Звукохимические превращения хелатных и клатратных структур в поле низкочастотных акустических воздействий

© 2015 г. Г. Н. Фадеев, В. С. Болдырев, В. В. Синкевич
Представлено академиком РАН В.В. Луниным 09.10.2014 г.
Поступило 04.12.2014 г.

DOI: 10.7868/S0869565215160161

Известно [1–4], что низкочастотные колебания оказывают отрицательное воздействие на организм человека. Интервал частот, отрицательно влияющих на различные системы организма, лежит в инфразвуковом диапазоне и начале звукового: от 2 до 35 Гц [2]. Механизм действия таких низкочастотных акустических колебаний на биохимически активные структуры в настоящее время мало изучен. В представленной работе впервые обнаружено изменение состояния хелатных структур в поле действия низкочастотных колебаний на примере комплекса иода с поливинилпирролидоном.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

При проведении экспериментов использовали метод абсорбционной спектроскопии. Проводили анализ изменений оптической плотности водных растворов иокса – хелатного комплекса йода с поливинилпирролидоном, вызванных действием низкочастотных акустических колебаний. Интервал воздействующих частот включал инфразвуковой диапазон от 2 до 20 Гц и начало звукового до 50 Гц. Оптическую плотность растворов определяли как до, так и после действия низкочастотных колебаний. Использовали спектрофотометр ПЭ 5400В (Санкт Петербург). Диапазон измерений – от 335 до 1100 нм. Точность длины волны была равна ±0.5 нм, а оптической плотности ±0.02.

Под действием низкочастотных колебаний хе латный комплекс необратимо обесцвечивается. Определены оптимальные частоты, при которых эффект воздействия низкочастотных акустических колебаний на иокс максимален. Оптимальные частоты находятся в инфразвуковом диапазоне и равны 10–12 Гц. В экспериментах изучали действие следующих частот: инфразвукового диапазона 10 Гц, частоты на границе между инфразвуковым и звуковым диапазонами 20 Гц и часто ты начала звукового диапазона 25 Гц.

Экспериментально определенный кинетический порядок звукохимических превращений хе латного комплекса иокс близок к первому. Константы скоростей звукохимических реакций при ведены в табл. 1 для трех указанных выше частот при двух уровнях интенсивности воздействия. В табл. 2 сопоставлены экспериментально определенное значение энергии активации звукохимического процесса превращения структуры иокса с энергиями активации звукохимических превращений клатратных комплексов из работы [5–7].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

После исследований [5–8] механизма поглощения энергии низкочастотных колебаний клатратными соединениями появилась необходимость выяснить: являются ли клатраты уникальными образованиями или существуют еще структуры, чувствительные к колебаниям низкой частоты при относительно небольшой интенсивности воздействия. Важно выяснить, как распределяется энергия подаваемых извне колебаний. Усвоение энергии биохимически активными структурами может осуществляться несколькими способами:

– поглощаться высокомолекулярным компонентом комплекса, составляющим значительную часть массы соединения;
– распределяться в какой то пропорции между компонентами, входящими в состав структур;
– тратить в основном на изменение состояния низкомолекулярной составляющей биохимически активной структуры.

С целью изучения деталей звукохимических процессов и раскрытия механизмов переноса энергии при звукохимических превращениях, были сняты спектры комбинационного рассеяния света (КР) хелатных и клатратных структур.

Использовали зондовый атомно-силовой микроскоп Ntegra Spectra (Россия) с конфокальной микроскопией и спектроскопией КР (разрешение 0.4 мкм). Для клатратного комплекса – иодинола полученные результаты представлены на рис. 1, а спектр КР хелатной структуры иод–поливинилпирралидон – на рис. 2. Из сравнения спектров до и после низкочастотного воздействия низкочастотных колебаний с оптимальной частотой 10 Гц и интенсивностью звукового давления 55 дБ видны заметные различия, связанные в основном с изменением состояния иода, находящегося в структуре этих соединений. В иодиноле межмолекулярные водородные связи построены по типу связей комплексов “гость–хозяин”. В комплексе иод–поливинил пирролидон основой межмолекулярного взаимодействия является донорно акцепторный механизм. Связи обоих указанных типов позволяют иоду, по предположению авторов работы [9], образовывать цепочки типа
–I–I–I–I– [10], –I–I––I–I–I––I– [11],
и даже более длинные вплоть до (I24)2– [12]. При исследовании поликристаллической структуры комплексов тримезиновой (1,3,5 бензолтрикар боновой) кислоты с иодом методами КР и мёсс бауэровской спектроскопий были обнаружены [13] кристаллогидраты следующего состава (tri mesic acid · H₂O)₁₀H⁺ ⋅ I^–₅

Все указанные выше соединения имеют спиралевидные и частично сшитые структуры, внутри которых расположены организованные в цепочки молекулы иода, меняющие свою конфигурацию или, возможно, разрывающиеся в результате внешнего энергетического воздействия. Главной особенностью изучаемых структур, обусловливающих их чувствительность к низкочастотному воздействию, является отсутствие прочных ковалентных связей между иодом и полимерной частью комплексов.

Спектры КР подтверждают сделанные ранее предположения. Звукохимическая активность исследуемых структур определяется главным об разом изменением состояния низкомолекулярной составляющей в структурах как клатратного, так и хелатного типа. Это заключение подтверждают и изменения в спектре КР комплекса иод крахмал (рис. 3).

В соединениях обоих типов – и хелатного, и клатратного – при действии низкочастотных колебаний основную роль играют изменения меж молекулярных связей между низкомолекулярной составляющей (иод) и полимерной частью структур комплексов. Руководствуясь представления ми об “эффекте клетки” Франка–Рабиновича [14, 15], мы считаем, что звукохимическая активность исследуемых структур определяется, главным образом, изменением состоянием иода в структурах как клатратного, так и хелатного типа.

Результаты представленной работы дают принципиальный ответ на сформулированную выше проблему.

Во первых, клатратные структуры – не исключения и найдены соединения, по крайней мере, еще одного типа – хелатные, способные воспринимать энергию низкочастотных колебаний и менять свое состояние под их воздействием.

Во вторых, полученные результаты подтверждают предположение, высказанное нами в [3, 7, 8], о том, что в звукохимических превращениях исследованных соединений основную роль играют изменения межмолекулярных взаимодействий между низкомолекулярной составляющей (иод) и полимерной частью структур биохимически активных комплексов.

На основании представленных результатов может быть сделан следующий главный вывод. Восприятие энергии низкочастотных воздействий воз можно при наличии в биохимически активных соединениях структур, склонных к мобильным межмолекулярным изменениям. Именно такая особенность исследованных иодсодержащих комплексов определяет их способность к поглощению энергии налагаемых извне низкочастотных колебаний. Этот вывод открывает принципиальные возможности для создания антидотов [4] против низкочастотного воздействия.

Авторы благодарят В.С. Горелика (ФИАН РАН) за интерес к работе и плодотворное обсуждение результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маргулис М.А. Основы звукохимии. М.: Высшая школа, 1984. 272 с.
2. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек. М.: Знание, 1987. 66 с.
3. Fadeev G.N., Kuznetsov N.N., Beloborodova E.F., Matakova S.A. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. № 13. P. 2254–2258.
4. Fadeev G.N., Boldyrev V.S., Ermolayeva V.I. Biologi cally active clathrates amiloiodin and amilopektiodine – acoustic non lethal weapon antidote prototypes // 7 th European Symposium on Non lethal Weapons. Germany. Ettlingen. 2013. P. 50 1 – 50 8.
5. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Ермолаева В.И. // ДАН. 2012. Т. 446. № 4. С. 466–470.
6. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Ермолаева В.И., Елисеева Н.М. // ЖФХ. 2013. Т. 87. № 1. С. 40–46.
7. Болдырев В.С., Фадеев Г.Н., Маргулис М.А., Назаренко Б.П. // ЖФХ. 2013. Т. 87. № 9. С. 1608– 1611.
8. Болдырев В.С. Действие низкочастотных колеба ний на биохимически активные структуры. Дис. … канд. техн. наук. М., 2013. 118 с.
9. Franck J., Rabinowisch E. // Trans. Faraday Soc. 1934. V. 30. № 152. Pt 2. P. 120.
10. Noyes R.M. // J. Amer. Chem. Soc. 1955. V. 77. № 8. P. 2042.
11. Yu X., Houtman C., Atalla R.H. // Carbohydrate. 1996. V. 292. P. 129–141.
12. Liang J.N., Knaus C.J., Meyers R.R. // Reol. acta. 1974. V. 13. P. 740–744.
13. Handa T., Yajima H. // Biopolimers. 1979. V. 18. P. 873–886.
14. Vatanabe T., Ogawa K., Ono S. // Bull. Chem. Soc. Jap. 1970. V. 43. P. 950.
15. Teitelbaum R.C., Ruby S.L., Marks T.J. // J. Amer. Soc. 1980. V. 102. P. 3322–3328.