Нелинейная динамика и математическое моделирование процессов гомогенного окисления лейкорибофлавина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Гаджибалаева, Зарият Маликовна

• Гаджибалаева, Зарият Маликовна
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Гаджибалаева, Зарият Маликовна

ВЕДЕНИЕ.

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Свойства, физиологическое действие и применение рибофлавина.

1.2. Окислительно-восстановительные процессы с участием рибофлавина.

1.3. Методы качественной оценки протекания химических реакций в колебательном режиме.

1.4. Особенности моделирования кинетики и количественной оценки параметров процессов окисления биосубстратов в колебательном режиме.

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Растворы и реагенты.

2.2. Регистрация колебаний.

2.2.1. Изучение влияния концентрации реагента.

2.2.2. Изучение влияния концентрации катализатора.

2.2.3. Изучение влияния рН.

2.2.4. Изучение влияния температуры.

2.3. Результаты эксперимента.

2.3.1 Результаты по влиянию концентрации реагента.

2.3.2. Результаты по влиянию концентрации катализатора.

2.3.3. Результаты по влиянию рН.

2.3.4. Результаты по влиянию температуры.

Глава III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАМ 3.1. Анализ временных рядов.

3.1.1. Анализ Фурье-преобразования временного ряда.

3.1.2. Построение фазовых портретов.

3.1.3. Определение размерностей фазового пространства и аттрактора

3.1.4. Вычисление характеристических показателей Ляпунова и энтропии Колмогорова-Синая.

3.1.5. Анализ флуктуаций концентраций на основе метода фликкер-шумовой спектроскопии.

3.2. Составление и анализ математической модели кинетических закономерностей протекающих процессов.

3.2.1. Обобщенный алгоритм математического моделирования кинетики сложных реакций.

3.2.2. Качественный анализ математической модели.

3.2.3. Численное интегрирование математической модели окисления лейкорибофлавина в колебательном режиме.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейная динамика и математическое моделирование процессов гомогенного окисления лейкорибофлавина»

Актуальность работы. Многие окислительно-восстановительные реакции с участием простейших биосубстратов и оксигенированных комплексов переходных металлов протекают в колебательном режиме. Не является исключением и окислительно-восстановительные процессы с участием рибофлавина ([7,8-диметил-10-(1 '-В-рибитил)изоаллоксазин], витамин В2), который является предшественником флавиновых коферментов, входящих в большое число важнейших окислительно-восстановительных ферментов. Важно то, что, наряду с участием витамина В2 в протекании различных биохимических процессов, он поддерживает в живом организме в восстановленном состоянии гемоглобин, который является природным переносчиком молекулярного кислорода. Поэтому исследование окислительно-восстановительных процессов в системе рибофлавин -оксигенированные комплексы переходных металлов в жидкофазной среде с целью обнаружения критических явлений при их протекании представляется целесообразным.

Исследование колебательных реакций, являющихся проявлением процессов самоорганизации и синергетики в химических системах, предусматривает применение комплексного подхода, особая роль в котором отводится установлению типа динамики протекающих процессов с определением её основных параметров и математическому моделированию кинетических закономерностей протекающих процессов.

Поэтому проведение исследований, связанных с возникновением химических неустойчивостей и формированием диссипативных структур, разработкой принципов стационарной кинетики, и определением особенностей динамики протекающих процессов, являются актуальными для современной физической химии.

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании химических осцилляций, возникающих при жидкофазном окислении лейкорибофлавина К) в присутствии оксигенированных комплексов 4 железа (II) {Feii022+, cat) с диметилглиоксимом {DMG) и бензимидазолом (.BIA) и разработке обобщенного алгоритма математического моделирования кинетики сложных реакций.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- выявлены условия реализации химических осцилляций в системе лейкорибофлавин — оксигенированные комплексы железа (II);

- установлены особенности динамики протекающих процессов на основе анализа временных рядов с определением размерностей фазового пространства и аттрактора, вычисления характеристических показателей Ляпунова и энтропии Колмогорова - Синая (КС - энтропии), а также используя принципы фликкер-игумовой спектроскопии;

- обоснован механизм протекающих реакций и составлена математическая модель в виде системы из трех обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений;

- разработан обобщенный алгоритм математического моделирования кинетики сложных реакций, пригодный для всех типов сложных реакций, в том числе для химических систем с колебательными реакциями;

- проведены качественный анализ и численное решение математической модели с установлением возможности и типа бифуркации, а также условий, при которых она имеет колебательное решение.

Объектами исследования явились гомогенные химические системы, в которых протекают окислительно-восстановительные процессы с участием лейкорибофлавина и оксигенированных комплексов железа (II) с DMG и BIA.

Методы исследования. Исследование протекающих процессов и эволюции системы проводили в неперемешиваемом реакторе в виде регистрации потенциала точечного платинового электрода (S = 1 мм2) относительно хлорсеребряного, однозначно связанного с изменением соотношений концентраций окисленных и восстановленных форм компонентов в реакционной смеси в течение времени.

С целью выяснения особенностей реализации критических явлений и анализа полученных экспериментальных результатов использованы: дискретное преобразование Фурье, реконструкция динамики системы по временной последовательности данных, вычисление показателей Ляпунова и КС - энтропии, фликкер-шумовая спектроскопия, математическое моделирование кинетических закономерностей протекающих процессов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- исследованы новые окислительно-восстановительные реакции, протекающие в колебательном режиме, и определена область их существования;

- на основе использования интегральной корреляционной функции аттрактора определены размерности фазового пространства и аттрактора;

- используя значение размерности аттрактора, а также результаты Фурье анализа временного ряда, установлены реализуемые типы колебаний в рассматриваемой системе;

- для различных динамических режимов вычислены значения показателей Ляпунова и КС - энтропии;

- проведен анализ флуктуаций значений потенциала методом фликкер-шумовой спектроскопии;

- обоснованы и составлены кинетические схемы исследуемых процессов и их математическая модель в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений нелинейного типа;

- разработан универсальный алгоритм математического моделирования сложных химических реакций;

- в результате качественного анализа и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений установлены концентрационные пределы реагента и катализатора, при которых реализуются химические осцилляции.

Теоретическая и практическая значимость. Получены экспериментальные результаты по исследованию новых автоколебательных химических реакций в системе, содержащей рибофлавин и комплексы железа (II) с ИМО, В1А и молекулярным кислородом.

Теоретическая значимость исследования определяется разработкой нового обобщенного алгоритма математического моделирования химической кинетики сложных реакций, а также использованием комплексного подхода к изучению динамики колебательных процессов, лежащих в основе реакций каталитического окисления биосубстратов.

Результаты проведенных в работе исследований представляют определенный интерес не только для химиков и физико-химиков, но и для представителей других наук; подходы, предложенные в работе, могут быть использованы при исследовании сложных реакций различной физико-химической природы, в которых проявляются эффекты самоорганизации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты по исследованию новых автоколебательных химических процессов, реализующихся в системе лейкорибофлавин -оксигенированные комплексы железа (II).

2. Результаты по анализу динамики процессов на основе комплексного подхода, включающего Фурье- и фликкер-шумовую спектроскопию, реконструкцию динамики систем по временному ряду, вычисления показателей Ляпунова и энтропии Колмогорова-Синая.

3. Кинетические схемы исследуемых процессов и их математическая модель в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений нелинейного типа.

4. Обобщенный алгоритм математического моделирования кинетики сложных реакций.

5. Результаты качественного анализа и численного интегрирования систем дифференциальных уравнений.

Личный вклад автора. Лично автором экспериментально установлены условия реализации колебательного режима в системе лейкорибофлавин -оксигенированные комплексы железа (И). Обсуждение результатов проведено совместно с руководителем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: IV Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2008-MKXT» (Москва, 2008), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), III Всероссийской научной конференции по физико-химическому анализу (Махачкала, 2007), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы математики» (Махачкала, 2006), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии и материаловедения» (Махачкала, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, нефтехимии: наука, образование, производство, экология» (Махачкала, 2008), конференциях профессорско-преподавательского состава Дагестанского госуниверситета (Махачкала, 2006-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статьей, 13 материалов и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 118 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав и выводов, иллюстрирована 21 рисунками, содержит 7 таблиц и список используемой литературы из 141 наименований работ.