ТИОЛСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
THIO-CONTAINING COMPOUNDS FOR REMOVING ELEMENTS FROM CONTAMINATED ENVIRONMENT AND METHODS FOR USE THEREOF

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка претендует на приоритет в отношении предварительных заявок США, серийные номера 61/246278, 61/246282 и 61/246360, все три поданы 28 сентября 2009, полные описания этих заявок полностью включены в данную заявку.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к соединениям, используемым в ковалентном связывании широким рядом металлов и элементов главных подгрупп, и более конкретно к серосодержащим лигандам и к применению таких лигандов для удаления примесей из твердых веществ, жидкостей и газов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Загрязнение тяжелыми металлами и элементами основных групп представляет существующую и возрастающую проблему во всем мире. За несколько последних десятилетий федеральное правительство США и правительства штатов установили экологические стандарты для охраны качества поверхностных и грунтовых вод от загрязняющих веществ. В ответ на эти законодательные требования разработаны различные продукты для осаждения загрязняющих веществ из поверхностной воды, грунтовой воды и почвы. Примеры композиций и способов, используемых при осаждении металлов из воды и почвы, подробно описаны в патенте США №6586600, полное описание которого включено в данную заявку посредством ссылки.
В промышленности и экологии существуют различные ситуации, где лиганды, способные к связыванию металлов и элементов главной подгруппы, можно использовать в целях ремедиации. Например, сточная вода, выпускаемая из очистных сооружений, хлоро-щелочной промышленности, металлообрабатывающей промышленности и некоторых мест захоронений городских отходов, часто создает проблемы загрязнения. Подобным образом, содержание металла в воде, выходящей как из действующих, так и из остановленных горных разработок, является значительной экологической проблемой в географических областях с тяжелой горнодобывающей промышленностью. Грунтовые и поверхностные воды, локализованные в областях вблизи насосных станций природного газа, страдают той же проблемой загрязнения металлами. Газы, выбрасываемые из угольных электростанций и в результате сжигания городских и медицинских отходов, содержат ртуть. Следовательно, существует необходимость в лигандах, способных к связыванию и удалению металлов и элементов главной подгруппы из газов, водных и неводных растворов и твердых субстратов.
+
В данной области техники известно применение серосодержащих соединений для связывания тяжелых металлов. Например, Thio-Red представляет собой химический реагент, используемый для осаждения двухвалентных тяжелых металлов из воды. Этот продукт представляет собой комплексный водный раствор натрия (с калием или без калия) тиокарбоната, сульфидов и других серосодержащих молекул. Thio-Red в конечном счете удаляет Cu, Hg, Pb и Zn из водных растворов, вероятнее, посредством образования сульфидов металлов (то есть CuS, HgS, PbS и ZnS), чем тиокарбонатов металлов. Диалкилдитиокарбаматы натрия и калия, такие как НМР-2000, также широко применяют в качестве осадителей металлов. Однако ограниченная способность большинства реагентов, применяемых в настоящее время на коммерческой основе, к образованию стабильных ковалентных связей с тяжелыми металлами является основной проблемой для применений в ремедиации. Реагенты, в которых отсутствуют достаточные или специфичные к металлам связывающие сайты, могут давать осадки металлов, которые нестабильны со временем и при определенных условиях рН. Такие нестабильные осадки могут высвобождать связанный металл обратно в окружающую среду, в результате чего оказываются неудовлетворительными в качестве агентов обработки или ремедиации. Кроме того, эти реагенты могут образовывать простые сульфиды металлов, которые бактерии способны метилировать (в случае Hg образовывать водорастворимый катион MeHg). Соответственно, существует необходимость в лигандах, которые не только связывают металлы и элементы главной подгруппы, но также связывают эти элементы таким образом, чтобы образовать стабильные нерастворимые осадки, которые удерживают загрязняющий элемент(ы), в широком диапазоне условий окружающей среды в течение продолжительных периодов времени.
2+
2+
2+
2+
Подобным образом, известно применение разнообразных хелаторов для хелатирующей терапии отравления металлами. На сегодняшний день многие исследования отражают возрастающее воздействие на население ртути и других токсичных тяжелых металлов. Примерами одобренных в настоящее время связующих веществ для лечения отравлений тяжелыми металлами, таких как отравление ртутью, являются димеркаптопропансульфонат (ДМПС) и димеркаптоянтарная кислота (ДМЯК), которые были внедрены во время Второй мировой войны для борьбы с индустриальным воздействием тяжелых металлов. Общепринятые соединения, такие как ДМПС и ДМЯК, хотя их часто называют "хелаторами", в действительности не являются хелаторами в химическом смысле этого слова. Это связано с тем, что пространство между атомами серы на соседних атомах углерода недостаточно, чтобы дать возможность большому атому тяжелого металла связаться с обоими атомами серы одновременно, что является требованием к образованию настоящего "хелата". Скорее, ДМПС и ДМЯК образуют связанные многослойные комплексы с металлом, где, например, две молекулы связующего вещества связываются с одним атомом ртути. Это дает более слабое присоединение, чем было бы в случае настоящего хелатора, который образовал бы две связи между тиольными (-SH) группами и Hg. Кроме того, на основе их свойств отрицательной заряженности связующие вещества, такие как ДМЯК, ДМПС и ЭДТА, обладают неспецифическим притяжением ко всем ионам металлов, включая незаменимые металлы Са, Mg, Mnи т.д. Быстрое выведение этих связующих веществ из организма с мочой может обладать отрицательным эффектом истощения этих незаменимых металлов в организме. Происходили смертельные случаи в результате истощения незаменимых металлов за счет заряженных связующих соединений в процессе, называемом хелатирующей терапией, и поэтому данное медикаментозное лечение должен осуществлять опытный врач.
2+
2+
2+
Тяжелые металлы, такие как ртуть, типично являются жирорастворимыми или могут проходить через клеточную мембрану посредством нативных носителей ионов двухвалентных металлов (например, для Са, Mg) в форме М и могут, следовательно, концентрироваться внутри клетки, и больше всего в адипозной или жировой ткани или в других тканях с высоким содержанием липидов, включая без ограничения центральную нервную систему. Действительно, ртуть и другие тяжелые металлы преимущественно распределяются и концентрируются в гидрофобных аспектах млекопитающих, рыб и тому подобных, таких как жировые ткани, клеточные мембраны, липидсодержащие области внутренней части клетки и тому подобное.
Таким образом, доступные в настоящее время, одобренные связующие вещества тяжелых металлов имеют несколько недостатков в отношении их общей химической природы, которая может быть усовершенствована посредством синтеза хорошо сконструированных, настоящих хелаторов, которые обладают более безопасными экскреторными свойствами, такими как более высокое сродство к металлам и/или элементам главной подгруппы и выведение с фекалиями вместо мочи. Такие хорошо сконструированные настоящие хелаторы должны быть желательно незаряженными, жирорастворимыми или гидрофобными соединениями или альтернативно преобразуемыми из водорастворимых (для пригодности для доставки через кровоток) в жирорастворимые соединения в организме, чтобы дать возможность их распределения в жировые (гидрофобные) ткани, где, прежде всего, локализован груз ртути или другого тяжелого металла. Кроме того, такие хелаторы одни, в отсутствие воздействий тяжелых металлов, должны обладать низкой или, еще лучше, не обладать обнаружимой токсичностью для млекопитающих. Они должны быть настоящими хелаторами, которые связывали бы тяжелые металлы и элементы главной подгруппы исключительно прочно, предупреждая токсические эффекты, а также предупреждая высвобождение или концентрирование в токсичной форме в каком-либо органе организма. Кроме того, было бы желательно, чтобы хелаторы выводились посредством системы билиарного транспорта печени в фекалиях вместо выведения через почки (органа, очень чувствительного к воздействию тяжелых металлов) и в моче. Кроме того, было бы желательно разработать усовершенствованные хелаторы, которые легко преобразуются между водорастворимыми и жирорастворимыми формами, давая возможность их выведения желаемым путем, то есть через почки для водорастворимой формы и через систему билиарного транспорта печени в фекалиях для жирорастворимой формы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одной форме осуществления хелатирующие лиганды имеют общую формулу:
или
1
2
3
1
2
3
где R выбран из группы, включающей бензол, пиридин, пиридин-4-он, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, цистеин, гомоцистеин, глутатион, липоевую кислоту, дигидролипоевую кислоту, тиофосфат, N-ацетилцистеин, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, γ-глутамилцистеин, фитохелатины, тиолсалицилат, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, m=1-6, Y независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, и Z выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, гидроксильную группу, NH, HSO, атомы галогенов, карбонильную группу, органические группы, биологические группы, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, при условии, что, когда R представляет собой алкильную группу, по меньшей мере один Х не может одновременно представлять собой атом водорода.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам удаления металлов и/или элементов главной подгруппы из исходного материала. Эти способы включают приведение в контакт исходного материала с эффективным количеством серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени, чтобы образовать стабильный комплекс(ы) лиганд - металл и/или лиганд - элемент главной подгруппы, где данный комплекс(ы) лиганд - металл и/или лиганд - элемент главной подгруппы остается по существу необратимо связанным с лигандом во всем диапазоне кислых и щелочных значений рН.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам удаления металлов и/или элементов главной подгруппы из ткани, содержащей липиды, в организме человека и/или животного. Эти способы включают внутривенную доставку количества серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в ткань, содержащую липид, в организме, образование комплекса(ов) лиганд - металл и/или лиганд - элемент главной подгруппы и выведение этого комплекса(ов) из организма. Авторы изобретения наблюдали, что некоторые незаряженные гидрофобные соединения предшествующего уровня техники, такие как соединения, раскрытые в патенте США №6586600 авторов Atwood et al., обладают исключительно низкой токсичностью при инъекции или приеме внутрь подопытными животными. Недостатком является то, что нерастворимость в воде этих гидрофобных соединений делает их плохими кандидатами для внутривенных применений. Внутривенное (IV) применение обладает преимуществом скорости общей доставки и возможности лечить пациента без сознания. Поэтому в настоящем изобретении раскрыты аналоги незаряженных нетоксичных хелаторов, которые могли быть изначально разработаны как заряженные, водорастворимые соединения. Эти водорастворимые соединения преобразуются в крови в незаряженные жирорастворимые соединения, которые могут проникать в мембраны и другие гидрофобные аспекты клеток и тканей и даже пересекать гематоэнцефалический барьер.
Кроме того, в настоящем изобретении предложены незаряженные нетоксичные жирорастворимые аналоги, которые могут преобразовываться внутриклеточными ферментами, как только они поглощены, в водорастворимые хелаторы. Те же соединения можно обрабатывать снаружи ферментами (эстеразами), чтобы сделать их водорастворимыми для внутривенных применений. Это может быть особенно полезным, если требуется терапевтический агент, который не проникает в клетки или не пересекает гематоэнцефалический барьер и все же сохраняет высокое сродство к тяжелым металлам и/или элементам главной подгруппы.
2
3
В одной форме осуществления данного аспекта описанные хелаторы представляют собой тиолсодержащие/тиолатсодержащие соединения, включающие ароматическую кольцевую структуру, кроме того, включающие дополнительные функциональные группы на органической кольцевой структуре и/или на боковых цепях тиола. Репрезентативная структура этих соединений приведена ниже. В данной структуре Z и Y могут представлять собой разнообразные комбинации органических, металлоорганических и неорганических групп, включающих без ограничения ОН, СООН, NH, HSO, атомы галогенов и тому подобное. Х может представлять собой одно или более чем одно из атома водорода, атомов галогенов, органических групп, образующих тиоэфиры и родственные производные, или металлов, выбранных без ограничения из элементов Группы 1 и 2, представленных в Периодической таблице элементов, либо может включать заряженные молекулы, имеющие концевой сульфгидрил, включая без ограничения глутатион, цистеин, гомоцистеин, липоевую кислоту, дигидролипоевую кислоту, тиофосфат, N-ацетилцистеин, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, γ-глутамилцистеин, фитохелатины, тиолсалицилат и тому подобное. Условное обозначение n может представлять собой любое целое число 1-10. Другие рассматриваемые ароматические группы включают нафталин, антрацен, фенантрен и тому подобное, как изложено выше.
или
Другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из последующего описания, где представлены и описаны иллюстративные примеры осуществления данного изобретения. При реализации данного изобретения возможны дополнительные формы осуществления, и некоторые его детали можно модифицировать в различных очевидных аспектах без отклонения от изобретения. Соответственно, графические материалы и описания рассмотрены как иллюстративные по природе, но не как ограничивающие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Нижеследующее подробное описание конкретных форм осуществления настоящего изобретения может быть лучше понято при прочтении в сочетании с нижеследующими графическими материалами, в которых:
на фиг.1 показаны результаты по потере массы на основании термогравиметрического анализа на Si60 в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С при повышении температуры на 20°С/мин и скорости тока 110/55 мм Hg (давление на входе/на выходе), проведенного в атмосфере воздуха;
2
на фиг.2 показаны результаты по потере массы на основании термогравиметрического анализа на SiNH в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С при повышении температуры на 20°С/мин и скорости тока 110/55 мм Hg (давление на входе/на выходе), проведенного в атмосфере воздуха;
на фиг.3 показаны результаты по потере массы на основании термогравиметрического анализа на SiAB9, полученном согласно первой экспериментальной методике, в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С при повышении температуры на 20°С/мин и скорости тока 110/55 мм Hg (давление на входе/на выходе), проведенного в атмосфере воздуха;
на фиг.4 показаны результаты по потере массы на основании термогравиметрического анализа на SiAB9, полученном согласно второй экспериментальной методике, в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С при повышении температуры на 20°С/мин и скорости тока 110/55 мм Hg (давление на входе/на выходе), проведенного в атмосфере воздуха;
на фиг.5 показаны химические структуры различных гидрофобных хелаторов в соответствии с настоящим изобретением, которые преобразуются в гидрофильные хелаторы внутри микроокружения; и
на фиг.6а и 6b показаны химические структуры различных хелаторов в соответствии с настоящим изобретением, которые могут быть введены в организм в гидрофильном состоянии, восстановлены до гидрофобного состояния в организме для распределения в обогащенных липидами областях, а затем ферментативным путем возвращены в гидрофильное состояние in vivo.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ФОРМ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как кратко изложено выше, настоящее изобретение относится к новым серосодержащим хелатирующим лигандам, которые связывают металлы и/или элементы главной подгруппы с образованием в результате комплекса(ов) лиганд - металл и/или лиганд - элемент главной подгруппы, который остается стабильным в широком диапазоне значений рН. При образовании комплекса(ов) лиганд - металл и/или лиганд - элемент главной подгруппы эти новые лиганды способны к образованию ковалентных связей с металлами и/или с элементами главной подгруппы, которые не могут быть разрушены в самых кислых или щелочных условиях. Лиганды по настоящему изобретению пригодны для связывания металлов и/или элементов главной подгруппы, которые имеют положительную валентность, отвечающую степени окисления, или могут быть приведены в нее, включающих, но не ограниченных ими, иттрий, лантан, гафний, ванадий, хром, уран, марганец, железо, кобальт, никель, палладий, платину, медь, серебро, золото, цинк, кадмий, ртуть, свиней, олово и тому подобное. Лиганды по настоящему изобретению также пригодны для связывания элементов главной подгруппы, которые имеют положительную валентность, отвечающую степени окисления, или могут быть приведены в нее, далее в данной заявке определенные как включающие галлий, индий, таллий, бор, кремний, германий, мышьяк, сурьму, селен, теллур, полоний, висмут, молибден, торий, плутоний и тому подобное.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к хелатирующим лигандам, состоящим из органической группы, содержащей по меньшей мере одну алкильную цепь, которая заканчивается серосодержащей группой. Эти хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
или
1
2
3
2
y
2
3
где R может быть выбран из группы, включающей органические группы, которые включают, но не ограничены ими, бензол, пиридин, пиридин-4-он, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, такие как (СН), где y=2-8, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, другие органические группы, которые включают, но не ограничены ими, ацилы и амиды, и биологические группы, которые включают, но не ограничены ими, аминокислоты и белки, такие как цистеин, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильные группы, эфиры карбоксилаты, другие органические группы, которые включают, но не ограничены ими, ацилы и амиды, и биологические группы, которые включают, но не ограничены ими, белки и аминокислоты, такие как цистеин, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, цистеин, гомоцистеин, глутатион, липоевую кислоту, дигидролипоевую кислоту, тиофосфат, N-ацетилцистеин, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, γ-глутамилцистеин, фитохелатины, тиолсалицилат, органические группы и биологические группы, n может быть независимо равно 1-10, m может быть равно 1-6, Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, и Z может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, гидроксильную группу, NH, HSO, атомы галогенов, карбонильную группу, органические группы, биологические группы, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе. В некоторых формах осуществления n может быть независимо равно 1-6 или 1-4. В некоторых формах осуществления m может быть равно 1-2 или 4-6, и в некоторых представляющих интерес формах осуществления m равно 2. В формах осуществления, где m≥2, атомы серы множества алкильных цепей могут иметь один общий X. В таких формах осуществления Х может быть независимо выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий.
Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, считают, что стабильность комплексов металла и/или элемента главной подгруппы, образованных посредством использования лигандов по настоящему изобретению, является следствием множества взаимодействий между атомами металла и/или элемента главной подгруппы и атомами серы и/или азота на лиганде. Соответственно, считают, что атомы серы и/или азота образуют многозубчатую связывающую структуру с атомом металла и/или элемента главной подгруппы. В формах осуществления лигандов, которые включают множество алкильных цепей (то есть m≥2), атом металла и/или элемента главной подгруппы может быть связан посредством взаимодействий с множеством атомов серы и/или азота лиганда. В формах осуществления лигандов, которые включают единственную алкильную цепь (то есть m=1), атом металла и/или элемента главной подгруппы может быть связан посредством взаимодействий с атомами серы и/или азота множества лигандов. Однако атомы металла и/или элемента главной подгруппы могут также связываться атомами серы и/или азота нескольких лигандов, которые включают множество алкильных цепей. Соответственно, лиганды могут образовать комплексы с металлом и/или элементом главной подгруппы посредством взаимодействий между атомами металла и/или элемента главной подгруппы и атомами серы и/или азота одного лиганда, а также образовать полимерные комплексы с металлом и/или элементом главной подгруппы посредством взаимодействий между атомами металла и/или элемента главной подгруппы и атомами серы и/или азота множества лигандов.
3
3
3
Соединения могут быть связаны с материалом носителя Y при R. В зависимости от значения m Y может включать полимеры, кремнеземы, субстраты на кремнеземном носителе или атом водорода. Если m=1, то Y может быть выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, глинозем и другие вещества, представляющие собой оксиды металлов. Если m>1, то каждый Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы, субстраты на кремнеземном носителе, глинозем и другие вещества, представляющие собой оксиды металлов. Таким образом, где m>1, соединение может быть связано с материалом носителя Y при единственной группе R, при всех группах R или любой их комбинации. Кроме того, Y может включать фильтрационные гранулы или иначе заключен или включен в фильтрационную среду. Например, в одной форме осуществления Y может включать полистирольные гранулы, так что серосодержащие соединения находятся на носителе, представляющем собой полистирольные гранулы, для фильтрования загрязняющих веществ.
В одной полезной форме осуществления хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
1
2
3
1
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, m=1-6, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, при условии, что, когда R представляет собой алкильную группу, по меньшей мере один Х не может одновременно представлять собой атом водорода.
В другой полезной форме осуществления хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
1
2
3
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Rможет быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, m=1-6, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления настоящее изобретение относится к хелатирующим лигандам, состоящим из органической группы, содержащей две алкильные цепи, заканчивающиеся серосодержащими группами. Эти хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
или
1
2
3
2
3
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, пиридин-4-он, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, и Z может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, гидроксильную группу, NH, HSO, атомы галогенов, карбонильную группу, органические группы, биологические группы, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления настоящее изобретение относится к хелатирующим лигандам, состоящим из органической группы, содержащей две алкильные цепи, заканчивающиеся серосодержащими группами. Однако в данной форме осуществления два атома серы этих двух алкильных цепей имеют один общий X. Эти хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
или
1
2
3
2
3
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, пиридин-4-он, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, n независимо равно 1-10, Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, и Z может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, гидроксильную группу, NH, HSO, атомы галогенов, карбонильную группу, органические группы, биологические группы, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления настоящее изобретение относится к хелатирующим лигандам, состоящим из кольцевой структуры, содержащей две алкильные цепи, заканчивающиеся серосодержащими группами. Эти хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
или
2
3
3
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе. Как раскрыто в патенте США №6586600, хелатирующие лиганды приведенной выше общей формулы, где группы R (а также группы R) включают атом водорода, оба n равны 1 и оба Y включают атом водорода, могут называться "В9".
В другой полезной форме осуществления В9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где n независимо равно 1-10. Хелатирующие лиганды этой общей формулы могут называться "глутатион В9" или сокращенно "GB9".
В одной полезной форме осуществления GB9 хелатирующий лиганд имеет формулу:
или
В другой полезной форме осуществления настоящее изобретение относится к хелатирующим лигандам, состоящим из кольцевой структуры, содержащей две алкильные цепи, заканчивающиеся серосодержащими группами. В данной форме осуществления два атома серы двух алкильных цепей имеют одну общую группу X. Эти хелатирующие лиганды могут иметь общую формулу:
или
2
3
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе. Хелатирующие лиганды этих общих формул могут называться "кислый В9" или сокращенно "АВ9".
В одной полезной форме осуществления АВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления АВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления АВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления АВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе. Хелатирующие лиганды этой общей формулы могут называться "глутатион АВ9" или сокращенно "GAB9".
В одной полезной форме осуществления GAB9 хелатирующий лиганд имеет формулу:
или
где Y может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
В другой полезной форме осуществления АВ9 АВ9 может представлять собой материал на носителе, имеющий структуру:
где PS может представлять собой полистирол или сополимер, содержащий полистирол. В одной даже более конкретной форме осуществления PS может представлять собой сополимер хлорметилированного полистирола и дивинилбензола (2% DVB, 200-400 меш).
В одной конкретной форме осуществления материала на носителе АВ9 этот материал может быть дериватизирован перед присоединением АВ9 или его эквивалента с получением структуры формулы:
2
2
Альтернативно АВ9 может быть присоединен на кремнезем, функционализированный амином (кремнезем-NH). В одной примерной форме осуществления кремнезем-NH, полученный путем связывания γ-аминопропилтриэтоксисилана на кремнеземе-60 (Si60), можно кипятить с обратным холодильником в растворе АВ9 в этаноле с получением структуры формулы:
2
При альтернативном получении SiNH можно обработать АВ9 в присутствии дициклогексилкарбодиимида (DCC), чтобы способствовать соединению АВ9 с амином PS.
В другой полезной форме осуществления хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой метильную группу. Хелатирующие лиганды этих общих формул могут называться "метиловый эфир АВ9" или сокращенно "МЕАВ9".
В одной полезной форме осуществления МЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой метильную группу.
В другой полезной форме осуществления МЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой метильную группу.
В другой полезной форме осуществления МЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где Y представляет собой метильную группу.
В другой полезной форме осуществления МЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой метильную группу. Хелатирующие лиганды этой общей формулы могут называться "глутатион метиловый эфир АВ9" или сокращенно "GMEAB9".
В одной полезной форме осуществления GMEAB9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где Y представляет собой метильную группу.
В другой полезной форме осуществления хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, цистеин и глутатион, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой этильную группу. Хелатирующие лиганды этой общей формулы могут называться "этиловый эфир АВ9" или сокращенно "ЕЕАВ9".
В одной полезной форме осуществления ЕЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
где R может быть выбран из группы, включающей бензол, пиридин, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х может быть независимо выбран из группы, включающей бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой этильную группу.
В другой полезной форме осуществления ЕЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой этильную группу.
В другой полезной форме осуществления ЕЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где Y представляет собой этильную группу.
В другой полезной форме осуществления ЕЕАВ9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
2
где R может быть независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, и Y представляет собой этильную группу. Хелатирующие лиганды этой общей формулы могут называться "глутатион этиловый эфир АВ9" или сокращенно "GEEAB9".
В одной полезной форме осуществления GEEAB9 хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
где Y представляет собой этильную группу.
В другой полезной форме осуществления хелатирующие лиганды имеют формулу:
или
1
2
3
2
3
где R выбран из группы, включающей бензол, пиридин, пиридин-4-он, нафталин, антрацен, фенантрен и алкильные группы, R независимо выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, R независимо выбран из группы, включающей алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, органические группы и биологические группы, Х независимо выбран из группы, включающей атом водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция, бериллия, магния, кальция, стронция, бария, радия, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, цистеин, гомоцистеин, глутатион, липоевую кислоту, дигидролипоевую кислоту, тиофосфат, N-ацетилцистеин, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, γ-глутамилцистеин, фитохелатины, тиолсалицилат, органические группы и биологические группы, n независимо равно 1-10, m=1-6, Y независимо выбран из группы, включающей атом водорода, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе, и Z выбран из группы, включающей атом водорода, алкилы, арилы, карбоксильную группу, эфиры карбоксилаты, гидроксильную группу, NH, HSO, атомы галогенов, карбонильную группу, органические группы, биологические группы, полимеры, кремнеземы и субстраты на кремнеземном носителе.
1
2
3
Одно иллюстративное соединение включает R= бензол, R= атом водорода, R= атом водорода, m=2, n=1, Х = ацетильная группа, Y = атом водорода, и Z = гидроксильная группа, как показано ниже:
1
2
3
Другое иллюстративное соединение включает R= бензол, R= атом водорода, R= атом водорода, m=2, n=1, Х = атом водорода, Y = атом водорода, и Z = гидроксильная группа, как показано ниже:
1
2
3
Другое иллюстративное соединение включает R= пиридин-4-он, R= атом водорода, R= атом водорода, m=2, n=1, Х = атом водорода, Y = атом водорода, и Z = гидроксильная группа, как показано ниже:
1
2
3
В пределах объема настоящего изобретения могут быть получены другие новые соединения, имеющие различные комбинации групп Z, Y, n и X. Например, одно иллюстративное соединение с использованием цистеина в методе синтеза может включать R= бензол, R= атом водорода, R= карбоксильная группа, m=2, n=1, Х = атом водорода, Y = атом водорода, и Z = гидроксильная группа, как показано ниже:
1
2
3
Как понятно специалистам в данной области техники, можно использовать ароматические группы, иные, чем бензол и пиридин, для введения тиолсодержащих и тиолатных групп. Например, можно использовать нафталин, антрацен, фенантрен и т.д. Например, одно такое иллюстративное соединение может включать R= нафталин, R= атом водорода, R= атом водорода, m=2, n=1, Х = атом водорода, Y = атом водорода, и Z = гидроксильные группы:
Соответственно, новые лиганды по настоящему изобретению могут быть также адаптированы к разнообразным экологическим ситуациям, требующим связывания и/или удаления металлов и/или элементов главной подгруппы, таким как, например, добавление в скрубберы для обессеривания дымовых газов (FGD) для удаления металлов и/или элементов главной подгруппы из выбросов угольных электростанций, обработка промышленных сточных вод, обработка дренажа кислых шахтных вод, ремедиация почвы и тому подобное. Как понятно специалистам в данной области техники, хелатирующие лиганды по настоящему изобретению можно использовать отдельно или в варьирующих комбинациях для достижения целей настоящего изобретения.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к способу удаления металлов и/или элементов главной подгруппы из исходного материала. Этот способ по настоящему изобретению включает приведение в контакт исходного материала (газа, жидкости или твердого вещества) с эффективным количеством нового серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени с образованием по меньшей мере одного стабильного комплекса лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы. Комплекс(ы) лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы может оставаться стабильным на протяжении всего диапазона кислых и щелочных значений рН. Иными словами, комплекс(ы) лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы не высвобождает заметных количеств загрязняющего элемента(ов) на протяжении всего диапазона кислых и щелочных значений рН. Например, осадок комплекса В9-Hg не высвобождает заметных количеств ртути в пределах диапазона рН от примерно 1 до примерно 13. Однако, как правило, комплекс(ы) лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы не высвобождает заметных количеств загрязняющих элементов в пределах диапазона рН от примерно 6 до примерно 8.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу обработки воды, такой как поверхностная, грунтовая или сточная вода, содержащей металлы и/или элементы главной подгруппы, включающему смешивание указанной воды с эффективным количеством серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени с образованием по меньшей мере одного стабильного комплекса лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы и отделение этого комплекса(ов) от воды.
Еще в одном другом аспекте настоящее изобретение относится к способу обработки водного дренажа кислых шахтных вод или воды из действующих процессов горных разработок, содержащей мягкие тяжелые металлы и/или элементы главной подгруппы, включающему смешивание дренажа кислых шахтных вод или воды из действующих процессов горных разработок с эффективным количеством серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени с образованием по меньшей мере одного стабильного комплекса лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы и отделение этого комплекса(ов) от дренажа кислых шахтных вод.
Еще в одном другом аспекте настоящее изобретение относится к способу ремедиации почвы, содержащей мягкие тяжелые металлы и/или элементы главной подгруппы, включающему смешивание этой почвы с эффективным количеством серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени с образованием по меньшей мере одного стабильного комплекса лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы. Затем почву, обработанную таким способом, можно оставить на месте или удалить для утилизации без проблем, касающихся выщелачивания металлов и/или элементов главной подгруппы в окружающую среду.
Еще в одном другом аспекте настоящее изобретение относится к способу обработки газа, такого как отработанный газ из электростанции, содержащего мягкие тяжелые металлы и/или элементы главной подгруппы, включающему пропускание данного газа через фильтр, в котором используют эффективное количество серосодержащего хелатирующего лиганда, как описано выше, в течение достаточного времени с образованием по меньшей мере одного стабильного комплекса лиганд-металл и/или лиганд-элемент главной подгруппы, таким образом, отфильтровывая этот комплекс(ы) из данного газа.
Еще в одном другом аспекте настоящее изобретение относится к способу терапевтического лечения человека и/или животного серосодержащими хелатирующими лигандами, описанными выше, к способам изменения гидрофобности или гидрофильности таких хелаторов с целью адаптации к ткани, в которой распределяются хелаторы, и к различным хелатирующим лигандам, синтезированным для осуществления этих способов. Хелаторы находят применение при связывании ряда тяжелых металлов и/или элементов главной подгруппы, включающих без ограничения ртуть, свинец, мышьяк, кадмий, олово, висмут, индий, никель, медь, таллий, золото, серебро, платину, уран, железо, молибден, торий, полоний, плутоний, сурьму и тому подобное, и очистке от них.
В широком смысле этот способ включает выбор хелатирующих лигандов, как описано в данной заявке, и модификацию этих лигандов до желаемого состояния гидрофильности или гидрофобности в соответствии с тканью, в которой желательно распределение хелатора. Кроме того, в способе, описанном в данной заявке, рассмотрено модифицирование таких хелаторов, так что первоначально гидрофильному производному хелатора придается гидрофобность после введения, чтобы оно более эффективно распределялось во внутриклеточных областях и липидсодержащих тканях. Еще дополнительно рассмотрена разработка производного хелатора, которое является первоначально гидрофобным, для распределения в липидсодержащих тканях для его выведения посредством фекального пути, и после такого распределения ему придается гидрофильность для выведения посредством почек.
Кроме того, рассмотрена разработка незаряженных, содержащих эфир хелатирующих лигандов, которые первоначально являются гидрофильными, чтобы дать возможность их однородной доставки по всему организму, как, например, посредством внутривенного пути. После доставки хелатор восстанавливается до гидрофобного состояния для распределения в липидсодержащих областях. После внутриклеточной локализации гидрофобный хелатирующий лиганд снова преобразуется в гидрофильное состояние. Должно быть понятно, что в последнем аспекте предложен хелатирующий лиганд, который можно однородно доставить по всему организму (например внутривенно), который распределяется в липидсодержащие области, где концентрируются тяжелые металлы, и который может быть выведен посредством как почечного, так и фекального пути. Это подобно по функции способу действия, например, детоксифицирующих ферментов Р450, которые окисляют гидрофобные незаряженные органические молекулы, которые затем преобразуются в водорастворимые формы в результате добавления водорастворимых соединений (например, глутатиона, сульфата) для удаления посредством систем природного предназначения.
В одной форме описанного способа хелатирующий лиганд, такой как вышеописанные лиганды, можно соединить с заряженной молекулой, имеющей концевую сульфгидрильную группу, с получением гидрофильного производного для доставки. После распределения этого производного, как, например, посредством внутривенной доставки, это производное возвращается в гидрофобную форму посредством восстановительного процесса в кровотоке, высвобождая исходный гидрофобный хелатирующий лиганд и присоединенную заряженную молекулу. В конкретных формах осуществления данного аспекта заряженную молекулу соединяют с исходным соединением, представляющим собой хелатирующий лиганд, посредством дисульфидных связей, которые легко восстанавливаются в организме с высвобождением заряженной молекулы и гидрофобного хелатирующего лиганда, который затем распределяется в липидсодержащую ткань. Такие заряженные соединения должны представлять собой нетоксичные природные соединения, имеющие свободную тиольную группу.
Попадая в микроокружение ткани, гидрофобный хелатирующий лиганд распределяется в липидсодержащие ткани, существуя в тесной близости с большей частью тяжелых металлов в организме и посредством этого улучшая эффективность хелатора за счет такой близости. В данной заявке рассмотрен ряд природных и синтетических заряженных молекул, включающих концевые сульфгидрильные группы (например, глутатион, цистеин, гомоцистеин, липоевая кислота, дигидролипоевая кислота, тиофосфат, N-ацетилцистеин, меркаптоуксусная кислота, меркаптопропионовая кислота, γ-глутамилцистеин, фитохелатины и тиолсалицилат).
В микроокружении клеток или тканей клеточные эстеразы гидролизуют незаряженные эфирные группы до заряженных карбоновых кислот. Это преобразование делает хелаторы гидрофильными и быстро выводимыми посредством почек. Поскольку хелатирующие лиганды, описанные в данной заявке, являются настоящими хелаторами вероятнее, чем только связующими веществами, экскреция посредством почечного пути не несет риска высвобождения связанного металла в почке, как в случае для одобренных в настоящее время связующих агентов металлов, применяемых в других способах хелатирующей терапии.
Композиции и способы по настоящему изобретению могут быть выполнены различными средствами, что проиллюстрировано ниже в примерах. Эти примеры подразумеваются только как иллюстративные, поскольку различные модификации и вариации станут очевидными специалистам в данной области техники. Примеры 1-8 направлены на формы осуществления подробно описанных выше хелатирующих лигандов, а Примеры 9-18 направлены на формы осуществления подробно описанных выше хелатирующих лигандов, которые находятся на материале носителя.
ПРИМЕР 1
В данном примере подробно описан синтез одной не ограничивающей формы осуществления АВ9 по приведенной ниже схеме:
2
3
0,78 граммов L-цистеина гидрохлорида (5,0 ммоль), полученного от Sigma-Aldrich, растворяли в 100 мл деионизованной воды. Каждое из 1,02 граммов триэтиламина (10 ммоль; 1,4 мл), далее в данной заявке называемого "TEA," и 0,5 граммов изофталоилхлорида (2,5 ммоль), полученного от TCI, растворяли по отдельности в 20 мл тетрагидрофурана, далее в данной заявке называемого "ТГФ", полученного от Acros Organics. TEA, растворенный в ТГФ, медленно добавляли к раствору L-цистеина гидрохлорида в деионизованной воде и перемешивали его в колбе в потоке газа N. После перемешивания в течение 5-10 минут изофталоилхлорид, растворенный в ТГФ, медленно добавляли в колбу. По мере протекания реакции цвет реакционной смеси становился светло-желтым. Реакционную смесь продолжали перемешивать в течение 16-18 часов. В конце 16-18 часов водный слой экстрагировали, используя 100 мл этилацетата. Затем этилацетатный слой высушивали над сульфатом натрия, фильтровали и откачивали до сухости. Продукт выделяли в виде светло-желтого твердого вещества. Продукт был растворим в CHCl, ацетоне, этаноле и воде.
ПРИМЕР 2
В данном примере подробно описан синтез одной не ограничивающей формы осуществления МЕАВ9 по приведенной ниже схеме:
3
3
3
3
2
4
3
3
3
3
2,57 граммов L-цистеина метилового эфира гидрохлорида (15 ммоль) растворяли в 150 мл CHCl. 1,52 граммов TEA (15 ммоль; 2,07 мл) растворяли в 25 мл CHCl. 1,0 грамм изофталоилхлорида (5 ммоль) растворяли в 40 мл CHCl. Раствор TEA и раствор изофталоилхлорида медленно добавляли к раствору L-цистеина метилового эфира гидрохлорида. Реакционную смесь перемешивали в течение 24 часов. Затем реакционный раствор фильтровали и фильтрат промывали три раза 200 мл 10% соляной кислоты Omnitrace. После отмывки слой CHCl снова фильтровали и высушивали над безводным NaSO. Затем CHCl удаляли в вакууме, и продукт был получен в виде маслянистой жидкости высокой вязкости. Эту маслянистую жидкость снова растворяли в CHCl, а затем CHCl удаляли в вакууме. Этот процесс повторяли дважды, а затем полученное в результате белое твердое вещество дважды промывали диэтиловым эфиром. Остаточный растворитель удаляли и твердое вещество высушивали в вакууме. Продукт выделяли в виде белого твердого вещества. Продукт был растворим в CHCl, ацетоне, этаноле и воде.
ПРИМЕР 3
В данном примере подробно описан синтез одной не ограничивающей формы осуществления ЕЕАВ9 по приведенной ниже схеме:
3
3
3
3
2
4
3
3
3
3
2,72 граммов L-цистеина этилового эфира гидрохлорида (15 ммоль) растворяли в 150 мл CHCl. 1,48 граммов TEA (15 ммоль; 2,02 мл) растворяли в 25 мл CHCl. 1 грамм изофталоилхлорида (5 ммоль) растворяли в 40 мл CHCl. Раствор TEA и раствор изофталоилхлорида медленно добавляли к раствору L-цистеина этилового эфира гидрохлорида. Реакционную смесь перемешивали в течение 24 часов. Затем реакционный раствор фильтровали и фильтрат промывали 1,5 л 20% соляной кислоты Omnitrace. После отмывки слой CHCl снова фильтровали и высушивали над безводным NaSO. Затем CHCl удаляли в вакууме, и продукт был получен в виде маслянистой жидкости высокой вязкости. Эту маслянистую жидкость снова растворяли в CHCl, а затем CHCl удаляли в вакууме. Этот процесс повторяли дважды, а затем полученное в результате белое твердое вещество дважды промывали диэтиловым эфиром. Остаточный растворитель удаляли и высушивали в вакууме. Продукт выделяли в виде белого твердого вещества. Продукт был растворим в CHCl, ацетоне, этаноле и воде.
ПРИМЕР 4
В данном примере подробно описан синтез одной не ограничивающей формы осуществления GB9 по приведенной ниже схеме:
2
2
2
0,284 грамма (1 мМ) В9 растворяли в тетрагидрофуране (ТГФ)/HO (50:50 об.:об.) с 0,76 грамма глутатиона. 1 мл 10% HO добавляли при перемешивании и давали возможность взаимодействовать в течение ночи при комнатной температуре. Реакционную смесь прокачивали через колонку с диэтиламиноэтилцеллюлозой (DEAE целлюлозой) (длиной 2 см на 20 см) в форме гидроксида и промывали 200 мл дистиллированной воды. Связанное вещество элюировали, используя градиент 0-400 мМ буфера триэтиламмония бикарбоната (ТЕАВ), собирая фракции по 10 мл. Мониторинг элюирования продукта, содержащего В9, осуществляли с помощью проточного устройства с ультрафиолетовым светом. Только один пик был обнаружен в веществе, которое связалось с DEAE целлюлозой, и элюировали его буфером для элюирования. Собранные фракции, содержащие УФ-поглощение, выпаривали до сухости за четыре совместных выпаривания с метанолом/водой, чтобы удалить ТЕАВ. Полученное в результате вещество представляло собой мелкий белый порошок, который легко растворялся в воде и давал ультрафиолетовый спектр, почти идентичный исходному веществу (В9). Структура этого соединения (названного GB9) представлена выше. Вещество тестировали с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) двумя различными методиками ТСХ. На матрице силикагеля, проявленной 50:50 ТГФ/этанол, значения Rf для исходного и конечного соединения составляли 0,5 и 0,05, соответственно. На матрице PEI-целлюлозы, проявленном 0,4 М раствором бикарбоната аммония, значения Rf для В9 и GB9 составляли 0,0 и 0,75, соответственно.
Кроме того, GAB9, GMEAB9 и GEEAB9 можно также синтезировать, используя подобные способы.
ПРИМЕР 5
2
3
2
2
2
2,80 граммов АВ9 (7,5 ммоль), растворенные в 75 мл 95% этанола, добавляли к перемешанному раствору 2,0 граммов Cd(CHO)·2HO (7,5 ммоль), растворенных в 100 мл деионизованной воды. Белый осадок, соединение AB9-Cd, образовалось при смешивании этих двух растворов. Смесь перемешивали в течение 7-8 часов, после чего фильтровали в вакууме. Полученное в результате белое соединение промывали по три раза каждым из 100 мл деионизованной воды и 100 мл 95% этанола. Затем соединение высушивали в вакууме с получением выхода 2,13 граммов. Точка плавления этого соединения составляла 241-244°С. Соединение было нерастворимо в воде, этаноле, ацетоне, диметилсульфоксиде, хлороформе и гексане.
ПРИМЕР 6
2
0,99 грамма АВ9 (2,66 ммоль), растворенные в 75 мл 95% этанола, добавляли к перемешанному раствору 0,71 грамма HgCl (2,61 ммоль), растворенных в 100 мл деионизованной воды. Белый осадок, соединение АВ9-Hg, образовался при смешивании двух растворов. Смесь перемешивали 6 часов, после чего фильтровали в вакууме. Белое соединение промывали по три раза каждым из 100 мл деионизованной воды и 100 мл 95% этанола. Затем соединение высушивали в вакууме с получением выхода 0,97 граммов. Точка плавления соединения составляла 153-155°С. Соединение было нерастворимо в воде, этаноле, ацетоне, диметилсульфоксиде, хлороформе и гексане.
ПРИМЕР 7
2
2,0 грамма АВ9 (5,4 ммоль), растворенные в 75 мл 95% этанола, добавляли к перемешанному раствору 1,5 граммов PbCl (5,4 ммоль), растворенных в 150 мл деионизованной воды. Белый осадок, соединение АВ9-Pb, образовался при смешивании двух растворов. Смесь перемешивали 7-8 часов, после чего фильтровали в вакууме. Белое соединение промывали по три раза каждым из 100 мл деионизованной воды и 100 мл 95% этанола. Затем соединение высушивали в вакууме с получением выхода 1,68 граммов. Точка плавления соединения составляла 220-225°С. Соединение было нерастворимо в воде, этаноле, ацетоне, диметилсульфоксиде, хлороформе или гексане.
ПРИМЕР 8
2
192 миллиграмма МЕАВ9 (0,5 ммоль), растворенные в 20 мл этанола, добавляли к перемешанному раствору 130 миллиграммов HgCl (0,5 ммоль), растворенных в 20 мл деионизованной воды. Белый осадок, соединение МЕАВ9-Hg, образовался при смешивании двух растворов. Смесь перемешивали в течение 5 часов, после чего фильтровали в вакууме. Белое соединение промывали 200 мл деионизованной воды и 200 мл этанола и высушивали на воздухе с получением выхода 0,16 грамма. Точка плавления этого соединения составляла 166-169°С. Соединение было растворимо в диметилсульфоксиде и высокощелочной воде.
ПРИМЕР 9
2
200 миллиграммов ЕЕАВ9 (0,5 ммоль), растворенные в этаноле, добавляли к перемешанному раствору 0,71 грамма HgCl (0,5 ммоль), растворенных в деионизованной воде. Белый осадок, соединение ЕЕАВ9-Hg, образовался при смешивании двух растворов. Смесь перемешивали в течение 5 часов, после чего фильтровали в вакууме. Белое соединение промывали 150 мл деионизованной воды и 150 мл этанола и высушивали на воздухе с получением выхода 0,20 грамма. Точка плавления соединения составляла 150-153°С. Соединение было растворимо в диметилсульфоксиде и высокощелочной воде.
ПРИМЕР 10
ЕЕАВ9 (который подробно описан в Примере 3 выше) инъецировали подкожно крысам на столь высоких уровнях, как 1,5 миллимоль на кг массы тела. Это представляло собой в 100-1000 раз более высокую концентрацию, чем ожидали для применения в хелатирующих терапиях отравлений тяжелыми металлами. Никаких обнаружимых отрицательных эффектов не наблюдали, что определяли на основании физической активности и прироста массы.
ПРИМЕР 11
Крысам инъецировали каждые трое суток ЕЕАВ9 (который подробно описан в Примере 3 выше) в количестве 300, 400 и 1500 микромоль на кг массы тела без наблюдаемых токсических эффектов или потери массы. Это представляло собой воздействие более 2700 микромоль на кг массы тела за 10-суточный период без наблюдаемого токсического эффекта.
ПРИМЕР 12
Отдельных золотых рыбок помещали в 200 мл воды с 10 мМ хлорида натрия в колбы Эрленмейера на 250 мл (рН 7,00). В колбы накачивали воздух для поддержания здорового снабжения кислородом. 24-часовые сутки делили на 12-часовой световой период света/темноты. Золотым рыбкам давали возможность акклиматизироваться в течение недели до проведения эксперимента с ежесуточными сменами воды. Золотых рыбок кормили стандартным кормом для рыб в течение 15 минут каждые сутки, после чего воду меняли.
Хелатирующие лиганды растворяли в диметилсульфоксиде (ДМСО, 0,5 мл), после чего добавляли в колбы. Экспериментальные обработки оценивали, как перечислено в таблице 1 ниже, и они включали ацетат ртути, В9, ЕЕАВ9, GB9, GEEAB9 и ДМСО в количествах, показанных в таблице 1. В9 и ЕЕАВ9 растворяли в ДМСО (0,5 мл) перед добавлением в воду. В процессе растворения осадок не образовывался. Когда добавляли раствор ацетата ртути в воде, образовывался осадок. Как показано в таблице 1, золотые рыбки, подвергнутые воздействию ацетата ртути без хелатора, погибали в течение 30 минут, тогда как рыбки, подвергнутые воздействию хелатирующих лигандов в соответствии с настоящим изобретением, не погибали даже под действием летальных уровней ацетата ртути.
Таблица 1
Воздействие ацетата ртути на золотых рыбок с хелаторами и без хелаторов
Время
30 мин
1 ч
6 ч
12 ч
24 ч
Колба
Соединение
Количество
1
Ацетат ртути
0,5 мМ
Погибла
2
Ацетат ртути
0,5 мМ
Погибла
3
СТ01
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
4
СТ01
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
5
СТ03
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
6
СТ03
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
7
СТ01 + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
8
СТ01 + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
9
СТ03 + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
10
СТ03 + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
11
CT01G
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
12
CT01G
1,0 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
13
CT01G + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
14
CT01G + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
15
CT03G + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
16
CT03G + Ацетат ртути
1,0 мМ + 0,5 мМ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
17
Ацетат ртути + ДМСО
0,5 мМ + 0,5 мл
Погибла
18
Ацетат ртути + ДМСО
0,5 мМ + 0,5 мл
Погибла
19
КОНТРОЛЬ (ДМСО)
0,5 мл
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
20
КОНТРОЛЬ (ДМСО)
0,5 мл
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
21
КОНТРОЛЬ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
22
КОНТРОЛЬ
Жива
Жива
Жива
Жива
Жива
ПРИМЕР 13
2
В данном примере сначала предпринята дериватизация полистирола, нагруженного АВ9 (PS-AB9), PS-CH2CI. Для этого следовали литературной методике, найденной в Roscoe, S.B., et al., Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2000, 38, 2979-2992. Сначала получили PS-CH-NHEt.
Гранулы PS перемешивали с 2,0 М раствором этиламина в ТГФ в течение 2 суток, а затем промывали водой и ТГФ и серией смесей (об./об.) вода/ТГФ (2:1, 1:1, 1:2) для очистки продукта, который затем высушивали примерно при 40°С. Продукт характеризовали с помощью инфракрасной спектроскопии и обнаружили, что его спектр совпадает с найденным в литературе.
2
Затем кислотную группу АВ9 связывали с аминной группой PS-CH-NHEt.
2
PS-CH-NHEt перемешивали с этанольным или метанольным раствором АВ9 в течение примерно 24 часов. Альтернативно можно также использовать другие растворители, такие как пиридин. Гранулы промывали этанолом или метанолом и высушивали примерно при 40°С. Продукт характеризовали с помощью инфракрасной спектроскопии и элементного анализа.
ПРИМЕР 14
2
В данном примере PS-AB9 был получен путем дериватизации полистирольных гранул, но в масштабе 20 г. Полистирольные гранулы (20 г) перемешивали со 120 мл 2,0 М раствора этиламина в ТГФ в течение 2 суток. Затем через 2 суток гранулы фильтровали и промывали 200 мл ТГФ и 200 мл воды и серией смесей (об./об.) вода/ТГФ (2:1, 1:1, 1:2, 200 мл каждой), а затем высушивали примерно при 40°С. Затем гранулы PS-CH-NHEt (20 г) кипятили с обратным холодильником с АВ9 (30 г) в 300 мл этанола в течение примерно двух суток. Гранулы фильтровали и промывали примерно пять раз 200 мл этанола и высушивали примерно при 40°С. Продукты с каждой стадии характеризовали с помощью инфракрасной спектроскопии.
ПРИМЕР 15
2
3
3
2
2
При данной характеризации определяли нагрузку АВ9 на дериватизированном полистироле (масштабы 5 г и 20 г). Гранулы PS-CH-AB9 (500 мг) подвергали гидролизу (расщеплению) при 110°С путем добавления 10 мл воды, 10 мл концентрированной HNO, 10 мл 1:1 HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl. После гидролиза растворы фильтровали, чтобы выделить гранулы, и конечный объем образца составлял 50 мл. Затем растворы анализировали с помощью ICP (спектрометрического метода атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой), чтобы определить содержание серы, которое показывает количество АВ9, связанного на полистироле.
Нагрузка серы на PS-AB9 (масштаб 5 г)
г S/0,5 г гранул
ммоль S/0,5 г гранул
ммоль АВ9/0,5 г гранул
ммоль АВ9/г PS-AB9
г АВ 9/г PS-АВ 9
ммоль Cl/г PS-AB9
низкий % нагруз ки АВ9
высокий % нагрузки АВ9
Удаление г Hg/г PS-АВ9 (теор.)
Удаление ммоль Hg/r PS АВ9 (теор.)
0,007
0,22
0,11
0,22
0,08
1,0-1,5
15
22
0,044
0,22
Нагрузка серы на PS-AB9 (масштаб 20 г)
Образец
мг/л S (в растворе)
г S/кг PS (нагрузка)
1
13,93±0,45
1,39±0,04
2
14,17±0,20
1,42±0,02
3
14,03±0,04
1,40±0,00
среднее
14,04±0,23
1,40±0,02
ПРИМЕР 16
2
3
3
2
2
В данном примере тестировали связывание Hg PS-AB9. PS-CH2-AB9 (202 мг, 400 мг и 600 мг) добавляли к HgCl (15%о) в 25 мл воды и перемешивали одни сутки при комнатной температуре. После перемешивания гранулы выделяли фильтрованием через 0,2 мкм фильтр фирмы Environmental Express и растворы подвергали гидролизу для анализа спектрометрическим методом атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой. Это осуществляли при 110°С путем последовательного добавления 10 мл 1:1 HNO, 5 мл концентрированной HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl.
Связывание Hg PS-AB9
Раствор
Вычисленная концентрация (‰)
% связанной Hg
Исходный раствор
3,874±0,073
НО
0,2 г PS-AB9
1,963±0,029
49,3%
0,4 г PS-AB9
0,826±0,015
78,7%
0,6 г PS-AB9
0,798±0,016
79,4%
ПРИМЕР 17
В данном примере предпринято получение полистирола, нагруженного АВ9, используя прямую реакцию. Хотя этот метод еще не был успешно продемонстрирован, вероятно, что эту реакцию можно осуществить успешно путем изменения реагентов, условий и других переменных.
3
3
3
Раствор избытка АВ9 в этаноле можно добавить к полистирольным гранулам (сополимер хлорметилированного полистирола и дивинилбензола (2% DVB) (200-400 меш). Это может гарантировать, что каждая полистирольная гранула прореагировала с избытком АВ9 для предотвращения перекрестного сшивания лиганда. Эту смесь можно перемешивать в течение ~24 часов при нагревании и без нагревания для отгонки HCl. Если полученный в результате раствор является кислым, какую-либо остаточную кислоту можно нейтрализовать 5% NaHCO. Альтернативно можно добавить NEt с раствором лиганда без нагревания, чтобы осуществить удаление HCl в виде [HNEt]Cl. Затем гранулы можно промыть этанолом и водой и высушить при ~40°С. Можно осуществить инфракрасную характеризацию, чтобы наблюдать PS-присоединенную группу, SH, NH и остаточный карбоксилат. Элементный анализ можно использовать, чтобы определить количество АВ9, присутствующего на гранулах PS. Кроме того, PS-AB9 можно обработать разбавленной HCl и выделить и проанализировать АВ9.
ПРИМЕР 18
2
3
3
3
3
В данном примере функционализированный амином кремнезем (SiNH) был получен для связывания АВ9. Это осуществляли, следуя методике, изложенной в: Cai, M. et al, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2007, 268, 82, и Jyothi, Т.М., et al; Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2881. Суспензию кремнезема-60 (20 г) в толуоле (500 мл) кипятили с обратным холодильником с γ-аминопропилтриэтоксисиланом (15,70 г, 71,36 ммоль) в хлороформе (40 мл) при ~100°С в течение 48 ч. После кипячения с обратным холодильником твердое вещество фильтровали и промывали CHCl (5×80 мл) и высушивали в вакууме в течение 12 ч. Затем высушенное твердое вещество замачивали в растворе MeSiCl (31,28 г, 286,97 ммоль) в толуоле (350 мл) при комнатной температуре на 24 ч. После замачивания твердое вещество фильтровали и промывали ацетоном (10×40 мл) и диэтиловым эфиром (10×15 мл) и высушивали в вакууме при 100°С в течение 5 ч. Это привело в результате к выделению 25,81 г твердого вещества. MeSiCl свяжется с любой не прореагировавшей -ОН на твердом веществе с образованием -OSiMe, чтобы блокировать реакционность гидроксильных групп на поверхности кремнезема.
Дериватизация поверхности кремнезема γ-аминопропилтриэтоксисиланом
3
Дериватизация SiMeCl незащищенных гидроксильных групп
Из литературы включение тиольных функциональных групп на поверхности частиц кремнезема охарактеризовано элементным анализом (Cai, 2007), рентгеновской порошковой дифракцией и сканирующей электронной микроскопией (Nakamura, 2007). Элементный анализ показывает содержание азота на частице кремнезема. Рентгеновскую дифракцию используют, чтобы обнаружить упорядоченность частиц, а изменение размера частиц было определено с помощью сканирующей электронной микроскопии.
-1
2
2
2
2
2
Инфракрасную спектроскопию (см) использовали, чтобы определить функциональную группу (-NH, -СН-, -ОН) на поверхности кремнезема. Наблюдали широкий пик при 3434 и 3050 (-СН-). Было обнаружено, что интенсивность пика при 3459 была резко снижена после обработки частиц кремнезема амином. Элементный анализ Si-NH (%) показал: С 7,71; Н 2,42; N 2,72; О 9,37; Si 32,87; S 0,03; (кремнезем-60: С 0,05; Н 1,26; N 0,01; О 7,22; Si 42,60; S<0,01). Было обнаружено, что содержание азота составляет 1,94 ммоль/г SiNH/г Si60.
2
2
2
2
Теперь обратимся к фиг.1 и фиг.2. Термогравиметрический анализ был проведен на кремнеземе-60 и SiNH в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С, при повышении температуры 20°С/мин и скорости тока 110/55 мМ Hg (давление на входе/выходе); все в атмосфере воздуха. Анализ ТГА кремнезема-60 (Si60) и SiNH показал, что кривая потери массы значительно изменилась, когда Si60 был обработан γ-аминопропилтриэтоксисиланом. Первоначальные потери массы в обеих записанных кривых соответствуют потере связанной воды. Si60 с концевыми гидроксильными группами способен к водородному связыванию значительно большего количества воды, чем Si60-NH. Последующее нагревание Si60 вызывает конденсацию концевых гидроксильных групп с удалением воды. Для кремнезема-60-NH потеря массы представляет собой потерю массы органического амина с поверхности кремнезема.
ПРИМЕР 19
2
В данном примере проводили связывание АВ9 на поверхности кремнезема, модифицированного амином (SiNH), где были предприняты два различных способа функционализации поверхности кремнезема.
2
При первом способе твердый SiNH (9,0 г) в N,N'-диметилформамиде (ДМФ) (200 мл) перемешивали с АВ9 (6,5 г, 17,43 ммоль) в присутствии дициклогексилкарбодиимида (DCC, 14,63 ммоль, 3,0 г) и диизопропилэтиламина (DIPEA, 22,82 ммоль, 4 мл) в течение 6 ч. Затем твердое вещество фильтровали и промывали ДМФ (200 мл), дихлорметаном (ДХМ, 250 мл) и метанолом (250 мл). После промывания твердое вещество высушивали в вакууме в течение 8 ч. Это привело в результате к выделению 8,41 г твердого вещества.
Из литературы включение тиольных функциональных групп на поверхности частиц кремнезема охарактеризовано элементным анализом (Cai, 2007), рамановской спектроскопией, рентгеновской порошковой дифракцией и сканирующей электронной микроскопией (Nakamura, 2007). Вследствие сильного рамановского рассеяния тиольные группы обнаруживают рамановской спектроскопией. Элементный анализ показывает содержание азота на частице кремнезема. Рентгеновскую дифракцию используют, чтобы обнаружить упорядоченность частиц, а изменение размера частиц было определено с помощью сканирующей электронной микроскопии.
-1
Инфракрасная спектроскопия (см) показала широкий пик при 3440 и очень маленький пик при 3050. Пик был также при 1538 (-NH). Элементный анализ (%) показал: С 8,34; Н 2,42; N 2,75; О 6,85; Si 34,05; S 0,22; (Si60: С 0,05; Н 1,26; N 0,01; 0 7,22; Si 42,60; S<0,01). Также было обнаружено, что содержание серы составляет 0,034 ммоль SiAB9/г Si60.
2
2
Теперь обратимся к фиг.3. Проводили термогравиметрический анализ на SiNH, обработанном АВ9 в присутствии DCC в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С, при повышении температуры 20°С/мин и скорости тока 110/55 мМ Hg (давление на входе/выходе); все в атмосфере воздуха. Было обнаружено, что нет значительного изменения в термогравиметрическом анализе SiAB9. Это может быть следствием малого количества АВ9, присутствующего на г SiAB9. Но кривая ТГА SiAB9, синтезированного путем кипячения с обратным холодильником в EtOH, изменилась по сравнению с ТГА SiNH. Это может быть следствием большего количества АВ9 на г SiAB9, что также очевидно на основании данных анализа ICP серы.
3
3
2
2
Далее была проведена спектрометрия атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой. Гранулы SiAB9 (500 мг) подвергали гидролизу при 110°С путем добавления 10 мл воды, 10 мл 1:1 HNO, 5 мл концентрированной HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl. После гидролиза растворы фильтровали, чтобы выделить гранулы, и конечный объем образца составлял 50 мл. Затем растворы анализировали с помощью ICP, чтобы определить содержание серы.
Нагрузка серы на SiAB9-масштаб 10 г
г S/0,5 г гранул
ммоль S/0,5 г гранул
ммоль АВ9/г SiAB9
г АВ9/г SiAB9
Удаление ммоль Hg/г SiAB9 (теор.)
Удаление г Hg/г SiAB9 (теор.)
0,0013
0,04
0,04
0,015
0,04
0,008
Нагрузка серы на SiAB9-масштаб 10 г
Образец
мл/л S (в растворе)
г S/кг SiAB9 (нагрузка)
1
2,57±0,04
0,13±0,00
2
2,75±0,12
0,14±0,00
среднее
2,66±0,08
0,135±0,00
2
При втором способе SiNH (9,0 г) кипятили с обратным холодильником в растворе АВ9 (22,78 ммоль, 8,50 г) в этаноле (500 мл) в течение 24 ч. После кипячения с обратным холодильником твердое вещество фильтровали и промывали этанолом (12×50 мл) и высушивали в вакууме. Это привело в результате к выделению 8,6 г твердого вещества.
2
Взаимодействие SiNH и АВ9 при нагревании
-1
Характеризацию осуществляли, следуя способам, использованным для первого способа, инфракрасная спектроскопия (см) показала широкий пик при 3440, а также широкий и очень маленький пик при 3050. Другой пик был при 1515 (-NH). Элементный анализ (%) показал: С 10,33; Н 2,68; N 2,89; О 12,04; Si 26,88; S 0,76; (Si60: С 0,05; Н 1,26; N 0,01; О 7,22; Si 42,60; S<0,01). Было также обнаружено, что содержание серы составляет 0,24 ммоль/г SiAB9. Данные ЭА показывают, что второй экспериментальный способ (кипячение с обратным холодильником в EtOH) дал более высокую нагрузку АВ9, чем первый экспериментальный способ (использование DCC и других реагентов). SiAB9, полученный в результате кипячения с обратным холодильником в EtOH, имел 0,12 ммоль АВ9/г гранул (0,24 ммоль S/г гранул), что хорошо согласуется со значением, полученным в результате анализа серы с помощью спектроскопии атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой.
2
3
3
2
2
Теперь, ссылаясь на фиг.4, был проведен термогравиметрический анализ на SiNH, обработанном АВ9 при кипячении с обратным холодильником в EtOH, в температурном диапазоне от 30°С до 1000°С, при повышении температуры 20°С/мин и скорости тока 110/55 мМ Hg (давление на входе/выходе); все в атмосфере воздуха. Кроме того, проводили анализ спектроскопии атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой. Гранулы SiAB9 (500 мг) подвергали гидролизу путем добавления 10 мл воды, 10 мл 1:1 HNO, 5 мл концентрированной HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl. После гидролиза растворы фильтровали, чтобы выделить гранулы, и конечный объем образца составлял 50 мл. Затем растворы анализировали с помощью ICP, чтобы определить содержание серы.
Нагрузка серы на SiAB9-препаративный масштаб 10 г
г S/0,5 г гранул
ммоль S/0,5 г гранул
ммоль АВ9/г SiAB9
г АВ9/г SiAB 9
Теоретически ммоль Hg/г SiAB9
Теоретически г Hg/г SiAB9 (теор.)
0,004
0,14
0,14
0,05
0,14
0,027
Нагрузка серы на SiAB9-препаративный масштаб 10 г
Образец
мл/л S (в растворе)
г S/кг SiAB9 (нагрузка)
1
8,62±0,02
0,43±0,00
2
8,71±0,20
0,44±0,02
среднее
8,67±0,11
0,435±0,01
2
2
Поскольку удельная площадь поверхности по БЭТ Si60 составляет 500 м/г, покрытие АВ9 составляет 0,14 ммоль/500 м/г.
ПРИМЕР 20
2
В данном примере осуществляли ремедиацию водной Hg(II) путем объединения Si60 и SiAB9 с HgCl. Было обнаружено, что нагрузка АВ9 на г SiAB9 выше в SiAB9, полученном вторым экспериментальным способом. Поэтому ремедиацию Hg в фазе раствора проводили, используя SiAB9, полученный в результате кипячения с обратным холодильником в EtOH.
2
3
3
2
2
Si60 (200 мг и 600 мг) добавляли к HgCl (~5‰) в воде (50 мл) и перемешивали в течение 1 суток при комнатной температуре. рН раствора составлял 5,5-6,0, и его мониторинг проводили с помощью рН-метра Corning 313. После перемешивания гранулы выделяли фильтрованием через 0,2 мкм фильтр (Environmental Express) и растворы подвергали гидролизу для анализа ICP. Это осуществляли при 110°С путем добавления 10 мл 1:1 HNO, 5 мл концентрированной HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl. Затем определяли удаление Hg Si60.
Определение удаления Hg Si60
Раствор
Вычисленная концентрация (‰)
% удаления
Исходный раствор
5,823±0,071
НО
0,2 г Si60
4,425±0,047
24%
0,6 г Si60
2,895±0,058
50%
2
3
3
2
2
SiAB9 (200 мг и 600 мг) добавляли к HgCl (~5‰) в воде (50 мл) и перемешивали в течение 1 суток при комнатной температуре. рН раствора составлял 5,5-6,0, и его мониторинг проводили с помощью рН-метра Corning 313. После перемешивания гранулы выделяли фильтрованием через 0,2 мкм фильтр (Environmental Express) и растворы подвергали гидролизу для анализа ICP. Это осуществляли при 110°С путем последовательного добавления 10 мл 1:1 HNO, 5 мл концентрированной HNO, 5 мл HO и 10 мл концентрированной HCl.
Затем определяли удаление Hg SiAB9.
Определение удаления Hg SiAB9
Раствор
Вычисленная концентрация(‰)
% удаления
Исходный раствор
5,823±0,071
НО
0,2 г SiAB9
0,316±0,002
95%
0,6 г SiAB9
0,173±0,024
97%
Исследование ремедиации Hg показало, что SiAB9 удаляет примерно 95-97% Hg при возрастающей нагрузке SiAB9. Но в то же время, было обнаружено, что Si60 также удаляет 25-50% Hg при возрастающей нагрузке Si60. Это, вероятно, является следствием адсорбции Hg на поверхности кремнезема-60.
ПРИМЕР 21
2
В данном примере осуществляли ремедиацию водного As(III) путем объединения Si60 и SiAB9, синтезированного кипячением с обратным холодильником в EtOH, с NaAsO.
2
3
Si60 (200 мг и 600 мг) добавляли к NaAsO (~200 частей на млрд) в воде (50 мл) и перемешивали в течение 1 суток при комнатной температуре. После перемешивания гранулы выделяли фильтрованием через 0,45 мкм фильтр (Environmental Express) и растворы подвергали гидролизу для анализа спектрометрии атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой. Это осуществляли при 95°С путем добавления 2,5 мл концентрированной HNO.
Затем определяли удаление As(III) Si60 при уровнях рН 5, 7 и 9.
Определение удаления As Si60 при рН 5
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
208,45
±10,86
НО
0,2 г Si60
207,10
±5,59
0,6%
0,6 г Si60
199,10
±3,58
4,5%
Определение удаления As Si60 при рН 7
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
225,80
±0,23
НО
0,2 г Si60
214,50
±5,36
5,0%
0,6 г Si60
203,90
±7,75
9,7%
Определение удаления As Si60 при рН 9
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
218,20
±5,02
НО
0,2 г Si60
213,90
±5,35
2,0%
0,6 г Si60
206,30
±4,74
5,5%
2
3
При ремедиации As(III) SiAB9 (синтезированным путем кипячения с обратным холодильником в EtOH) SiAB9 (200 мг и 600 мг) добавляли к NaAsO (~200 частей на млрд) в воде (50 мл) и перемешивали в течение 1 суток при комнатной температуре. После перемешивания гранулы выделяли фильтрованием через 0,45 мкм фильтр (Environmental Express) и растворы подвергали гидролизу для анализа спектрометрии атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой. Это осуществляли при 95°С путем добавления 2,5 мл концентрированной HNO.
Затем определяли удаление As(III) SiAB9 при уровнях рН 5, 7 и 9.
Определение удаления As SiAB9 при рН 5
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
208,45
±10,86
НО
0,2 г Si AB9
115,40
±7,27
44,6%
0,6 г Si AB9
<5,0
N/A
100%
Определение удаления As SiAB9 при рН 7
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
225,80
±0,23
НО
0,2 г Si AB9
137,00
±1,78
39,3%
0,6 г Si AB9
64,30
±2,96
71,5%
Определение удаления As SiAB9 при рН 9
Образец ID
Концентрация (мкг/л)
Станд. откл.
% ремедиации
As исходный
218,20
±5,02
НО
0,2 г SiAB9
156,80
±10,98
28,1%
0,6 г SiAB9
<5,0
НО
100,0%
Было обнаружено, что один Si60 не осуществляет ремедиацию As из водной среды. При этом эффективность SiAB9 по удалению As снижается при повышении рН при низкой нагрузке SiAB9. Но с повышением нагрузки SiAB9 очень эффективно осуществляет ремедиацию As(III).
ПРИМЕР 22
В данном примере было исследовано связывание Hg(0) Si60 и SiAB9 в газовой фазе. Использовали Si60-AB9 (из реакции с EtOH) при 0,14 ммоль нагрузки АВ9/г. Альтернативно связывание может происходить в других текучих средах (то есть газах или жидкостях) в присутствии полимера или химического соединения на твердом носителе. В настоящем примере образец (3 г) помещали в фильтровальную фритту над капиллярной трубкой с газом Hg(0) со скоростью тока через образец 100 мл/мин в течение одного часа, а затем пропускали с помощью трубок для дисперсии газов в две жидкостные ловушки, содержащие 150 мл раствора 5% азотной кислоты и 10% соляной кислоты. Эти ловушки улавливают Hg(0), которая не была уловлена твердым образцом. Твердый образец извлекали из фильтровальной фритты и промывали этанолом для высвобождения какой-либо физически сорбированной Hg(0). Затем 2 г твердого образца подвергали гидролизу, используя способ ЕРА 30-50 В, и анализировали на ICP параллельно с ловушками, которые не нужно было гидролизовать.
Кремнезем-АВ9 был способен заполнять 85% его связывающих сайтов Hg. Некоторое количество пара Hg(0) проходило. Однако делая меньший пробег PTFF или больший размер образца, в течение часа можно достичь желаемого 100% улавливания пара Hg(0).
Отмечаем, что такие термины, как "предпочтительно", "обычно" и "типично", не использованы в данной заявке для ограничения объема изобретения, или подразумевая, что некоторые признаки являются критическими, незаменимыми или даже важными для структуры или функции изобретения. Вероятнее, эти термины исключительно предназначены для освещения альтернативных или дополнительных признаков, которые можно использовать или не использовать в конкретной форме осуществления настоящего изобретения.
В целях описания и определения настоящего изобретения отмечаем, что термин "по существу" используют в данной заявке как представляющий собой собственную степень неопределенности, которая может быть свойственна любому количественному сравнению, значению, измерению или другому представлению. Термин "по существу" также используют в данной заявке как представляющий собой степень, до которой количественное представление может варьировать по сравнению с указанной ссылкой, не приводя в результате к изменению основной функции рассматриваемой сущности изобретения.
Имея подробное описание изобретения и описание его конкретных форм осуществления, очевидно, что модификации и вариации возможны без отклонения от объема изобретения. Более конкретно, хотя некоторые аспекты настоящего изобретения идентифицированы как предпочтительные, настоящее изобретение не ограничено этими аспектами изобретения.