CC BY
86
УДК 546.719 + 541.10
П. А. Гуревич, Г. А. Билялова, М. А. Богородская
О ВЛИЯНИИ КАТАЛИЗАТОРА НА ВЫХОД НАНОЧАСТИЦ ГЕПТАСУЛЬФИДА РЕНИЯ
В ОБМЕННОЙ РЕАКЦИИ ТИОСУЛЬФАТА С ПЕРРЕНАТОМ
Ключевые слова: наночастицы гептасульфида рения, гидрозоль гептасульфида рения, агрегативная устойчивость гидрозоля
гептасульфида рения.
По обменной реакции перрената с тиосульфатом синтезированы наночастицы Re2S7. Исследовано влияние кислотности на выход дисперсной фазы. Получен визуально прозрачный гидрозоль с гидродинамическим диаметром частиц 55±15 нм, устойчивый в диапазоне рН 1-9, не коагулирующий в насыщенных растворах солей (в том числе с многозарядными катионами) при длительном нагревании.
Key words: nanoparticles of rhenium heptasulfide, rhenium heptasulfide hydrosol, colloidal stability of rhenium heptasulfide.
The Re2S7 nanoparticles were synthesized in the exchange reaction of perrhenate and hyposulfite. The influences of acidity io on the disperse phase yield were investigated. As a result of the work, visually transparent deionized product, stable within a wide range ofрН (1-9), not coagulating in saturated solutions of salts (including polyvalent cations) even at long heating up to 100 оС has been synthesized. Effective hydrodynamic diameter of the nanoparticles is 55 ±15 nm.
Обозначения и аббревиатуры
РФП - радиофармпрепарат с - концентрация (моль/л) d - диаметр частиц (нм)
I - скорость счёта (с-1)
РТСХ - радиотонкослойная хроматография Я/ - отношение пути, пройденного веществом с растворителем, к пути, пройденному фронтом растворителя (в РТСХ)
Б - оптическая плотность
ДФ - дисперсная фаза (наночастицы Яе2В7)
ПО - первичный осадок Яе2В7
ДС - дисперсионная среда (содержание рения)
V - скорость химической реакции (што1-Ь"1-ш1п"1, ц тто1-Ь"1-ш1п"1)
У - доля рения в конкретной фазе (в частности в диспесной фазе, т.е. выход)
Т - температура (К) t - температура (оС)
X - длина волны (пт)
8 - коэффициент экстникции (л-моль-1-см-1)
ДРС - метод динамического рассеяния света СЭМ - сканирующая электронная микроскопия ТЭМ - трансмиссионная электронная микроскопия
Введение
Наночастицы гептасульфида рения Яе287 (в сочетании с размерными эффектами) обладают ценными физико-химическими свойствами. Гептасульфид рения эффективный и слелективный катализатор гидрирования и восстановления. Его устойчивость по отношению к каталитическим ядам (нпаример, соединениям серы, мышьяка и др.) уникальна, а каталитическая активность выше, чем у палладия и сульфидов вольфрама и позволяет получать количественный выход в оптимальных условиях. Гептасульфид рения - единственный катализатор, на котором можно получать меркаптаны в реакциях жирных кислот с водородом и серой (или сероводородом) [1-4]. Одной из основных характеристик в гетерогенном катализе является удельная поверхность катализатора. Следовательно, синтез каталитических наночастиц интересен с практической точки зрения.
Наночастицы, меченные радионуклидами, нашли применение в ядерной медицине для
диагностики и терапии. Известно, что наночастицы, особенно отрицательно заряженные, эффективно удерживаются системой мононуклеарных
фагоцитов, которая обширно представлена в лимфоузлах, печени, селезенке, красном костном мозге [5-8]. Поглощение наночастиц системой мононуклеарных фагоцитов называется
ультрафагоцитозом или коллоидопексией и может быть использовано для визуализации, например, сторожевых лимфоузлов с помощью наружного детектора гамма-излучения. наночастицы, меченные технецием-99ш, используются в технике
интраоперационной визуализации, которая позволяет сократить объём диссекции при удалении первичной опухоли и выполнять менее травматичные операции при лечении
онкологических заболеваний [9-11]. Однако
индикаторные количества радионуклидов,
применяемые в ядерной медицине, недостаточны для образования собственной фазы, поэтому при синтезе коллоидных РФП предпочтительно гетерофазное зародышеобразова-ние (осаждение нерастворимого соединения радионуклида на поверхности наночастиц другого вещества), причём химический состав наночастиц не имеет большого значения. Оптимальными для лимфосцинтиграфии являются частицы с диаметром 20-100 нм [12]. Такие частицы выводятся из тканей с приемлемой скоростью и не проникают в кровяное русло. В качестве нерадиоктивного биологически инертного носителя радионуклида можно использовать наночастицы серы, сульфидов металлов, фитата, агрегатов альбумина [13].
Рентгеноаморфные, неправильной формы наночастицы гептасульфида рения также являются удобной "посадочной площадкой" для 99шТс в форме ТсО2. Однако, упорное желание радиофармацевтов проводить синтез наночастиц Яе287 в удобных для них (радиофармацевтов) условиях (в растворах с изотонической концентрацией и при низкой кислотности), но не оптимальных для синтеза, приводит к низкому выходу реакции и большому
количеству химических и механических примесей [14-16].
С учетом сказанного, исследование реакции образования гептасульфида рения вообще и его наночастиц в частности представляет практический интерес. Цель настоящей работы - определение оптимальной концентрации соляной кислоты в качестве катализатора в обменной реакции тиосульфата с перренатом.
Гептасульфид рения - рентгеноаморфное черное вещество с межатомными расстояниями Re-S 0,232 нм и \S-S - 0,205 нм [17]. Это эндотермическое вещество и в большинстве случаев содержит некоторое количество воды и серы [18].
Гептасульфид рения образуется в результате обменных реакций перрената с тиосульфатом:
2NaReO4+7Na2S+16HCl ^ Re2Svj+16NaCl+8H2O (1)
или сульфидами в кислой среде:
2NaReO4+7Na2S2O3+2HCl ^
^ Re2Sv|+7Na2SO4+2NaCl+H2O (2)
При слишком большом или недостаточном содержании кислоты, гептасульфид остается в растворе в коллоидном состоянии [19]. При стабилизации амфифильными полиэлектролитами (например, желатином) такие гидрозоли могут храниться длительное время. Реакции (1) и (2) сопровождаются конкурирующими процессами соответственно (3,4):
2Na2S + O2 + 4HCl ^ 2S| + 4NaCl + 2H2O (3)
Na2S2Os+2HCl ^ 2NaCl+SO2+S j + H2O (4)
Причем реакция (3) может быть подавлена в инертной атмосфере, в отсутствие атмосферного кислорода. Обе реакции получения гептасульфида рения (1) и (2) имеют преимущества и недостатки. Реакция (1) происходит при комнатной температуре без образования побочных продуктов (в
зависимости от условий), но в сильнокислой среде (4-5 моль/л HCl) и с токсичным сероводородом. Недостатками реакции (2) являются необходимость нагревания и образование побочного продукта -коллоидной серы. Но тиосульфат натрия -относительно безопасный реагент (при некоторых опасных отравлениях тяжелыми металлами его даже можно вводить в кровь пострадавшим). Поэтому объектом исследования была выбрана обменная реакция тиосульфата с перренатом.
1. Экспериментальная часть
1.1. Приборы
1. Spectrograph Specord UV VIS (Carl Zeiss )
2. Radiometer Robotron 20046 (Robotron)
3. Mini-Scan radio-TLC Strip Scanner (Bioscan)
4. Zeta Potential/Particle Sizer NicompTM 380 ZLS (Particle Sizing Systems USA)
5. Centrifuge 5415C (Eppendorf)
6. Transmission electron microscope TECNAI-12-3R (FEI Company)
7. Генератор рения-188 (Россия)
8. Генератор технеция-99m (Россия)
9. Ячейка для ультрафильтрации (РХТУ)
1.2. Основные реактивы
1. Перренат натрия NaReO4
2. Тиосульфат натрия Na2S2O3-5H2O
3. Желатин Gelita фармацевтического качества
1.3. Материалы
1. Ионообменные смолы "ядерный класс" NRW-600 и NRW-100 “Purolite”
2. Ядерные фильтры (ОИЯИДубна)
3. Хроматографические пластины, Art 5553
(MERCK)
В процессе синтеза рений распределяется по фазам: дисперсная фаза (наночастицы Re2S7),
первичный осадок - микрочастицые частицы Re2S7 и дисперсионная среда - остаточный перренат и промежуточные водорастворимые химические формы рения. Распределение рения по фазам в процессе синтеза определяли альтернативными методами: a) с помощью метода радиоактивных индикаторов (188Re и 99mTc), b) ультрафильтрации и c) разделением фаз центрифугированием и коагуляцией.
Для определения рения использовали спектрофотометрический метод. Так как химические формы рения в указанных фазах не определены, пробы для анализа подвергали жесткому окислению аммиачным раствором пероксида водорода.
Re2S7+NH4OH+H2O2 ^ NH4ReO4 + (NH4)2SO4 + H2O Поэтому исходной химической формой для анализа являлся Re(VII) в виде перрената аммония. Упаривание раствора перрената аммония до сухого остатка позволяет выполнять обычные методики спектрофотометрического определения рения.
1.4. Методика синтеза гидрозоля Re2S7
Сосуд для синтеза помещают на водно-ледяную баню. При непрерывном перемешивании добавляют необходимые количества растворов: перрената натрия, тиосульфата натрия, желатина. Последним в охлажденную смесь добавляют раствор соляной кислоты и быстро переносят в разогретый на кипящей водяной бане реакционный сосуд. Синтез продолжают необходимое время. Для остановки реакции в реакционную смесь добавляют водный раствор аммиака для нейтрализации кислоты, затем реакционную смесь охлаждают на водно-ледяной бане.
1.5. Методика разделения фаз
Отделение первичного осадка (рис. 1).
Первичный осадок отделяют на центрифуге трёхкратным центрифугированием и промыванием после каждого цикла дистиллированной водой.
Отделение дисперсной фазы. К аликвоте фугата добавляют ацетон для коагуляции дисперсной фазы (в соотношении 2:1 по объёму). Коагулят отделяют на центрифуге трёхкратным центрифугированием и промыванием после каждого цикла ацетоном.
Смешивание реагентов на ледяной бане
Перенос смеси в разогретый реактор
Конец синтеза и охлаждение
Перенос смеси в пробирки центрифуги
Оценка потерь рения
Отделение аликвоты надосадочного раствора для коагуляции ДФ
Добавление ацетона и 3-х кратное центрифугирование с промыванием ацетоном
J
Растворение
(НО,-
ІУ
Приготовление образцов для спектроскопии
Отделение ПО 3-х кратным центрифугированием
Растворение ПО (Н2О2 + NH3)
Приготовление образцов для спектроскопии
Схема 1 - Синтез
1.6. Методика определения выхода Re2S7 с изотопной меткой 188Re
Элюируют 188Re из генератора и готовят меченый раствор перрената натрия таким образом, чтобы скорость счёта импульсов пробы объемом 0,02 мл составляла около 5000-7000 с-1. Готовят золь гептасульфида рения по методике, приведённой в пункте 1.4. Выход дисперсной фазы совместно с первичным осадком Re2S7 определяют методом восходящей РТСХ на алюминиевой пластине, покрытой силикагелем, с подвижной фазой -ацетон. В этих условиях коллоидные формы рения и осадок остаются на старте хроматограммы, а примеси растворимых соединений рения (преимущественно перренаты и тиоперренаты) продвигаются с фронтом растворителя. Измеряют счёт активности каждого участка хроматограммы (табл. 1), вычитают счёт фона, и определяют долю активности первых двух участков (Rf 0,1-0,2), что соответствует доле рения в форме Re^.^ra. 2).
1.7. Методика определения содержания
Re2S7
К необходимому количеству золя (или известному количеству перрената натрия для приготовления контрольных проб), содержащему не более 0,1 мг рения, добавляют 0,2 мл 30%-го
раствора пероксида водорода и 0,1 мл 30%-го
водного раствора аммиака. Выдерживают в течение 1 ч. Затем раствор упаривают досуха на кипящей водяной бане до полного удаления следов
пероксида. К сухому остатку добавляют 2,8 мл дистиллированной воды, 6,0 мл соляной кислоты (1:1), 0,8 мл 2%-го раствора тиосульфата натрия и 0,4 мл 35%-го раствора хлорида олова (II). Все реагенты следует добавлять быстро. После
добавления каждого реагента, раствор тщательно перемешивают. Общий объем раствора 10 мл. Через 30 мин измеряют оптическую плотность при
Xmax = 420 нм.
2. Результаты и обсуждение
Исследование свойств синтезируемых золей проводилось с помощью радиоактивной метки
и разделение фаз
99ш’т< ^
пертехнетата Тс, который, соосаждаясь в виде гептасульфидов с рением, являлся свидетелем дисперсной фазы, Однако технеций оказался более реакционноспособным в реакции с тиосульфатом и количественно превратился в гептасульфид Тс287 (рис. 2). Поэтому с помощью метки 99шТс можно только иллюстрировать поведение наночастиц в процессе очистки продукта, что не являлось целью настоящей работы.
t после а А днтеза-j 1 \ j
—о - ЭЛЮ 31
1 1 1
1 1 1
J 0 2 0 4 0 6 0 1 Р . / Л 8 Rf
Рис. 1 - Хроматограмма элюата генератора 99Мо/99тТс и реакционной смеси после синтеза
При использовании радиоактивной метки 188Яе появилась уникальная возможность отследить поведение рения в процессе синтеза гидрозоля (табл. 1).
Таблица 1 - Распределение радиоактивности по длине тонкослойной хроматограммы
Rf Реакционная смесь Растворимые формы Re Элюат
I, с-1 % Re I, с-1 % Re I, с-1 % Re
0,1 258 29,9 243 37,68 5 0,4
0,2 3 0,4 9 0,90 6 0,3
0,3 7 0,8 7 0,83 6 0,6
0,4 8 0,9 7 0,80 6 0,4
0,5 13 1,5 7 1,10 76 0,5
0,6 59 6,8 13 1,70 12 0,5
0,7 104 12,1 25 2,76 19 0,5
0,8 120 13,9 83 6,69 461 0,7
0,9 196 22,7 144 16,57 114 8,7
1,0 94 10,9 154 30,98 213 87,4
Более наглядно распределение рения по фазам представлено на рис. 2.
Напоминаем, что в данном опыте первичный осадок и дисперсная фаза определяются вместе.
у сдф+по)
Рис. 2 - Тонкослойная хроматограмма элюата
1ЯЯ 1яя
генератора W/ Яе, реакционной смеси и наночастиц Яе287 в растворе перрената натрия
На рис. 2 хорошо видно разнообразие форм рения после окончания синтеза: участок Яу 0,1-0,2 соответствует дисперсной фазе и первичному осадку, 0,9-1,0 - остаточному перренату, на средних участках хроматограммы проявляются неизвестные растворимые формы рения.
Влияние кислотности на выход гептасульфида рения в целом и его наночастиц в частности изучали при стехиометрическом соотношении реагентов №28203:МаЯе04 = 3,5 : 1 и заведомом избытке стабилизатора желатина (2,5 %). Показано, что при увеличении кислотности общий выход Яе287 80 % (рис. 3). Однако на графике зависимости выхода дисперсной фазы от кислотности наблюдается плато с максимумом 40 % в области концентраций соляной кислоты 0,45-0,65 моль/л. Это явление можно объяснить следующим образом: соляная кислота не только катализирует основную реакцию образования гептасульфида рения, но и провоцирует коагуляцию дисперсной фазы. Поэтому в качестве оптимальной можно рекомендовать минимальную из указанного диапазона концентрацию кислоты 0,45 моль/л.
7(Яе)
80
60
40
20
л 0 "ТФ
п по Д ДФ+ПО
0 0 * Ч /□ о ДС
- ос )
0 12 3 с(НС1)
Рис. 3 - Влияние концентрации кислоты (моль/л) на распределения рения (метод разделения фаз)
Результаты серии экспериментов с радиоактивной меткой представлены на рис. 4.
Рис. 4 - Зависимость выхода общего Яе287 от концентрации кислоты (метод радиоактивных индикаторов с 188Яе)
Третьм методом разделения фаз была ультрафильтрация (рис. 5).
Рис. 5 - Влияние концентрации кислоты (моль/л) на распределения рения (метод ультрафильтрации)
Первичный осадок отделяли
центрифугированием и определяли в нём количество рения. Визуально прозрачный коричневый раствор, содержащий наночастицы Яе287 и водорастворимые формы рения подвергали ультрафильтрации через ядерный фильтр под давлением. Дисперсионная среда переходила в ультрафильтрат. в котором определяли концентрацию рения, равную его концентрации в дисперсионной среде. По материальному балансу рассчитывали количество рения в дисперсной фазе.
Все три метода показали практически одинаковые результаты, что свидетельствует о достоверности эксперимента. Для синтеза наночастиц Яе287 оптимальным диапазоном концентраций соляной кислоты является 0,4-0,5 моль/л. Для дальнейшей работы в качестве оптимального было выбрано минимальное значение
0,45 моль/л.
3. Выводы
Показано, что с увеличением концентрации катализатора (хлороводородной кислоты) общий выход гептасульфида рения увеличивается. Однако, увеличение кислотности провоцирует коагуляцию дисперсной фазы, поэтому в качестве оптимальной для синтеза наночастиц Яе287 была выбрана концентрация 0,45 моль/л. Получен визуально
прозрачный неопалесцирующий гидрозоль гептасульфида рения, устойчивый в диапазоне рН от
1 до 9, не коагулирующий даже в насыщенных растворах солей (в том числе и содержащих многозарядные ионы) при длительном нагревании до 100 0C. Эффективный гидродинамический
диаметр наночастиц, определённый методом динамического светорассеяния, равен 55±15 нм, а диаметр плотного ядра (методы ТЭМ и СЭМ) приблизительно равен 20 нм.
Литература
1. М. А. Ряшенцева, Х. М. Миначев. Рений и его
соединения в гетерогенном катализе. Наука, Москва, 1983. 247 с.
2. Т. А. Пальчевская, Л. В. Богуцкая, В. М. Белоусов.
Укр. Хим. Ж. 3, 240-243 (1989).
3. В. И. Савельева, И. Д. Соколова, Б. В. Громов,
М. А. Ряшенцева. Труды МХТИ им. Д. И. Менделеева, 69, 151-154. (1972).
4. В. И. Савельева, Б. В. Громов, М. А. Ряшенцева. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, 71, 148-151 (1972).
5. S. E. Strand, L. Bergqvist. CritRev Ther Drug Carrier Syst, 6, 211-238. (1989).
6. R. Taillefer, J. M. Douesnard, G. Beauchamp,
J. Guimond. Clin NuclMed, 12, 597-600. (1987) .
7. B. Geissler, F. Cachin, C. Dalle, P. Gimberg,
G. Lebouedec. Medecine Nucleaire, 28, 1, 25-34. (2004).
8. P. Payoux, C. Dekeister, R. Lopez, F. Lauwers,
J. P. Esquerre, J. R. Paoli. Journal of Oral and
Maxillofacial Surgery, 63, 8, 1091-1095 (2005).
9. S. Dresel, M. Weiss, M. Heckmann. Nuklearmedizin, 37, 177-182 (1998).
10. S. D. Nathanson, P. Anaya, K. C. Karvelis. Ann Surg Onc, 4, 104-110. (1997)
11. L . Bergqvist, S. E. Strand, B. R. Persson. Semin Nucl Med, 13, 9-19 (1983)
12. Н. С. Любарский, А. И. Шевела, М. Р. Колпаков,
Р. С. Ханаев, В. В. Илмаев. Флеболимфография, 17,
8-14 (2003).
13. Chris. Tsopelas. Journal of Nuclear Medicine, 42, 3, 460-466 (2001).
14. Корен. Регистрационное удостоверение № 81/1116/3. Временная фармакопейная статья 42-1150-81 от 17 августа 1981 г.
15. ISSN: 0315-162X (ISSN print). Patent. Zabel, Pamela Louise; Dunn, Kent. Colloid for scintigraphy. Patent Number: US 6706251 Patent Date Granted: March 16, 2004 Patent Country: USA Patent Assignee: London Health Sciences Centre, London, AR, USA Patent Class: 424-129 Official Gazette of the United States Patent and Trademark Office Patents 1280 (3) Mar. 16, 2004.
16. P. L. Zabel, K. E. Dunn. 48th Annual Meeting of the Society of Nuclear Medicine. Toronto, Ontario, Canada June 23-27, 2001, 20-21 (2001).
17. J. Hibble Simon, I. Walton Richard, R. Feaviour Mark, D. Smith Andrew. J. Chem. Soc. Perkin Trans., 1, 28772883 (1999)
18. Руководство по неорганическому синтезу: В шести томах. Т.5. Пер. с нем./Под ред. Г.Брауэра. М.: Мир, 1985. 360 с.
19. Г.Реми. Курс неорганической химии. Т.2. М.: Мир, 1966. 836 с.
© П. А. Гуревич - д-р хим. наук, проф. каф. органической химии КНИТУ, реЬ^ш^Л@шаП.т; Г. А. Билялова - асп. каф. химии высоких энергий и радиоэкологии Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева; М. А. Богородская - канд. хим. наук, доц. той же кафедры.
