Компьютерное квантово-химическое моделирование стабилизации основного карбоната магния молекулами биополимеров
https://doi.org/10.37493/2307-910X.2024.2.4
Аннотация
В рамках данной работы проведено компьютерное квантово-химическое моделирование стабилизации основного карбоната магния молекулами биополимеров: гидроксиэтилцеллюлозой, метилцеллюлозой, хитозаном и гиалуроновой кислотой. Моделирование проводилось посредством соединения основного карбоната магния и биополимера через атом магния и различные функциональные группы, соответственно. В результате анализа данных, полученных в ходе компьютерного квантово-химического моделирования, установлено, что стабилизация основного карбоната магния биополимерами является энергетически выгодной (∆E > 736 ккал/моль) и химически стабильной (0,034 ≤ η ≤ 0,075 эВ). Также определена оптимальная конфигурация взаимодействия основного карбоната магния с каждых биополимеров. В результате установлено, что стабилизация основного карбоната магния хитозаном, в случае которой взаимодействие происходит через гидроксильную группу, присоединённую к C3 остатка глюкозамина, обладает оптимальными значениями разницы энергии (∆E = 736,224 ккал/моль) и химической жёсткости (η = 0,059 эВ) по сравнению с другими биополимерами.
Ключевые слова
При поддержке: исследования проведены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект FSRN-2023-0037).
Об авторах
А. В. Блинов
Северо-Кавказский федеральный университет
Россия
Россия
Андрей Владимирович Блинов – кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой физики и технологии наноструктур и материалов, физико-технический факультет
г. Ставрополь
А. А. Гвозденко
Северо-Кавказский федеральный университет
Россия
Россия
Алексей Алексеевич Гвозденко – ассистент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов, физико-технический факультет
г. Ставрополь
А. Б. Голик
Северо-Кавказский федеральный университет
Россия
Россия
Алексей Борисович Голик – ассистент кафедры физики и технологии наноструктур и материалов, физико-технический факультет
г. Ставрополь
М. А. Колодкин
Северо-Кавказский федеральный университет
Россия
Россия
Максим Андреевич Колодкин – заведующий учебно-лабораторным комплексом кафедры физики и технологии наноструктур и материалов, физико-технический факультет
г. Ставрополь
М. А. Пирогов
Северо-Кавказский федеральный университет
Россия
Россия
Максим Александрович Пирогов – студент 4 курса бакалавриата кафедры физики и технологии наноструктур и материалов, физико-технический факультет
г. Ставрополь
Список литературы
1. Gatoo M. A. et al. Physicochemical properties of nanomaterials: implication in associated toxic manifestations // BioMed research international. 2014. Vol. 2014. P. 1–8.
2. Nelwamondo A. M. et. al. Biosynthesis of magnesium oxide and calcium carbonate nanoparticles using Moringa oleifera extract and their effectiveness on the growth, yield and photosynthetic performance of groundnut (Arachis hypogaea L.) genotypes // Heliyon. 2023. No. 9. P. 19419.
3. Douglas T. E. L. et al. Enzymatic, urease‐mediated mineralization of gellan gum hydrogel with calcium carbonate, magnesium‐enriched calcium carbonate and magnesium carbonate for bone regeneration applications // Journal of tissue engineering and regenerative medicine. 2017. Vol. 11. No. 12. P. 3556–3566.
4. Douglas T. E. L. et al. Stabilization of amorphous calcium carbonate with nanofibrillar biopolymers // Advanced Functional Materials. 2012. Vol. 22. No. 16. P. 3460–3469.
5. Воробьёв А. Д. и др. Влияние химической структуры карбоксилсодержащих полимеров на морфологию осадков и устойчивость дисперсий карбонатов // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2023. Т. 67. № 2. С. 111–118.
6. Butler M. F. et al. Calcium carbonate crystallization in the presence of biopolymers // Crystal growth & design. 2006. Vol. 6. No. 3. P. 781–794.
7. Butler M. F. et al. Hollow calcium carbonate microsphere formation in the presence of biopolymers and additives // Crystal Growth and Design. 2009. Vol. 9. No. 1. P. 534–545.
8. Шестак И. В. и др. Полиакриловая кислота и композиции на ее основе для ингибирования осадкообразования в водооборотных системах // Журнал прикладной химии. 2009. Т. 82. № 10. С. 1742–1745.
9. Шестак И. В. и др. Особенности формирования осадков карбонатов кальция и магния в растворах полиэтиленгликоля // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наук. 2011. № 2. С. 13–18.
10. Stefánsson A. et al. Magnesium bicarbonate and carbonate interactions in aqueous solutions: An infrared spectroscopic and quantum chemical study // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2017. Vol. 198. P. 271–284.
11. Versluis P., Popp A. K., Velikov K. P. Interaction between biopolyelectrolytes and sparingly soluble mineral particles // Langmuir. 2011. Vol. 27. No. 1. P. 83–90.
12. Payne S. R, Heppenstall-Butler M., Butler M. F. Formation of thin calcium carbonate films on chitosan biopolymer substrates // Crystal growth & design. 2007. Vol. 7. No. 7. P. 1262–1276.
13. Azulay D. N., Abbasi R., Ben Simhon Ktorza I. et al. Biopolymers from a bacterial extracellular matrix affect the morphology and structure of calcium carbonate crystals // Crystal Growth & Design. 2018. Vol. 18. No. 9. P. 5582–5591.
14. Проказников М. А. и др. Функционализация хитозана взаимодействием с ароматическими альдегидами // Вестник Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Серия Естественные и технические науки. 2012. № 3. С. 72–78.
15. Nasatto P. L., Pignon F., Silveira J. L. Methylcellulose, a cellulose derivative with original physical properties and extended applications // Polymers. 2015. Vol. 7. No. (5). P. 777–803.
16. Королевич М. В., Адрианов М. В. Метод и результаты теоретического анализа спектроструктурных корреляций производных моносахаридов и брассиностероидов // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-матэматычных навук. 2013. № 2. С. 96–103.
17. Сигаева Н. Н., Колесов С. В., Назаров П. В., Вильданова Р. Р. Химическая модификация гиалуроновой кислоты и ее применение в медицине // Вестник Башкирского университета. 2012. Т. 17. № 3. С. 1220–1241.
18. Блинов А. Р. и др. Компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия наночастиц селена с четвертичными аммониевыми соединениями // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 357–366.
19. Epifanovsky E. et al. Software for the frontiers of quantum chemistry: An overview of developments in the Q-Chem 5 package // The Journal of Chemical Physics. 2021. Vol. 155. No. 8.
20. Shao Y. et al. Advances in molecular quantum chemistry contained in the Q-Chem 4 program package // Molecular Physics. 2015;113(2):184–215.
21. Блинова А. А. Определение оптимальной конфигурации молекулярной системы «наночастицы силиката марганца-незаменимая аминокислота» // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 940–949.
22. Blinov A. V. et al. Modeling of the formation of triple complexes of the essential trace element iron with riboflavin and essential amino acids // Modern Science and Innovations. 2023. No. 3 (43). P. 108–116.
Рецензия
Для цитирования:
Блинов А.В., Гвозденко А.А., Голик А.Б., Колодкин М.А., Пирогов М.А. Компьютерное квантово-химическое моделирование стабилизации основного карбоната магния молекулами биополимеров. Современная наука и инновации. 2024;(2):37-47. https://doi.org/10.37493/2307-910X.2024.2.4
For citation:
Blinov A.V., Gvozdenko A.A., Golik A.B., Kolodkin M.A., Pirogov M.A. The computer quantum chemical modeling of basic magnesium carbonate stabilized by biopolymers. Modern Science and Innovations. 2024;(2):37-47. (In Russ.) https://doi.org/10.37493/2307-910X.2024.2.4
Просмотров:
91
Послать статью по эл. почте 