.19g (~44%). Στοιχειακή ανάλυση για την 2, (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O, C 10 H 32 Al 2 N 4 O 20 P 2 M r = 644.29, Θεωρητικές τιμές (%): C, 18.64; N, 8.70; H, 5.01; Πειραματικά αποτελέσματα (%): C, 18.63; N, 8.68; H, 4.97. Παρασκευή υλικού K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O (3): Ποσότητα Al(NO 3 ). 3 9H 2 O (0.25 g, 0.68 mmol) τοποθετήθηκε σε σφαιρική φιάλη και διαλύθηκε με την προσθήκη 4.0 ml υπερκαθαρού H 2 O. Ακολούθως, προστέθηκε NTA3P (0.16 g, 0.54 mmol) στο διάλυμα με αργό ρυθμό υπό συνεχή ανάδευση. Ακολούθησε η προσθήκη υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ) για να ρυθμιστεί το ph στην τιμή 8.0. Το διάλυμα θερμάνθηκε στους 50 ο C με συνεχή ανάδευση για 16 ώρες. Η προσθήκη αιθανόλης στους 4 ο C απέδωσε διαφανείς κρυστάλλους στον πυθμένα της φιάλης, μετά την πάροδο 3 μηνών. Οι κρύσταλλοι απομονώθηκαν με φιλτράρισμα, ξηράθηκαν σε κενό και ακολούθησε φυσικοχημική ανάλυση και χαρακτηρισμός. Η απόδοση ήταν ~47% λαμβάνοντας 0.42 g. Στοιχειακή ανάλυση για την 3, K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O, C 6 H 54 Al 2 K 8 N 2 O 40 P 6, M r = 1347.10, Θεωρητικές τιμές (%): C, 6.97; N, 2.71; H, 5.26; Πειραματικά αποτελέσματα (%): C, 6.95; N, 2.68; H, 5.29. Παρασκευή υλικού (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4H 2 O (4): Σε σφαιρική φιάλη με 6 ml υπερκαθαρό νερό προστίθενται 0.40 g (1.07 mmol) ένυδρου νιτρικού αργιλίου (Al(NO 3 ) 3 9H 2 O) και 0.49 g (3.2 mmol) μανδελικού οξέος (C 6 H 5 CH(OH)COOH), δηλαδή με αναλογία Al:ligand είναι 1:3. Ακολουθεί η προσθήκη υδατικού διαλύματος πιπεραζίνης (C 4 H 10 N 2 ) συγκέντρωσης 2.0 M, ανά σταγόνες, με 108

πιπέττα Pasteur, με ταυτόχρονη ανάδευση στο μαγνητικό αναδευτήρα. Η ρύθμιση του ph έγινε σε παγόλουτρο, διότι σε άλλες δοκιμές της συγκεκριμένης αντίδρασης, το διάλυμα έγινε πολύ θολό, πηχτό, και σχεδόν κολλώδες κατά τη διάρκεια της ρύθμισης του ph με την πιπεραζίνη. Η ποσότητα διαλύματος πιπεραζίνης που προστίθεται μέχρι ph 8.5-9.0, είναι περίπου 3.5 ml (~70 σταγόνες) και το διάλυμα γίνεται διαυγές. Προστίθεται περίπου 1 ml DMA στην επιφάνεια του διαλύματος. Μετά από δυο εβδομάδες περίπου, έχουν σχηματιστεί διαφανείς κρύσταλλοι στον πάτο των δοχείων. Οι κρύσταλλοι παρουσίασαν ευπάθεια σε συνθήκες εκτός μητρικού υγρού. Η απόδοση ήταν ~37% λαμβάνοντας 0.49 g. Στοιχειακή ανάλυση για την 4, (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4H 2 O, C 62.56 H 100 Al 2 N 8.28 O 21.40, M r = 1350.56, Θεωρητικές τιμές (%): C, 6.97; N, 2.71; H, 5.26; Πειραματικά αποτελέσματα (%): C, 6.95; N, 2.68; H, 5.29. 5.3.2. Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ. Οι κρύσταλλοι των υλικών 1, 2 και 3 απομονώθηκαν από μικτά διαλύματα νερούαιθανόλης και ήταν κατάλληλοι για κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. Κρύσταλλος της ένωσης 1 με διαστάσεις 0.14 x 0.20 x 0.48 mm απομονώθηκε απευθείας από το μητρικό υγρό και ψύχθηκε στους -93 ο C, όπως και ο κρύσταλλος της ένωσης 4. Οι μετρήσεις περίθλασης έλαβαν χώρα στο διαθλασίμετρο Rigaku R-AXIS SPIDER Image Plate με μονοχρωματική ακτινοβολία γραφίτη Mo Kα (λ = 0.71073 Å) για την 1, και με μονοχρωματική ακτινοβολία γραφίτη CuK\a (λ = 1.54178 Å) για την 4. Η συλλογή δεδομένων (ω-scans) και η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος CrystalClear. 27 Ένας μονοκρύσταλλος της ένωσης 2 με διαστάσεις 0.08 x 0.10 x 0.13 mm και ένας της ένωσης 3 με διαστάσεις 0.10 x 0.15 x 0.50 mm τοποθετήθηκαν σε τριχοειδή σωλήνα, αντίστοιχα. Οι μετρήσεις περίθλασης έλαβαν χώρα στο διαθλασίμετρο Crystal Logic Dual Goniometer, με μονοχρωματική ακτινοβολία γραφίτη Mo-Kα. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος Crystal Logic. Η κρυσταλλική δομή των τεσσάρων υλικών επιλύθηκε με άμεσες μεθόδους (direct methods) με τη βοήθεια του προγράμματος SHELXS-97 28 και βελτιστοποιήθηκε με ελάχιστα τετράγωνα πλήρους μήτρας στον παράγοντα F 2 με τη χρήση του προγράμματος SHELXS-97. 29 Τα άτομα υδρογόνου, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε άτομα άνθρακα, 109

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου τοποθετήθηκαν γεωμετρικά γύρω από τα γονικά τους άτομα και αφέθηκαν ενωμένα κατά τη διάρκεια βελτιστοποίησης της δομής. Οι θέσεις των ατόμων υδρογόνου, που ανήκουν σε μόρια νερού, προσδιορίστηκαν αρχικά με τη βοήθεια χαρτών ηλεκτρονικής πυκνότητας, στη συνέχεια μεταφέρθηκαν σε λογικές αποστάσεις από το γονικό άτομο οξυγόνου και στο τέλος διορθώθηκαν. Όλα τα μη υδρογονικά άτομα βελτιστοποιήθηκαν ανισοτροπικά. Πρόσθετα κρυσταλλογραφικά δεδομένα για τα τρία υλικά: Για το υλικό 1: 2θ max =52 o ; ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές: 33228/3818[R(int) = 0.0382]/3818, 620 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν; [Δρ] max /[Δρ] min = 0.401 /-0.311 e/å 3 ; R/R w (για όλα τα δεδομένα), 0.0360/0.0745. Για το υλικό 2: 2θ max =52 o ; ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές: 10944/2517[R(int) = 0.0846]/2517; 223 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν; [Δρ] max /[Δρ] min = 0.353/-0.424 e/å 3 ; R/R w (για όλα τα δεδομένα), 0.0951/0.1340. Για το υλικό 3: 2θ max =50 o ; ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές: 4310/4175[R(int) = 0.0223]/4175; 381 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν; [Δρ] max /[Δρ] min = 1.610/-0.758 e/å 3 ; R/R w (για όλα τα δεδομένα), 0.0585/0.1475. Για το υλικό 4: 2θ max =65 o ; ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές: 53261/11073[R(int) = 0.0336]/11073; 1011 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν; [Δρ] max /[Δρ] min = 0.984/-0.519 e/å 3 ; R/R w (για όλα τα δεδομένα), 0.1014/0.2676. Τα αποτελέσματα των υπόλοιπων μετρήσεων για τις ενώσεις 1, 2 και 3 συνοψίζονται στον Πίνακα 5.1 και για την ένωση 4 στον Πίνακα Χ.2. 110

0.259 0.335 1.074 Πίνακας 5.1. Κρυσταλλογραφικά δεδομένα για τα υλικά 1-3 1 2 3 Σύσταση Al 2 C 14 H 54 N 14 P 2 O 24 Al 2 C 10 H 32 N 4 P 2 O 20 Al 2 C 6 H 54 K 8 N 2 O 40 P 6 Μοριακή μάζα 918.62 644.29 1347.10 Θερμοκρασία (K) 180(2) 293(2) 298(1) Μήκος κύματος (Ǻ) Mo Kα 0.71073 Mo Kα 0.71073 Mo Kα 0.71073 Ομάδα συμμετρίας χώρου Pī P2 1 /n P2 1 /n a (Ǻ) 9.6765(1) 11.748 (2) 19.033(12) b (Ǻ) 10.5665(2) 6.9516(14) 10.649(6) c (Ǻ) 11.4956(2) 15.679(3) 11.878(8) α, deg 114.390(1) 90.00 90.00 β, deg 91.426(1) 94.169(3) 99.35(2) γ, deg 111.291(1) 90.00 90.00 V, (Ǻ 3 ) 976.03(3) 1277.1(4) 2375(3) Z 1 4 2 D calcd /D measd (Mg m -3 ) 1.563/1.563 1.676/1.675 1.883/1.880 Συντελεστής απορρόφησης, μ (mm -1) Εύρος των h,k,l -11 h 11-13 k 13-14 l 14-14 h 14-8 k 8-19 l 19-22 h 0-12 k 0-13 l 14 goodness-of-fit on F 2 1.044 0.957 1.071 Δείκτες R R = 0.0297 R = 0.0516 R = 0.0512 R w = 0.0709 R w = 0.1191 R w = 0.1407 111

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Πίνακας Χ.2. Κρυσταλλογραφικά δεδομένα για τo υλικό 4 Σύσταση Al 2 C 62.56 H 100 O 21.40 N 7.28 V, (Ǻ 3 ) 3424.36(8) Μοριακή μάζα 1358.56 Z 4 Θερμοκρασία (K) 160(2) D calcd (mg m -3 ) 1310 Μήκος κύματος (Ǻ) CuK\a 1.54178 Ομάδα συμμετρίας χώρου Pī a (Ǻ) 12.5043(2) Συντελεστής απορρόφησης, μ (mm -1) 1.045 Εύρος των h,k,l b (Ǻ) 13.3764(2) Δείκτες R c (Ǻ) 21.2853(2) α, deg 105.8470(10) β, deg 90.7600(10) γ, deg 90.4670(10) -11 h 14-15 k 15-25 l 25 goodness-of-fit on F 2 1.086 R = 0.1019 R w = 0.2408 5.3.3. Μέθοδοι Χαρακτηρισμού Η φασματοσκοπία FT-IR πραγματοποιήθηκε σε φασματόμετρο Thermo, Nicolet IR 200, χρησιμοποιώντας πελλέτες KBr. Η στοιχειακή ανάλυση του άνθρακα, υδρογόνου και αζώτου (%) έγινε σε θερμικό αναλυτή ThermoFinnigan Flash EA 1112 CHNS. Η λειτουργία του αναλυτή στηρίζεται στη στιγμιαία άνοδο της θερμοκρασίας στους 1800 ο C (από την εξώθερμη τήξη του κασσίτερου) προκαλώντας την πλήρη διάσπαση του δείγματος στα συστατικά του, τα οποία ακολούθως παρασύρονται από την ροή του He (κατά μήκος του αντιδραστήρα) μέχρι την ολοκληρωτική οξείδωσή τους στα αέρια προϊόντα N 2, CO 2, H 2 O και SO 2. Στη συνέχεια, το αέριο μίγμα (μαζί με He) εισέρχεται στη χρωματογραφική στήλη (GC) όπου γίνεται ο χρονικός διαχωρισμός των αερίων. Τελικά, τα αέρια προϊόντα (μαζί με He) εισέρχονται μεμονωμένα στον ανιχνευτή 112

θερμικής αγωγιμότητας (TCD) όπου ανιχνεύεται η ποσότητά τους. Ο χρησιμοποιούμενος θερμικός αναλυτής είναι πλήρως αυτοματοποιημένος, και ελέγχεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του προγράμματος Eager 300 για στερεά, υγρά και αέρια δείγματα. 5.3.4. Φασματοσκοπία υγρού πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 5.3.4.1. Σε υγρή κατάσταση Οι μετρήσεις 1Η -, 13 C- και 31 Ρ-NMR σε διάλυμα πραγματοποιήθηκαν σε φασματόμετρο Varian 600 MHz. Τα κρυσταλλικά υλικά διαλύθηκαν σε D 2 O, η συγκέντρωση των οποίων ήταν περίπου 14.5 mμ. Θεωρήθηκε αναγκαίο να πραγματοποιηθούν επιπλέον τα πειράματα 1 H-, 13 C-HSQC και 1 H-, 13 C-HMBC. Τα φάσματα πρωτονίου χρειάστηκαν 32 σαρώσεις, 1-1.5 s καθυστέρηση επανάληψης. Το εύρος των φασμάτων ήταν 30.000 Hz. Tα ετεροπυρηνικά πειράματα 1 Η και 13 C φασματοσκοπίας ΝΜR χρειάστηκαν 32-64 σαρώσεις. Tα φάσματα 31 P NMR υγρής κατάστασης για τις ενώσεις 1 και 2 καταγράφηκαν μετά από 1000 σαρώσεις, με παλμό 90 ο εύρους 5.2 μs, παλμό επαφής 3.3 ms και καθυστέρηση επανάληψης 8.0 s. Οι χημικές μετατοπίσεις των κορυφών συντονισμού του 31 Ρ βρέθηκαν με τη βοήθεια του φάσματος αναφοράς (0 ppm) διαλύματος φωσφορικού οξέος (Η 3 ΡΟ 4 ) σε D 2 O. 5.3.4.2. Σε στερεά κατάσταση Τα φάσματα 13 C-CP-MAS NMR στερεής κατάστασης καταγράφηκαν σε φασματόμετρο Varian 400 MHz με συχνότητα λειτουργίας στα 100.53 MHz. Σε κάθε περίπτωση, επαρκής ποσότητα (150mg) δείγματος τοποθετήθηκε σε ρότορα 3.2 mm και χρησιμοποιήθηκε ανιχνευτής (probe HX) διπλού συντονισμού. Ο ρυθμός του spin ορίστηκε στα 12 khz. Χρησιμοποιήθηκε συχνότητα παλμού RAMP-CP (από τη βιβλιοθήκη VnmrJ) κατά την οποία το πλάτος του 13 C spin-lock διαφοροποιείται με γραμμικό τρόπο κατά τη διάρκεια του cross-polarization (CP), ενώ ταυτόχρονα το πλάτος 1 Η spin-lock διατηρείται σταθερό. Το RAMP-CP εξαλείφει την εξάρτηση του προφίλ Hartmann-Hahn (matching profile) από το ρυθμό της ιδιοπεριστροφής ΜΑS και εξιδανικεύει την ένταση του σήματος. 30 Τα φάσματα 13 C-NMR για τις ενώσεις 1 και 2 καταγράφηκαν ύστερα από 1000 σαρώσεις, με παλμό 90 ο, πλάτους 6.3 μs και 5.8 μs, αντίστοιχα. Ο παλμός επαφής ήταν 2.1 ms και 2.0 ms, αντίστοιχα. Η καθυστέρηση επανάληψης ορίστηκε στα 8.0 s. Το φάσμα της ομάδας (C 10 H 16 )CH της αδαμαντίνης 113

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου αποτέλεσε το φάσμα αναφοράς (38.54 ppm) για να υπολογιστούν οι χημικές μετατοπίσεις των κορυφών συντονισμού του 13 C. Τα φάσματα 31 Ρ-CP-MAS NMR στερεάς κατάστασης καταγράφηκαν σε θερμοκρασία δωματίου σε φασματόμετρο Varian (VNMRS) 400 MHz, λειτουργώντας σε συχνότητα 161.82 MHz, η οποία είναι κατάλληλη για φάσματα 31 Ρ. Τα φάσματα καταγράφηκαν μετά από 50 σαρώσεις, με παλμό 90 ο και εύρος 5.2 μs. Ο παλμός επαφής ήταν 3.3 ms και η καθυστέρηση επανάληψης ήταν 12 s. Ως φάσμα αναφοράς χρησιμοποιήθηκε το φάσμα της ένωσης (NH 4 )H 2 PO 4 (0.72 ppm) ώστε να υπολογιστούν οι χημικές μετατοπίσεις των κορυφών συντονισμού του πυρήνα 31 P. 5.3.5. Ποτενσιομετρικές μετρήσεις (ph-potentiometric measurements) Οι σταθερές πρωτονίωσης (protonation constants) του υποκαταστάτη HEDP και οι σταθερές σταθερότητας (stability constants) των συμπλόκων του Al(III) με το παραπάνω φωσφονικό υπόστρωμα, προσδιορίστηκαν με ph-ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις, σε διαλύματα όγκου 25.0 ml, σε εύρος ph από 2 έως 11 και κάτω από αδρανή ατμόσφαιρα αργού. Δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή ώστε να διασφαλιστεί ότι τα δεδομένα που καταγράφηκαν συνάδουν με τη χημεία του κινητικά αδρανούς αργιλίου Al(III). Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκαν επαναληπτικές τιτλοδοτήσεις. Οι μετρήσεις των τιτλοδοτήσεων πραγματοποιήθηκαν ανά 0.005 μονάδες ph. Τα σημεία της τιτλοδότησης, στα οποία δεν επιτεύχθηκε η ισορροπία του ph εντός πέντε λεπτών, δε συμπεριλήφθηκαν στα δεδομένα της τιτλοδότησης. Η ιονική ισχύς ρυθμίστηκε στο 0.2 Μ με τη χρήση NaCl. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, η θερμοκρασία διατηρήθηκε σταθερή στους 25 ± 0.1 ο C. Επιπλέον, σε όλες οι τιτλοδοτήσεις χρησιμοποιήθηκε απαερωμένο (carbonatefree) διάλυμα NaOH, ως βάση γνωστής συγκέντρωσης (0.15 M). Οι συγκεντρώσεις του υποκαταστάτη ήταν 0.002, 0.004, ή 0.008 Μ και οι αναλογίες μετάλλου υποκαταστάτη ήταν 1:1, 1:2 ή 1:4. Οι υπόλοιπες πειραματικές συνθήκες διατηρήθηκαν σταθερές, βάσει προγενέστερων μελετών. 31,32 Οι τιμές του ph για τιτλοδοτήσεις χαμηλών συγκεντρώσεων, μετρήθηκαν με το αυτοματοποιημένο σύστημα τιτλοδότησης Molspin. Το ηλεκτρόδιο υάλου που χρησιμοποιήθηκε ήταν το Metrohm 6.0234.100 και ρυθμίστηκε για τη συγκέντρωση ιόντος υδρογόνου ακολουθώντας τη μέθοδο Irving. 33 114

Οι σταθερές πρωτονίωσης (protonation constants) του φωσφονικού οξέος παρουσιάζονται ως logk n (n=1, 2, 3) σύμφωνα με την ισορροπία: H n-1 L + H + H n L K n = [H n L] / [H n-1 L][H + ] Οι σταθερές σταθερότητας β pqr = [M p A q H r ]/[M] p [A] q [H] r υπολογίστηκαν με το υπολογιστικό πρόγραμμα PRESQUAD. 34,35 Οι σταθερές σταθερότητας που χρησιμοποιήθηκαν για τα υδροξο- είδη του Al(III), παραλήφθηκαν από την βιβλιογραφία 36 και διορθώθηκαν έτσι ώστε να ισχύει I = 0.20 M χρησιμοποιώντας την εξίσωση Davies: -5.49 για το [AlH -1 ] 2+, -13.54 για το [Al 3 H -4 ] 5+, -7.70 για το [Al 2 H -2 ] 4+, - 108.62 για το [Al 13 H -32 ] 7+, και -23.40 για το [AlH -4 ] -. 115

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.4. Αποτελέσματα 5.4.1. Μη φυσιολογικά υποστρώματα 5.4.1.1. Σύνθεση Οι συνθέσεις των υλικών 1 και 2 πραγματοποιήθηκαν μέσα από το σύστημα Al(III)-ΝΤΑΡ σε υδατικό περιβάλλον και με τιμές ph 7.0 για την ένωση 1 και 4.0 για την ένωση 2. Η ρύθμιση του ph έγινε με προσθήκη θρακικής γουανιδίνης και αμμωνίας, ως βάσεων. Η ένωση 3 προέκυψε από το δυαδικό σύστημα Al(III)-NTA3P σε τιμή ph 8.0 μετά από προσθήκη βάσης (ΚΟΗ). Σε όλες τις περιπτώσεις, η προσθήκη βάσης είχε διπλό ρόλο καθώς: α) βοήθησε στη ρύθμιση του ph, και β) προσέφερε θετικά φορτισμένα ιόντα που εξισορρόπησαν τα αρνητικά φορτία των συμπλόκων ενώσεων. Τα τρία υλικά απομονώθηκαν σε κρυσταλλική μορφή, μετά από προσθήκη αιθανόλης στο τελικό διάλυμα, στους 4 ο C, σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις. Α CH 2 COOH + 2 Al(NO 3 ) 3 + 2 HN CH 2 COOH + 10 H 2 O CH 2 P OH O O- 4CH 6 N 3 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O + 6 (CH 6 N 3 )NO 3 NH NH 2 NH 2 ph 7 Β + 2 Al(NO 3 ) 3 2 HN CH 2 COOH + + 6 H 2 O CH 2 COOH CH 2 P OH O O- (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O 6 (NH 4 )NO 3 + NH 3 ph 4 116

Γ 2 Al(NO 3 ) 3 + + 2 HN CH 2 CH 2 CH 2 PO(OH) 2 PO(OH) 2 P OH + 14 KOH + 8 H 2 O ph 8 O O - K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20 H 2 O + 6 KNO 3 Σχήμα 5.2. Α. Αντίδραση σύνθεσης της ένωσης 1, Β. Αντίδραση σύνθεσης της ένωσης 2, Γ. Αντίδραση σύνθεσης της ένωσης 3. Οι στοιχειακές αναλύσεις των απομονωθέντων κρυσταλλικών υλικών επιβεβαίωσαν του μοριακούς τύπους των ενώσεων 1, 2 και 3. Η φασματοσκοπία υπερύθρου αποκάλυψε την παρουσία των ΝΤΑΡ και ΝΤΑ3Ρ υποκαταστατών, οι οποίοι είναι συναρμοσμένοι στα ιόντα Al(III), επιβεβαιώνοντας με τη σειρά της, τους προαναφερθέντες μοριακούς τύπους. Η ένωση 1 είναι διαλυτή στο νερό, αλλά όχι και στους οργανικούς διαλύτες, όπως η αιθανόλη, το ακετονιτρίλιο, το τολουόλιο και το DMF. Οι ενώσεις 2 και 3 δεν είναι διαλυτές ούτε στο νερό, ούτε στους οργανικούς διαλύτες. Τα υλικά είναι σταθερά στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου για παρατεταμένο χρονικό διάστημα. Οι ερευνητικές προσπάθειες στο δυαδικό σύστημα Al(III) HEDP δεν απέδωσαν κάποιο κρυσταλλικό υλικό, κατάλληλο για χαρακτηρισμό με κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. 5.4.1.2. Η δομή των κρυσταλλικών υλικών 1-3 Κρυσταλλικό υλικό (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O (1) Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ στην περίπτωση του υλικού 1 αποκαλύπτει την ύπαρξη ενός πλέγματος, το οποίο αποτελείται από [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ] 4- μονάδες. Το φορτίο ισοσταθμίζεται από ιόντα γουανιδίνης. Το υλικό κρυσταλλώνει στο τρικλινές τρικλινές σύστημα Pī. Η απεικόνιση της κρυσταλλικής δομής της ένωσης 1 φαίνεται στο Σχήμα 5.3 και στο Σχήμα 5.4. Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών παρατίθενται στον Πίνακα 5.3. 117

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Η δομή της ένωσης 1 «χτίζεται» γύρω από έναν «πυρήνα» δύο αργιλίων [Al 2 (OH) 2 ] 4+, ο οποίος ενώνεται με δύο μόρια υποκαταστατών ΝΤΑΡ. Κάθε οργανοφωσφονικό υπόστρωμα προσδένεται στα ιόντα Al(III) μέσω: α) των δύο καρβοξυλικών ομάδων, β) του ατόμου αζώτου, και γ) του ενός από τα δύο άτομα οξυγόνου (απλού δεσμού) της φωσφονικής ομάδας που εκτείνεται και δεσμεύει το δεύτερο ιόν αργιλίου του διμεταλλικού πυρήνα. Η σφαίρα συναρμογής κάθε ιόντος Al(III) στο ανιοντικό σύμπλεγμα είναι ακριβώς ίδια. Συγκεκριμένα, οι δύο θέσεις συναρμογής καταλαμβάνονται από άτομα οξυγόνου (O(1) και O(3)), τα οποία ανήκουν στις καρβοξυλικές ομάδες του υποκαταστάτη και σχηματίζουν δύο πενταμελείς μεταλλοκυκλικούς δακτυλίους διαμέσω του ατόμου αζώτου (N(1)) του ίδιου υποκαταστάτη, το οποίο με τη σειρά του καταλαμβάνει μία τρίτη θέση συναρμογής. Όπως προαναφέρθηκε, η τέταρτη θέση συναρμογής του αργιλίου καταλαμβάνεται από άτομο οξυγόνου (Ο(5)) φωσφονικής ομάδας του δεύτερου υποκαταστάτη. Οι δύο τελευταίες θέσεις συναρμογής των δύο μεταλλικών ιόντων καταλαμβάνονται ταυτόχρονα από άτομα οξυγόνου (Ο(8)) δύο ιόντων υδροξυλίου, τα οποία δρουν ως γέφυρες μεταξύ των ιόντων Αl(III), σχηματίζοντας έτσι τον διμεταλλικό «πυρήνα» Al 2 (OH) 2. Σχήμα 5.3. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Al 2 (C 5 H 6 NO 7 ) 2 (OH) 2 ] 4- (1). 118

Το ισοσταθμισμένο φορτίο στην ένωση 1 αναδεικνύει ότι ο καρβοξυ-φωσφονικός υποκαταστάτης είναι πλήρως αποπρωτονιωμένος (-4), με τη μία φωσφονική και τις δύο καρβοξυλικές ομάδες να έχουν αποβάλλει όλα τους τα πρωτόνια. Συμπερασματικά, το σύμπλοκο είδος [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ] φέρει συνολικό φορτίο -4, το οποίο ισοσταθμίζεται από τέσσερα ιόντα γουανιδίνης [(CH 6 N 3 ) + ]. Τα ιόντα γουανιδίνης μαζί με οκτώ μόρια νερού ολοκληρώνουν το σχηματισμό του κρυσταλλικού πλέγματος της ένωσης 1. Ένα εκτεταμένο δίκτυο δεσμών-η, μεταξύ διμεταλλικού ανιόντος, των ιόντων γουανιδίνης και των μόριων νερού του πλέγματος συνδράμουν στο σχηματισμό ενός τρισδιάστατου πλέγματος (Σχήμα 5.4). Σχήμα 5.4. Διάγραμμα πλέγματος ανιόντος [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ] 4- στο επίπεδο ac Κρυσταλλικό υλικό (NH 4 ) 2 [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ]. 4H 2 O (2) Η ένωση 2 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα P2 1 /n. Η απεικόνιση της κρυσταλλικής δομής της ένωσης 2 φαίνεται στο Σχήμα 5.5. Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών παρατίθενται στον Πίνακα 5.3. Η κεντροσυμμετρική ένωση 2 περιέχει δύο ιόντα Al(III), που το καθένα τους συναρμόζεται με ένα μόριο υποκαταστάτη ΝΤΑΡ διάμεσου της φωσφονικής και των δύο καρβοξυλικών ομάδων καθώς και των ατόμων αζώτου. Τα δύο μόρια του φωσφονικού υποστρώματος είναι πλήρως από πρωτονιωμένα. Δύο θέσεις συναρμογής του Al(III) καταλαμβάνονται από τα δύο άτομα οξυγόνου [O(1) and O(3)] των καρβοξυλικών ομάδων, σχηματίζοντας δύο πενταμελείς μεταλλοκυκλικούς 119

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου δακτυλίους διαμέσω του ατόμου αζώτου (N(1)) του ίδιου υποκαταστάτη, το οποίο με τη σειρά του καταλαμβάνει μία τρίτη θέση συναρμογής. Επιπροσθέτως, η φωσφονική ομάδα του υποκαταστάτη χρησιμοποιεί το ένα αποπρωτονιωμένο οξυγόνο της [O(5)] για να συναρμοσθεί με το Al(III), και το δεύτερο αποπρωτονιωμένο οξυγόνο της [O(6)] για να συναρμοσθεί με το δεύτερο ιόν Al(III). Με αυτόν τον τρόπο καταλαμβάνεται η τέταρτη και η πέμπτη θέση συναρμογής και των δύο μεταλλικών ιόντων. Το δεύτερο μόριο του ΝΤΑΡ υποκαταστάτη παρουσιάζει ακριβώς την ίδια συμπεριφορά στον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με το δεύτερο ιόν αργιλίου. Η έκτη και τελευταία θέση συναρμογής κάθε αργιλίου καταλαμβάνεται από το άτομο οξυγόνου [ΟW(1)] ενός δεσμευμένου μορίου νερού. Σχήμα 5.5. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ] 2- (2) Οι φωσφονικές και οι καρβοξυλικές ομάδες έχουν αποβάλλει όλα τα πρωτόνιά τους και σε συνδυασμό με τα δύο ιόντα Al(III) το ανιοντικό μέρος της ένωσης 2 αποκτά φορτίο -2 ([Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ] 2- ). Το φορτίο ισοσταθμίζεται από την παρουσία δύο ιόντων αμμωνίου (ΝΗ + 4 ). Ο μοριακός σχηματισμός της ένωσης 2 ολοκληρώνεται με την παρουσία τεσσάρων μορίων νερού. Ένα εκτεταμένο δίκτυο αλληλεπιδράσεων δεσμών υδρογόνου, συντελούν στο σχηματισμό και στην σταθεροποίηση του πλέγματος (Σχήμα 5.6). 120

Σχήμα 5.6. Διάγραμμα πλέγματος του ανιόντος [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ] 2- στο επίπεδο ac (2) Κρυσταλλικό υλικό K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O (3) Η ένωση 3 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα P2 1 /n. Η απεικόνιση της κρυσταλλικής δομής της ένωσης 2 φαίνεται στο Σχήμα 5.7. Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών παρατίθενται στον Πίνακα 5.3. Η δομή της 3 αποτελείται από διακριτά ανιοντικά μέρη και ιόντα καλίου. Ο ανιοντικός κεντροσυμμετρικός σχηματισμός περιέχει ένα διμεταλλικό πυρήνα [Al 2 (OH) 2 ] 4+, ο οποίος δεσμεύει δύο μόρια NTA3P υποκαταστάτη. Οι δύο θέσεις συναρμογής κάθε μεταλλοϊόντος καταλαμβάνονται από άτομα οξυγόνου [O(1) και O(4)] των δύο φωσφονικών ομάδων του υποστρώματος, σχηματίζοντας δύο πενταμελείς μεταλλοκυκλικούς δακτυλίους διαμέσω του ατόμου αζώτου (N(1)) του ίδιου υποκαταστάτη, το οποίο ταυτόχρονα καταλαμβάνει μία τρίτη θέση συναρμογής. Η τρίτη θέση συναρμογής του Al(III) καταλαμβάνεται από άτομο οξυγόνου [O(7)] της τρίτης φωσφονικής ομάδας του δεύτερου μορίου ΝΤΑ3Ρ. Ο πυρήνας [Al 2 (OH) 2 ] 4+ είναι επίπεδος και δύο ιόντα υδροξυλίου, τα οποία δρουν ως γέφυρες και ενώνουν τα δύο μεταλλικά κέντρα. Σε αυτό το σημείο, πρέπει να τονίσουμε ότι τα άτομα οξυγόνου [Ο(10)] που ανήκουν στις υδροξυλικές ομάδες καταλαμβάνουν την πέμπτη και έκτη θέση συναρμογής σε κάθε μεταλλοϊόν. Αξιοσημείωτη είναι η έλλειψη μορίων νερού από τη σφαίρα συναρμογής κάθε ιόντος αργιλίου Al(III). Η 121

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου σύνθεση της σφαίρας συναρμογής είναι πανομοιότυπη για τα δύο μεταλλοϊόντα λαμβάνοντας οκταεδρική διάταξη στο χώρο. Σχήμα 5.7. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ] 8- (3) Κάθε ανιοντική διπυρηνική ομάδα [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ] παρουσιάζει φορτίο -8. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στη διαπίστωση ότι το κάθε ΝΤΑ3Ρ υπόστρωμα είναι πλήρως αποπρωτονιωμένο, έχοντας τις τρεις φωσφονικές ομάδες διπλά αποπρωτονιωμένες. Εξαιτίας του υψηλού φορτίου που αποκτά ο σχηματισμός [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ] 8-, απαιτούνται οκτώ ιόντα καλίου για την ισοστάθμιση αυτού. Τα τέσσερα κρυσταλλογραφικώς ανεξάρτητα ιόντα καλίου αλληλεπιδρούν με άτομα οξυγόνου του ΝΤΑ3Ρ του υποκαταστάτη και των μορίων νερού, παρουσιάζοντας γεωμετρίες που προκύπτουν από συναρμογή τριών (K4), πέντε (K1, K2) και έξι (Κ3) ατόμων οξυγόνου στο άτομο του καλίου (Σχήμα 5.8). Οι αποστάσεις δεσμών κυμαίνονται από 2.650 2.995 Å. Οι διακριτές διπυρηνικές μονάδες [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ] ενώνονται μεταξύ τους μέσω των ιόντων καλίου, σχηματίζοντας ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Τα μόρια του νερού συνεισφέρουν στη περαιτέρω σταθεροποίηση του πλέγματος, καθώς σχηματίζεται ένα εκτεταμένο δίκτυο δεσμών υδρογόνου (Σχήμα 5.9). 122

Σχήμα 5.8. Διάγραμμα DIAMOND που απεικονίζει την παρουσία των ιόντων Κ + στο κρυσταλλικό πλέγμα της ένωσης K 8 [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ]. 20H 2 O (3) Σχήμα 5.9. Διάγραμμα πλέγματος του ανιόντος [Al 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) 2 (OH) 2 ] 8- στο επίπεδο ab (3) 123

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Πίνακας 5.3. Μήκη δεσμών (Ǻ) και γωνίες (deg) για τα υλικά 1-3. Αποστάσεις (Å) 1 2 3 Al(1)-O(1) 1.927(11) Al(1)-O(1) 1.912(3) Al(1)-O(1) 1.903(3) Al(1)-O(3) 1.887(11) Al(1)-O(3) 1.905(3) Al(1)-O(4) 1.853(3) Al(1)-O(5) 1.828(11) Al(1)-O(5) 1.859(3) Al(1)-O(7) 1.830(3) Al(1)-O(8) 1.858(12) Al(1)-O(6) 1.855(3) Al(1)-O(10) 1.857(3) Al(1)-O (8) 1.858(11) Al(1)-OW(1) 1.855(3) Al(1)-O(10) 1.853(3) Al(1)-N(1) 2.197(14) Al(1)-N(1) 2.099(3) Al(1)-N(1) 2.315(3) Γωνίες (deg) O(1)-Al(1)-O(3) 97.23(5) O(1)-Al(1)-O(3) 89.15(13) O(1)-Al(1)-O(4) 96.55(13) O(1)-Al(1)-O(5) 89.38(5) O(1)-Al(1)-O(5) 89.02(13) O(1)-Al(1)-O(7) 89.93(13) O(1)-Al(1)-O(8) 91.38(5) O(1)-Al(1)-O(6) 177.19(14) O(1)-Al(1)-O(10) 167.55(13) O(1)-Al(1)-O(8) 167.26(5) O(1)-Al(1)-OW(1) 86.19(13) O(1)-Al(1)-O(10) 93.80(13) O(1)-Al(1)-N(1) 77.78(5) O(1)-Al(1)-N(1) 83.78(12) O(1)-Al(1)-N(1) 79.33(11) O(3)-Al(1)-O(5) 89.92(5) O(3)-Al(1)-O(5) 166.81(13) O(4)-Al(1)-O(7) 88.28(13) O(3)-Al(1)-O(8) 168.21(5) O(3)-Al(1)-O(6) 88.51(13) O(4)-Al(1)-O(10) 93.50(14) O(3)-Al(1)-O(8) 92.51(5) O(3)-Al(1)-OW(1) 95.33(13) O(4)-Al(1)-O(10) 167.99(13) O(3)-Al(1)-N(1) 81.83(5) O(3)-Al(1)-N(1) 80.72(13) O(4)-Al(1)-N(1) 83.37(12) O(5)-Al(1)-O(8) 98.24(5) O(5)-Al(1)-O(6) 93.61(13) O(7)-Al(1)-O(10) 97.72(14) O(5)-Al(1)-O(8) 98.85(5) O(5)-Al(1)-OW(1) 97.57(13) O(7)-Al(1)-O(10) 97.83(14) O(5)-Al(1)-N(1) 163.66(5) O(5)-Al(1)-N(1) 86.10(12) O(7)-Al(1)-N(1) 165.51(12) O(8)-Al(1)-O(8) 77.89(6) O(6)-Al(1)-OW(1) 92.46(13) O(10)-Al(1)-O(10) 75.49(15) O(8)-Al(1)-N(1) 95.60(5) O(6)-Al(1)-N(1) 97.38(13) O(10)-Al(1)-N(1) 94.60(12) O(8) -Al(1)-N(1) 92.20(5) OW(1)-Al(1)-N(1) 169.27(14) O(10)-Al(1)-N(1) 92.60(12) Τα μήκη δεσμών Al O των 1 3 βρίσκονται σε συμφωνία με τα μήκη δεσμών Al(ΙΙΙ) O σε σύμπλοκες ενώσεις, όπως τα μονοπυρηνικά Al[C 3 H 6 NP 3 O 9 ] (1.841(14) 2.011(14) Å), 37 K[Al(C 4 H 5 O 4 N) 2 ]. 3H 2 O (1.856(3) 2.056(3) Å), 33 (NH 4 ) 5 [Al(C 6 H 4 O 7 ) 2 ]. 2H 2 O (1.844(3) 1.961(3) Å), 37,38 K[Al(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 4H 2 O (1.876(2) 1.891(2) Å), 39 (NH 4 ) 4 [Al(C 6 H 4 O 7 )(C 6 H 5 O 7 )]. 3H 2 O (1.836(1) 1.959(1) Å), 40 τα διπυρηνικά (NH 4 ) 4 [Al 2 (C 6 H 4 O 7 )(C 6 H 5 O 7 ) 2 ]. 4H 2 O (1.835(3) 1.932(3) Å), 41 και τα υλικά που 124

περιέχουν τρία μεταλλικά κέντρα (NH 4 ) 5 [Al 3 (C 6 H 4 O 7 ) 3 (OH)(H 2 O)]. (NO 3 ). 6H 2 O (1.832(5) 1.935(5) Å). 42 Οι αποστάσεις δεσμών Al O για τα υλικά 1 και 2, είναι επίσης σε συμφωνία με αποστάσεις δεσμών σε σύμπλοκα M(II,III) O που περιέχουν τον ΝΤΑΡ υποκαταστάτη, όπως τα (C 4 H 12 N 2 )[Ge 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 4H 2 O (1.767(2) 1.930(2) Å), 43 [Co 2 (C 5 H 6 NPO 7 )(H 2 O) 5 ]. H 2 O (2.053(2) 2.198(2) Å) και [Zn 2 (C 5 H 6 NPO 7 )(CH 3 CO 2 H)]. 2H 2 O (1.980(3) 2.020(3) Å). 47 Στην περίπτωση της ένωσης 3, οι αποστάσεις δεσμών Al O συμφωνούν με τις αποστάσεις δεσμών των παρακάτω υλικών Μ-ΝΤΑ3Ρ: [Hpy][Cu(C 3 H 6 NP 3 O 9 )(H 2 O)] (1.928(6) 2.156(6) Å) 44 και Zn 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) (1.790(2) 2.077(16) Å). 45 5.4.1.3. Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR). Τα φάσματα υπερύθρου (FT-IR) των ενώσεων 1, 2 και 3 αποκαλύπτουν την παρουσία δονητικά ενεργών καρβοξυλικών και φωσφονικών ομάδων. Για το λόγο αυτό, εμφανίζονται τόσο οι συμμετρικές όσο και οι αντισυμμετρικές δονήσεις των συναρμοσμένων καρβοξυλικών ομάδων στα φάσματα των ενώσεων 1 και 2. Συγκεκριμένα, για την ένωση 1 (Σχήμα 5.10), οι συμμετρικές δονήσεις τάσεως ν s (COO ) των καρβονυλίων των καρβοξυλικών ομάδων κυμαίνονται γύρω στα 1405 cm -1, ενώ οι αντισυμμετρικές δονήσεις ν as (COO ) των ίδιων ομάδων εμφανίζονται μεταξύ 1600 cm -1 και 1702 cm -1. Επιπλέον, οι δονήσεις τάσεως ν(ρ-ο) εμφανίζονται μεταξύ 927 cm -1 και 1106 cm -1. 125

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 %T 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 4000 3500 3000 2500 2000 Wavenumbers (cm-1) 1500 1000 500 Σχήμα 5.10. Φάσμα υπερύθρου FT-IR του υλικού 1 Για την ένωση 2 (Σχήμα 5.11), οι συμμετρικές δονήσεις τάσεως για τα καρβονύλια των καρβοξυλίων εμφανίζονται στην περιοχή 1381 cm -1-1434 cm -1, ενώ οι αντισυμμετρικές δονήσεις της ίδιας ομάδας εμφανίζονται 1600 cm -1-1680 cm -1. Οι δονήσεις τάσεως ν(ρ-ο) εμφανίζονται μεταξύ 910 cm -1-1155 cm -1. 27 26 25 24 23 %T 22 21 20 19 18 17 4000 3500 3000 2500 2000 Wav enumbers (cm-1) 1500 1000 500 Σχήμα 5.11. Φάσμα υπερύθρου FT-IR του υλικού 2 126

Οι συχνότητες των δονήσεων των καρβονυλίων για τις δύο ενώσεις, είναι μετατοπισμένες προς χαμηλότερες τιμές συγκριτικά με τις αντίστοιχες δονήσεις του ελεύθερου (μη συναρμοσμένου) ΝΤΑΡ υποκαταστάτη (1742 cm -1 ). Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι υπάρχουν αλλαγές στη δονητική κατάσταση του οργανοφωσφονικού υποστρώματος από τη στιγμή που συναρμόζεται με το ιόν του Al(III). Επιπροσθέτως, η διαφορά μεταξύ αντισυμμετρικών και συμμετρικών δονήσεων (Δ(ν as (COO )-ν s (COO )), είναι μεγαλύτερη από 200 cm -1 και στις δύο περιπτώσεις, δηλώνοντας τη συναρμογή του μεταλλικού ιόντος στις καρβοξυλικές ομάδες του υποστρώματος. Η ένωση 3 (Σχήμα 5.12) αποτελείται από ιόντα Al(III) και από υπόστρωμα το οποίο περιέχει μόνο δονητικά ενεργές φωσφονικές ομάδες. Για το λόγο αυτό, στην ένωση 3 παρουσιάζονται μόνο δονήσεις τάσεως ν(p-o) στην περιοχή 988 cm -1-1155 cm -1. 13 12 11 10 9 %T 8 7 6 5 4 3 4000 3500 3000 2500 2000 Wav enumbers (cm-1) 1500 1000 500 Σχήμα 5.12. Φάσμα υπερύθρου FT-IR του υλικού 3 Οι δονήσεις τάσεως και οι μετατοπίσεις των απορροφήσεων που παρατηρούνται στα τρία φάσματα υποστηρίζονται τόσο από τη βιβλιογραφία, 46 όσο και από την κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. Όλες οι παραπάνω παρατηρήσεις βρίσκονται σε συμφωνία με προηγούμενες παρατηρήσεις σε διμερείς Al(III)-NO 5 ενώσεις, 47 αλλά και με προηγούμενες αναφορές σε καρβοξυλικούς 38,48,49,50,51,52,53,54,55 και καρβοξυφωσφονικούς υποκαταστάτες, οι οποίοι είναι συναρμοσμένα σε μεταλλικά ιόντα. 56,57,58,59 127

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Πίνακας 5.3 Οι συνολικές δονήσεις τάσεις των υλικών 1-5. 1 2 3 ν s(coo - ) 1405 cm -1 1381 cm -1-1434 cm -1 - - ν as(coo ) 1702 cm -1-1600 cm -1 1600 cm -1-1680 cm -1 - ν (Ρ-Ο) 927 cm -1-1106 cm -1 910 cm -1-1155 cm -1 988 cm -1-1155 cm -1 5.4.1.4. Φασματοσκοπία ΝΜR (solution και solid state) 5.4.1.4.1. Φασματοσκοπία ΝΜR στερεής κατάστασης Τα φάσματα 13 C CP-MAS-NMR αναδεικνύουν την ύπαρξη συναρμοσμένων μορίων NTAP και επαληθεύουν τον τρόπο με τον οποίο συναρμόζεται ο ΝΤΑΡ υποκαταστάτης γύρω από το ιόν του Al(III). Το φάσμα της ένωσης 1 (Σχήμα 5.13) δείχνει τέσσερις απορροφήσεις στην περιοχή υψηλού πεδίου. Οι κορυφές στα 56.3 και 57.8 ppm αντιστοιχούν στο μεθυλενικό άνθρακα C(5) της φωσφονικής ομάδας. Ο διαχωρισμός (splitting) του σήματος είναι περίπου 150 Hz και οφείλεται σε 1 J-coupling αλληλεπίδραση ( 1 J C(1),P(1) ). Η αντίστοιχη αλληλεπίδραση του ελεύθερου ΝΤΑΡ υποκαταστάτη είναι 1 J C(1),P(1) = 146 Hz, όπως αναφέρεται και στη βιβλιογραφία. 43 Οι κορυφές στα 59.5 και 66.6 ppm αντιστοιχούν στους μεθυλενικούς άνθρακες C(2) και C(4) που βρίσκονται δίπλα στις καρβοξυλικές ομάδες, οι οποίες αλληλεπιδρούν με το κεντρικό Al(III). Οι μετατοπίσεις των κορυφών της ομάδας CH 2 -PO 2-3 [C(5)] είναι δ=4.5 - ppm και για τις ομάδες CH 2 -CO 2 [C(2) και C(4)] είναι δ=4.0 ppm και δ=9.4 ppm, αντίστοιχα και συγκριτικά με τον ελεύθερο υποκαταστάτη. Η κορυφή στα 159.4 ppm αποδίδεται στον άνθρακα του κατιόντος γουανιδίνης. Οι δύο κορυφές στην περιοχή χαμηλού πεδίου (174.9 ppm and 179.9 ppm) αποδίδονται στους άνθρακες C(1) και C(3) των καρβοξυλικών ομάδων που συνδέονται με το ιόν Al(III). Οι κορυφές έχουν μετατοπιστεί κατά 5.7 ppm και 7.4 ppm, αντίστοιχα, προς περιοχές χαμηλότερου πεδίου, σε σχέση με το σήμα που δίνεται στο φάσμα του ελεύθερου υποκαταστάτη. 43 128

Σχήμα 5.13. Φάσμα 13 C CP-MAS-NMR στερεής κατάστασης της ένωσης 1 Tο φάσμα 31 P CP-MAS-NMR της 1 (Σχήμα 5.14) εμφανίζει μια κορυφή στα 7.4 ppm, η οποία αποδίδεται στο φωσφόρο της φωσφονικής ομάδας, η οποία αλληλεπιδρά με το ιόν του αργιλίου. Ο συντονισμός αυτός είναι μετατοπισμένος κατά 1.4 ppm προς χαμηλότερες τιμές ενέργειας, συγκριτικά με το αντίστοιχο σήμα του ελεύθερου υποκαταστάτη. Η ύπαρξη ενός μόνο σήματος συντονισμού επιβεβαιώνει ότι ο τρόπος συναρμογής των δύο μορίων υποκαταστάτη στα ιόντα Al(III) ταυτίζεται και βρίσκεται σε συμφωνία με τη συμμετρία που παρουσιάζει η ένωση 1. 100 50 0 ppm -50-100 Σχήμα 5.14. Φάσμα 31 P CP-MAS-NMR στερεής κατάστασης της ένωσης 1 129

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Το φάσμα της ένωσης 2 αποκαλύπτει σήματα τόσο σε περιοχές χαμηλού όσο και υψηλού πεδίου (Σχήμα 5.15). Οι διπλές κορυφές βρίσκονται στο υψηλό πεδίο, καθώς τα άλλα δύο σήματα βρίσκονται σε περιοχές χαμηλού πεδίου. Οι δύο διπλές κορυφές που βρίσκονται στην περιοχή υψηλού πεδίου ανήκουν στον άνθρακα C(5) (58.3 και 59.6 ppm) της μεθυλενικής ομάδας CH 2, η οποία δεσμεύει τη φωσφονική ομάδα, και στους άνθρακες C(2) και C(3) που ανήκουν στις μεθυλενικές CH 2 ομάδες (65.3 και 65.9 ppm) που είναι ενωμένες με τις καρβοξυλικές ομάδες του ΝΤΑΡ υποστρώματος. Παρόλο που αναμενόταν δύο απλές κορυφές, διακρίνουμε διπλές κορυφές, όπως ακριβώς συμβαίνει και στο φάσμα του ελεύθερου ΝΤΑΡ. Ο διαχωρισμός του σήματος του C(5) οφείλεται σε 1 J-coupling αλληλεπιδράσεις ( 1 J C(1),P(1) ) και υπολογίζεται στα 135 Hz, σύμφωνα με το φάσμα 13 C NMR της ένωσης 2. Σχήμα 5.15. Φάσμα 13 C CP-MAS-NMR στερεής κατάστασης της ένωσης 2 Η μετατόπιση του σήματος του άνθρακα C(5) (CH 2 -PO 2-3 ομάδα) είναι 4.3 ppm προς χαμηλότερα πεδία, ενώ οι μετατοπίσεις των C(2) και C(3) (των ομάδων CH 2 -CO - 2 ) είναι 6.2 ppm και 8.8 ppm, αντίστοιχα και προς χαμηλότερα πεδία, συγκριτικά με το ΝΤΑΡ. Τα δύο σήματα συντονισμού στα 177.7 ppm και 179.3 ppm αντιστοιχούν στους άνθρακες C(1) και C(4) των δύο καρβοξυλικών ομάδων. Αυτά τα σήματα είναι μετατοπισμένα κατά 11.5 12.9 ppm προς χαμηλότερα πεδία, σε σχέση με τα αντίστοιχα σήματα στο φάσμα του ελεύθερου ΝΤΑΡ. 43 130

Το φάσμα 31 P CP-MAS NMR της ένωσης 2 (Σχήμα 5.16) παρουσιάζει μία απλή κορυφή στα 13.3 ppm. Το σήμα είναι μετατοπισμένο κατά 7.3 ppm σε χαμηλότερα πεδία συγκριτικά με το σήμα στο ελεύθερο ΝΤΑΡ. 100 50 0-50 Σχήμα 5.16. Φάσμα 31 P CP-MAS-NMR στερεάς κατάστασης της ένωσης 2 5.4.1.4.2. Φασματοσκοπία NMR υγρής κατάστασης. Η ένωση 1 είναι το μόνο κρυσταλλικό υλικό από τα τρία, το οποίο είναι διαλυτό στο νερό και μπορεί να μελετηθεί η συμπεριφορά του σε υδατικό περιβάλλον. Το φάσμα 13 C-NMR της ένωσης 1 καταγράφηκε σε διαλύτη D 2 O (Σχήμα 5.17). Το φάσμα παρουσιάζει αρκετά σήματα. Τα δύο σήματα στην περιοχή υψηλού πεδίου (55.7 και 56.6 ppm) ανήκουν στον άνθρακα C(5) της μεθυλενικής ομάδας CH 2, η οποία είναι συνδεδεμένη με την φωσφονική ομάδα και στους άνθρακες C(2) και C(4) (62.7 και 64.1 ppm), οι οποίοι ανήκουν στις CH 2 μεθυλενικές ομάδες που είναι ενωμένες με τις καρβοξυλικές ομάδες του ΝΤΑΡ υποστρώματος. Το σήμα συντονισμού του C(5) μετατοπίζεται κατά 4.5 ppm και εκείνα των ανθράκων C(2) και C(4) μετατοπίζονται κατά 4.7 6.1 ppm προς χαμηλότερα πεδία, συγκριτικά με τα σήματα του ελεύθερου ΝΤΑΡ (Σχήμα 5.18). Η κορυφή στα 157.9 ppm αντιστοιχεί στον άνθρακα C(7) του ιόντος της γουανιδίνης και το σήμα στα 177.2 ppm αναφέρεται στους άνθρακες C(1) και C(3) των καρβοξυλικών ομάδων. Τα παραπάνω σήματα μετατοπίζονται προς περιοχές χαμηλού 131

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου πεδίου σε σχέση με το φάσμα του ελεύθερου ΝΤΑΡ υποκαταστάτη. Η μετατόπιση είναι 6.9 ppm και είναι συγκρίσιμη με αυτή που βρέθηκε στο φάσμα 13 C CP-MAS solid-state NMR της ένωσης 1. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα σήματα που παρατηρήθηκαν στις μετρήσεις σε διάλυμα παρουσιάζουν ομοιότητες με αυτά που παρατηρήθηκαν στις μετρήσεις σε στερεά κατάσταση. Για τον λόγο αυτό, τα φάσματα 13 C-NMR στο διάλυμα και 13 C-NMR στερεάς κατάστασης για την ένωση 1 βρίσκονται σε συμφωνία. Σχήμα 5.17. Φάσμα 13 C NMR υγρής κατάστασης της ένωσης β Σχήμα 5.18. Φάσματα 13 C NMR υγρής κατάστασης της ένωσης β (μπλε φάσμα) και του ελεύθερου μορίου ΝΤΑΡ (κόκκινο) 132

Το φάσμα 31 P-NMR (Σχήμα 5.20) του ελεύθερου υποκαταστάτη ΝΤΑΡ εμφανίζει μόνο ένα σήμα στα 6.1 ppm, ο οποίος αντιστοιχεί στο φωσφόρο της φωσφονικής ομάδας. Σε αντίθεση με αυτό, στο αντίστοιχο φάσμα της ένωσης 1 παρατηρούνται δύο σήματα συντονισμού στα 13.6 και 5.4 ppm (Σχήμα 5.19). Το δεύτερο σήμα συντονισμού στα 13.6 ppm δεν εμφανίζεται ούτε στο αντίστοιχο φάσμα στη στερεά κατάσταση της ένωσης 1. Είναι πολύ πιθανό, το δεύτερο σήμα συντονισμού να οφείλεται στην παρουσία μονοπυρηνικών Al-NTAP ειδών, τα οποία προκύπτουν από τη διάλυση του διμερούς είδους στο D 2 O. Αυτή η υπόθεση επαληθεύεται από το φάσμα 1 H-NMR, από τις μελέτες HMBC και HSQC σε D 2 O της ένωσης 1, και υποστηρίζεται από τις μελέτες υδατικής ειδοκατανομής για το δυαδικό σύστημα Al(III) NTAP. ppm (t1) 50 0 Σχήμα 5.19. Φάσμα 31 P-NMR υγρής κατάστασης της ένωσης 1 Σχήμα 5.20. Φάσματα 31 P-NMR υγρής κατάστασης της ένωσης 1 (μπλε φάσμα) και του 133 ελεύθερου μορίου ΝΤΑΡ (κόκκινο)

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Σύμφωνα με τα παραπάνω, κρίθηκε αναγκαία τόσο α) η διερεύνηση των πρόσθετων σημάτων στο φάσμα του φωσφόρου όσο και β) η αντιστοίχηση των σημάτων του φάσματος 13 C-NMR στην περιοχή 50 70 ppm με τους άνθρακες των μεθυλενικών ομάδων των CH 2 -PO(OH) 2 και CH 2 -CO(OH). Οι μελέτες HMBC και HSQC συνεισφέραν καταλυτικά στην επίλυση των παραπάνω προβλημάτων. Το φάσμα HSQC απεικονίζει τα σήματα μόνο των ανθράκων που είναι συνδεδεμένα με άτομα υδρογόνου. Σχήμα 5.21. Παρατηρούμε ότι, στα 55.0 ppm (φάσμα του 13 C) έχουμε ένα μόνο σήμα (δεξιά), ενώ στα 63.0 ppm έχουμε δύο σήματα. Θεωρούμε ότι το πρώτο ανήκει στον άνθρακα (C(5)) της ομάδας CH 2 -PO(OH) 2, ενώ τα δύο άλλα σήματα των ανθράκων (C(2) και C(4)) ανήκουν στην CH 2 -CO(OH) ομάδα, καθόσον έχουμε δύο από αυτές. Αν αντιστοιχίσουμε τα σήματα με το φάσμα του 1 Η παρατηρούμε ότι τα σήματα συντονισμού των πρωτονίων του C(5) εμφανίζονται στα 2.95 ppm, ενώ για τους άλλους δύο άνθρακες εμφανίζονται περίπου στα 3.1 και 3.9 ppm, αντίστοιχα. Το φάσμα HMBC απεικονίζει τα σήματα κάθε άνθρακα σε συνδυασμό με τα σήματα των γειτονικών ατόμων άνθρακα της ένωσης (Σχήμα 5.22) και επαληθεύει όλες τις παραπάνω παρατηρήσεις. Το σήμα του άνθρακα, του οποίου τα σήματα των υδρογόνων εμφανίζονται στα 2.95 ppm (πάνω αριστερά) δεν έχει γειτονικό καρβοξυλικό άνθρακα, καθόσον δεν εμφανίζεται το αντίστοιχο σήμα στα 175 ppm (κατακόρυφο φάσμα). Οπότε, επιβεβαιώνεται ότι το συγκεκριμένο σήμα ανήκει στην μεθυλενική ομάδα, η οποία είναι συνδεδεμένη με τη φωσφονική ομάδα. Συνεπακόλουθα, τα δύο σήματα που εμφανίζονται περίπου στα 3.1 και 3.9 ppm (του φάσματος 1 Η ΝΜR) ανήκουν στους δύο άνθρακες των μεθυλενικών CH 2 -CO(OH) ομάδων, αντίστοιχα. Τα δύο σήματα στα 55.0 ppm (επάνω) και στα 3.1 και 3.9 ppm (κάτω) ανήκουν στους άνθρακες των μεθυλενικών CH 2 -CO(OH) ομάδων ελεύθερου μορίου ΝΤΑΡ και αυτό συμπεραίνεται από το Σχήμα 5.18, όπου διακρίνονται τα δύο σήματα να συμπίπτουν (60-65 ppm) λόγω μετατόπισης. Τα υπόλοιπα σήματα είναι πιθανό να ανήκουν σε κάποιο νέο είδος που προέκυψε κατά τη διάλυση της ένωσης 1 σε D 2 O. 134

45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 ppm 70.0 75.0 80.0 4.00 3.75 3.50 3.25 3.00 2.75 ppm Σχήμα 5.21. Φάσμα ΗSQC NMR υγρής κατάστασης της ένωσης 1 (Φάσμα 13 C-NMR κατακόρυφα και φάσμα 1 H-NMR οριζόντια) 50 75 100 125 ppm 150 175 4.00 3.75 3.50 3.25 3.00 2.75 ppm Σχήμα 5.22. Φάσμα ΗMBC NMR υγρής κατάστασης της ένωσης 1 (Φάσμα 13 C-NMR κατακόρυφα και φάσμα 1 H-NMR οριζόντια) 135

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.4.1.5. Μελέτες υδατικής ειδοκατανομής στο δυαδικό σύστημα Al(III) HEDP Οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής περιλαμβάνουν ποτενσιομετρικές μετρήσεις στο δυαδικό σύστημα Al(III) hedp σε διάφορες μοριακές στοιχειομετρίες. Οι σταθερές σταθερότητας υπολογίστηκαν από τη συνολική αποτίμηση των ph-μετρικών καμπυλών τιτλοδότησης, οι οποίες περιείχαν είδη με ποικίλες στοιχειομετρίες μετάλλου υποκαταστάτη. Πολλά από τα παραπάνω είδη απορρίφθηκαν από το χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα ηλεκτρονικού υπολογιστή (PSEQUAD), καθώς ο παράγοντας προσαρμογής (fitting parameter) δε βελτιώθηκε σημαντικά από το συνυπολογισμό αυτών των ειδών στο μοντέλο της υδατικής ειδοκατανομής. Η καλύτερη προσομοίωση μεταξύ των πειραματικών και των υπολογισμένων καμπύλων τιτλοδότησης, που προέκυψαν κατά τη μελέτη του συγκεκριμένου δυαδικού συστήματος, περιλαμβάνει τα παρακάτω είδη: α) [Al] 3+, β) [AlAH] +1, γ) [AlA] δ) [AlAH -1 ] -1 ε) [AlAH -2 ] -2 στ) [AlA 2 H -2 ] -5 (όπου Α= C 2 H 5 O 6 P 2 ). Οι σταθερές σταθερότητας (stability constants) όλων των ειδών, καθώς και το εύρος των τιμών ph που εμφανίζεται το κάθε σχηματιζόμενο είδος φαίνονται στον Πίνακα 5.4 και οι καμπύλες κατανομής των ειδών για τις ενώσεις του συστήματος Al(III) HEDP απεικονίζονται στο Σχήμα 5.23. Οι μελέτες ειδοκατανομής προσδιόρισαν τις σταθερές logk τόσο για το φωσφονικό υπόστρωμα, όσο και για τα είδη που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση του Αl(III) με το υπόστρωμα (logβ), σε υδατικό περιβάλλον. Οι τιμές logk για τις ομάδες -PO 3 H 2 παίρνουν συνήθως την τιμή ~1. Ο ph-μετρικός υπολογισμός αυτών των τιμών είναι αρκετά δύσκολος και για το λόγο αυτό θα πρέπει να δεχτούμε μεγάλα σφάλματα. Οι υπόλοιπες τρεις τιμές logk για τις φωσφονικές ομάδες του HEDP οξέος, προσδιορίστηκαν στα 10.52, 17.22 και 19.68. Το υπόστρωμα αυτό (Σχήμα 5.1.c), αποπρωτονιώνεται πλήρως (ΡΟ 3 Η ΡΟ 2 3 + Η + ) σε ένα εύρος τιμών ph 6.5-10.5, ενώ η αλκοολική ομάδα ( ΟΗ) δεν αποπρωτονιώνεται σε κανένα σημείο του εύρους των μετρημένων τιμών του ph. Η παρουσία της αλκοολικής ομάδας σε α-θέση σε σχέση με την καρβοξυλική ομάδα, ενισχύει ουσιαστικά την ισχύ του οξέος. Τα πειραματικά δεδομένα εκτιμήθηκαν και κρίθηκαν σύμφωνα με τον σχηματισμό των ειδών, στα οποία η συναρμογή του οργανοφωσφονικού υποστρώματος με το Αl(III) γίνεται μέσω της φωσφονικής ομάδας του συγκεκριμένου οξέος. Οι καμπύλες ειδοκατανομής (παρουσία του μεταλλοϊόντος Αl(III)) προβάλλουν το σχηματισμό των 136

παρακάτω ειδών: α) [AlAH] + και [AlA] για τιμές ph έως 4, β) [AlAH -1 ] από ph 4 μέχρι ph 6, γ) [AlAH -2 ] για τιμές ph από 5 έως 10 και δ) [AlA 2 H -2 ] 5 για ph μεγαλύτερο από 8.5. Επομένως, αποδεικνύεται ότι οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής για το αναφερόμενο δυαδικό σύστημα, προβάλλουν την αποτελεσματική αλληλεπίδραση του οργανοφωσφονικού υποκαταστάτη με ιόντα Αl(III), σχηματίζοντας διαλυτά μονοπυρηνικά είδη σε όλο το εύρος τιμών ph. Ο υποκαταστάτης HEDP έχει τη δυνατότητα να προσδεθεί σε ένα μεταλλικό κατιόν με μονοδοντικό, διδοντικό ή και τριδοντικό τρόπο. Συνεπώς, είναι πολύ πιθανό να σχηματιστούν οκταεδρικές ενώσεις Al(III) HEDP τόσο σε αναλογίες 1:1 όσο και 1:2. Το διάγραμμα της υδατικής ειδοκατανομής αναδεικνύει την ύπαρξη πολλών μονοπυρηνικών ειδών σε αναλογία μετάλλου - υποκαταστάτη 1:1, μέχρι την τιμή ph 4.0. Σε ph 2.0 εμφανίζεται το είδος [AlAH] σε ποσοστό 62% και έχει φορτίο +1, καθώς ο υποκαταστάτης είναι διπλά αποπρωτονιωμένος. Καθώς μειώνεται το συγκεκριμένο είδος, αναδεικνύεται το είδος [AlA] το οποίο έχει φορτίο 0 και κυριαρχεί σε ποσοστό 80% σε ph 3.5. Στις συγκεκριμένες τιμές ph και στα συγκεκριμένα είδη, το υπόστρωμα συναρμόζεται στο ιόν Al(III) αποκλειστικά μέσω της φωσφονικής ομάδας. Το μοντέλο της υδατικής ειδοκατανομής καθώς και οι σταθερές σταθεροποίησης που αφορούν τα είδη AlAH και AlA βρίσκονται σε συμφωνία με τα μοντέλα των Hamada και Harris. 60 Η συνεχής αύξηση του ph «αναγκάζει» την αλκοολική ομάδα ( ΟΗ) του HEDP να λάβει μέρος στη συναρμογή του υποστρώματος με το ιόν Al(III), και τα συναρμοσμένα μόρια νερού να ιοντίζονται. Για το λόγο αυτό, σε τιμές ph από 4 έως 9 εμφανίζονται τα είδη [AlAH -1 ] και [AlAH -2 ] σε ποσοστά 60% και 100%, αντίστοιχα. Οι διεργασίες αποπρωτονίωσης συνοδεύονται από πιθανή αναπροσαρμογή της οκταεδρικής γεωμετρίας σε τετραεδρική, καθώς αυτό συμβαίνει συχνά σε περιπτώσεις τριαδικών υδροξο ενώσεων 33, 39 του Al(III). Στην περίπτωση που ο υποκαταστάτης βρίσκεται σε περίσσεια στο διάλυμα, υπάρχει η δυνατότητα να σχηματιστούν είδη Al(III) HEDP με αναλογία μετάλλου υποκαταστάτη 1:2, όπου τα δύο μόρια υποκαταστάτη βρίσκονται σε διαφορετικό βαθμό αποπρωτονίωσης. Για το λόγο αυτό, το δεύτερο μόριο συναρμόζεται σε ήδη σχηματισμένες 1:1 ενώσεις. Σύμφωνα με το διάγραμμα, τα μικτά αποπρωτονιωμένα υδροξο είδη AlA 2 H -2 σχηματίζονται σε τιμές ph > 8 και σε αρκετά υπολογίσιμες 137

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου ποσότητες (75% σε ph=11). Ο σχηματισμός των ειδών παρεμποδίζεται από τις ηλεκτροστατικές απώσεις που αναπτύσσονται μεταξύ του υψηλού φορτίου των μονομερών και του δεύτερου μορίου υποκαταστάτη που προσεγγίζει την ένωση. Οπότε είναι πολύ πιθανό, στις διπυρηνικές ενώσεις μόνο η μία φωσφονική ομάδα (PO 3 2 ) από κάθε μόριο υποκαταστάτη να δεσμεύεται στο μεταλλικό ιόν, ενώ η δεύτερη φωσφονική ομάδα κάθε μορίου δε συναρμόζεται με τα ιόντα Al(III). 138

Σχήμα 5.23. Οι καμπύλες υδατικής ειδοκατανομής του δυαδικού συστήματος Al(ΙΙΙ)- HEDP Πίνακας 5.4. Σταθερές σχηματισμού (logβ) των ειδών Al(III) HEDP (I = 0.20Μ (NaCl) και 25 C) Είδη HEDP Al(III) HEDP Εύρος ph κάθε αναδυόμενου είδους logκ 1 (HA) 10.57(2) logκ 2 (H 2 A) 17.22(3) logκ 3 (H 3 A) 19.68(4) logβ(alah) 19.07(11) 2.0 4.7 logβ(ala) 16.60(7) 2.0 5.8 logβ(alah -1 ) 12.36(12) 2.5 7.2 logβ(alah -2 ) 7.23(11) 3.1 7.5 logβ(ala 2 H -2 ) 10.64(25) 7.7 11 Number of points 234 Fitting parameter 0.0064 139

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.4.2. Φυσιολογικά Υποστρώματα 5.4.2.1. Σύνθεση Η σύνθεση του υλικού (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3.4(H 2 O) (4) επιτεύχθηκε μέσα από αντιδράσεις μεταξύ ιόντων Al(III) και μανδελικού οξέος- (mandelic acid) σε υδατικό περιβάλλον και με τιμές ph 8.5-9. Η ρύθμιση του ph έγινε με προσθήκη υδατικού διαλύματος πιπεραζίνης (pip). Η στοιχειομετρική αντίδραση που οδήγησε στο σχηματισμό και την απομόνωση της 4 είναι η παρακάτω (Σχήμα 5.24): OH O N N 2 Al(III) + 6 + 3.4 H 2 O H O ph 7.5 (C 4 H 11 N 2 ) 3 (C 4 H 10 N 2 ) 0.64 [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ]. 3.4H 2 O Σχήμα 5.24. Α. Αντίδραση σύνθεσης της ένωσης 4 Η προσθήκη βάσης είχε έπαιξε σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό καθώς: α) βοήθησε στη ρύθμιση του ph, και β) προσέφερε θετικά ιόντα που εξισορρόπησαν τα αρνητικά φορτία (-3) των συμπλόκων ενώσεων. Η ένωση απομονώθηκε σε κρυσταλλική μορφή με τη μέθοδο βραδείας εξάτμισης (slow evaporation) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά και με τις μεθόδους επιστρωμάτωσης (layering) και διάχυσης (diffusion) μετά από προσθήκη διμεθυλο-ακεταμίδιου (DMA) στο τελικό διάλυμα αντίδρασης, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι κρύσταλλοι που απομονώθηκαν από όλες τις μεθόδους εμφανίστηκαν να είναι πολύ ευαίσθητοι έξω από το μητρικό υγρό τους (mother liquor). Κατά την απομόνωσή τους θόλωσαν και απέκτησαν ρωγμές. Για το λόγο αυτό, οι κρύσταλλοι κρατούνται μέσα στο μητρικό υγρό μέχρι τη διαδικασία της κρυσταλλογραφίας. 140

5.4.2.2. Η δομή του κρυσταλλικού υλικού 4 Η ένωση 4 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα Pī. Η απεικόνιση του μονομερούς μοτίβου της διπυρηνικής κρυσταλλικής δομής της ένωσης 4 φαίνεται στο Σχήμα 5.25. Επιλεγμένες αποστάσεις και γωνίες δεσμών παρατίθενται στον Πίνακα 5.4. Η δομή της 4 αποτελείται από διακριτά ανιοντικά μέρη και ιόντα πιπεραζίνης. Ο ανιοντικός διμερής σχηματισμός περιέχει δύο μεταλλικούς πυρήνες Al(ΙΙΙ), και ο καθένας δεσμεύει τρία μόρια μανδελικού οξέος. Κάθε μόριο μανδελικού οξέος καταλαμβάνει δύο από τις έξι θέσεις συναρμογής του ιόντος Al(III) μέσω των ατόμων οξυγόνου της υδροξυλικής και της καρβοξυλικής ομάδας [Ο(1) και Ο(2)], [Ο(4) και Ο(5)] και [Ο(7) και Ο(8)], αντίστοιχα. Η πλήρωση των δύο θέσεων συναρμογής από τα άτομα του οξυγόνου σχηματίζει πενταμελή μεταλλοκυκλικό δακτύλιο. Για το λόγο αυτό, κάθε μεταλλικό κέντρο λαμβάνει μέρος σε τρεις πενταμελείς δακτυλίους, οι οποίοι προσδίδουν ικανοποιητική σταθερότητα στο μόριο. Αξιοσημείωτη είναι η έλλειψη μορίων νερού από τη σφαίρα συναρμογής κάθε ιόντος αργιλίου Al(III). Η σύνθεση της σφαίρας συναρμογής είναι πανομοιότυπη για τα δύο μεταλλοϊόντα υιοθετώντας οκταεδρική διάταξη στο χώρο. Επιπλέον, τα δύο μονομερή της ένωσης 4 συγκρατούνται μεταξύ τους με τρεις δεσμούς υδρογόνου (Σχήμα 5.26) σχεδόν κάθετους στο ac επίπεδο. Οι δεσμοί υδρογόνου αναπτύσσονται μεταξύ των πρωτονίων των υδροξυλομάδων που ανήκουν στα τρία μονο-αποπρωτονιωμένα μόρια μανδελικού οξέος και των οξυγόνων των υδροξυλομάδων που ανήκουν σε μόρια μανδελικού οξέος του απέναντι μονομερούς και είναι πλήρως αποπρωτονιωμένα. Η συγκρότηση των δύο μονομερών επιτυγχάνεται και από την ανάπτυξη π-π αλληλεπιδράσεων, καθόσον οι τρεις αρωματικοί δακτύλιοι του ενός μονομερούς διατάσσονται σχεδόν παράλληλα με τους τρεις αρωματικούς δακτυλίους. Οι αποστάσεις των δακτυλίων κυμαίνονται από 3.869 έως 4.194 Å (Σχήμα 5.27). 141

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Σχήμα 5.25. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3- (4) Σχήμα 5.26. Διάγραμμα DIAMOND συγκρότησης της διμερής ένωσης (4) με δεσμούς- Η. Σχήμα 5.27. Διάγραμμα DIAMOND συγκρότησης της διμερής ένωσης (4) με π-π αλληλεπιδράσεις. 142

Οι διμερείς οντότητες δημιουργούν ένα διώροφο στρώμα κατά μήκους του ac επιπέδου. Συγκεκριμένα, τα μόρια λαμβάνουν παράλληλη διαδοχική διάταξη κατά μήκος του άξονα a, ενώ κατά μήκος του άξονα c έχουν αντιπαράλληλη διάταξη (Σχήμα 5.28). Το διμερές μοτίβο [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3- παρουσιάζει συνολικό φορτίο -3 και αποκαλύπτει την παρουσία τριών μονο-αποπρωτονιωμένων μορίων μανδελικού οξέος και άλλων τριών μορίων διπλά (πλήρως) αποπρωτονιωμένων. Εξαιτίας του φορτίου που αποκτά το συγκρότημα [Al 2 (C 8 H 6 O 3 ) 3 (C 8 H 7 O 3 ) 3 ] 3-, απαιτούνται τρία κατιόντα πιπεραζίνης για την ισοστάθμιση αυτού. Τα μόρια πιπεραζίνης διατάσσονται ανάμεσα στα στρώματα των διμερών οντοτήτων (Σχήμα 5.29), τα οποία με τη βοήθεια των δεσμών υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ αυτών και των διμερών, καθώς και με τη βοήθεια των δεσμών υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ μορίων νερού και των συστατικών της 4, προσφέρουν υψηλή σταθερότητα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Οι δεσμοί Al O της 4 βρίσκονται σε συμφωνία με σύμπλοκες ενώσεις που περιέχουν Al(ΙΙΙ) O δεσμούς, όπως τα μονοπυρηνικά Al[C 3 H 6 NP 3 O 9 ] (1.841(14) 2.011(14) Å), 61 K[Al(C 4 H 5 O 4 N) 2 ]. 3H 2 O (1.856(3) 2.056(3) Å), 33 (NH 4 ) 5 [Al(C 6 H 4 O 7 ) 2 ]. 2H 2 O (1.844(3) 1.961(3) Å), 37, 62 K[Al(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 4H 2 O (1.876(2) 1.891(2) Å), 39 (NH 4 ) 4 [Al(C 6 H 4 O 7 )(C 6 H 5 O 7 )]. 3H 2 O (1.836(1) 1.959(1) Å), 63 τα διπυρηνικά (NH 4 ) 4 [Al 2 (C 6 H 4 O 7 )(C 6 H 5 O 7 ) 2 ]. 4H 2 O (1.835(3) 1.932(3) Å), 64 και τα υλικά που περιέχουν τρία μεταλλικά κέντρα (NH 4 ) 5 [Al 3 (C 6 H 4 O 7 ) 3 (OH)(H 2 O)]. (NO 3 ). 6H 2 O (1.832(5) 1.935(5) Å). 65 Οι αποστάσεις δεσμών Al O για την ένωση 4 είναι επίσης σε συμφωνία με αποστάσεις δεσμών σε σύμπλοκα M(II,III) O που περιέχουν τον ΝΤΑΡ υποκαταστάτη, όπως τα (C 4 H 12 N 2 )[Ge 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 4H 2 O (1.767(2) 1.930(2) Å) 66, [Co 2 (C 5 H 6 NPO 7 )(H 2 O) 5 ]. H 2 O (2.053(2) 2.198(2) Å) και [Zn 2 (C 5 H 6 NPO 7 )(CH 3 CO 2 H)]. 2H 2 O (1.980(3) 2.020(3) Å). 47 Στην περίπτωση της ένωσης 3, οι αποστάσεις δεσμών the Al O συμφωνούν με τις αποστάσεις δεσμών των παρακάτω υλικών Μ-ΝΤΑ3Ρ: [Hpy][Cu(C 3 H 6 NP 3 O 9 )(H 2 O)] (1.928(6) 2.156(6) Å) 67 και Zn 2 (C 3 H 6 NP 3 O 9 ) (1.790(2) 2.077(16) Å). 68 143

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Σχήμα 5.28. Διάγραμμα DIAMOND που απεικονίζει τη διάταξη των διμερών κατά μήκος του ac επιπέδου για την ένωση 4. Σχήμα 5.29. Απεικόνιση κρυσταλλικού πλέγματος της ένωσης 4. 144

Πίνακας 5.4. Μήκη δεσμών (Ǻ) και γωνίες (deg) για την ένωση 4. Αποστάσεις (Å) Al(1)-O(1) 1.897(2) Al(2) O(10) 1.895(3) Al(1)-O(2) 1.876(2) Al(2) O(11) 1.890(2) Al(1)-O(4) 1.880(2) Al(2) O(13) 1.885(2) Al(1)-O(5) 1.892(2) Al(2) O(14) 1.871(3) Al(1)-O(7) 1.894(2) Al(2) O(16) 1.882(2) Al(1)-Ο(8) 1.872(3) Al(2) O(17) 1.880(2) Γωνίες (deg) O(1)-Al(1)-O(2) 83.22(10) O(10)-Al(2)-O(11) 83.12(10) O(1)-Al(1)-O(4) 91.04(10) O(10)-Al(2)-O(13) 90.23(10) O(1)-Al(1)-O(5) 96.00(11) O(10)-Al(2)-O(14) 169.40(10) O(1)-Al(1)-O(7) 89.20(10) O(10)-Al(2)-O(16) 90.03(10) O(1)-Al(1)-Ο(8) 169.46(10) O(10)-Al(2)-Ο(17) 96.34(11) O(2)-Al(1)-O(4) 170.92(12) O(11)-Al(2)-O(13) 95.46(10) O(2)-Al(1)-O(5) 90.52(10) O(11)-Al(2)-O(14) 89.13(11) O(2)-Al(1)-O(7) 96.53(10) O(11)-Al(2)-O(16) 171.11(12) O(2)-Al(1)-Ο(8) 90.07(11) O(11)-Al(2)-Ο(17) 91.59(10) O(4)-Al(1)-O(5) 83.07(9) O(13)-Al(2)-O(14) 83.29(11) O(4)-Al(1)-O(7) 90.39(10) O(13)-Al(2)-O(16) 90.21(9) O(4)-Al(1)-Ο(8) 96.56(11) O(13)-Al(2)-Ο(17) 170.90(12) O(5)-Al(1)-O(7 171.70(11 O14)-Al(2)-O(16) 98.35(11) O(5)-Al(1)-Ο(8) 92.16(10) O(14)-Al(2)-Ο(17) 91.09(11) O(7)-Al(1)-Ο(8) 83.49(10) O(16)-Al(2)-Ο(17) 83.51(9) 145

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.4.2.3. Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) Το φάσμα FT-IR της ένωσης 4 σε KBr παρουσιάζει χαρακτηριστικές κορυφές, οι οποίες βοηθούν στην ταυτοποίηση των διαφόρων ομάδων που περιέχονται στην ένωση. Το πρώτο βήμα μετά τη λήψη φάσματος του δείγματος υλικού, είναι η σύγκρισή του με το φάσμα του υποκαταστάτη, δηλαδή του μανδελικού οξέος. Η πρώτη εντύπωση είναι ότι μοιάζουν, αλλά με εμφανή μετατόπιση μιας κορυφής με πολύ μικρή διαπερατότητα (δηλαδή μεγάλη απορρόφηση) στα 1657 cm -1 για το υλικό, ενώ για το μανδελικό οξύ είναι 1715 cm -1. Για το μανδελικό οξύ, αυτή η ενέργεια είναι χαρακτηριστική της απορρόφησης του δεσμού C=O στα καρβοξυλικά οξέα, επειδή στο διάστημα 1705 1720 cm -1 εμφανίζεται η απορρόφηση από ισχυρές αντισυμμετρικές δονήσεις τάσεως (v as ) του C=O. Η μετατόπιση της κορυφής στο υλικό, μάλλον δηλώνει τη συναρμογή με το μέταλλο. Οι συμμετρικές δονήσεις (v s ) του C=O στο υλικό εμφανίζονται στα 1348 cm -1. Ακόμη, παρατηρείται μια απορρόφηση στα 3413 cm -1 στο υλικό και συγκρίνεται με την αντίστοιχη 3401 cm -1 του μανδελικού οξέος, οι οποίες αντικατοπτρίζουν την υδροξυλομάδα στο υδροξυ οξύ, αφού στο διάστημα 3200 3550 cm -1 παρατηρούνται οι απορροφήσεις από τις δονήσεις τάσεως Ο Η, όπου το Η συμμετέχει σε δεσμό υδρογόνου. Ο κυματαριθμός 2860 cm -1 ανήκει στο εύρος όπου εμφανίζονται οι απορροφήσεις των αλειφατικών δεσμών C Η. Τέλος, επιβεβαιώνεται η ύπαρξη βενζολικού δακτυλίου στο υλικό, επειδή εμφανίζει κορυφή με κυματαριθμό 3030 cm -1, ακριβώς όπως το μανδελικό οξύ, αφού στο διάστημα 3000 3070 cm -1 εμφανίζεται η απορρόφηση από δονήσεις τάσεως C H σε βενζολικό δακτύλιο. 146

Σχήμα 5.30: Φάσμα FT-IR του υλικού. Οι δονήσεις τάσεως και οι μετατοπίσεις των απορροφήσεων που παρατηρούνται στα τρία φάσματα υποστηρίζονται τόσο από τη βιβλιογραφία, 69 όσο και από την κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. Όλες οι παραπάνω παρατηρήσεις βρίσκονται σε συμφωνία με προηγούμενες αναφορές. 38,70,71,72,73,74,75,76,77 5.5. Συζήτηση Αποτελεσμάτων 5.5.1. Η υδατική συνθετική χημεία του συστήματος Αl(III)-φωσφονικών Τα ιόντα Al(III) διακατέχονται από μία έντονη τάση να αντιδρούν με υποστρώματα που περιέχουν οξυγονούχες και αζωτούχες ομάδες. Το γεγονός αυτό καθορίζει την χημική δραστικότητα του μεταλλοϊόντος ως προς ένα ευρύ φάσμα φυσιολογικών οργανικών υποστρωμάτων (περιέχονται στα φυτά, στα ζώα αλλά και στον άνθρωπο) τόσο σε βιοτικό όσο και σε αβιοτικό επίπεδο. Από τη στιγμή που το αργίλιο συμμετέχει στις διεργασίες αυτών των βιοσυστημάτων, αυτόματα μπορεί να λαμβάνει μέρος σε διαδικασίες που συμμετέχουν μοριακοί στόχοι. Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι διαλυτές και βιοδιαθέσιμες μορφές Al(III) προωθούν μοριακούς μηχανισμούς, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι με την τοξική φύση του μετάλλου. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, γίνονται προσπάθειες να εξιχνιαστεί η βιοτοξική συμπεριφορά του μεταλλοϊόντος, μέσα από επιλεκτική χρήση οργανικών υποστρωμάτων που περιέχουν 147

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου καρβοξυλικές, υδροξυ-καρβοξυλικές και αζωτούχες ετεροκυκλικές ομάδες. Στο συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο, χρησιμοποιήθηκαν φωσφονικά και καρβοξυ-φωσφονικά υποστρώματα ως βιομιμητικοί στόχοι, ώστε να διερευνηθεί εκτεταμένα η υδατική και η συνθετική χημεία ως προς το αργίλιο, αναλύοντας τις αλληλεπιδράσεις του μεταλλοϊόντος με αντίστοιχα υποστρώματα σε βιολογικά υγρά. Η ph-εξαρτώμενη χημεία που αναπτύσσεται στα δυαδικά συστήματα Al(III) NTAP και Al(III) NTA3P έχει αποδώσει δομικές αποδείξεις για είδη που σχηματίστηκαν σε υδατικά διαλύματα και απομονώθηκαν σε κρυσταλλική μορφή. Οι ενώσεις 1 3 επιβεβαιώνουν την παραπάνω άποψη, καθώς συντέθηκαν και απομονώθηκαν μέσω απλών αντιδράσεων μεταξύ Al(NO 3 ) 3 και NTAP (και NTA3P) σε ποικίλες μοριακές στοιχειομετρίες. Οι συνθήκες κάτω από τις οποίες έλαβαν χώρα οι συνθετικές προσπάθειες αναδεικνύουν την σημασία που κατέχουν παράγοντες όπως το ph, η προστιθέμενη βάση (guanidinium carbonate, αμμωνία και υδροξείδιο του καλίου), και η δυναμική του πλέγματος έτσι ώστε να αποδοθούν διακριτά μόρια δυαδικών ενώσεων. Είναι αξιοσημείωτο, ότι παρόλο που οι τρεις ενώσεις διαθέτουν μοναδική δομική ταυτότητα στη στερεά κατάσταση, έχουν πολλά κοινά χαρακτηριστικά μεταξύ τους, όπως ότι: α) όλες είναι διμερή είδη, β) τα ιόντα του Al(III) έχουν οκταεδρική γεωμετρία, συμπληρώνοντας τη σφαίρα συναρμογής με οξυγονούχα και αζωτούχα συστατικά, τα οποία προέρχονται από τον ίδιο υποκαταστάτη, γ) οι υποκαταστάτες ΝΤΑΡ και ΝΤΑ3Ρ αλληλεπιδρούν με το ιόν Al(III) στην πλήρως αποπρωτονιωμένη τους μορφή, δ) οι καρβοξυλικές και οι φωσφονικές ομάδες δεσμεύονται στο αργίλιο με μονοδοντικό τρόπο, ε) στις ενώσεις 2 και 3 όπου υπάρχουν και γέφυρες υδροξυλίου στο μόριο, οι φωσφονικές ομάδες «αγκυροβολούν» στο δεύτερο άτομο του αργιλίου διαμέσω του οξυγόνου. Κατά την απουσία των γεφυρών υδροξυλίου, μία φωσφονική ομάδα του υποστρώματος δεσμεύει ταυτόχρονα και τα δύο ιόντα αργιλίου διαμέσω διαφορετικών ατόμων οξυγόνου, και στ) υπάρχει άμεσος συσχετισμός μεταξύ της μοναδικότητας κάθε δομής και της ph-εξαρτώμενης σύνθεσης και στις τρεις περιπτώσεις. Πέρα από τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά, μπορούν να γίνουν επιπρόσθετες παρατηρήσεις για το σχηματισμό των τριών ενώσεων 1-3: 1. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο τρόπος που συμπληρώνεται η σφαίρα συναρμογής του αργιλίου, χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό πενταμελών μεταλλοκυκλικών δακτυλίων, 148

που περιλαμβάνουν τις καρβοξυλικές ομάδες (ένωση 1), τις καρβοξυλικές και τις φωσφονικές ομάδες (ένωση 2) αλλά και μόνο τις φωσφονικές ομάδες (ένωση 3). Η αποπρωτονίωση των φωσφονικών ομάδων, τις καθιστά ικανές να σχηματίζουν πενταμελείς δακτυλίους ανεξάρτητα από την παρουσία ή απουσία γεφυρών υδροξυλίου, καθώς έχουν δύο οξυγόνα που αποπρωτονιώνονται και είναι ικανά να συναρμοσθούν στο μεταλλικό κέντρο. Οι πενταμελείς δακτύλιοι συνεισφέρουν σημαντικά στη σταθεροποίηση του διμεταλλικού πυρήνα και κατ επέκταση του μορίου στη στερεά κατάσταση. 2. Στις χαμηλές τιμές του ph (σύνθεση της ένωσης 2), τα διμερή είδη δεν περιέχουν γέφυρες υδροξυλίου μεταξύ των δύο μεταλλικών κέντρων. Καθώς αυξάνεται το ph, τα προϊόντα που απομονώνονται (ενώσεις 1 και 3) εμφανίζονται να περιέχουν γέφυρες υδροξυλίου σχηματίζοντας έναν Al 2 O 2 πυρήνα, πληρώντας έτσι τις προϋποθέσεις για το σχηματισμό οκταεδρικής γεωμετρίας για κάθε μεταλλικό κέντρο αργιλίου. Με αυτόν τον τρόπο, οι πυρήνες αργιλίου συγκρατούνται πιο κοντά ο ένας με τον άλλον, καθόσον μειώνεται η απόσταση μεταξύ τους. Σύμφωνα με τη συνθετική χημεία που εφαρμόστηκε στη συγκεκριμένη εργασία, η απόσταση Al - Al μειώνεται καθώς το ph αυξάνεται φτάνοντας σε τιμές μικρότερες των 3Å. Συγκεκριμένα, η απόσταση Al Al στη ένωση 1 μετρήθηκε 2.890(1) Å, η οποία εμφανίζεται εμφανώς μικρότερη από την αντίστοιχη της ένωσης 2 (4.855(6) Å). Η απόσταση Al Al στην ένωση 3 (2.934(12) Å) βρίσκεται σε συμφωνία με τη μειωμένη απόσταση μεταξύ των μεταλλικών πυρήνων της ένωσης 1, καθώς και σε αυτήν την περίπτωση έχουμε το σχηματισμό ενός Al 2 O 2 πυρήνα. Επιπλέον, η απουσία/παρουσία των γεφυρών υδροξυλίου καθορίζει τη παρουσία/απουσία δεσμευμένων μορίων νερού στους πυρήνες αργιλίου των διμεταλλικών μορίων 1-3. Σε χαμηλές τιμές ph, το ανιοντικό κομμάτι της 2 δεν περιέχει γέφυρες υδροξειδίου, αλλά υπάρχουν συνδεδεμένα μόρια νερού καταλαμβάνοντας την έκτη θέση συναρμογής των οκταεδρικών κέντρων αργιλίου. Σε υψηλές τιμές ph, οι ενώσεις 1 και 3 δεν περιέχουν συναρμοσμένα μόρια νερού στα μεταλλικά κέντρα. Είναι πολύ πιθανό, τα μόρια του νερού να αποπρωτονιώνονται σε τιμές ph 7-8, σχηματίζοντας υδροξο ομάδες και δημιουργώντας γέφυρες υδροξειδίου που ενώνουν τα δύο ιόντα αργιλίου. Στις χαμηλές τιμές ph, η φωσφονική ομάδα παίζει το ρόλο της διμεταλλικής γέφυρας (ένωση 2). Από τη στιγμή που υπάρχει μόνο μία φωσφονική ομάδα στον ΝΤΑΡ 149

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου υποκαταστάτη, αυτή θα χρησιμοποιήσει το ένα οξυγόνο για να ολοκληρώσει τη σφαίρα συναρμογής του ενός αργιλίου και το δεύτερο οξυγόνο για να συναρμοσθεί στο δεύτερο ιόν αργιλίου. Όπως προαναφέραμε, η απόσταση Al Al αυξήθηκε στα 4.855(6) Å. Η αύξηση των ~2 Å στην διμεταλλική απόσταση, δε φαίνεται να επηρεάζει τη σταθερότητα της ένωσης, η οποία απομονώθηκε σε κρυσταλλική μορφή. Φαίνεται να υπάρχει μία phεξαρτώμενη συνεργασία μεταξύ των μορίων νερού και των φωσφονικών ομάδων για τη δέσμευσή τους στο ιόν του Al(III), η οποία καθορίζεται από τη δέσμευση του νερού στη φυσική (Η 2 Ο) ή στην αποπρωτονιωμένη του μορφή (ΟΗ ). Οι συνθετικές προσπάθειες εξαρτώμενου ph στα συστήματα Al(III) NTA3P και Al(III) HEDP συνεχίζουν, καθώς απαιτούνται και άλλα αποτελέσματα για την πλήρη επαλήθευση των παραπάνω δεδομένων. 5.5.2. Συσχετισμός της υδατικής ειδοκατανομής του δυαδικού συστήματος Al(III) φωσφονικών με τη συνθετική χημεία Η υδατική ειδοκατανομή του συστήματος Al(III) NTAP 33 μπορεί να περιγραφεί ικανοποιητικά, εάν λάβουμε υπόψη την παρουσία ποικίλων 1:1 Αl(III)-ΝΤΑΡ ενώσεων, που περιλαμβάνουν τα είδη AlAH 2, AlAH, AlA, AlAH -1, AlAH -2 καθώς και το ήδη γνωστό τετραεδρικό είδος AlH -4 = [Al(OH) 4 )]. Στηριζόμενοι στις παραπάνω παρατηρήσεις αλλά και στη βιβλιογραφία, συγκρίνουμε τα αποτελέσματα της υδατικής ειδοκατανομής με τις δομές των φωσφονικών ενώσεων αργιλίου στη στερεά κατάσταση, καθώς και των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων σε διάλυμα και στη στερεά κατάσταση. Οι δομές των ενώσεων 1 και 2 παρουσιάζουν οκταεδρική γεωμετρία για κάθε ιόν Al(III), τα οποία πληρούν τη σφαίρα συναρμογής τους με τη συμβολή πλήρως αποπρωτονιωμένων μορίων ΝΤΑΡ, μορίων νερού και υδροξυλικών ομάδων. Παρόλα αυτά, το φάσμα 31 P-NMR της ένωσης 1 στο διάλυμα έδειξε ότι, μετά τη διάλυση της ένωσης 1 στο νερό και σε κατάσταση ισορροπίας, το είδος δεν διατηρεί τη δομή της στερεάς κατάστασης. Οι μελέτες της υδατικής ειδοκατανομής του συστήματος Al(III) NTAP (Σχήμα 5.31) 33 αναδεικνύουν την κυρίαρχη ύπαρξη δύο ειδών ([AlA] και [AlAH - 1]) σε εύρος τιμών του ph 2.0-10.0. Η διάλυση της ένωσης [Al 2 A 2 H -2 ] (1) στο νερό αναμένεται να προκαλέσει διάσπαση του αρχικού είδους αποδίδοντας τα είδη [AlAH -1 ] = [AlA(OH)] 2 στην κατάσταση ισορροπίας. Ο σχηματισμός των ειδών [AlAH -1 ] 150

επαληθεύεται από το μοντέλο της υδατικής ειδοκατανομής, καθώς η παρουσία του συγκεκριμένου είδους κυριαρχεί στο διάλυμα στις αντίστοιχες τιμές ph που πραγματοποιείται η διάσπαση (>90%). Κάτω υπό αυτές τις συνθήκες, η σφαίρα συναρμογής του αργιλίου δεν είναι συμπληρωμένη και για το λόγο αυτό η παρουσία μορίων νερού και/ή η παρουσία ιόντων OH συνεισφέρουν στη κατάληψη της έκτης θέσης συναρμογής του αργιλίου στο διάλυμα. Η ένωση 2 αποτελεί ένα διμερές είδος [Al 2 (C 5 H 6 NPO 7 ) 2 (H 2 O) 2 ] 2-, το οποίο είναι σταθερό στη στερεά κατάσταση και παραμένει αδιάλυτο στο νερό. Επιπλέον, σύμφωνα με τις μελέτες υδατικής ειδοκατανομής του συστήματος Al(III) NTAP (Σχήμα 5.31), 33 και σε ένα εύρος τιμών ph 3.0-8.0 αναδεικνύεται το μονομερές είδος [AlA]. Σύμφωνα με το διάγραμμα, σε τιμή pη=5 όπου συντέθηκε η ένωση 2, το μονομερές είδος [AlA] κυριαρχεί στο διάλυμα με ποσοστό 100%. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της υδατικής ειδοκατανομής συνάδουν με τα κρυσταλλογραφικά δεδομένα καθώς μπορεί να ισχύει [Al 2 A 2 ] 2 2 [ΑlA]. Σχήμα 5.31 Καμπύλες υδατικής ειδοκατανομής του δυαδικού συστήματος Al(ΙΙΙ)-ΝΤΑP Στην περίπτωση της ένωσης 3, το είδος [AlAH -1 ] εμφανίζεται ως το κύριο είδος στο διάλυμα, σύμφωνα με το διάγραμμα υδατικής ειδοκατανομής σε εύρος τιμών ph 5.0 11.0 (Σχήμα 5.32). 33 Η παρουσία αυτού του είδους, το οποίο «κυριαρχεί» (100%) στο διάλυμα στην τιμή ph 9.0, είναι σύμφωνη με τις συνθήκες αντίδρασης που οδήγησαν στην απομόνωση του σταθερού αλλά και ταυτόχρονα αδιάλυτου υλικού 3. 151

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου Σχήμα 5.32 Οι καμπύλες υδατικής ειδοκατανομής του δυαδικού συστήματος Al(ΙΙΙ)- ΝΤΑ3P Στο σημείο αυτό, είναι σημαντικό να τονισθεί το γεγονός ότι και στις τρεις περιπτώσεις των δυαδικών συστημάτων Al(III)-NTAxΡ και σε υδατικό περιβάλλον εμφανίζονται κυρίως μονομερή 1:1 είδη. Επιπροσθέτως, έλαβαν χώρα μελέτες υδατικής ειδοκατανομής στο σύστημα Al(III)-HEDP, οι οποίες αποκαλύπτουν μία παρόμοια συμπεριφορά με τα προαναφερθέντα στοιχεία, δηλαδή την ύπαρξη μόνο μονομερών ειδών (AlAH, AlA, AlAH -1, AlAH -2 και AlA 2 H -2 ) σε όλο το εύρος τιμών του ph. Στις περιοχές του φυσιολογικού ph παρατηρούμε ότι το αντίστοιχο μονομερές είδος κυριαρχεί με ποσοστό μεγαλύτερο του 95%. Σε χαμηλές τιμές ph (<6.5), το διάγραμμα της υδατικής ειδοκατανομής εμφανίζεται να περιπλέκεται σε σχέση με την πιο ξεκάθαρη εικόνα του διαγράμματος στις υψηλές τιμές ph. Στις πολύ χαμηλές τιμές του ph (<4.0) ανιχνεύονται τα μονομερή είδη AlAH και AlA. Κοντά στην τιμή ph 4, αρχίζει να αναδύεται το είδος AlAH -1, καθώς η συγκέντρωση του είδους AlA στο διάλυμα αρχίζει να ελαττώνεται. Στη συνέχεια, σε τιμή ph 5.5 το είδος AlAH -2 αποτελεί το κυρίαρχο είδος (με ποσοστό 100%) στο διάλυμα μέχρι ph 10. Σε ph 8.0 εμφανίζεται το είδος AlA 2 H -2 ως ένα μικρό κλάσμα της συγκέντρωσης του Αl(ΙΙΙ), το οποίο αναδεικνύεται και επικρατεί στο διάλυμα από ph 10 μέχρι την τιμή ph 11 (70%). Ο υποκαταστάτης HEDP, ως ένα υδροξο δι-φωσφονικό υπόστρωμα, είναι σε θέση να προωθήσει τη δημιουργία δομικών οντοτήτων από διάφορα μονομερή είδη του Al(III), ενώ βρίσκεται σε διάφορες καταστάσεις αποπρωτονίωσης. Η συμπεριφορά αυτή, είναι 152

σύμφωνη με την αντίστοιχη συμπεριφορά του αργιλίου με άλλα φωσφονικά υποστρώματα (NTAP, NTA2P, και NTA3P) σε υδατικά διαλύματα. 33,38,39,40,41 Παρατηρώντας τα είδη που προκύπτουν από τις ποτενσιομετρικές μελέτες του συστήματος Al(III)-HEDP αναδεικνύονται οι διάφοροι τρόποι συναρμογής του υποστρώματος γύρω από το ιόν του αργιλίου. Το φωσφονικό υπόστρωμα μπορεί να παρουσιάσει από μονοδοντική έως και πολυδοντική συμπεριφορά. Η συμπεριφορά αυτή, σε συνδυασμό με την αποπρωτονίωση του υποστρώματος και τη δραστικότητα της υδροξο ομάδας, αποτελούν καθοριστικούς παράγοντες στο σχηματισμό δυαδικών Al(III) HEDP ενώσεων τόσο στην υγρή, όσο και στη στερεή κατάσταση. Συμπερασματικά, στις περιπτώσεις των δυαδικών συστημάτων Al(III) NTAxP και Al(III) HEDP, οι παράγοντες που παίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία ενός σταθερού και απομονώσιμου κρυσταλλικού πλέγματος είναι: α) η τιμή του ph που πραγματοποιήθηκαν οι αντιδράσεις, β) οι τιμές ph που υπάρχουν συγκεκριμένα διμερή είδη, γ) ο βαθμός αποπρωτονίωσης των HEDΡ και NTAxP υποκαταστατών που αλληλεπιδρούν σε συγκεκριμένες τιμές ph, δ) η συμμετοχή (ή η απουσία) των γεφυρών υδροξυλίου στη σύσταση των διμεταλλικών πυρήνων, ε) τα αντισταθμιστικά ιόντα που συμμετέχουν στη στερεά δομή που απομονώθηκε, και στ) η αναλογία μετάλλου - υποκαταστάτη. Η σημασία της στοιχειομετρικής αναλογίας μετάλλου-υποκαταστάτη είναι πολύ σημαντική για το σχηματισμό ειδών ευρείας πυρηνικότητας, καθώς παίζει καθοριστικό ρόλο στη συνθετική χημεία αρκετών τρισθενών μετάλλων, όπως τα ιόντα Fe(III), Ga(III) κ.ά. Τέλος, θα πρέπει να τονιστεί ότι συνεχίζονται οι προσπάθειες στο εργαστήριό μας για τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό νέων Al(III) NTAxP και Al(III) HEDP ενώσεων, όπως μας καθοδηγούν οι μελέτες υδατικής ειδοκατανομής. Οι προσπάθειες αυτές θα διαλευκάνουν τις αλληλεπιδράσεις του αργιλίου με τα φωσφονικά υποστρώματα (NΤAxP και HEDP) καθώς και πιθανούς μηχανισμούς που λαμβάνει μέρος το ιόν του Al(III) ως τοξικός παράγοντας. 153

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.5.3. Συσχετισμός της υδατικής και συνθετικής χημείας με το νευροτοξικό ιόν Al(III) Το αργίλιο έχει συσχετιστεί με τη νόσο Alzheimer, καθώς έχει ανιχνευτεί σε υψηλές συγκεντρώσεις στα NFTs. 78,79 Για το λόγο αυτό το αργίλιο θεωρείται μεταλλοτοξίνη. 80 Το διαλυτό και βιοδιαθέσιμο ιόν Al(III) είναι σκληρό οξύ κατά Lewis, το οποίο αναζητεί αλληλεπιδράσεις με μία σκληρή βάση κατά Lewis, όπως οι φωσφορυλιωμένες ομάδες της πρωτεΐνης ταυ. Τα φωσφονικά υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την εργασία, αποτελούν βιομιμητικά ανάλογα των φωσφορυλιωμένων περιοχών, παρόλο που δεν είναι πανομοιότυπα. Η ομάδα Η 2 ΡΟ 3 η οποία βρίσκεται τόσο στις φωσφονικές όσο και στις φωσφορυλιωμένες ομάδες, προωθεί αλληλεπιδράσεις με το ιόν Al(III). Υπό αυτό το πρίσμα, οι χημικές αλληλεπιδράσεις του Al(III) με χαμηλής μοριακής μάζας που περιέχουν φωσφονικές και καρβοξυ-φωσφονικές ομάδες, αποδίδουν το πρώτο πλήρως χαρακτηρισμένο μοντέλο δυαδικού συστήματος αργιλίου με φωσφονικά υποστρώματα, αναδεικνύοντας τη χημική του δραστικότητα. 81,82,83 Σύμφωνα με τα ήδη υπάρχοντα αποτελέσματα ειδοκατανομής, τα απομονωμένα και χαρακτηρισμένα υλικά 1-3 αναλύουν την δομική εικόνα στη στερεά κατάσταση, η οποία προήλθε από χημικές αλληλεπιδράσεις σε υδατικό περιβάλλον. Ανάλογα αποτελέσματα αναμένονται και από την αντίστοιχη συνθετική χημεία του δυαδικού συστήματος Al(III) HEDP. Παρατηρούμε ότι η εξάρτηση από το ph δημιουργεί διαφορετικούς τρόπους συναρμογής των φωσφονικών και καρβοξυφωσφονικών υποστρωμάτων στα μεταλλοϊόντα, αντανακλώντας τη δομική ετερογένεια στα είδη δυαδικών συστημάτων του αργιλίου με φωσφονικά υποστρώματα. Επιπλέον, με τη βοήθεια της υδατικής χημείας του συστήματος επιβεβαιώνεται ότι όσο αυξάνονται οι φωσφονικές ομάδες στα υποστρώματα που χρησιμοποιήσαμε, τόσο πιο πολύ μειώνεται η διαλυτότητα των ενώσεων που απομονώνονται, καθώς η ένωση 1 είναι διαλυτή, η 2 πολύ λιγότερο και η 3 καθόλου διαλυτή στο νερό. Οι πιθανές συνέπειες μιας τοπικής αύξησης των φωσφονικών ομάδων υποκαταστατών γύρω από τα μεταλλικά ιόντα δεν είναι ξεκάθαρες μέχρι στιγμής. Η τοξική δράση του Al(III) έναντι των νευρωνικών και γλοιαδικών κυττάρων είναι αδιαμφισβήτητη. Παρόλα αυτά, έχουν βρεθεί κάποια είδη αργιλίου τα οποία παρουσιάζουν μειωμένη τοξική δράση έναντι του ανόργανου ιόντος Al(III), όπως το 154

είδος K[Al(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 4H 2 O. 39 Η συγκεκριμένη σύμπλοκη ένωση προέρχεται από το δυαδικό σύστημα Al(III)-κινικό οξύ. Συγκεκριμένες βιολογικές μελέτες 84 έδειξαν ότι το κινικό οξύ εμφανίζει προστατευτικές ιδιότητες στην τοξικότητα του μεταλλοϊόντος, είτε είναι μέρος της σύμπλοκης ένωσης με το Al(III), είτε είναι στην ελεύθερή του μορφή. Το μανδελικό οξύ, που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, αποτελεί ένα φυσιολογικό καρβοξυλικό ligand με παρεμφερή δομή με το κινικό οξύ. Το είδος που προέκυψε από το δυαδικό σύστημα Al(III)-μανδελικό οξύ σε φυσιολογικό ph, δεν μας δείχνει μόνο ότι μεταλλοϊόν μπορεί να αλληλεπιδράσει με καρβοξυλικούς στόχους που μπορεί να αποτελούν και κυτταρικούς στόχους, αλλά και ότι αλληλεπιδρά με φυσιολογικά ligands αποδίδοντας υδατοδιαλυτά είδη. Το μέγεθος και η διαλυτότητα αυτών των ειδών αναδεικνύουν τη δραστικότητά τους και τη συμμετοχή τους σε κυτταρικές διεργασίες. Λαμβάνοντας, όμως, υπόψιν τη δράση του δομικά παρόμοιου κινικού οξέος, θα μπορούσαμε να αναμένουμε ακόμα και μείωση της τοξικής δράσης του Al(III). Η εξακρίβωση της δράσης του μανδελικού οξέος έναντι του τοξικού μεταλλοϊόντος απαιτεί περαιτέρω έρευνα σε βιολογικό επίπεδο και σε περιβάλλον με νευρωνικούς και γλοιαδικούς κυτταρικούς στόχους. Η έρευνα αυτή βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη στο εργαστήριό μας. Για το λόγο αυτό, απαιτείται περαιτέρω έρευνα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του αργιλίου και φωσφονικών και καρβοξυλικών υποστρωμάτων. Μέχρι τώρα, όμως, τα αποτελέσματα της υδατικής και της συνθετικής χημείας έχουν αναδείξει παράγοντες που επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του κινητικά αδρανούς αργιλίου και διαφόρων φωσφονικών υποστρωμάτων χαμηλής μοριακής μάζας, τα οποία είναι ικανά να προάγουν χημικές διεργασίες εξαρτημένες από το ph και να επηρεάζουν τη χημική δραστικότητα του Al(III). Η πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων και η δυσκολία να γίνει αντιληπτή η φύση τους, κρίνουν αναγκαία την έρευνα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ περισσότερων υποστρωμάτων χαμηλής και υψηλής μοριακής μάζας με το νευροτοξικό αργίλιο. Αυτές οι μελέτες μπορούν να περιέχουν φωσφορυλιωμένα αμινοξέα και πεπτίδια, 85 και ήδη πραγματοποιούνται στο εργαστήριό μας. 155

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 5.6. Βιβλιογραφία 1. B.E. Gilbert, F.R. Pember, Soil Sci. 31 (1931) 267 274. 2. P. Jouhanneau, G.M. Raisbeck, F. Yiou, B. Lacour, H. Banide, T.B. Drüeke, Clin. Chem. 43 (1997) 1023 1028. 3. E. Nieboer, B.L. Gibson, A.D. Oxman, J.R. Kramer, Environ. Rev. 3 (1995) 21 89. 4. S. Polizzi, E. Rira, M. Ferrara, M. Bugiani, A. Papaleo, R. Albera, S. Palmi, NeuroToxicology 23 (2002) 761 774. 5. L. Kaiser, K.A. Schwartz, M.A.Burnatowska-Hledin, G.H. Mayor, Kidney Int. 26 (1984) 269 274. 6. F.A. Wolff, K. Berend, B. Gijsbert, B. Van der Voet, Forensic Sci. Int. 128 (2002) 41 43. 7. Y. Huang, M.M. Herman, J. Liu, C.D. Katsetos, M.R. Wills, J. Savory, Brain Res. 771 (1997) 213 220. 8. E. Reusche, P. Pilz, G. Oberascher, B. Lindner, R. Egensperger, K. Gloeckner, E.Trinka, B. Iglseder, Hum. Pathol. 32 (2001) 1136-1140. 9. G.C. Woodson, Bone 22 (1998) 695 698. 10. D. Drago, M. Bettella, S. Bolognin, L. Cendron, J. Scancar, R. Milacic, F. Ricchelli, A. Casini, L. Messori, G. Tognon, P. Zatta, Int. J. Biol. Cell Biol. 40 (2008) 731 746. 11. J.R. Walton, J. Inorg. Biochem. 101 (2007) 1275 1284. 12. J.R. Walton, NeuroToxicology 27 (2006) 385 394. 13. R.W. Shin, T.P.A. Kruck, H. Murayama, T. Kitamoto, Brain Res. 961 (2003) 139. 14. E.T. Jansson, J. Alzheimer s Dis. 3 (2001) 541 549. 15. M. Goedert, J.Q. Trojanowski, V.M. Lee, in: R.N. Rosenberg (Ed.), The Neurofibrillary Pathology of Alzheimer s Disease, The Molecular and Genetic Basis of Neurological Disease, Butterworth Heinemann, Boston, MA, 1997, pp.613 627. 16. W.R. Markesbery, W.D. Ehmann, Clin. Neurosci. 1 (1993) 212 218. 17. D.R.C. McLachlan, Environmetrics 6 (1995) 233 275. 18. R.W. Shin, V.M. Lee, J.Q. Trojanowski, Histol. Histopathol. 10 (1995) 969 978. 156

19. T. Ohyashiki, E. Satoh, M. Okada, T. Takadera, M. Sahara, Toxicology 176 (2002) 195 207. 20. A. Clearfield, in: K.D. Karlin (Ed.), Progress in Inorganic Chemistry, vol. 47,Wiley, New York, 1998, p. 371 21. M.E. Thompson, Chem. Mater. 6 (1994) 1168. 22. C.V.K. Sharma, A. Clearfield, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000) 1558. 23. C.V.K. Sharma, A. Clearfield, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000) 4394. 24. C.V.K. Sharma, A. Cleafield, A. Cabeza, M.A. Aranda, S.J. Bruque, J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 2885. 25. R. LaDuca, D. Rose, J.R.D. DeBord, R.C. Haushalter, C.J. O Connor, J. Zubieta, J. Solid State Chem. 123 (1996) 408. 26. G. Gran, Acta Chem. Scand. 4 (1950) 559 575. 27. Rigaku/MSC, CrystalClear, Rigaku/MSC Inc., The Woodlands, Texas, USA, 2005. 28. G.M. Sheldrick, SHELXS-97, Program for the Solution of Crystal Structure, University of Göttingen, Germany, 1997. 29. G.M. Sheldrick, SHELXL-97, Program for the Refinement of Crystal Structure, University of Göttingen, Germany, 1997. 30. G. Metz, X.L. Wu, S.O. Smith, J. Magn. Res., Series A 110 (1994) 219 227. 31. D. Sanna, G. Micera, P. Buglyo, T. Kiss, J. Chem. Soc. (1996) 87. 32. M. Dyba, M. Jezowska-Bojczuk, E. Kiss, T. Kiss, H. Kozlowski, Y. Leroux, D. El Manouni, J. Chem. Soc. (1996) 1119. 33. H.M. Irving, M.G. Miles, L.D. Petit, Anal. Chim. Acta 38 (1967) 475 479. 34. L. Zekány, L. Nagypál, in: D. Leget (Ed.), Computational Methods for the Determination of Stability Constants, Plenum, New York, 1985. 35. L.O. Ohman, S. Sjoberg, Acta Chem. Scand. 36 (1982) 47 36. M. Kilyén, A. Lakatos, R. Latajka, I. Labádi, A. Salifoglou, C.P. Raptopoulou, H. Kozlowski, T. Kiss, J. Chem. Soc. (2002) 3578 3586. 37. A. Cabeza, S. Bruque, A. Guagliardi, M.A.G. Aranda, J. Solid State Chem. 160 (2001) 278. 157

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 38. M. Matzapetakis, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 38 (1999) 618-619 39. C. Gabriel, M. Menelaou, M. Daskalakis, A. Lakatos, T. Kiss, C. Mateescu, R.G.Raptis, P. Zoumpoulakis, A. Salifoglou, Polyhedron 27 (2008) 2911 2920. 40. M. Matzapetakis, M. Kourgiantakis, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, I. Banyai, L. Iordanidis, T. Mavromoustakos, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 40 (2001) 1734 1744 41. M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, I. Banyai, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 42 (2003) 252 254. 42. T.L. Feng, P.L. Gurian, M.D. Healy, A.R. Barron, Inorg. Chem. 29 (1990) 408 411. 43. L. Mafra, F.A.A. Paz, F.N. Shi, J. Rocha, T. Trindade, C. Fernandez, A. Makal, K.Wozniak, J. Klinowski, Chem. Eur. J. 12 (2006) 363 375. 44. F. Cecconi, C.A. Ghilardi, P.A. Lorenzo Luis, S. Midollini, A. Orlandini, D.Dakternieks, A. Duthie, S. Dominguez, E. Berti, A. Vacca, J. Chem. Soc. (2001) 211. 45. J.-G. Mao, Z. Wang, A. Clearfield, New J. Chem. 26 (2002) 1010 1014. 46. J.-G. Mao, A. Clearfield, Inorg. Chem. 41 (2002) 2319 47. K. Nakamoto, Infrared Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, 2nd Edition, John Wiley and Sons, Inc.: New York, 1970. 48. K. Nakamoto, Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, Part B, 5th Edition, John Wiley and Sons, Inc.: New York, 1997. 49. M. Matzapetakis, C.P. Raptopoulou, A. Tsohos, B. Papaefthymiou, N. Moon, A. Salifoglou, J. Am. Chem. Soc. 120 (1998) 13266-13267. 50. M. Matzapetakis, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, N. Moon, J. Giapintzakis, A. Salifoglou, J. Biol. Inorg. Chem. 5 (2000) 469-474. 51. M. Matzapetakis, N. Karligiano, A. Bino, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, J. Giapintzakis, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 120 (2000) 4044-4051. 52. W.P. Griffith, T.D. Wickins, J. Chem. Soc. A. (1968) 397-400. 53. N. Vuletic, C. Djordjevic, J. Chem. Soc. (1973) 1137-1141. 158

54. M. Kaliva, T. Giannadaki, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 40 (2001) 3711-3718. 55. M. Tsaramyrsi, D. Kavousanaki, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Salifoglou, Inorg. Chim. Acta. 320 (2001) 47-59. 56. K.L. Nash, R.D. Rogers, J. Ferraro, J. Zhang, lnorg. Chim. Acta. 269 (1998) 211-223. 57. C. Bellito, F. Federichi, Inorg. Chem. 41 (2002) 709. 58. H. Jankovics, M. Daskalakis, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, V. Tangoulis, J. Giapintzakis, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 41 (2002) 3366. 59. B.-P. Yang, Z.-M. Sun, J.-M. Mao Inorg. Chim. Acta. 357 (2004) 1583 1588. 60. Y.Z. Hamada, W.R. Harris, Inorg. Chim. Acta 339 (2006) 1135 1146] 61. A. Cabeza, S. Bruque, A. Guagliardi, M.A.G. Aranda, J. Solid State Chem. 160 (2001) 278. 62. M. Matzapetakis, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 38 (1999) 618-619 63. M. Matzapetakis, M. Kourgiantakis, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, I. Banyai, L. Iordanidis, T. Mavromoustakos, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 40 (2001) 1734 1744 64. M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, I. Banyai, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 42 (2003) 252 254. 65. T.L. Feng, P.L. Gurian, M.D. Healy, A.R. Barron, Inorg. Chem. 29 (1990) 408 411. 66. L. Mafra, F.A.A. Paz, F.N. Shi, J. Rocha, T. Trindade, C. Fernandez, A. Makal, K.Wozniak, J. Klinowski, Chem. Eur. J. 12 (2006) 363 375. 67. F. Cecconi, C.A. Ghilardi, P.A. Lorenzo Luis, S. Midollini, A. Orlandini, D.Dakternieks, A. Duthie, S. Dominguez, E. Berti, A. Vacca, J. Chem. Soc. (2001) 211. 68. J.-G. Mao, Z. Wang, A. Clearfield, New J. Chem. 26 (2002) 1010 1014. 69. J.-G. Mao, A. Clearfield, Inorg. Chem. 41 (2002) 2319 70. K. Nakamoto, Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, Part B, 5th Edition, John Wiley and Sons, Inc.: New York, 1997. 159

Πειραματικά Αποτελέσματα του Αργιλίου 71. M. Matzapetakis, C.P. Raptopoulou, A. Tsohos, B. Papaefthymiou, N. Moon, A. Salifoglou, J. Am. Chem. Soc. 120 (1998) 13266-13267. 72. M. Matzapetakis, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, N. Moon, J. Giapintzakis, A. Salifoglou, J. Biol. Inorg. Chem. 5 (2000) 469-474. 73. M. Matzapetakis, N. Karligiano, A. Bino, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, J. Giapintzakis, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 120 (2000) 4044-4051. 74. W.P. Griffith, T.D. Wickins, J. Chem. Soc. A. (1968) 397-400. 75. N. Vuletic, C. Djordjevic, J. Chem. Soc. (1973) 1137-1141. 76. M. Kaliva, T. Giannadaki, C.P. Raptopoulou, V. Tangoulis, A. Terzis, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 40 (2001) 3711-3718. 77. M. Tsaramyrsi, D. Kavousanaki, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Salifoglou, Inorg. Chim. Acta. 320 (2001) 47-59. 78. M.S. Forbes, O. Ghribi, M.M. Herman, J. Savory, Ann. Clin. Lab. Sci. 32 (2002) 75. 79. R.W. Shin, Gerontology 43 (1997) 16 23. 80. S.E. Arnold, B.T. Hyman, J. Flory, A.R. Damasio, G.W. Van Hoesen, Cereb. Cortex 1 (1991) 103. 81. M. Abdel-Ghany, A.K. El-Sebae, D. Shallow, J. Biol. Chem. 268 (1993) 11976 11981. 82. F. Khalil-Manesh, C. Agness, H.C. Gonick, Nephron 52 (1989) 323 328. 83. H. Murayama, R.W. Shin, J. Higuchi, S. Shibuya, T. Muramoto, T. Kitamoto, Am.J. Path. 155 (1999) 877 885. 84. C.M. Nday, B.D. Drever, T. Salifoglou, B. Platt, Brain Res. 1352 (2010) 265-276. 85. T. Taniguchi, T. Kawamata, H. Mukai, H. Hasegawa, T. Isagawa, M. Yasuda, T.Hashimoto, A. Terashima, M. Nakai, Y. Ono, C. Tanaka, J. Biol. Chem. 276 (2001) 10025 10031. 160

Κεφάλαιο 6: Συσχετισμός του μεταλλοτοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer 6.1 Εισαγωγή Η έκθεση του ανθρώπου στο αργίλιο είναι αναπόφευκτη λόγω της διαδεδομένης παρουσίας του στη φύση με επακόλουθη συσσώρευσή του σε ευαίσθητες περιοχές, όπως ο εγκέφαλος και συγκεκριμένα ο ιππόκαμπος. 1 Η πρόσληψη, η απορρόφηση, η εσωτερική κατανομή και η τοξικότητα του Al(III) ποικίλουν ανάλογα με τη φυσική και τη χημική κατάσταση του μετάλλου. Το αργίλιο με τη μορφή ελεύθερου τρισθενούς κατιόντος (Al(III)) ανιχνεύεται σε υδατικά διαλύματα σε πάρα πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις (nm). Παρόλα αυτά, το Al(III) προσδένεται σε βιομόρια σχηματίζοντας έναν μεγάλο αριθμό σύμπλοκων ενώσεων. 2 Οι αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσει το αργίλιο με οργανικά ligands καθορίζουν τόσο τη βιοδιαθεσιμότητα όσο και τη διαλυτότητά του στα υδατικά περιβάλλοντα, επηρεάζοντας παράλληλα την τοξική του δράση. Επιπρόσθετα, η διαλυτότητα του Al(III) είναι phεξαρτώμενη, με τα τοξικά είδη του Al(III) να είναι διαλυτά σε χαμηλές τιμές ph, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν έντονες βλάβες στους νευρώνες και στη γλοία. 3,4 6.2. Πειραματικό μέρος Το τοξικό δυναμικό και ο συσχετισμός του Al(III) με τη N.A. οδήγησε στην περαιτέρω διερεύνηση α) της επίδρασης της βιοχημικής δράσης του Al(III) επί της λειτουργίας των υποδοχέων Ν-μεθυλο D-ασπαρτικού οξέος (NMDA) και των ελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου (VDCC) και τη συσχέτιση με την νευροτοξικότητα του μεταλλοϊόντος Al(III), β) της βιολογικής δράσης φυσικοχημικά πλήρως χαρακτηρισμένων μορφών Al(III) στο κυτταρικό περιβάλλον νευρογλοιακών και νευρωνικών κυττάρων, γ) της συμπεριφοράς της τοξικότητας του Aβ (1-40) και της συσχέτισής του με σαφώς καθορισμένες μορφές βιοτοξικών ενώσεων του αργιλίου, και δ) της νευροπροστατευτικής δράσης χηλικών ενώσεων, όπως το D-(-)-κινικό οξύ. Η προσπάθεια αυτή στηρίχθηκε στη διεξαγωγή μελετών αλληλεπίδρασης καλά καθορισμένων μορφών του 161

Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer Al(III) με μεμβρανικούς νευρωνικούς υποδοχείς σε νευρωνικές και νευρογλοιακές καλλιέργειες νεογνών ποντικού Sprague-Dawley. Οι παραπάνω αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν την επίδραση που έχει το Al(III) σε νευρωνικά και γλοιακά κύτταρα αλλά και την επίδραση του μετάλλου στη λειτουργία των διαύλων ασβεστίου (VDCC). Οι καλά καθορισμένες μορφές του Al(III) προήλθαν από τη σύνθεση, απομόνωση και χαρακτηρισμό των κρυσταλλικών υλικών από ενώσεις μετάλλων με ligands, όπως α) το κιτρικό οξύ και το D-(-)-κινικό οξύ που απαντώνται ή χρησιμοποιούνται σε βιολογικά υγρά, και β) το Ν-φωσφονομεθυλο-ιμινοδιοξικό οξύ, που προσομοιάζει βιολογικά υποστρώματα μέσα σε υδατικά διαλύματα. Οι έξι κρυσταλλικές ενώσεις του Al(III) που χρησιμοποιηθήκαν στην υλοποίηση της έρευνας αυτής ήταν οι εξής: (1) Al(III) Atomic Absorption Standard (AlCl 3 ), (2) Κινικό αργίλιο: K[Al(C 7 H 11 O 6 ) 3 ]. (OH). 4H 2 O (Al-Q), 5 (3) Φωσφονικό αργίλιο: (CH 6 N 3 ) 4 [Al 2 (C 5 - H 6 NPO 7 ) 2 (OH) 2 ]. 8H 2 O (Al-NTAP), 6 (4) Κιτρικό αργίλιο 1: (ΝΗ 4 ) 5 [Al(C 6 H 4 O 7 ) 2 ]. 2Η 2 Ο (Alcit1), 7 (5) Κιτρικό αργίλιο 2: K 4 [Al(C 6 H 4 O 7 )(C 6 H 5 O 7 )]. 4H 2 O (Al-cit2), 8 και (6) Κιτρικό αργίλιο 3: (NH 4 ) 5 [Al 3 (C 6 H 4 O 7 ) 3 (OH)(H 2 O)]. (NO 3 ). 6H 2 O (Al-cit3). 9 Οι παραπάνω ενώσεις χρησιμοποιήθηκαν σε συγκεντρώσεις 10, 100 και 500 μμ, δηλαδή για κάθε μία ένωση έγιναν τέσσερα πειράματα: το ένα αποτελεί το μάρτυρα (control) και το κάθε ένα από τα υπόλοιπα αντιστοιχεί στις τρεις συγκεντρώσεις για την κάθε ένωση του Al(III). Το κάθε πείραμα έλαβε χώρα σε τέσσερις κυτταροκαλλιέργειες. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν δύο θρεπτικά υλικά: το HBS και το MEM, τόσο σε βραχυπρόθεσμες (3 h) όσο και σε μεσοπρόθεσμες επωάσεις (24 h). Θα πρέπει να τονιστεί ότι το HBS δε χρησιμοποιήθηκε στις μεσοπρόθεσμες επωάσεις. 6.3. Αποτελέσματα Συζήτηση 6.3.1. Η επίδραση των έξι σύμπλοκων ενώσεων Al(ΙΙΙ) στη βιωσιμότητα των ιπποκαμπιαίων κυττάρων Στην παρούσα μελέτη 10 προσδιορίστηκαν και συγκρίθηκαν με τους απαραίτητους μάρτυρες, οι επιπτώσεις των έξι πλήρως χαρακτηρισμένων ειδών του Al(III) στη λειτουργία υποδοχέων NMDA και των διαύλων τάσης ασβεστίου VDCC σε πρωτογενείς καλλιέργειες ιππόκαμπου αρουραίου. Επιπλέον, μελετήθηκε η βιωσιμότητα των νευρωνικών και γλοιαδικών κυττάρων βάσει του χρόνου επώασης. Το πρότυπο τοξικότητας των ενώσεων του Al(III) εμφάνισε μεγάλη ποικιλομορφία. Οι ενώσεις AlCl 3 και Alcit1 προκάλεσαν εκτεταμένη απώλεια κυττάρων σε όλες τις συνθήκες 162

επώασης (βραχυ-, μεσο- και μακροπρόθεσμης). Τα ποσοστά θνησιμότητας των κυττάρων είναι παρόμοια μεταξύ των δύο ενώσεων και σε κάθε περίπτωση τα νευρωνικά κύτταρα υπέστησαν μεγαλύτερη βλάβη από ότι τα γλοιαδικά κύτταρα. Οι ενώσεις Alcit2, AlQ και AlNTAP εμφάνισαν τοξική δράση μόνο μετά από μεσοπρόθεσμη έκθεση (24 h) και στον ίδιο περίπου βαθμό και για τους δύο κυτταρικούς τύπους. Το Alcit3 εμφανίστηκε να επηρεάζει τη βιωσιμότητα των κυττάρων ανάλογα με τον κυτταρικό τους τύπο, αλλά και το χρόνο επώασης. Ειδικότερα, στην επώαση των 3 h οι νευρώνες ήταν πιο ευάλωτοι στην αύξηση συγκέντρωσης της μεταλλοτοξίνης και φάνηκε πως πλήττονται περισσότερο από τα γλοιαδικά κύτταρα, τα οποία εμφάνισαν μία σταθερότητα στη θνησιμότητα τους. Η επώαση των 24 h έδειξε μία αυξανόμενη τοξικότητα (με την αύξηση της συγκέντρωσης) σε παρόμοια επίπεδα και για τους δύο κυτταρικούς τύπους, με τα γλοιαδικά κύτταρα να επηρεάζονται σε λίγο μεγαλύτερο βαθμό από ότι τα νευρωνικά. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι Alcit1 και Alcit2 αποτελούν πρόδρομες ενώσεις της σταθερής και τελικής σύμπλοκης μορφής της αντίδρασης του μεταλλοϊόντος με το φυσιολογικό ligand κιτρικό οξύ, Alcit3, το οποίο σχηματίζεται σε βάθος χρόνου και συσσωρεύεται στους νευρώνες με τοξικές επιδράσεις. Παλαιότερες έρευνες που αφορούσαν την τοξικότητα του Al(ΙΙΙ) σε εγκεφαλικούς ιστούς επικεντρώθηκαν κατά κύριο λόγο στην τοξική επίδραση στα νευρωνικά και όχι στα γλοιαδικά κύτταρα. 11,12,13 Κάποιες άλλες μελέτες έχουν αναδείξει ένα κρίσιμο και κεντρικό ρόλο στη συμμετοχή των γλοιαδικών κυττάρων 14 στην τοξικότητα του Al(III) που προκαλεί την παθολογία στον εγκέφαλο, βασισμένες σε σαφή σημάδια αλλαγών στους γλοιαδικούς δείκτες κατά τη διάρκεια της in vivo έκθεσής σε AlCl 3. 15 Η συγκεκριμένη έρευνα έδειξε ότι τόσο τα νευρωνικά όσο και τα γλοιαδικά κύτταρα υπέστησαν βλάβες, με τους νευρώνες να επηρεάζονται λίγο περισσότερο από ότι τα γλοιαδικά κύτταρα. Η τοξικότητα του Al(III) συσχετίζεται με το λιπόφιλο/υδρόφιλο χαρακτήρα, τη κινητικήθερμοδυναμική σταθερότητα, τη μοριακή σύνθεση, και τη σταθερότητά τους στα βιολογικά υγρά σε φυσιολογικό ph κάθε μιας από τις ενώσεις που μελετήθηκαν. 16,17,18 Οι ενώσεις αυτές έχουν τη δυνατότητα να αλληλεπιδρούν και να τροποποιούν τις κυτταρικές μεμβράνες. 19 Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξηθεί η διεισδυτικότητα της μεταλλοτοξίνης, η οποία μπορεί να οδηγήσει στη διαταραχή της ομοιόστασης του Ca(ΙΙ) 20 και στην απόπτωση μέσω των μιτοχονδριακών οδών. 21,22 163

Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer Επιπλέον, κρίθηκε αναγκαίο να διερευνηθεί και η απόκριση του Ca(II) μετά την προσθήκη των έξι ενώσεων AlCl 3, Alcit1/2/3, AlQ και AlNTAP σε τιμές συγκεντρώσεων 10 μm, 100 μm και 500 μm. 23 Το χλωρίδιο του αργιλίου (AlCl 3 ) εμφάνισε τη μεγαλύτερη τοξικότητα συγκριτικά με τις άλλες ενώσεις, καθόσον απενεργοποίησε τους νευρωνικούς διαύλους με επακόλουθη δραματική ελάττωση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου έως και επαγωγή της κυτταρικής απόπτωσης. Στη συγκέντρωση των 500 μm εμφάνισε το μέγιστο βαθμό τοξικότητας που θα μπορούσε να παρουσιάσει. Στην περίπτωση των NMDA υποδοχέων η ένωση AlQ παρουσίασε απόκριση ασβεστίου σε ποσοστό 60% και υψηλή τοξικότητα, αλλά και αύξηση της απόκρισης με ταυτόχρονη αύξηση της συγκέντρωσης. Το AlNTAP και το Alcit1 παρουσίασαν σχετικά σταθερή συμπεριφορά όπου το AlNTAP εμφάνισε χαμηλά ποσοστά απόκρισης με υψηλό δείκτη τοξικότητας και στις τρεις συγκεντρώσεις. Το Alcit1 εμφάνισε παρόμοια αποτελέσματα με εξαίρεση τη συγκέντρωση των 100 μμ, η οποία ανέδειξε υψηλά ποσοστά απόκρισης ασβεστίου και χαμηλά επίπεδα τοξικότητας. Οι ενώσεις Alcit2 και Alcit3 εμφάνισαν σταδιακή μείωση της απόκρισης Ca(II) με ταυτόχρονη αύξηση του δείκτη τοξικότητας, ο οποίος ήταν ήδη υψηλός. Στην περίπτωση των VDCC καναλιών η AlQ προκαλεί δραματική αύξηση στην απόκριση ασβεστίου με την αύξηση της συγκέντρωσης. Ταυτόχρονα, ο βαθμός τοξικότητας μειώνεται από πολύ υψηλά επίπεδα (10 μμ) σε πολύ χαμηλά (500 μμ). Οι ενώσεις AlNTAP και Alcit2 προκάλεσαν παρόμοια μείωση απόκρισης για τις τιμές συγκέντρωσης των 10 μμ και 100 μμ. Στη συγκέντρωση των 500 μμ εμφάνισαν ακόμα μεγαλύτερη πτώση των τιμών απόκρισης με το βαθμό τοξικότητας να αυξάνεται σε πολύ υψηλά επίπεδα. Ένα ενδιαφέρον στοιχείο που απορρέει από μελέτες που έγιναν σε καλλιέργειες τόσο νευρωνικών κυττάρων, γλοιαδικών κυττάρων όσο και μικτών καλλιεργειών. είναι ότι οι μικτές καλλιέργειες νευρωνικών-γλοιαδικών κυττάρων βρέθηκαν να είναι περισσότερο ευάλωτες στις τοξίνες σε σύγκριση με τις καλλιέργειες που ήταν εμπλουτισμένες μόνο με νευρώνες. Οι εμπλουτισμένες καλλιέργειες με γλοιαδικά κύτταρα έδειξαν υψηλότερη ευπάθεια. Παρότι είναι γνωστό ότι τα γλοιαδικά αστροκύτταρα μπορεί να είναι σε θέση να προστατεύουν τα νευρωνικά κύτταρα από την τοξικότητα, η λειτουργική αυτή ιδιότητά τους χάνεται μόλις εκτεθούν στο Al(ΙΙΙ). 24 Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ γλοιαδικών και νευρωνικών κυττάρων, όπως η απελευθέρωση των αντιφλεγμονωδών παραγόντων, μπορεί να συμβάλλουν στη διαμόρφωση των αποτελεσμάτων και για ότι συμβαίνει κατά την παθολογία της ΝΑ. 25 164

Tα στατιστικά δεδομένα της παρούσας εργασίας επιβεβαίωσαν τον κρίσιμο ρόλο της χημείας του Al(ΙΙΙ) στο προφίλ τοξικότητάς του. Σε γενικές γραμμές, η δραστικότητα του Al(III) βασίζεται στις δυαδικές και τριαδικές αλληλεπιδράσεις του Al(III) με χαμηλής ή υψηλής μοριακής μάζας ligands που κατανέμονται ευρέως και συμμετέχουν ενεργά στις κυτταρικές λειτουργίες. 7,26,27 6.3.2. Παράγοντες που παρέχουν νευροπροστασία στις κυτταροκαλλιέργειες έναντι των ιόντων Al(III) και του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου. Το β-αμυλοειδές πεπτίδιο και οι διαλυτές ενώσεις του αργιλίου αποτελούν ισχυρούς νευροτοξικούς παράγοντες, οι οποίοι μπορεί να δρουν συνδυαστικά ή μη και συσχετίζονται με την αιτιο-παθογένεση της νόσου Alzheimer. 28 Οι παραπάνω δράσεις αντανακλούν θεμελιώδεις διεργασίες για την κατανόηση του μηχανισμού δράσης του αργιλίου σε μοριακό επίπεδο, που προκαλεί συρρίκνωση και απώλεια ιπποκαμπιαίων κυττάρων. Στην προσπάθειά μας να αποσαφηνίσουμε το μηχανισμό αυτό, μετά από τη μελέτη της νευροτοξικής δράσης του αργιλίου, μελετήσαμε τη νευροπροστατευτική δράση συγκεκριμένων ουσιών και τις επιπτώσεις που έχουν στη βιωσιμότητα των κυττάρων παρουσία της μεταλλοτοξίνης ή/και του β- αμυλοειδούς πεπτιδίου. 29 Συγκεκριμένα, σε πρώτο στάδιο διερευνήθηκε η δράση του κινικού οξέος, υπήρχαν ενδείξεις νευροπροστασίας από τις νευροτοξικές μελέτες. Σε δεύτερο στάδιο, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων του κινικού οξέος με αυτά των ήδη γνωστών νευροπροστατευτικών παραγόντων όπως deferoxamine και clioquinol. Το Desferrioxamine (DFO) και το Clioquinol (Clio) έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τις αντι-εκφυλιστικές τους ιδιότητες κατά την νόσο Alzheimer. Το DFO είναι ένας χηλικός παράγοντας που χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση της περίσσειας σιδήρου από τον οργανισμό, δεσμεύοντας τον ελεύθερο σίδηρο από το αίμα και αποβάλλοντάς τον μέσω των ούρων. Το Clioquinol χρησιμοποιείται ως αντιμυκητιακό φάρμακο και ανήκει στην οικογένεια των φαρμάκων υδροξυ-κινολινών (hydroxyquinolines), που έχουν ανασταλτικές ιδιότητες σε ορισμένα ένζυμα που συνδέονται με την αντιγραφή του DNA. Η ίδια ουσία από την άλλη πλευρά, μπορεί, σε μεγάλες δόσεις, να αποδειχθεί νευροτοξική για τα κύτταρα. Στην παρούσα εργασία, έγινε επιλογή της κατάλληλης συγκέντρωσής του Clioquinol, σε in vitro επίπεδο, ώστε να αντανακλά την προστατευτική του δράση. Εν κατακλείδι, οι προστατευτικές επιδράσεις του κινικού οξέος ερευνήθηκαν σε σύγκριση με DFO και clioquinol, παρουσία β-αμυλοειδούς 165

Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer πεπτιδίου, το οποίο είτε προστέθηκε στην εξωγενή του μορφή (του εμπορίου) είτε παράχθηκε στην ενδογενή μορφή του. Όσο αφορά το β-αμυλοειδές πεπτίδιο, τα ευρήματα της παρούσας εργασίας έδειξαν ότι η θνησιμότητα των κυττάρων που προκαλείται είναι ανεξάρτητη από τη μορφή του Aβ που χρησιμοποιείται, διότι τα αποτελέσματα ήταν παρόμοια και στις δυο περιπτώσεις Πολύ μεγάλο ενδιαφέρον εμφάνισαν τα πειράματα όπου προστέθηκαν β-αμυλοειδές πεπτίδιο και μία από τις δυο ενώσεις του αργιλίου (AlCl 3 ή AlQ), δηλαδή οι καλλιέργειες περιείχαν AlCl 3 /Αβ ή AlQ/Αβ. Οι επωάσεις διήρκεσαν 3 h (βραχυπρόθεσμες) και 24 h (μεσοπρόθεσμες). Και στις δύο περιπτώσεις, εμφανίστηκε η τοξική δράση των δύο παραγόντων, καθώς προκλήθηκε συρρίκνωση των νευρώνων. Παρόλα αυτά, ο βαθμός συρρίκνωσης δεν ήταν ο ίδιος. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου με το AlQ επέφερε μικρότερη τοξικότητα και συνεπώς μικρότερη συρρίκνωση στους νευρώνες, σε αντίθεση με το συνδυασμό του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου με το AlCl 3, αποδεικνύοντας ότι το κινικό οξύ αμβλύνει την τοξική δράση του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου παρουσία του μεταλλοϊόντος. Τα ίδια αποτελέσματα παραλήφθηκαν και μεταξύ των πειραμάτων Aβ/AlQ/QA και Aβ/Al-S/QA, όπου το κινικό οξύ δεν έδειξε μόνο την ικανότητά του να δεσμεύει τα μεταλλικά ιόντα, αλλά και να καθορίζει τα χαρακτηριστικά των δυαδικών ειδών AlQ και να επηρεάζει την επακόλουθη χημεία τους με μοριακούς στόχους. Οι αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ του AlQ και του Aβ πεπτιδίου, οδηγούν στην τριαδική μορφή Aβ-{AlQ}, η οποία επάγει χαμηλότερη τοξικότητα στα ιπποκαμπιαία κύτταρα απ ότι όταν απουσιάζει το AlQ. Σύμφωνα με τα παραπάνω, φαίνεται ότι το κινικό οξύ κατέχει νευροπροστατευτικές ιδιότητες είτε είναι ελεύθερο, είτε είναι δεσμευμένο στο Al(III). Τα συνολικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το φυσιολογικό ligand κινικό οξύ συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο με το clioquinol και το DFO, εμφανίζοντας προστατευτικές ιδιότητες στα ιπποκαμπιαία κύτταρα έναντι της τοξικής ένωσης AlCl 3 ακόμα και στην υψηλή συγκέντρωσή της κατά τη βραχυ- και μεσο-πρόθεσμη επώαση (3 h). Η περαιτέρω πειραματική μελέτη έδειξε ότι, η τοξικότητα του αργιλίου φάνηκε και να έχει χρονο-εξαρτώμενη δράση για ορισμένες μορφές του μεταλλοϊόντος της παρούσας εργασίας αλλά και να εξαρτάται από το θρεπτικό μέσο που χρησιμοποιήθηκε. 10 Συγκεκριμένα, στην περίπτωση των βραχυπρόθεσμων επωάσεων το ρυθμιστικό μέσο ΜΕΜ εμφανίστηκε πιο προστατευτικός παράγοντας από ότι το θρεπτικό μέσο HBS. Όσο αφορά το θρεπτικό μέσο ΜΕΜ, στις κυτταροκαλλιέργειες που επωάστηκαν για 24 h η θνησιμότητα των κυττάρων 166

εμφανίστηκε ελαφρώς αυξημένη λόγω τη μεταλλοτοξίνης. Παρόλα αυτά, το θρεπτικό υλικό ΜΕΜ εμφανίζει προστατευτική δράση έναντι της τοξικής δράσης του Al(III), συγκριτικά με το θρεπτικό μέσο HBS. Συμπερασματικά, τα ευρήματα που αποκομίστηκαν από αυτά τα πειράματα υποστηρίζουν τη νευροπροστατευτική δράση αυτών των χηλικών ουσιών, διότι η βιωσιμότητα των ιπποκαμπιαίων κυττάρων ήταν στα φυσιολογικά επίπεδα μετά από συν-εφαρμογή του καθενός τους με την κάθε μια μορφή του αργιλίου μετά από έκθεση σε 3 h και 24 h επώαση. Ομοίως, η ένωση AlQ (Al-κινικό οξύ) παρουσιάζει μειωμένη τοξική δράση έναντι των άλλων συμπλόκων, λόγω της παρουσίας του κινικού οξέος. Για τον ίδιο λόγο, η AlQ μειώνει κατά πολύ την τοξική δράση του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου συγκριτικά με την ένωση AlCl 3. Οπότε, η συνακόλουθη χημεία του κινικού οξέος, δείχνει ότι εξουδετερώνει τα ιόντα Al(ΙΙΙ), παρέχοντας προστατευτικές ιδιότητες στα γλοιαδικά και νευρωνικά κύτταρα και πιθανώς αναστέλλοντας την κυτταρική αποπτωτική οδό. Τα συλλογικά δεδομένα της παρούσας μελέτης δείχνουν ότι ένα δυνητικά νευροπροστατευτικό φυσιολογικό ligand, που είναι συνδεδεμένο με το Al(ΙΙΙ), μπορεί να καθυστερήσει τη δράση του αργιλίου και του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου, επιφέροντας αύξηση στο ποσοστό βιωσιμότητας των νευρωνικών κυττάρων ενώ στα γλοιαδικά κύτταρα, η βιωσιμότητα δεν μεταβλήθηκε λόγω των προστατευτικών ιδιοτήτων των DFO, Clio και κινικού οξέος που έδειξαν πλήρη προστασία αυτών των κυττάρων από το β-αμυλοειδές πεπτίδιο 6.4. Συμπεράσματα Το Αl(III) είναι ένα μεταλλοϊόν, το οποίο εμφανίζει έντονη τάση να δεσμεύεται σε φωσφονικές και καρβοξυλικές ομάδες και για το λόγο αυτό αλληλεπιδρά με κυτταρικούς στόχους με φωσφορυλιωμένες και υπερ-φωσφορυλιωμένες περιοχές (π.χ. πρωτεΐνη τ) καθώς και υποστρώματα με καρβοξυλικές ομάδες. Η ένωση Al-NTAP, συντέθηκε, απομονώθηκε και χαρακτηρίστηκε ώστε να μας δώσει μία εικόνα για τις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσει το τοξικό μεταλλοϊόν με τέτοιου είδους υποστρώματα. Βρέθηκε ότι, οι συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις είναι ισχυρές και οδηγούν στη δημιουργία πολύ σταθερών δυαδικών και τριαδικών ειδών. Μία ανάλογη γενική εικόνα απορρέει από όλα τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα. Η εκπόνηση των πειραματικών διεργασιών που αφορούσαν τη διαλεύκανση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του Al(III) και κυτταρικών στόχων καθώς και τη μελέτη της τοξικής 167

Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer δράσης του μεταλλοϊόντος, είτε αυτό βρίσκεται στην ανόργανη μορφή του (AlCl 3 ) είτε σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα με διάφορα υποστρώματα, στηρίχθηκε στην χρήση πέντε πολύ καλά χαρακτηρισμένων σύμπλοκων ενώσεων. Γενικά, όλες οι ενώσεις του Al(III) εμφάνισαν κάποια τοξική επίδραση είτε μόνο έναντι των νευρωνικών κυττάρων είτε μόνο των γλοιαδικών, είτε και των δύο μαζί. Τα ισχυρότερα τοξικά αποτελέσματα προκλήθηκαν από την ανόργανη μορφή Al(III), επιβεβαιώνοντας τη ισχυρή δέσμευση του Αl(III) σε φωσφονικούς και καρβοξυλικούς κυτταρικούς στόχους μεταβάλλοντας τη διαμόρφωση και τη λειτουργικότητα τους με αποπτωτικές συνέπειες για το κύτταρο. Η δράση των υπόλοιπων ενώσεων Al(III), οι οποίες βρίσκονται σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα με διάφορα υποστρώματα (ligands), παρουσίασε ποικιλία αποτελεσμάτων όσο αφορά την τοξική δράση του μετάλλου. Η ποικιλομορφία αυτή αποδίδεται στα διαφορετικά ligands. Η δραστικότητα των διαθέσιμων θέσεων δέσμευσής τους, καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την τελική, σύνθετη μορφή του μεταλλοϊόντος, τη διαλυτότητά του, τη βιοδιαθεσιμότητα του, καθώς και τη χημική του δραστικότητα προς τους κυτταρικούς μοριακούς στόχους, με αποτέλεσμα να επηρεάζονται οι αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσει το μεταλλοϊόν με τους μοριακούς στόχους τους σε ιστούς ή υγρά του ανθρώπινου οργανισμού. Παρόλα αυτά, έντονο ενδιαφέρον προκάλεσε η συμπεριφορά του AlQ έναντι του AlCl 3 και ιδιαίτερα στα πειράματα με την υψηλή συγκέντρωση της ένωσης (500 μm Al(ΙΙΙ)). Το AlQ εμφάνισε πολύ μικρή τοξική σε αντίθεση με το AlCl 3, το οποίο παρουσίασε έντονα καταστροφική δράση για τα κύτταρα. Το αποτέλεσμα αυτό αποδίδεται στην παρουσία του ligand «κινικό οξύ», η οποία χαρακτηρίστηκε από την προστατευτική συμπεριφορά του. Παρά τη γνωστή χημεία του κινικού οξέος με το Al(III), οι ακριβείς λόγοι για την όποια προστατευτική του δραστηριότητα είναι ακόμα άγνωστοι. Τα αποτελέσματα που αναδεικνύονται από τις αλληλεπιδράσεις του μετάλλου με το ligand χαμηλής μοριακής μάζας ΝΤΑΡ, αντανακλώνται στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις του Al(III) με κυτταρικούς στόχους χαμηλής ή/και υψηλής μοριακής μάζας, που μπορούν να οδηγήσουν στην κυτταρική απόπτωση. Επιπλέον, αναδεικνύεται η διττή δράση και χρησιμότητα του κάθε ligand. Από τη μία πλευρά, η σύνδεση του με το μέταλλο μπορεί να εξασφαλίσει (1) την παρουσία του μετάλλου στα υγρά ή ιστούς του ανθρώπου, και (2) την κυκλοφορία και τη διαθεσιμότητά του για χημική δραστικότητα σε πρωτεΐνες και ένζυμα του κυτταρικού περιβάλλοντος. Από την 168

άλλη πλευρά, ενδογενή ή εξωγενή ligands (π.χ. κινικό οξύ) μπορούν να δεσμεύσουν το Al(ΙΙΙ) με αποτέλεσμα να το απομακρύνουν από το κύτταρο. Όλα τα κομμάτια της παραπάνω έρευνας απέδωσαν αποτελέσματα ικανά να επεκτείνουν τη γνώση μας για την τοξική δράση του αργιλίου σε σχέση με τη βραχυ-, μεσο- και μακροπρόθεσμη νευροτοξικότητα του, και β) αποτελούν το επίκεντρο της εν εξελίξει έρευνας στο εργαστήριό μας. Βάσει αυτών, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να διευκρινισθεί ο μηχανισμός δράσης τόσο της μεταλλοτοξίνης Al(III) όσο και των υποκαταστατών που παρουσιάζουν νευροπροστατευτική συμπεριφορά. 169

Συσχετισμός του μεταλλο-τοξικού μεταλλοϊόντος Al(III) με τη νόσο Alzheimer 6.5. Βιβλιογραφία 1. J.R. Walton, Neurotoxicology 27 (2006) 385-94. 2. T. Kiss, Archiv Gerontol. Geriatr. 21 (1995) 99-112. 3. A. Campbell, S.C. Bondy, Cell. Mol. Biol. 46 (2000) 721-30. 4. H. Meiri, E. Banin, M. Roll, A. Rousseau, Prog. Neurobiol. 40 (1993) 89-121. 5. C. Gabriel, M. Menelaou, M. Daskalakis, A. Lakatos, T. Kiss, C. Mateescu, R.G. Raptis, E. Zervou, A. Salifoglou, Polyhedron 27 (2008) 2911-2920. 6. V. Georgantas, N. Kotsakis, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, L. Iordanidis, M. Zervou, T. Jakusch, T. Kiss, A. Salifoglou, J. Inorg. Biochem.103 (2009) 1530-1541. 7. M. Matzapetakis, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, A. Salifoglou, Inorg. Chemistry 38 (1999) 618-619. 8. M. Matzapetakis, M. Kourgiantakis, M. Dakanali, C.P. Raptopoulou, A. Terzis, A. Lakatos, T. Kiss, I. Banyai, L. Iordanidis, T. Mavromoustakos, A. Salifoglou, Inorg. Chem. 40 (2001) 1734-1744 9. T.L. Feng, P.L. Gurian, M.D. Healy, A.R. Barron, Inorg. Chem. 29 (1990) 408-11. 10. B. Platt, A.J. Drysdale, C. Nday, E.V. Linstow Roloff, B.D. Drever, A. Salifoglou, NeuroToxicology 28 (2007) 576-586. 11. B. Platt, H. Haas, D. Büsselberg, Neuroreport 4 (1993) 1251-1254. 12. B. Platt, D. Büsselberg, Celludar and Molecular Neurobiology 14 (1994) 6. 13. B. Platt, D.O.Carpenter, D. Büsselberg, K. G. Reymann, G. Riedel, Experimental neurology 134 (1995) 73-86. 14. J.K.Young, Med Hypotheses 38 (1992) 1-4. 15. B. Platt, G. Fiddler, G. Riedel, Z. Henderson, Brain Res. Bull. 55 (2001) 257-267. 16. E. Matyja, Folia Neuropathol. 38 (2000) 47-53. 17. B. Platt, H. Haas, D. Büsselberg, Neuroreport. 4 (1993) 1251-1254. 18. B. Platt, K.G. Reymann, Experimental Neurology 141 (1996) 240-247. 19. M. Suwalsky, B. Ungerer, F. Villena, B.Norris, H. Cardenas, P. Zatta, J Inorg Biochem. 75 (1999) 263-268. 20. B. Platt, J Alzheimers Dis. 10 (2006) 203-213. 170

21. J. Savory, M.M. Herman, O. Ghribi, J Inorg Biochem. 97 (2003) 151-154. 22. A. Toninello, G. Clari, M. Mancon, G. Tognon, P. Zatta, J Biol Inorg Chem. 5 (2000) 612-623. 23. C.M. Nday, B.D. Drever, T. Salifoglou, B. Platt, J. Inorg. Biochem. 104 (2010) 919-927 24. J.B. Sass, L.C. Ang, B.H. Juurlink, Brain Res. 621 (1993) 207-214. 25. M. Sastre, T. Klockgether, M.T. Heneka, Int J Dev Neurosci. 24 (2006) 167 176. 26. M. Kilyén, A. Lakatos, R. Latajka, I. Labádi, A.Salifoglou, C.P. Raptopoulou, J Chem Soc Dalton Trans (2002) 3578-3586. 27. M. Kilyén, P. Forgo, A. Lakatos, G. Dombi, T. Kiss, N. Kotsakis, J Inorg Biochem. 94 (2003) 207-213. 28. W.A. Banksa, M.L. Niehoff, D. Drago, P. Zatta, Brain Res. 20 (2006) 215-221. 29. C.M. Nday, B.D. Drever, T. Salifoglou, B. Platt, Brain Res. 1352 (2010) 265-276. 171

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού 172

Κεφάλαιο 7: Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού 7.1 Περίληψη Οι συνθετικές προσπάθειες σε τριαδικά συστήματα του Cu(II), με το βουτυλενο διαμινο (τετραμεθυλενο φωσφονικό οξύ) (BDTMP: butylene diamine tetramethylene phosphonic acid) και με ετεροκυκλικούς οργανικούς χηλικούς ή μη υποκαταστάτες (pyridine and 1,10- phenanthroline) οδήγησαν στην απομόνωση νέων οργανοφωσφονικών ειδών του χαλκού: Na 6 [Cu 2 (BDTP)(H 2 O) 4 ]. [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O (1), [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ]. 2H 2 O (2) και [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)]. n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH (3). Οι ενώσεις 1-3 χαρακτηρίστηκαν με στοιχειακή ανάλυση, φασματοσκοπικές τεχνικές (FT-IR, UV-Vis), μελέτες μαγνητικής επιδεκτικότητας, κυκλική βολταμμετρία και κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Η 1 κρυσταλλώνει σε τρικλινές σύστημα Pī με a = 13.7141(3) Å, b = 15.2643(3) Å, c = 16.9430(4) Å, α= 109.3610(10), β = 105.7440(10), γ= 104.4170(10), V = 2987.91(11) Å 3 και Z = 4. Η 2 κρυσταλλώνει σε μονοκλινές σύστημα P2 1 /n με a = 10.2947(2) Å, b = 17.3151(3) Å, c = 11.8645(2) Å, α=90.00, β = 108.2390(10), γ= 90.00, V = 2008.64(6) Å 3 και Z = 1. Η 3 κρυσταλλώνει σε μονοκλινές σύστημα I2/a with a = 16.6307(3) Å, b = 28.5261(5) Å, c = 20.0359(4) Å, α=90.00, β = 100.9790(10), γ= 90.00, V = 9331.2(3) Å 3 και Z = 4. Το μοριακό πλέγμα της 1 αποκαλύπτει την παρουσία διακριτών διμεταλλικών μονάδων Cu(II), οι οποίες είναι δεσμευμένες με το BDTMP και μόρια νερού αποκτώντας τετραγωνική πυραμιδική γεωμετρία. Το μοριακό πλέγμα της 2 παρουσιάζει διμεταλλικά συγκροτήματα χαλκού με μόρια BDTMP και πυριδίνης συναρμοσμένα σε ένα τετραγωνικό πυραμιδικό περιβάλλον. Το πλέγμα της ένωσης 3 αναδεικνύει την παρουσία διμεταλλικών μονάδων, που αποτελούνται από χαλκό, BDTMP και 1,10-φαινανθρολίνη και διατάσσονται στο χώρο με τετραγωνική πυραμιδική γεωμετρία, γύρω από το μέταλλο. Ο οργανοφωσφονικός υποκαταστάτης της ένωσης 3, αποτελεί συνδετικό κρίκο των διμεταλλικών ομάδων, αποδίδοντας ένα πολυμερικό τριαδικό προϊόν. Τα δεδομένα από τις μαγνητικές μετρήσεις των 1, 2 και 3 αποδεικνύουν την ύπαρξη Cu(II) υψηλού spin (S=1/2). Τα φυσικοχημικά προφίλ των ενώσεων 1, 2 και 3 αναδεικνύουν α) τη δέσμευση ιόντων μετάλλου από το BDTMP και την επίδραση που έχει σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα 173

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού Cu(II), β) τη σημασία των αλληλεπιδράσεων του συστήματος Cu(II)-BDTMP με Ν-αρωματικές ομάδες σε υδατικό και μη υδατικό περιβάλλον, και γ) τη συμβολή του BDTMP στη διαμόρφωση κρυσταλλικού πλέγματος συγκεκριμένης αρχιτεκτονικής 7.2 Εισαγωγή Ο χαλκός είναι ένα μέταλλο που η παρουσία του είναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση και αποτελεί απαραίτητο συστατικό τόσο στους ζωικούς (π.χ. βοοειδή, αρνιά, αστακοί, στρείδια), όσο και στους φυτικούς οργανισμούς (π.χ. ξηροί καρποί, μαύρο πιπέρι, κακάο, πράσινες ελιές, αβοκάντο και πίτουρο σιταριού). Ο χαλκός είναι σημαντικό στοιχείο και για τον άνθρωπο, ο οποίος τον λαμβάνει μέσω της διατροφής του. Ο άνθρωπος χρειάζεται το χαλκό καθώς συνδέεται με μία πληθώρα πρωτεϊνικών υποστρωμάτων και βοηθάει στην αποπεράτωση σημαντικών οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. Χαρακτηριστικές πρωτεΐνες, οι οποίες δεσμεύουν χαλκό είναι η κυτοχρωμική C οξειδάση, η σουπεροξειδική δισμουτάση, η λυσυλο οξειδάση, η τυροσινάση, η οξειδάση ασκορβικού οξέος, η σερουλοπλασμίνη, και η ντοπαμινική β-υδροξυλάση. Παρόλα αυτά, ο χαλκός θα πρέπει να βρίσκεται εντός των συγκεκριμένων ορίων 1.4-2.1 mg/kg. Σε περίπτωση που η περιεκτικότητα του χαλκού ξεπεράσει τα επιτρεπτά όρια και γίνει είτε μικρότερη είτε μεγαλύτερη από αυτά, προκαλούνται σοβαρές επιπλοκές στον ανθρώπινο οργανισμό. Έρευνες έχουν δείξει ότι η «αφύσικη» περιεκτικότητα του χαλκού στον ανθρώπινο οργανισμό παίζει καθοριστικό ρόλο στην πρόοδο διαταραχών με νευρολογικά συμπτώματα. Παραδείγματα νευρολογικών διαταραχών αποτελούν η νόσος Alzheimer, η νόσος Wilson και η νόσος Menkes. Η νόσος Alzheimer (AD) ανήκει στην κατηγορία των νευροεκφυλιστικών διαταραχών. Η νόσος AD είναι μία πολυπαραγοντική νόσος, καθώς η εμφάνιση και πρόοδος της εξαρτώνται τόσο από γενετικούς, όσο και από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Μεγάλη σημασία έχει και ο τρόπος ζωής του ανθρώπου (άγχος και καταχρήσεις). Τα συμπτώματα της νόσου είναι χαρακτηριστικά και ανεξάρτητα από τους παράγοντες που την προκαλούν. Τα παθολόγοανατομικά συμπτώματα της νόσου είναι οι αμυλοειδείς πλάκες και τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα, που οδηγούν σε συρρίκνωση και απώλεια ιπποκαμπιαίων κυττάρων. Οι αμυλοειδείς πλάκες σχηματίζονται από εξωκυττάριες καθιζήσεις του αμυλοειδούς πεπτιδίου, Αβ (Αβ1-40 και Αβ1-42), γύρω από τους ατροφικούς νευρίτες, τα νευρονήματα και τα ενεργοποιημένα μικρογλοιαδικά κύτταρα. Το Αβ αποτελεί κομμάτι της πρωτεΐνης ΑΡΡ 174

(Amyloid Precursor Protein) και προκύπτει από το κόψιμο της ΑΡΡ από τις β- και γ-εκκριτάσες (β- και γ-secretases). Έχει αποδειχθεί ότι η ΑΡΡ δεσμεύει και διατηρεί το χαλκό σε υψηλές συγκεντρώσεις σε ιστούς όπως ο εγκέφαλος, και δρα ως μεταφορικό μέσο του μετάλλου προς το εσωτερικό των ευκαρυωτικών κυττάρων. Επιπλέον, η ΑΡΡ έχει την ικανότητα να ανάγει το χαλκό από Cu(II) σε Cu(I), ο οποίος με τη σειρά του προκαλεί οξειδωτικό stress, προκαλώντας σοβαρές βλάβες στους νευρώνες. 1 Επίσης, έχει βρεθεί υψηλή συγκέντρωση χαλκού στις αμυλοειδείς πλάκες, η οποία οφείλεται στην ικανότητα του Αβ να εγκλωβίζει μεγάλη ποσότητα Cu όταν αυξάνεται η συγκέντρωση του πεπτιδίου. 2 Τα νευροϊνιδώδη συμπλέγματα είναι ενδοκυτταρικές καθιζήσεις πρωτεϊνών και κυρίως της πρωτεΐνης tau (τ), όταν βρίσκεται στη φωσφορυλιωμένη της μορφή. Η φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης τ είναι μία φυσιολογική διαδικασία η οποία ρυθμίζει τη λειτουργία της πρωτεΐνης, καθώς προωθεί την πρόσδεση της στους μικροσωληνίσκους, 3 την ανάπτυξη των νευριτών 4 και της αξονικής μεταφοράς σήματος. 5 Στην άνοια τύπου Alzheimer, διαταράσσεται η διαδικασία της φωσφορυλίωσης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται δυο μορφές της πρωτεΐνης τ, η υπερφωσφορυλιωμένη και η μη φυσιολογικά φωσφορυλιωμένη (λόγω λάθους φωσφορυλίωσης). Αυτή η βλάβη κοστίζει αρκετά στην πρωτεΐνη τ, διότι επηρεάζεται η λειτουργικότητα της καθιστώντας την ανήμπορη να συμπλοκοποιηθεί με το μικροσωληνίσκο και να συμμετέχει στην ανάπλαση των δενδριτών (Σχήμα 7.1). 6,7 Η αναδιαμόρφωση της δομής της προκαλεί την συσσωμάτωση της, οδηγώντας στην απόπτωση του κυττάρου. 175

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού Σχήμα 7.1. Απεικόνιση των θετικών (αριστερά) και αρνητικών (δεξιά) επιπτώσεων που απορρέουν από την φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης ταυ Η νόσος Wilson (WD) είναι μία αυτοσωμική υπολειπόμενη γενετική διαταραχή και εμφανίζεται κατά τη μετάλλαξη του γονιδίου που εκφράζει την πρωτεΐνη ΑΤΡ7Β (ATPase, Cu(ΙΙ) transporting, beta polypeptide). Η ΑΤΡ7Β είναι μία ΑΤΡάση, η οποία παράγεται στο ήπαρ και ο ρόλος της είναι να μεταφέρει χαλκό εκτός των ηπατικών κυττάρων. Στην WD το μεγαλύτερο μέρος της ποσότητας του χαλκού εξέρχεται προς τη χολή και το αίμα. Η ποσότητα της σερουλοπλασμίνης, που απαιτείται για τη δέσμευση του χαλκού στο αίμα, δεν είναι αρκετή και για το λόγο αυτό το μέταλλο παρασύρεται από τη ροή του αίματος και οδηγείται ανεξέλεγκτα προς άλλους ιστούς, όπως ο εγκέφαλος και συγκεκριμένα τα βασικά γάγγλια, λαμβάνοντας μέρος σε αντιδράσεις Fenton και προκαλώντας οξειδωτικό stress. 8 Οι ελεύθερες ρίζες (ROS) διεγείρουν και επάγουν τη μη φυσιολογική παραγωγή ινών της πρωτεΐνης τ 9 και του πεπτιδίου Αβ, δηλαδή το οξειδωτικό stress ευνοεί την πρόοδο των συμπτωμάτων της AD, τα οποία με τη σειρά τους επιφέρουν κυτταρική οξειδωτική καταστροφή. 10 Παρόλα αυτά, η οξειδοαναγωγική δράση της πρωτεΐνης τ με δεσμευμένο χαλκό δεν έχει πλήρως διευκρινιστεί 176

καθώς δεν είναι γνωστό το είδος των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ του μετάλλου και της πρωτεΐνης. 11 Σύμφωνα με τα παραπάνω, αναδύεται μία σχέση αλληλεπίδρασης μεταξύ του χαλκού και της πρωτεΐνης ταυ, η οποία κέντρισε το ενδιαφέρον μας. Για το λόγο αυτό, προσανατολίσαμε το ερευνητικό μας έργο στην κατανόηση της χημικής δραστικότητας των ιόντων Cu(II) έναντι υποστρωμάτων παρόμοιων της φωσφορυλιωμένης πρωτεΐνης ταυ. Για να επιτευχθεί αυτό έπρεπε να γίνει φυσικοχημικός προσδιορισμός των παραπάνω αλληλεπιδράσεων, καθόσον οι αλληλεπιδράσεις αυτές του χαλκού με φωσφορυλιωμένα υποστρώματα μπορεί να οδηγήσουν σε βιοχημικές διεργασίες που είναι τοξικές για τους νευρώνες του εγκεφάλου. Ο τρόπος για να εξιχνιάσουμε αυτές τις διεργασίες, είναι η ph-εξαρτώμενη σύνθεση και η μελέτη των ειδών του χαλκού τα οποία φέρουν φωσφορυλιωμένα ligands χαμηλής μοριακής μάζας. Ένα πολύ κοντινό βιομιμητικό ανάλογο των φωσφορυλιωμένων ομάδων είναι η φωσφονική ομάδα, στη μορφή ενός οργανοφωσφονικού υποκαταστάτη. Το υπόστρωμα που επιλέχθηκε είναι το butylene diamine tetra-(methylene phosphonic acid) (ΒDΤΜP) (Σχήμα 7.2). To BDTMP έχει τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά και να δεσμεύσει μεταλλικά ιόντα, όπως τα ιόντα Cu(II), σε δυαδικά και τριαδικά συστήματα, προωθώντας το σχηματισμό πλεγμάτων με διακριτή αρχιτεκτονική και χαρακτηριστικές φυσικοχημικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, τα δυαδικά και τριαδικά συστήματα Cu-BDTMP Ν αρωματικά ligands (όπως η πυριδίνη και η 1,10-φαινανθρολίνη) θα δώσουν μία πολύ καλή εικόνα για τις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται μεταξύ των ιόντων χαλκού και μοριακών στόχων που περιέχουν φωσφορυλιωμένες ομάδες καθώς και αρωματικές ομάδες που περιέχουν άζωτο. Η προσπάθεια αυτή θα αναδείξει τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό τριών νέων ειδών που προέκυψαν από τα παραπάνω υδατικά και μη υδατικά συστήματα. HO O O OH P P HO OH CH 2 CH 2 N CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N HO O P OH CH 2 HO CH 2 P OH O Σχήμα 7.2. Απεικόνιση του BDTMP 177

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού 7.3 Πειραματικό Μέρος 7.3.1 Αντιδραστήρια Όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν κάτω από αερόβιες συνθήκες. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε υπερκαθαρό νερό. Τα χημικά αντιδραστήρια Cu(OAc). 2 H 2 O, υδροξείδιο του νατρίου, ακετόνη, πυριδίνη (py), μεθανόλη και 1,10-φαινανθρολίνη (phen), προμηθεύτηκαν από την εταιρεία Aldrich, ενώ το BDTMP συντέθηκε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. 12 7.3.2 Πειραματική διαδικασία Παρασκευή της Na 6 [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ][Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O (1): αναμιγνύουμε Cu(OAc). 2 H 2 O (0.20 g, 1.0 mmol), BDTMP (0.46 g, 1.0 mmol,) και H 2 O (4.5 ml) σε σφαιρική φιάλη των 25 ml. Το ph του διαλύματος ρυθμίστηκε στην τιμή 6 με προσθήκη υδατικού διαλύματος NaOH. Στη συνέχεια, το διάλυμα παρέμεινε υπό συνεχή ανάδευση και θέρμανση έως και την επόμενη μέρα. Το διάλυμα φιλτραρίστηκε και αφέθηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (slow evaporation). Με το πέρασμα τριών εβδομάδων εμφανίστηκαν μπλε κρύσταλλοι. Το μπλε κρυσταλλικό υλικό απομονώθηκε με διήθηση και ξηράθηκε σε κενό. Η απόδοση της αντίδρασης ήταν 45% παραλαμβάνοντας 0.72 g. Στοιχειακή ανάλυση για την Na 6 [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ][Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O (1), C 12 H 84 Cu 3 N 3 Na 6 O 50 P 6. MW= 1589.23, Θεωρητικές τιμές (%):: C, 9.07; H, 5.58; N 2.64; Πειραματικές τιμές (%):C, 8.31; H, 5.21; N 2.42. Παρασκευή της [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ]. 2H 2 O (2): ποσότητες Cu(OAc). 2 H 2 O (0.20 g, 1.0 mmol) και BDTMP (0.46 g, 1.0 mmol) διαλύθηκαν σε μίγμα υπερκαθαρού νερού και πυριδίνης (με αναλογία: 2 ml/3 ml), κάτω υπό συνεχή ανάδευση. Στη συνέχεια, προστέθηκε ποσότητα ακετόνης και τοποθετήθηκε στο ψυγείο στους 4 o C (layering). Ύστερα από δύο εβδομάδες εμφανίστηκε μπλε κρυσταλλικό υλικό, το οποίο απομονώθηκε με διήθηση και στέγνωσε σε κενό. Η απόδοση της αντίδρασης πλησιάζει το 74% παραλαμβάνοντας 0.70 g. Στοιχειακή ανάλυση για την [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ]. 2H 2 O (2), C 28 H 44 Cu 2 N 6 O 14 P 4. MW= 939.65, Θεωρητικές τιμές: C, 35.79; H, 4.72; N 8.94, Πειραματικές τιμές: C, 35.69; H, 4.71; N 8.81. Παρασκευή της [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)]. n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH (3): ποσότητες από Cu(OAc) 2 H 2 O (0.20 g, 1.0 mmol) και BDTMP (0.46 g, 1.0 mmol,) τοποθετήθηκαν σε σφαιρική φιάλη των 25 ml και διαλύθηκαν σε 5.1 ml υπερκαθαρού νερού. Το διάλυμα της αντίδρασης συνέχισε να βρίσκεται υπό ανάδευση σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ παράλληλα 178

παρασκευάστηκε αλκοολικό διάλυμα με την προσθήκη 0.20 g (1.0 mmol) 1,10-φαινανθρολίνης σε 7.1 ml μεθανόλης. Το αλκοολικό διάλυμα προστέθηκε στάγδην στο αρχικό υδατικό διάλυμα. Προστέθηκε ακετόνη (5ml) σε θερμοκρασία δωματίου με τη μέθοδο διάχυσης. Με το πέρασμα 6 ημερών εμφανίστηκε μπλε κρυσταλλικό υλικό, το οποίο απομονώθηκε με διήθηση και στέγνωσε σε κενό. Η απόδοση της αντίδρασης ήταν 38% (0.42 g). Στοιχειακή ανάλυση για την [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)]. n 6.6H 2 O. 1.5MeOH (3), C 33.5 H 34 Cu 2 N 6 O 20.13 P 4. MW= 1114.60, Θεωρητικές τιμές: C, 36.10; H, 4.99; N 7.54, Πειραματικές τιμές: C, 35.91; H, 4.72; N 7.19. 7.3.3 Μέθοδοι Προσδιορισμού Τα φάσματα υπερύθρου (FT-infrared spectra) καταγράφηκαν στο φασματόμετρο Thermo, Nicolet IR 200, ενώ οι μετρήσεις υπεριώδους ορατού (UV Vis) πραγματοποιήθηκαν στο φασματοφωτόμετρο Hitachi U2001 και σε εύρος 190-1000 nm. Η στοιχειακή ανάλυση έλαβε χώρα σε έναν ThermoFinnigan Flash EA 1112 CHNS αναλυτή, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό (%) του άνθρακα, του υδρογόνου και του αζώτου. Τα δεδομένα μαγνητικής επιδεκτικότητας συλλέχθηκαν σε δείγματα σε μορφή σκόνης στο όργανο μέτρησης της επιδεκτικότητας (susceptometer) Quantum Design SQUID και σε εύρος θερμοκρασιών 2.0 300 K κάτω από ποικίλες τιμές μαγνητικών πεδίων. Οι μετρήσεις μαγνήτισης πραγματοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες σε πεδία που παίρνουν τιμές από 0 έως 5 Τ. 7.3.4 Ηλεκτροχημικές μελέτες Οι μετρήσεις κυκλικής βολταμμετρίας πραγματοποιήθηκαν στον Autolab model PGSTAT100 ποτενσιοστάτη-γαλβανοστάτη. Όλη η διαδικασία ελέγχετο από υπολογιστή και το πρόγραμμα Autolab software GPES. Το χρησιμοποιούμενο ηλεκτροχημικό κελί είχε ηλεκτρόδια εργασίας και βοηθητικό, φτιαγμένα από πλατίνα. Ως ηλεκτρόδιο αναφοράς χρησιμοποιήθηκε κορεσμένο ηλεκτρόδιο Ag/AgCl. Το νερό που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις ήταν υψηλής καθαρότητας, ενώ ως βοηθητικός ηλεκτρολύτης προστέθηκε KNO 3. Οι συνήθεις συγκεντρώσεις του ηλεκτροαναλύτη κυμαινόταν από 1 έως 6 mm, ενώ του βοηθητικού ηλεκτρολύτη ήταν 0.1 M. Διοχετεύτηκε καθαρό αργό στο διάλυμα για την απαέρωσή του πριν από τις μετρήσεις. Οι τιμές των E pc και E pa προκύπτουν σύμφωνα με το ηλεκτρόδιο Ag/AgCl. 179

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού 7.3.5 Κρυσταλλογραφία Ακτίνων - Χ Οι συνθετικές προσπάθειες απέδωσαν τα κρυσταλλικά υλικά 1, 2 και 3. Μονοκρύσταλλοι διαστάσεων 0.50 0.30 0.20 mm (1), 0.50 0.30 0.20 mm (2) και 0.50 0.30 0.20 mm (3) χρησιμοποιήθηκαν για να προσδιοριστούν οι δομές των ενώσεων. Κάθε μονοκρύσταλλος τοποθετήθηκε σε ένα διαθλασίμετρο P2 1 Nicolet, το οποίο έχει αναβαθμιστεί από την Crystal Logic και χρησιμοποιεί με μονοχρωματική ακτινοβολία γραφίτη Mo K α (1,3) και CuK α (2). Οι διαστάσεις κάθε μοναδιαίας κυψελίδας προσδιορίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τις γωνιακές τιμές 25 ανακλάσεων, που ήταν αυτόματα κεντρωμένες σε εύρος 3<θ<26 o, 7<θ<66 o και 3<θ<28, για τις τρεις ενώσεις, αντίστοιχα. Κατά τη συλλογή των δεδομένων, κάθε 97 αντανακλάσεις καταγράφηκαν οι τρεις ανακλάσεις, οι οποίες παρουσίασαν λιγότερο από 3% απόκλιση και αμελητέα εξασθένηση. Όλα τα παραπάνω πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος Crystal Logic. Περισσότερες πληροφορίες για τη συλλογή κρυσταλλογραφικών δεδομένων για την 1: 2θ max =52 o, ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές/χρησιμοποιημένες, 102401/11707 [R(int) = 0.0228]/11707, 1027 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν, (Δ/σ) max = 0.003; (Δρ) max /(Δρ) min = 1.720/- 1.178 e/å 3, R/R w (για όλα τα δεδομένα), 0.0357/0.0916. Πληροφορίες για τη συλλογή κρυσταλλογραφικών δεδομένων για την 2: 2θ max =132, ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές/χρησιμοποιημένες, 12084/3410[R(int) = 0.0523]/3410, 329 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν, (Δ/σ) max = 0.000, (Δρ) max /(Δρ) min = 0.436/-0.383 e/å 3, R/R w (for all data), 0.0691/0.1745. Πληροφορίες για τη συλλογή κρυσταλλογραφικών δεδομένων για την 3: 2θ max =52 o, ανακλάσεις συλλεχθείσες/μοναδικές/χρησιμοποιημένες, 43700/9103 [R(int) = 0.0434]/9103, 697 παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν, (Δ/σ) max = 0.002, (Δρ) max /(Δρ) min = 1.265/-0.603e/Å 3, R/R w (for all data), 0.0691/0.1745. Η κρυσταλλική δομή των τριών υλικών επιλύθηκε με άμεσες μεθόδους (direct methods) με τη βοήθεια του προγράμματος SHELXS-97, 13 και βελτιστοποιήθηκε με ελάχιστα τετράγωνα πλήρους μήτρας στον παράγοντα F 2 με τη χρήση του προγράμματος SHELXS-97. 14 Οι θέσεις των ατόμων υδρογόνου των ενώσεων προσδιορίστηκαν με τη χρήση διαφορικών χαρτών και βελτιστοποιήθηκαν ανισοτροπικά. Τα αποτελέσματα των υπόλοιπων μετρήσεων για τις ενώσεις 1, 2 και 3 συνοψίζονται στον Πίνακα 7.1. 180

Πίνακα 7.1 Κρυσταλλογραφικά δεδομένα για τα υλικά 1-3 1 2 3 Formula C 12 H 88 Cu 3 N 3 Na 6 O 50 P 6 C 28 H 44 Cu 2 N 6 O 14 P 4 C 33.5 H 55.2 Cu 2 N 6 O 20.1 P 4 formula weight 1589.23 939.65 1114.60 T, o K 180 293(2) 180 Wavelength Mo Ka 0.71073 Cu Ka 1.54187 Mo Ka 0.71073 space group Pī P2 1 /n I2/a a (Ǻ) 13.7141(3) 10.2947(2) 16.6307(3) b (Ǻ) 15.2643(3) 17.3151(3) 28.5261(5) c (Ǻ) 16.9430(4) 11.8645(2) 20.0359(4) α, deg 109.361(1) 90.00 90.00(0) β, deg 105.744(1) 108.239(1) 100.979(1) γ, deg 104.417(1) 90.00 90.00 (0) V, (Ǻ 3 ) 2987.91(11) 2008.64(6) 9331.2(3) Z 2 2 8 D calcd (mg.m -3 ) 1.766 1.554 1.587 abs. coeff. (μ), mm -1 1.377 3.415 1.131 goodness-of-fit on F 2 1.031 1.107 1.052 R indices (1) R = 0.0322, R w = 0.0892 (2) R = 0.0359, R w = 0.0932 (2) R = 0.0559, R w = 0.1634 (2) 7.4 Αποτελέσματα 7.4.1 Σύνθεση Η συνθετική χημεία των δυαδικών και τριαδικών συστημάτων Cu(II)-BDTMP-(py/phen) έλαβε χώρα τόσο σε υδατικά όσο και σε μικτά/μη υδατικά διαλύματα. Η στοιχειομετρία των συστατικών και οι συνθήκες οξύτητας ήταν πολύ καλά καθορισμένες και οδήγησαν στην απομόνωση τριών νέων ειδών: Na 6 [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ][Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ]. 0.5 26H 2 O (1), [Cu 2 (C 5 H 5 N) 4 (BDTMP)].. 2H 2 O (2) και [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)] n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH (3). Το οργανοφωσφονικό υπόστρωμα BDTMP συντέθηκε σύμφωνα με βιβλιογραφική αναφορά μέσα από αντιδράσεις τύπου Mannich. 16 Η σύνθεση της 1 πραγματοποιήθηκε σε υδατικό περιβάλλον και θερμάνθηκε για 18 h. Το ph της αντίδρασης ρυθμίστηκε στο 6 με τη χρήση υδατικού διαλύματος NaOH. Η στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνθεση της 1 φαίνεται παρακάτω (Σχήμα 7.3): 181

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 3 Cu(CH 3 COO). 2 H 2 O + 1.5 NCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N + 12 NaOH + 26 H 2 O ph 6 H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 Na 6 [Cu 2 (C 8 H 16 N 2 O 12 P 4 )(H 2 O) 4 ][Cu 2 (C 8 H 16 N 2 O 12 P 4 )(H 2 O) 4 ] 0.5. 26 H 2 O - + + 6 CH 3 COO Na + 9 H 2 O Σχήμα 7.3. Στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνεση της ένωσης 1 Η σύνθεση της τριαδικής ένωσης 2 πραγματοποιήθηκε σε μικτό περιβάλλον υπερκαθαρόυ νερού και πυριδίνης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ένωση Cu(II)-BDTMP-py απομονώθηκε σε κρυσταλλική μορφή μετά από την προσθήκη ακετόνης. Η στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνθεση της 2 φαίνεται παρακάτω (Σχήμα 7.4): H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 2 Cu(CH 3 COO). 2 H 2 O + NCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N + 8 C 5 H 5 N H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 ph 5.5 [Cu 2 (C 8 H 20 N 2 P 4 O 12 )(C 5 H 5 N) 4 ]. + 4-2 H 2 O CH 3 COO pyh + Σχήμα 7.4. Στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνεση της ένωσης 2 Η ένωση 3 απομονώθηκε μέσα από ένα μικτό σύστημα υπερκαθαρόυ νερού και μεθανόλης και προσθήκη 1,10-φαινανθρολίνης. Το είδος Cu(II)-BDTMP-py απομονώθηκε σε κρυσταλλική μορφή μετά από την προσθήκη ακετόνης. Η στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνθεση της 3 φαίνεται παρακάτω (Σχήμα 7.5): H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 2n Cu(CH 3 COO). 2 H 2 O + n NCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N + 2n C 12 H 8 N 2 + 4.6n H 2 O + 1.5n CH 3 OH ph 5.5 H 2 PO 3 H 2 C CH 2 PO 3 H 2 [Cu 2 (C 12 H 8 N 2 ) 2 (C 8 H 20 N 2 P 4 O 12 )]. - 6.6n H 2 O. + n 1.5n CH 3 OH + 4n CH3COO phenh Σχήμα 7.5. Στοιχειομετρική αντίδραση για τη σύνεση της ένωσης 3 182

Στα παραπάνω συστήματα που μελετήθηκαν η παρουσία της ανόργανης (NaOH) (1) και των οργανικών (pyridine και 1,10-phenanthroline) βάσεων (2,3) ήταν καθοριστική για την επιτυχία κάθε αντίδρασης. Οι παραπάνω βάσεις παρουσίασαν διττή δράση, καθώς: α) ρύθμισαν το ph, και β) δημιούργησαν αντισταθμιστικά ιόντα στα ανερχόμενα ιοντικά είδη (1) ή συμπλήρωσαν τη σφαίρα συναρμογής των μεταλλικών κέντρων Cu(II) (2,3). Επίσης,καθοριστικό ρόλο έπαιξε και η μεθανόλη που εμφανίστηκε στο σύστημα της 3, για τη διαμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι ενώσεις 1-3 είναι διαλυτές στο νερό, αλλά παραμένουν αδιάλυτες σε οργανικούς διαλύτες όπως το διμεθυλσουλφοξείδιο (DMSO), N,N -διμεθυλφορμαμίδιο (DMF), ακετονιτρίλιο, αλκοόλες (CH 3 OH, i-proh), διχλωρομεθάνιο και τολουόλιο. Οι κρυσταλλικές ενώσεις 1-3 είναι σταθερές στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου για μεγάλο χρονικό διάστημα. 7.4.2 Περιγραφή Κρυσταλλικών Δομών Οι δομές των ενώσεων 1-3 προσδιορίστηκαν με κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ μονοκρυστάλλου. Οι αποστάσεις και οι γωνίες των κύριων δεσμών των τριών ενώσεων παρατίθενται στον Πίνακα 7.2. Η ένωση 1 σχηματίζει ένα κρυσταλλικό πλέγμα, το οποίο αποτελείται από διακριτές ανιοντικές ομάδες που περιέχουν Cu(II) και από αντισταθμιστικά ιόντα Na +. Η 1 κρυσταλλώνει στο τρικλινές σύστημα Pī με Ζ 4. Η απεικόνιση της δομής έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος DIAMOND και παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.6. Το ανιοντικό μέρος της ένωσης αποτελεί μιάμιση διμεταλλική συνένωση 1½ οργανοφωσφονικού υποκαταστάτη και τριών ιόντων Cu(II). Το φορτίο του ανιοντικού τμήματος ισοσταθμίζεται με την παρουσία έξι κατιόντων νατρίου, τα τρία εκ των οποίων συνεισφέρουν στο σχηματισμό του κρυσταλλικού πλέγματος. Επίσης, 21 μόρια νερού αλληλεπιδρούν με τα ιόντα χαλκού και νατρίου, ενώ υπάρχουν και πέντε επιπλέον πλεγματικά μόρια νερού. Η κάθε ανιοντική οντότητα αποτελεί μία δυαδική ένωση, στην οποία το κεντρικό τετραφωσφονικό BDTMP 8- υπόστρωμα δεσμεύει τα δύο ιόντα Cu(II) στις δύο φωσφονικές του άκρες, εκατέρωθεν, και δύο ιόντα νατρίου τα οποία ανήκουν στο κρυσταλλικό πλέγμα. Το φωσφονικό υπόστρωμα αλληλεπιδρά με τα μεταλλικά κέντρα μέσω των φωσφονικών ομάδων και των ατόμων αζώτου που περιέχει. Η συναρμογή όλων των παραπάνω παραγόντων προωθεί το σχηματισμό δύο πανομοιότυπων πενταμελών δακτυλίων γύρω από κάθε ιόν χαλκού. Οι συγκεκριμένοι δακτύλιοι προσδίδουν υψηλή σταθερότητα στην ένωση. 183

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού Σχήμα 7.6. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης Na 6 [Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ][Cu 2 (BDTMP)(H 2 O) 4 ] 0.5. 26H 2 O (1) Οι δύο ενωμένοι πενταμελείς δακτύλιοι N(1),C(1),P(1),O(1) και N(1),C(2),P(2),O(4) (για τον Cu(1)) και N(2),C(7),P(3),O(9) και N(2),C(8),P(4),O(10) (για τον Cu(2)), σχηματίζουν δύο ενωμένα επίπεδα με γωνίες 4.6 o (για τον Cu(1)) και 4.1 o για τον Cu(2), με διαμόρφωση φακέλου. Επιπλέον, παρατηρείται ότι κάθε ιόν Cu(II) έχει πέντε θέσεις συναρμογής και η γεωμετρία κάθε ιόντος είναι τετραγωνική πυραμιδική. Οι τέσσερις θέσεις συναρμογής του Cu(1) της βάσης της πυραμίδας καταλαμβάνονται από τα οξυγόνα O(1), O(4) και το άζωτο N(1) του BDTMP, καθώς και από το οξυγόνο ενός μορίου νερού W(14). Η πέμπτη θέση συναρμογής καταλαμβάνεται από οξυγόνο ενός ακόμα μορίου νερού (W(18)). Η πλήρωση των θέσεων συναρμογής του Cu(2) ακολουθεί ακριβώς το ίδιο μοτίβο με τον Cu(1). Ουσιαστικά, το BDTMP λειτουργεί ως «συνδετικός κρίκος» των δύο μεταλλικών κέντρων, τα οποία τα διατηρεί σε απόσταση σύμφωνα με τη διάταξη της αλυσίδας του, που αποτελείται από τέσσερα άτομα άνθρακα και δύο άτομα αζώτου Κάθε BDTMP ligand είναι πλήρως αποπρωτονιωμένο και δεσμεύει τα ιόντα Cu(II) με μονοδοντικό τρόπο. Το αρνητικό φορτίο που εμφανίζεται στην ασύμμετρη μονάδα της 1 είναι 6-και ισοσταθμίζεται με τα έξι κατιόντα νατρίου, τα οποία χωρίζονται σε δύο ομάδες (Na(1)- Na(3) και Na(4)-Na(6)) εμφανίζοντας διαφορετικές δομές (Σχήμα 7.7.Α.). Το καθένα από τα τρία πρώτα (Na1, Na2 and Na3) συναρμόζονται με έξι άτομα που ανήκουν στο BDTMP υπόστρωμα και σε μόρια νερού με οκταεδρική γεωμετρία, σχηματίζοντας το τριμερές [Na 3 (O) 3 (H 2 O) 9 ] 3+. Το κεντρικό ιόν (Na(2)) συνδέεται με τα άλλα δύο ιόντα (Na(1) and Na(3)) 184

μέσω δύο ζευγών μ-h 2 O μορίων (O(11w)/O(13w) και O(7w)/O(8w)), αντίστοιχα. Με αυτό τον τρόπο σχηματίζονται ρομβικοί Na 2 O 2 πυρήνες. Οι αποστάσεις Na-O στο τριμερές κυμαίνονται από 2.301(4) έως 2.483(3) Å, ενώ οι αποστάσεις Na Na παίρνουν τις εξής τιμές: Na(1) Na(2) = 3.645(1) Å και Na(2) Na(3) = 3.599(1) Å. Τα υπόλοιπα τρία κατιόντα νατρίου Na(4), Na(5) and Na(6), συναρμόζονται μόνο με μόρια νερού, σχηματίζοντας κεντροσυμμετρικές απομονωμένες ομάδες [Na 6 (H 2 O) 24 ] 6+. Το κατιόν Na(4) παρουσιάζει επτά θέσεις συναρμογής με ελαφρώς παραμορφωμένη γεωμετρία τριγωνικού πρίσματος, ενώ τα Na(5) και Na(6) πληρούν τις έξι θέσεις συναρμογής τους με παραμορφωμένη οκταεδρική γεωμετρία. Οι αποστάσεις των δεσμών κυμαίνονται στο εύρος 2.335(2) 2.803(2) Å. Το Na(4) ενώνεται με το Na(5) μέσω τριών μορίων μ-h 2 O και με τέσσερα μ-h 2 O μόρια με το κεντροσυμμετρικό ισοδύναμο Na(4) (Na(4) Na(4) = 3.019(2) Å). Τα Na(5) και Na(6) γεφυρώνονται με δύο μόρια μ-h 2 O και βρίσκονται σε απόσταση 3.607(1) Å). Η παρουσία των κατιόντων νατρίου είναι πολύ σημαντική, καθώς συνδέουν τις διπυρηνικές μονάδες [Cu 2 (BDTP)(H 2 O) 4 ] 4- (Σχήμα 7.7.Β.) και προωθούν το σχηματισμό του τρισδιάστατου πλέγματος. Τέλος, τα μόρια νερού του διαλύτη συνεισφέρουν στην επιπλέον σταθερότητα του πλέγματος της μέσω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου. Η κρυσταλλική δομή της ένωσης 2 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα P2 1 /n και αποκαλύπτει την παρουσία διακριτών ειδών που απαρτίζουν το μοριακό πλέγμα. Συγκεκριμένα, αποτελείται από διμεταλλικές μονάδες [Cu 2 (BDTMP)(py) 4 ], οι οποίες σχηματίζονται από τη συναρμογή του Cu(II) με το BDTMP μέσω των ατόμων αζώτου και των μονοαποπρωτονιωμένων φωσφονικών ομάδων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 7.8). Τα δύο μεταλλικά κέντρα αποκτούν τετραγωνική πυραμιδική γεωμετρία, καθώς καταλαμβάνονται οι πέντε θέσεις συναρμογής του με ένα μόριο BDTMP και με τέσσερα μόρια πυριδίνης (pyridine: py). Δύο άτομα οξυγόνου [O(3), O(7)], και ένα άτομο αζώτου [N(1)] από τον οργανοφωσφονικό υποκαταστάτη καθώς και δύο άτομα αζώτου [N(11), N(21)] από δύο μόρια πυριδίνης πληρούν τη σφαίρα συναρμογής του χαλκού. Το άτομο αζώτου Ν(11) βρίσκεται στην κορυφή της πυραμίδας. Επίσης, παρατηρείται ο σχηματισμός δύο πενταμελών μεταλλοκυκλικών δακτυλίων, οι οποίοι απαρτίζονται από το μεταλλικό κέντρο, το άζωτο του BDMP και τις δύο φωσφονικές ομάδες. Οι δύο δακτύλιοι είναι πανομοιότυποι και ενωμένοι αλλά δε βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και σχηματίζεται γωνία 167.21 o μεταξύ των δύο επιπέδων. Η παρουσία των συνολικά τεσσάρων πενταμελών μεταλλοκυκλικών δακτυλίων προσδίδει 185

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού αυξημένη σταθερότητα στην ένωση. Τέλος, ένα σύνολο δεσμών υδρογόνου αναπτύσσονται μεταξύ των διμεταλλικών μονάδων και των πλεγματικών μορίων νερού, συγκροτώντας το κρυσταλλικό πλέγμα καθορίζοντας τον προσανατολισμό και τη σταθερότητά του (Σχήμα 7.9). Α Β Σχήμα 7.7. Διάγραμμα DIAMOND: Α. της διάταξης των ιόντων νατρίου της ένωσης 1 και Β. του σχηματισμού πλέγματος μέσω των κατιόντων νατρίου. 186

Σχήμα 7.8. Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Cu 2 (C 5 H 5 N) 4 (BDTMP)]. 2H 2 O (2) Σχήμα 7.9. Απεικόνιση δεσμών-η του κρυσταλλικού πλέγματος της ένωσης 2 Η ένωση 3 κρυσταλλώνει στο μονοκλινές σύστημα I2/a. Η κρυσταλλογραφία φανερώνει την ύπαρξη της επαναλαμβανόμενης μονάδας [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)], όπως φαίνεται στο Σχήμα 187

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού 7.10. Επίσης, αποκαλύπτεται η πολυμερική φύση της ένωσης 3 μέσα από τη διαδοχική αλλά και παράλληλη σύνδεση των μονάδων. Η διμεταλλική μονάδα αποτελείται από το οργανοφωσφονικό ligand BDTMP, δύο μεταλλικά κέντρα χαλκού [Cu(1) and Cu(2)], που είναι προσδεμένα σε αυτό μέσω των δύο φωσφονικών ομάδων, και δύο μόρια 1,10-φαινανθρολίνης που αλληλεπιδρούν με τα δύο ιόντα Cu(III), αντίστοιχα. Το ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της ένωσης 3 είναι ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις για τη συγκρότηση της διμεταλλικής μονάδας, λαμβάνουν χώρα μόνο από την μία πλευρά του υποκαταστάτη και όχι εκατέρωθεν αυτού, όπως στις 1 και 2. Κάθε ιόν Cu(II) (π.χ. Cu(1)) αλληλεπιδρά με τα οξυγόνα [O(1), O(11)] των φωσφονικών ομάδων [P(1) και P(2), αντίστοιχα], από δύο άτομα αζώτου [N(21), N(22)] από μία 1,10-φαινανθρολίνη και ένα άτομο οξυγόνου [O (1)], το οποίο ανήκει σε διαφορετικό μόριο BDTMP. Οι πέντε θέσεις συναρμογής διατάσσονται με γεωμετρία τετραγωνικής πυραμίδας με το [O (1)] να βρίσκεται στην κορυφή της πυραμίδας και τα [O(1), O(11), N(21), N(22)] να καθορίζουν τη βάση της. Η πλήρωση των θέσεων συναρμογής του Cu(2) λαμβάνει χώρα με πανομοιότυπο τρόπο με τον Cu(1), δηλαδή εμφανίζει τετραγωνική πυραμιδική γεωμετρία, όπου η βάση περιέχει δύο άτομα αζώτου [N(1), N(2)] 1,10-φαινανθρολίνης και δύο άτομα οξυγόνου [O(3), O(12)] από τις δύο φωσφονικές ομάδες [P(1) και P(2), αντίστοιχα]. Η κορυφή της πυραμίδας καταλαμβάνεται από άτομο οξυγόνου [O(21)] που ανήκει σε ένα διαφορετικό μόριο υποκαταστάτη. Η πολυμερική φύση της ένωσης 3 οφείλεται τόσο στο σχηματισμό πολυμερικών αλυσίδων όσο και στην ένωση αυτών. Ο σχηματισμός κάθε πολυμερικής αλυσίδας προωθείται από το οξυγόνο [O(21)], το οποίο ανήκει στην τρίτη φωσφονική ομάδα [Ρ(3)] και βρίσκεται στη διαμετρικά αντίθετη πλευρά του BDTMP συγκριτικά με τις φωσφονικές ομάδες [P(1) και P(2)]. Το [O(21)] έχει την ικανότητα να αλληλεπιδρά με το Cu(2) ενός διαφορετικού μορίου υποκαταστάτη. Ταυτόχρονα, προωθείται και η αντιπαράλληλη σύνδεση των πολυμερικών αλυσίδων. Το άτομο οξυγόνου [O(1)] που ανήκει στην πρώτη φωσφονική ομάδα [P(1)] έχει τη δυνατότητα να προσδένεται στον Cu(1) ενός διαφορετικού μορίου BDTMP, το οποίο βρίσκεται σε αντιπαράλληλη διάταξη. Τα άτομα οξυγόνου της τέταρτης φωσφονικής ομάδας [P(4)] είναι απεντοπισμένα και μη αποπρωτονιωμένα. 188

. Σχήμα 7.10 Διάγραμμα DIAMOND της ένωσης [Cu 2 (phen) 2 (BDTMP)] n 6.6nH 2 O. 1.5nMeOH (3). Οι φωσφονικές ομάδες κατέχουν σημαντικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται στο συγκεκριμένο τριαδικό σύστημα, καθώς: γεφυρώνουν τα δύο μεταλλικά κέντρα συνεισφέρουν στο σχηματισμό και τον προσανατολισμό των πολυμερικών αλυσίδων, μέσω της διάταξης και του προσανατολισμού των φωσφονικών ομάδων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.11. Σχήμα 7.11. Διάγραμμα DIAMOND για τον προσανατολισμό των φωσφονικών ομάδων 189

Πειραματικά Αποτελέσματα του Χαλκού Η κεντρική αλυσίδα του BDTMP εκτείνεται κατά μήκος του επιπέδου ac. Τα δύο ιόντα Cu(II) βρίσκονται πάνω από το επίπεδο ac, καθόσον οι φωσφονικές ομάδες τοποθετούνται «κάθετα» σε αυτό το επίπεδο, κατά μήκος του b άξονα προς τα πάνω. Η φωσφονική ομάδα Ρ(3) εκτείνεται και αυτή κατά μήκος του b άξονα, αλλά ο προσανατολισμός της είναι κάτω από το ac επίπεδο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάστροφη δέσμευση της επόμενης διμεταλλικής μονάδας συγκριτικά με το πρώτο. Παρόλα αυτά, ο βασικός κορμός όλων των μορίων BDTMP εκτείνεται πάνω στο ac επίπεδο. προωθούν τη διαμόρφωση ενός τρισδιάστατου πολυμερικού πλέγματος. Κάθε αλυσίδα συνδέεται με δύο αντιπαράλληλες πολυμερικές αλυσίδες, εκατέρωθεν, μέσω των οξυγόνων των φωσφονικών ομάδων. Συνεπακόλουθα, η σύνδεση των αντιπαράλληλων αλυσίδων δημιουργούν ένα συνεχόμενο στρώμα. Κάθε ιόν Cu(II) φέρει δύο μόρια 1,10-φαινανθρολίνης, τα οποία διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ανάμεσα στα οριζόντια επίπεδα έτσι ώστε να έχουμε δακτυλίους μορίων φαινανθρολίνης που είναι σχεδόν παράλληλοι μεταξύ τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αναπτύσσονται π-π stacking αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παράλληλων δακτυλίων (Σχήμα 7.12), οι οποίοι βρίσκονται συνδεδεμένοι με ιόντα Cu(II) του ίδιου αλλά και διαφορετικού επιπέδου. Αναλυτικά, τα επίπεδα των μορίων φαινανθρολίνης που είναι παράλληλα (ορίζονται από τα N1,N2/N21,N22) και ανήκουν σε ιόντα Cu(II) του ίδιου επιπέδου εμφανίζουν π-π stacking αλληλεπιδράσεις, καθόσον η απόσταση μεταξύ τους είναι 3.854 Å και η γωνία που σχηματίζουν είναι 3.7. Ενώ, τα επίπεδα των μορίων φαινανθρολίνης που είναι παράλληλα (ορίζονται από τα N1,N2/N21,N22), αλλά ανήκουν σε ιόντα Cu(II) διαφορετικού επιπέδου έχουν απόσταση 3.806 Å και η μεταξύ τους γωνία είναι 15.60 o. 15,16,17 Σχήμα 7.12. Απεικόνιση π-π stacking αλληλεπιδράσεων στην ένωση 3. 190

Καθώς τα επίπεδα πακετάρονται το ένα πάνω το άλλο δημιουργείται ένα κρυσταλλικό πλέγμα το οποίο σταθεροποιείται με τη βοήθεια των π-π stacking αλληλεπιδράσεων και ενός δικτύου δεσμών-η που αναπτύσσονται μεταξύ μορίων νερού, μεθανόλης και των οργανοφωσφονικών υποστρωμάτων. Η αρχιτεκτονική του κρυσταλλικού πλέγματος εμφανίζει δύο ειδών οπών: i) τις υδροφιλικές οπές (κίτρινη επισήμανση), και ii ) τις υδροφοβικές οπές (πράσινη επισήμανση), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 7.13). Η περιοχή της υδροφιλικής οπής υπολογίζεται στα 111.7 Ǻ 2 και είναι ικανή να συμπεριλάβει έως και μόρια νερού. Από την άλλη πλευρά, η υδροφοβική οπή είναι λίγο μικρότερη από 26.8 Ǻ 2 και είναι άδεια. Σχήμα 7.13. Απεικόνιση τριδιάστατου πλέγματος της ένωσης 3. Οι αποστάσεις των δεσμών Cu-O κυμαίνονται από 1.9540(15) έως 1.9756(15) Ǻ για τους δεσμούς [Cu(1)-O], 1.9674(15) έως 1.9696(14) Ǻ για τους δεσμούς [Cu(2)-O], και 1.9626(17) έως 1.9761(14) Ǻ για τους δεσμούς [Cu(3)-O] της ένωσης 1. Επιπλέον, οι αποστάσεις δεσμών μεταξύ του Cu(ΙΙ) και των μορίων νερού κυμαίνονται από 1.9745(17) έως 2.2954(17) Ǻ για τους δεσμούς [Cu(1)-OW], από 1.9705(16) έως 2.3127(17) Ǻ για τους δεσμούς [Cu(2)-OW], και 1.9626(17) έως 2.2734 Ǻ για τους δεσμούς [Cu(3)-OW]. 191