Применение селективных химических реакций в рентгеноэлектронном анализе поверхности порошков глюконата кальция после длительной механоактивации

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННОМ АНАЛИЗЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВ ГЛЮКОНАТА КАЛЬЦИЯ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

УДК 543.428.3, 543.632.51

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННОМ АНАЛИЗЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВ ГЛЮКОНАТА КАЛЬЦИЯ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

ШАКОВ А.А., МИХАЙЛОВА С.С., КОНЫГИН Г.Н.

Физико-технический институт УрО РАН, 426001, г.Ижевск,ул.Кирова, 132

АННОТАЦИЯ. Методом рентгеноэлектронной спектроскопии в сочетании с селективными химическими реакциями исследован состав поверхности порошков механоактивированного глюконата кальция. Сделано заключение о практическом отсутствии термодеструкции глюконата кальция в процессе длительной механоактивации в шаровой планетарной мельнице Pulverizette-7.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: рентгеноэлектронная спектроскопия, глюконат кальция, селективные химические реакции, гидразин.

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа является частью комплексного исследования физико-химических процессов, происходящих при механической активации глюконата кальция (ГК) и причин, повышающих терапевтическое действие аптечного медицинского препарата.

Ранее [1] было показано, что: вплоть до максимального времени измельчения (16 ч) в шаровой планетарной мельнице масса образцов остается неизменной; в исходном состоянии все образцы имеют кристаллическую структуру; механоактивация продолжительностью менее 1 ч приводит к появлению аморфного гало и уменьшению интенсивности структурных рефлексов в рентгеновских дифрактограммах; образцы представляют собой порошки с размером частиц 100-300 нм, объединенных в агломераты размером 800 нм; после 1 ч механоактивации полностью достигается рентгеноаморфное состояние и дальнейшее увеличение времени обработки не приводит к каким-либо изменениям дифрактограмм; размер частиц порошка составляет 50 - 500 нм. Также установлено [1], что механоактивация в шаровой планетарной мельнице в течение 1 ч не приводит к сколько-нибудь заметным изменениям состава и химического состояния элементов медицинского препарата и химического реактива.

Целью данной работы явилось исследование химического строения порошков глюконата кальция (медицинского препарата и химического реактива) после длительной механоактивации.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования: медицинский препарат глюконат кальция производства предприятий: I - Татхимфармпрепараты (г.Казань), II - Химико-фармацевтический завод (г.Тюмень), III - химический реактив «чистый» (г.Белгород).

Согласно сертификатам, в составе препаратов I и II в качестве добавки-наполнителя присутствовали стеарат кальция, крахмал и тальк в суммарном количестве до 5%. Препарат III представлял собой чистый глюконат кальция (99%).

Механоактивация проводилась в шаровой планетарной мельнице Ри^еп2ейе-7 в течение 2ч и 16ч.

Химическую структуру образцов глюконата кальция анализировали методом рентгеноэлектронной спектроскопии. Спектры возбуждались MgKa излучением в электронном спектрометре ЭС-2401. Математическую обработку спектров проводили по методике, описанной в [2]. Погрешность определения энергии связи (ЭС) ±0,2 эВ.

Анализ карбонильных групп проводили методом рентгеноэлектронной спектроскопии в сочетании с селективными химическими реакциями, используя гидразин [3]. Время маркирования гидразином - 40 мин, температура - +25°С, атмосферное давление -750 мм рт.ст.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В рентгеноэлектронных С^-спектрах глюконата кальция [НОСН2(СНОН)4СОО]2Са должны наблюдаться линии с ЭС 286,5 эВ и 288,8 эВ, в О^-спектрах - линии 531,4 эВ и 532,8 эВ [4], а в Са2р-спектре - линия 347,5 эВ [5]. Идентификация линий приведена в табл. 1.

На рис.1 приведены рентгеноэлектронные СЬ-, ОЬ- и Са2р -спектры образцов исходного глюконата кальция. Спектры медицинского препарата и химического реактива практически одинаковы.

Рис.1. C1s-, O1s- и Ca2p-спектры исходного образца ГК I

На поверхности образца, помещенного в вакуум из воздуха, присутствует адсорбированный слой предельных углеводородов. Поэтому, кроме вышеуказанных линий в экспериментальных спектрах наблюдается линия с ЭС=285,0 эВ от атомов углерода адсорбированного слоя, количество которого меняется от 12 до 25 ат.% (табл. 1).

Таблица 1

Состав исходных образцов глюконата кальция

Положение линий, эВ Состав, ат.% Химическое состояние элемента

I II III Стехиомет

СЬ 285,0 19 25 12 0 углеводородные группы

286,5 27 25 33 37,0 С-ОН

288,8 6 5 6 7,4 С(О)О

ОЬ 531,4 12 13 14 14,8 О-Са

532,8 38 30 33 37,1 адс. Н2О, С-ОН

Са2р 347,5 3 3 2 3,7 Са-О

Механоактивация в течение 2 и 16 ч не приводит к заметным изменениям в рентгеноэлектронных спектрах препаратов (табл.2).

Таблица 2

Влияние механоактивации (16 ч) на состав образцов глюконата кальция

Положение линий, эВ Состав, ат.% Химическое состояние

I II III элемента

285,0 10 10 13 углеводородные группы

СЬ 286,5 36 32 32 С-ОН

288,8 7 6 6 С(О)О

ОЬ 531,6 18 17 17 О-Са

533,1 27 32 30 адс. Н2О, С-ОН

Са2р 347,7 2 3 2 Са-О

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННОМ АНАЛИЗЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВ ГЛЮКОНАТА КАЛЬЦИЯ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

Тем не менее, не исключена возможность протекания термодеструкции ГК в процессе его механоактивации, поскольку локальные температуры в областях соударения измельчающих шаров, по некоторым оценкам [6], достаточно велики для этого. При этом вероятно протекание следующих процессов:

1. Пиролиз ГК с образованием соответствующего оксикетона и карбоната кальция [7-9]:

[НОС^СНОН^СООЬСа ^ НОСН2-

II

О

2. Разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция [9]:

СаСОз ^ СаО + СО2Т

Далее при растворении СаО в воде образуется гидроксид кальция, диссоциирующий с образованием щелочи, что должно приводить к увеличению рН водного раствора механоактивированного ГК:

СаО + Н2О ^ Са

Для оценки возможности протекания этих процессов было проведено измерение рН 2% водных растворов исходного и механоактивированного ГК (табл. 3).

Таблица 3

рН 2% водных растворов образцов глюконата кальция*

Время механоактивации, т, ч I II III

0 6,5 6,5 6,9

2 8,5 8,9 6,9

16 8,8 9,2 6,9

*рН (Н2О)=6,3

Величина рН растворов неактивированных препаратов (т=0) и механоактивированного чистого препарата ГК (III), примерно одинакова. В то же время для растворов механоактивированных препаратов I и II наблюдается значительное повышение величины рН по сравнению с растворами неактивированных препаратов. Можно предположить, что причиной повышения рН для растворов образцов I и II является именно термодеструкция ГК. При механоактивации препаратов III данные реакции не протекают, видимо, вследствие отсутствия наполнителя талька, могущего служить катализатором [7] указанных процессов.

Для поиска в составе механоактивированного глюконата кальция карбонильных групп (С=О) был проведено его исследование рентгеноэлектронной спектроскопией с предварительным маркированием парами гидразина [3]. Гидразин реагирует с поверхностными карбонильными группами с образованием, в конечном итоге, соответствующих азинов (атомы азота в химической метке подчеркнуты) [10]:

ЯЯ' С=О + Н2Ы-ЫН2 + О=СЯЯ' ^ ЯЛ' С=ЫЫ=СЯЯ' + 2Н2О

В результате указанной реакции с исходным и механоактивированным в течение 2 ч глюконатом кальция I в составе маркированного ГК общее содержание азота увеличилось более чем вдвое - с 3 до 7 ат.% соответственно (табл.4.).

В случае с ГК III содержание азота в поверхностном слое образца осталось неизменным как до, так и после механоактивации - 7 ат.%. Однако анализ структуры N1s-спектров маркированных образцов показал, что сигнал азота сложный и для образцов исходного ГК состоит из двух компонент с энергиями связи (ЭС) примерно 400,6 и 402,5 эВ, соответствующих атомам азота в составе амида [5] и соли гидразина (Ы+) [5] (рис.2).

Таблица 4

Маркирование образцов глюконата кальция гидразином

Образец, время механоактивации, ч N, ат.% ЭС, интенс. компонентов спектра

N1s, %

I, т=0 3 400,6 - 68

402,2 - 32

I, т=2 7 399,7 - 14

400,7 - 63

402,4 - 25

I, т=16 6 399,6 - 6

400,7 - 69

402,2 - 25

III, т=0 7 400,7 - 76

402,5 - 24

III, т=2 7 400,6 - 83

402,5 - 17

III, т=16 7 400,7 - 69

402,8 - 31

Причиной появления во всех маркированных образцах достаточно интенсивного сигнала азота, по всей видимости, является протекание реакции ГК с гидразином с образованием, в конечном итоге, гидразида глюконовой кислоты (ЭС=400,6 эВ, соответствующие атомы азота подчеркнуты) с содержанием азота 7,7 ат%, СН2ОН-(СНОН)4-С(О)-ИН-ИН-(О)С-(СНОН)4-СН2ОН, что хорошо согласуется с содержанием азота (6-7%) в маркированных образцах глюконата кальция.

Рис. 2. N1s-спектры маркированных гидразином исходных

(т=2 ч) образцов глюконата кальция I и III

ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННОМ АНАЛИЗЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВ ГЛЮКОНАТА КАЛЬЦИЯ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ

Спектры маркированного гидразином механоактивированного ГК I и II, кроме уже указанных линий, содержат также линию невысокой интенсивности с ЭС около 399,6 эВ, соответствующую азину [10], т.е., собственно, метке карбонильной группы (4) (в уравнении атомы азота в составе метки подчеркнуты). Поскольку, согласно расчетам по результатам маркирования, концентрация атомов углерода в составе карбонильной группы механоактивированных образцов составила не более 1 ат.%, соответствующая линия в Cls-спектре (ЭС=288 эВ) не была зафиксирована.

Аналогичным образом проведенное маркирование карбонильных групп образцов ГК III показало, что карбонильные группы отсутствовали в указанных образцах после механоактивации в течение как 2 ч, так и 16 ч.

Таким образом, селективная реакция маркирования карбонильных групп гидразином [3] при анализе механоактивированного глюконата кальция сопровождается протеканием побочного процесса образования гидразида, искажающего результаты анализа. Тем не менее оказалось возможным, проанализировав структуру Nls-спектра маркированного ГК, количественно выделить компонент, соответствующий меченой карбонильной группе.

Поскольку размер частиц ГК после размола достаточно мал [1], удельная площадь их поверхности, соответственно, велика. По всей вероятности, содержание С=0-групп в образцах могло бы быть достаточным для возможности их объемного определения при помощи альтернативных методик. Поэтому нами был проведен анализ карбонильных групп образцов механоактивированного ГК I и III методами аналитической химии. Применение двух методик объемного анализа [11], основанных на:

1) протекании реакции конденсации анализируемых карбонильных групп с хлоридом гидроксиламина в водном растворе и количественном определении образующейся соляной кислоты:

RR'C=O + H2NOH-HCl ^ RR'C=NOH + H2O + HCl,

где R, R' - алифатические радикалы.

2) гравиметрическом анализе нерастворимого гидразона карбонильного соединения в соответствии с уравнением:

RR'C=O + H2N-HNR'' ^ RR'C=N-HNR4 + H2O,

где R, R' - алифатические радикалы; R'' - 2,4-динитрофенил,

свидетельствовало о возможном наличии карбонильных групп в анализируемых образцах в количествах ниже предела их обнаружения данными методиками (порядка сотых долей процента).

ВЫВОД

Механоактивация глюконата кальция в течение длительного времени (2 и 16 ч) приводит к весьма незначительному появлению карбонильных групп на поверхности наночастиц в случае фармацевтического (таблетированного) ГК и практически не приводит к их появлению в случае химически чистого ГК. Это позволяет сделать заключение о практическом отсутствии термодеструкции ГК в процессе даже длительной механоактивации в шаровой планетарной мельнице Pulverizette-7.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коныгин Г.Н., Гильмутдинов Ф.З., Быстров С.Г., Карбань О.В., Дорофеев Г.А., Елсуков Е.П., Шаков А.А. и др. Механоактивированный лекарственный препарат кальция глюконат: рентгеноструктурные, микроскопические и рентгеноэлектронные исследования // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т.13, № 2. С.249-252.

2. Повстугар В.И., Шаков А.А., Михайлова С.С. и др. Разложение сложных рентгенофотоэлектронных спектров с помощью быстрого дискретного преобразования Фурье и улучшенной процедурой сходимости решения. Оценка применимости методики // Журнал аналитической химии. 1998. Т.53, №8. С. 795-799.

3. Gerenser L.J., Elman J.F., Mason M.G., Pochan J.M. E.S.C.A. Studies of Corona-Discharge-Treated Polyethylene Surfaces by Use of Gas-Phase Derivatization // Polymer. 1985. Vol.26, №8. P.1162-1166.

4. Beamson G. and Briggs D. High Resolution XPS of Organic Polymers. The Scienta ESCA300 Database. 1992. 582p.

5. NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://srdata.nist. gov/xps/EnergyTypeValSrch.aspx (дата обращения 09.2008).

6. Васильев Л.С., Ломаева С.Ф. особенности термодинамических ксловий реализации кинетических процессов в металлах при механосинтезе // Физика и химия обработки материалов. 2006. №6. С.75-84.

7. Каталитические свойства веществ / Справочник / Под общ. ред. ак. АН СССР В.В.Ройтера. Киев: Наукова думка, 1968. 1464 с.

8. Физер Л., Физер М. Органическая химия. Углубленный курс. М.: Химия. 1969. 471 с.

9. Labuschagne' F.J.W.J., Focke W.W. Metal Catalysed Intumescence: Characterisation of the Thermal Decomposition of Calcium Gluconate Monohydrate // Journal of Materials Science. 2003. Vol.38. P. 1249 - 1254.

10. Shakov A.A., Dorfman A.M., Mikhailova S.S., Lyakhovich A.M.. Specific Features of the Chemical Reaction of Carbonyl Groups with Hydrazine Accosting to the Data of X-Ray Photoelectron Spectroscopy // Journal of Analytical Chemistry. 2006. Vol. 61, №.12. P.1167-1171.

11. Сиггиа С., Ханна Дж.Г. Количественный органический анализ по функциональным группам. Пер. с англ. М.: Химия, 1983. 672 с.

APPLICATION OF THE SELECTIVE CHEMICAL REACTIONS IN THE X-RAY PHOTOELECTRON ANALYSIS OF THE GLUCONATE CALCIUM SURFACE POWDERS AFTER CONTINUOUS MECHANICAL ACTIVATION

Shakov A.A., Michailova S.S., Konygin G.N.

Physical-technical institute Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. X-ray photoelectron spectroscopy with selective chemical reactions was used to study calcium gluconate powders surface content after continuous mechanical activation. It was concluded that thermodestruction of the calcium gluconate does not occurred.

KEYWORDS: x-ray photoelectron spectroscopy, calcium gluconate, selective chemical reaction, hydrazine.

Шаков Анатолий Анатольевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории механоактивации органических систем ФТИ УрО РАН тел. (3412) 21-69-66, e-mail: uds@pti.udm.ru

Михайлова Софья Сергеевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории ультрадисперсных систем ФТИ УрО РАН

Коныгин Григорий Николаевич, кандидат физико-математических наук, и.о. зав. лаборатории механоактивации органических систем ФТИ УрО РАН