Методи за изчисляване на свободна енергия чрез молекулно моделиране: теория и приложения

Цветан Захариев, Анела Иванова*

Факултет по химия и фармация, Софийски университет “Св. Кл. Охридски”, бул. Дж. Баучер № 1, 1164 София, България

Резюме: Настоящият обзор има за цел да запознае читателите с методите, използвани при оценяването на свободна енергия с помощта на молекулни симулации. В рамките на изложението са разгледани теоретичните основи в тази област от теоретичната химия и физика. Дискутирани са техните главни предимства и недостатъци, както и източниците на грешки при оценките на термодинамичните потенциали с помощта на всеки от дефинираните подходи. Посочени са стратегиите, които позволяват оптимално оползотворяване на получените в рамките на молекулните симулации данни. Всяка от основните секции съдържа разработени примери за решаването на конкретна физикохимична задача с помощта на посочените по-горе алгоритми. В края са обобщени трите основни пункта, на които трябва да се обърне особено внимание при изчисляването на свободна енергия. Текстът може да бъде използван от химици, физици и биолози, които се опират на молекулни симулации в своите изследвания, включващи оценки на изменението в свободната енергия при протичане на различни процеси.

 Графично резюме

 GA_AIvanova

pdfBulg. J. Chem. 4 (2015) in press 

Ключови думи

, , , , , ,

Екометрична експертиза на качеството на водите в градския сектор на река Банщица

Михаела Йерусалимова1, Павлина Симеонова1*, Васил Ловчинов1, Антон Сотиров2

1 Лаборатория по физика на околната среда, Институт по физика на твърдото тяло “Акад. Г. Наджаков”, БАН, 1784 София,  Цариградско шосе 72, България; 2 Институт по минералогия и кристалография “Акад. И. Костов”, БАН, 1113 София, Акад. Г. Бончев , блок 107, България

Резюме: Целта на настоящото изследване е да демонстрира способността на екометричната експертиза при оценка на качеството на речни води. Чрез използване на кластерен анализ и анализ на главни компоненти за интерпретация на мониторингови данни от градския сектор на течението на река Банщица е показано, че поне четири основни антропогенни източници на замърсяване са отговорни за качеството на водите през летния сезон: незаконни сметища, строителни материали, повишена киселинност и изпускане на отпадни води в реката. За всеки от източниците е намерен специфичен маркер.

pdfBulg. J. Chem. 4 (2015) in press

Ключови думи

, ,

Интерпретация на аерозолни проби чрез кластерен анализ

Павлина Симеонова1, Данаил Симеонов2, Любомир Спасов3, Васил Симеонов4,*

1 Лаборатория по физика на околната среда, Институт по физика на твърдото тяло „Акад. Г. Наджаков”, БАН, Цариградско шосе 72, 1784 София, България; 2 Институт по обща и неорганична химия, БАН, Акад. Г. Бончев, Бл. 11, 1113 София, България; 3 Институт по катализ, БАН, Акад. Г. Бончев, Бл. 11, 1113 София, България; 4 Лаборатория по хемометрия и екометрия, Факултет по химия и фармация, Софийски Университет „Св. Кл. Охридски”, 1164 София, Д. Баучер 1, България

РезюмеДвадесет и шест набора от данни за разделени по размер аерозолни проби, събрани с колектор на Бернер от градска пробовземателна станция в град Солун, Гърция за периода февруари – юли 2007 г. са обект на изследването.  Пробите са анализирани за водоразтворими неорганични компоненти (Cl, NO3 SO42-, NH4+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+) и общ органичен въглерод (TOC). Десетте анализирани фракции (диаметър на частиците между 0.03-16 μm) са разделени условно на четири категории: наночастици (от по-малки от 0.03 μm до 0.06 μm); ултрафини частици (0.06-0.50 μm); фини частици (1-4 μm) и груби частици (8-16 μm). Осъществен е кластерен анализ на данните с цел разкриване на специфичната структура на данните. Идентифицирани са възможни източници на атмосферно замърсяване за откриване на образци на подобие между различните аерозолни фракции. Бе проверено дали периодът на пробовземане е от значение за структурата на данните. Бе намерено, че отговорни за структурата на данните са няколко фактора, независимо от размера на аерозола – минерален (почвен) прах, морски аерозоли, вторични емисии, горивни източници и индустриално влияние. Сезонното разделяне не се оказва специфично.

pdfBulg. J. Chem. 4 (2015) in press 

Ключови думи

, ,

Изследване на тоталните отрови на представители от семейство Viperidae – Vipera ammodytes ammodytes и Vipera ammodytes meridionalis

Веселин Василев1, Силвия Стойкова2,3, Яна Горанова3,4, Васил Атанасов2,3

1 Факултет по ветеринарна медицина, Лесотехнически университет, бул. “Климент Охридски” № 10, 1756 София, България; 2 Факултет по химия и фармация, Софийски университет „Св. Климент Охридски“, бул. “Джеймс Баучер” № 1, 1164 София, България; 3 Военномедицинска академия, Катедра Медицина на бедствените ситуации и токсикология, ул. “Св. Георги Софийски” № 3, 1606 София, България; 4 Самостоятелна медико-диагностична лаборатория „Рамус“ ООД, ул. “Ангиста” № 2-4, 1527 София, България

РезюмеЗмийските отрови представляват огромен и разнообразен източник на биологично активни компоненти. Те притежават качества със значима фармакологична и физиологична стойност. Уникално свойство на отровите е да взаимодействат с прицелен обект в живия организъм, което води до определен фармакологичен и токсичен ефект. По тези причини днес компонентите на много и различни видове отровни животни са подложени на разширено проучване по отношение на техния състав и свойства. Настоящoто изследване цели охарактеризиране на тоталните отрови (респ. съответната токсичност) от подвидовете Vipera ammodytes meridionalis и Vipera ammodytes ammodytes, като се направи сравнение между тях и техните биологични активности (хемолитична и коагулантна) върху кръв на различни селскостопански животни (кози, овце, крави и магарета), което е от значение за ветеринарномедицинската токсикология.

Графично резюме

GAStoykova-online

pdf

Bulg. J. Chem. 4 (2015) in press 

Ключови думи

, ,

Аналитични трудности и инструментални решения при определяне на фталати

Валентина Христова-Багдасарян*, Жулиета Тишкова

Национален център по обществено здраве и анализи, Дирекция „Обществено здраве и здравен риск“, бул. „Академик Иван Ев. Гешов“ №15, 1431 гр. София, България

РезюмеЕстерите на 1,2-бензолдикарбоновата киселина, често означавани като фталати, образуват група от съединения, които се добавят към полимерите главно като пластификатори, но имат и многобройни други области на приложение (лепила, бои, филми, медицина, козметика). Годишното производство на фталати се оценява от Световната здравна организация на близо 8,0 милиона тона. Фталатите не са химически свързани с крайните продукти, към които са добавени и се освобождават в околната среда с течение на времето. При проучвания върху животни, фталатите са били определени като ендокринни разрушители, предизвикващи редица симптоми с общо название „фталатен синдром“, най-вече заради тяхното въздействие върху мъжката репродуктивна система. През последните 20 години е налице нарастваща загриженост за широкото разпространение и токсичността на тези съединения. Диалкилфталатите се анализират директно чрез капилярна газова хроматография, докато моноестерите предварително се дериватизират. Моноестерите на фталовата киселина се анализират добре и с течна хроматография. Мас-спектралната идентификация е от съществено значение във всички анализи на фталати.

Основният проблем при анализа на фталати е свързан с повсеместното им разпространение, което може да замърси провеждания анализ и да доведе до фалшиви положителни или по-високи от реалните резултати. Рискът от замърсяване присъства в цялата аналитична схема, което изисква фокусиране на вниманието върху всички възможни източници на замърсяване и прилагане на ефикасни съвременни техники за максималното им отстраняване.

Графично резюме

GA-online

pdf

Bulg. J. Chem. 4 (2015) in press 

Ключови думи

, , ,

Комбиниран изчислителен протокол за пресмятане на ЯМР химични отмествания на аминокиселини

Гергана Гочева, Анела Иванова*

Факултет по химия и фармация, Софийски университет “Св. Кл. Охридски”, бул. Дж. Баучер № 1, 1164 София, България 

Резюме: ЯМР спектроскопията предоставя важна информация за различни химични съединения. С помощта на 1H и 13C ЯМР химични отмествания може да се определя структурата им. Тази техника е особено важна за пептидната химия – помага за идентифициране на свързването на аминокиселините в протеините, за изследване на динамиката на техни химични реакции и др. Удачен подход за подпомагане на интерпретацията на експерименталните ЯМР спектри е пресъздаването им с помощта на квантовохимични изчисления. За целта е необходимо да се разработи подходяща методика както за коректно възпроизвеждане на експерименталните спектри, така и за самостоятелното използване на изчисленията като източник на данни в дадено изследване. Конкретната цел на настоящата работа е да се изчислят 1H и 13C ЯМР химичните отмествания на набор от природни аминокиселини, като се определят факторите, от които зависят. Използвана е комбинация от квантови (DFT) и класически (молекулна механика) методи. Отчетено е влиянието на пространствената структура, наличието на разтворител, параметрите на силовото поле и разпределението на електронната плътност. Установено е, че пресметнатите стойности зависят силно от коректното моделиране на условията на експеримента (конформационно осредняване, цвитерйонна форма) и по-малко се изменят при вариране на молекулно-механичните параметри. Експерименталните ЯМР химични отмествания на всички аминокиселини са възпроизведени със задоволителна точност, сравнима и с тази на други теоретични подходи.

Графично резюме

GA1410

pdf

Bulg. J. Chem. 4 (2015) in press 

Ключови думи

, , ,

Обща химия

Obshta himiq-online-225Четвъртото преработено и допълнено издание на учебникът „Обща химия” с автор проф. Елена Киркова представя фундаменталните теории и общоприети концепции в химията и с тяхна помощ разкрива строежът на микро- и макросистемите. Разгледани са основите на химичната термодинамика и кинетика, същността и значението на окислително-редукционите процеси. Обяснени са различните видове физични методи, прилагани за изследване на неорганичните вещества. На базата на периодичната система са представени данни за различни физикохимични величини, а с помощта на периодичния закон са направени корелации между някои от тях. Подробно са изложени принципът на неопределеността, концепцията на Полинг за хибридизация на атомните орбитали, както и стереохимичната теория на Гилеспи за отблъскване на валентните електронни двойки.

Всяка глава е придружена от задачи, които служат за проверка на усвоените знания, формират у студентите умения за научно-творческо мислене, способност да анализират определен усвоен материал и да боравят с различни таблични данни. Посочена е допълнителна литература от обзори, монографии и статии, а в края на книгата са поместени именен и предметен указател.

Изданието е основен университетски курс, предназначен за студенти по химия и сродните й специалности.

Рефрактомeтрия на оптични полимери

refractometriq-onlineВ монографията „Рефрактометрия на оптични полимери” авторите обобщават резултатите от изследвания върху оптичните свойства на полимерите, представени в редица публикации у нас и в чужбина. Съдържанието на книгата е разпределено в шест глави, в които е представено оптикофизичното охарактеризиране на полимерни материали, предназначени за полимерна и хибридна оптика. Изследвани са основни полимери, запазени марки и нови материали. Представени са класическите и новите рефрактометрични методи, използвани за измерване на обемни полимери и полимерни филми, определянето на дисперсионните им и други оптични характеристики, както и влиянието на температурата. Извършен е сравнителен анализ с оптични стъкла и са предложени примери за оптичен дизайн на полимерна и хибридна оптика. Разгледани са микро и нанометрологията на полимерните материали. Предложени са методики за изследване на обемни и тънкослойни полимерни образци, филми и разтвори. Обоснована е метрологичната точност на резултатите, грешките и неопределеностите при провеждане на лабораторни измервания и обработката на експериментална информация.

Монографията е предназначена за квалифицирани читатели, метролози, специалисти в областта на физиката и химията на полимерите, оптичната метрология, както и за студенти и докторанти, които провеждат изследвания и експериментални измервания на оптични материали и среди.

Масспектрометрията в контекста на омикс технологиите: основен инструмент за бионеорганичния анaлиз на растения

Крум Бърдаров*, Румяна Джингова

Факултет по химия и фармация, Софийски университет „Св. Климент Охридски“,
бул. Джеймс Баучер № 1, 1164 София, България

РезюмеПрез последните две десетилетия се обособи и бързо се разви нов подход на третиране и изследване на живите организми – “omics”-подходът (например genomics, proteomics, metabolomics, metalomics). В контекста на това ново направление и погледът към елементния състав на живите организми претърпя еволюция. Елементният анализ на растенията в последното десетилетие все повече се насочва към изясняване не само на качествения и количествен състав, но и към изясняване на връзката между елементен състав и физиологията на организма, бионеорганичните и биоорганични взаимодействия на елементите в него. Широко навлезлите масспектрални техники дават големи възможности за комплексно изследване на химичния състав на тъканите. Това насочва интереса на аналитиците по-скоро към елементната специация (разпределението на елементите в организма и химичните форми под които те се намират в него) и анализът на хетероелементите в техните свързани форми в организма in-vivo. За целта е необходимо значително по-сериозно внимание при планиране на експериментите, с използване на сложни комбинации от техники, преди всичко с масспектрални инструменти. Настоящата обзорна работа цели да обобщи по- често използваните масспектрални и комбинирани („hyphenated techniques”) техники при анализ на елементите в техните свъразни форми и разпределение (елементна специация) в растителни тъкани. Разгледани са EI, CI, ESI, ICP масспектрометрия и комбинацията им с някои от хроматографските и нехроматографски (LA, MALDI, SIMS) методи за разделяне.

Графично резюме

GA1408

pdfBulg. J. Chem. 3 (2014) 111-124 

Ключови думи

, , , ,

Нива на манган в урина и нокти – информативна стойност и приложимост като биомаркери за експозиция

Росица Б. Георгиева1,*, Димитър Л. Цалев2

1 Национален център по обществено здраве и анализи, бул. Акад. Ив. Евст. Гешов № 15, 1431 София, България; 2 Софийски университет „Св. Кл. Охридски”, Факултет по химия и фармация, бул. Дж. Баучер № 1, 1164 София, България

РезюмеМанганът е есенциален микроелемент, но при високи дози оказва невротоксично действие. Валидирани аналитични процедури за определяне на манган в урина (Mn-U) и нокти (Mn-N)са приложени за биологичен контрол на експозицията при 149 работници от стоманодобива и 179 деца от с. Яна, район МК Кремиковци. Установено е, че средните стойности на Mn-U се увеличават при технологичния персонал –стомановари (1.6±1.3 μg/l) и разливчици (1.4±1.3 μg/l). Концентрациите на Mn-N са най-високи при стомановарите на манганова стомана (3.8±1.3 μg/g), подложени на наднормена експозиция в работната среда. Стойностите на Mn-N при всички възрастови групи деца: 11.0±1.3 μg/g (3–6 г.), 10.7±1.0 μg/g (7–9 г.); 11.7±1.1 μg/g (10–12 г.) и 7.5±0.5 μg/g (13–15 г.) са достоверно повишени спрямо контролната група (0.5±0.2 μg/g), а индивидуалните стойности варират в широк интервал 1.0–43.8 μg/g. Mn-U и Mn-N показват възможност за приложение като биомаркери за експозиция: Mn-U за оценка на непосредствената експозиция на групово ниво, при високи концентрации на метала във въздуха на работната среда; Mn-N за нивото на индивидуалната и групова вътрешна експозиция преди 6−8 месеца, дори при умерено повишени концентрации във въздуха на работната среда – около и над 0.1 mg/m3, както и при експозиция от замърсена околна среда.

Графично резюме

GA1411

pdf Bulg. J. Chem. 3 (2014) 101-109 

Ключови думи

, , , ,

Хемометрично разпознаване на биогорива чрез използване на профилите на метилови естери на мастните им киселини

Зилия Мустафа1, Румяна Милина1, Павлина Симеонова2, Васил Симеонов3

1Централна Изследователска лаборатория, Факултет по природни науки, Университет „проф. д-р А. Златаров”. Бул. Проф. Якимов 1, 8010 Бургас; 2Лаборатория по физика на околната среда, Институт по физика на твърдото тяло „Акад. Г. Наджаков”, БАН, бул. Цариградско шосе 72, 1178 София; 3Лаборатория по хемометрия и екометрия, Катедра Аналитична химия, Факултет по химия и фармация, Софийски университет „Св. Кл. Охридски, бул. Дж. Баучер 1, 1164 София 

Резюме: Настоящото изследване е начален опит за приложение на хемометрична експертиза към набор от данни от хроматографски анализ на различни източници на биогорива, при използване на профилите на метиловите естери на техните мастни киселини. Използвани са кластерен анализ и анализ на главни компоненти за създаване на специфични образци за всяко едно от растенията, използвани в изследването. Доказани са три основни профила на биогорива, след което е направен опит за коректно разпознаване на принадлежността на неизвестни по произход проби биогориво към някой от получените класове. 

Графично резюме

GA1409

pdf Bulg. J. Chem. 3 (2014) 95-100     pdf Supporting information

Ключови думи

, , , , ,

Атомистични водни модели

Яна Цонева, Аля Таджер*

Факултет по Химия и фармация, Софийски университет „Св. Климент Охридски”, бул. Джеймс Баучър 1, 1164 София, България

Резюме: Водата често се възприема като нещо просто и обикновено, тъй като тя няма цвят, мирис, вкус и е широко разпространена. Това е най-простото съединение на два от най-реактивоспособните елементи – водород и кислород. Поради това има само няколко молекули, които са по-малки или по-леки от нея. Въпреки това, течната вода е най-удивителното вещество. Тя е основна причина за съществуването на живот на нашата планета и е неразделна част от природата, ежедневието, технологиите и самите нас. Поради важността си, водата от години е най-изследваното съединение. Тя проявява редица аномалии в своите физикохимични характеристики, което прави нейното детайлно описание и интерпретация изключително трудно, тъй като знанията за взаимодействията между самите водни молекули са все още непълни и недостатъчни.

Теоретичната химия предлага възможности за проучване на водното поведение, но за целта е необходимо разработване на модел на водната молекула, който да отговаря на множество изисквания – да възпроизвежда свойства свързани с енергетиката, структурирането и динамиката на водата и да е валиден за възможно най-голям брой точки от фазовата ѝ диаграма. В представената работа е направено обобщение на основните видове атомистични молекулно-механични водни модели, които се използват в днешно време, като са класифицирани според това дали и как включват поляризуемостта на водната молекула.

Графично резюме:

GA-1406-online

pdfBulg. J. Chem. 3 (2014) 65-93

Ключови думи

, , ,

Профил на токсични елементи в български медицински растения

Екип от български учени разработи и публикува профили за съдържанието на токсични метали в избрани български медицински растения, използвани при получаването на различни продукти, сред които и стандартизирани екстракти. Посредством атомноемисионна спектрометрия с индуктивносвързана плазма е анализирано съдържанието на Fe,Ni, Mn, Cr, Co, Cd, Cu, Zn и Pb в растенията и съответните им почви. Проведеният скрийнинг също има за цел сравняването на способността за акумилиране на метални йони в папрати и семенни растения, както и установяването на корелации между съдържанието на метали в растенията и техните почви. Обобщените резултати показват, че съдържанието на токсични метали варира в широк диапазон, в зависимост от географския регион. Концетрациите на Fe и Ni са по-високи, докато тези на Cu, Zn и Pb са близки до средните стойности. Най-високите концентрации за почти всички елементи са измерени в два вида Тeucrium, аспецифични разлики в акумулирането на метали между папрати и семенни растения не се наблюдават. Изследваните видове не са хиперакумулатори, но могат да акумулират токсични елементи, превишавайки допустимите нива в някои случаи. Получените резултати показват, че контролът на качеството на медицински растения и билкови материали използвани в традиционната медицина и фармацията е важен момент при защита от натравяне и рискове за здравето на потребителя.

Оригинална статия: D. Pavlova, I. Karadjova, Toxic Element Profiles in Selected Medicinal Plants Growing on Serpentines in Bulgaria. Biol. Trace Elem. Res.156 (2013) 288-297.

Заредена повърхност, кондензатор и Галвани потенциал в квадруполна среда

Радомир И. Славчов*, Иглика М. Димитрова

Катедра по физикохимия, Факултет по химия и фармация, Софийски университет „Св. Климент Охридски”, бул. „Дж. Баучър” №1, София 1164

Резюме: Разгледани са няколко следствия от макроскопските уравнения на Максуел в квадруполна среда при плоска симетрия. Първият изследван проблем е този за заредена повърхност в квадруполна среда. Изведени са необходимите гранични условия върху повърхността. Оказва се, че наличието на квадруполни членове в уравнението на Кулон води до регуляризация на потенциала – полето при заредена повърхност става непрекъсната функция. Аналогична регуляризация се оказва налична и при задачата за безкрайно тънък кондензатор – вместо класическия скок на потенциала, в квадруполна среда подобен диполен слой създава непрекъснат потенциал, а полето му се разпространява на няколко ангстрьома разстояние извън стените на кондензатора. Изследвана е още и задачата за потенциала при междуфазова граница между две квадруполни среди; източници на този потенциал са нормалният диполен момент PzS на междуфазовата граница и Галвани потенциалът на двете обемни фази. Полученото поле силно се различава от класическото решение на уравнението на Поасон-Болцман и показва някои съвършено нови свойства, без аналог в класическата електростатична теория. Най-забележителното от тях е, че безкрайно разреден воден електролитен развор в контакт с хидрофобна фаза има значителен отрицателен повърхностен потенциал,свързан просто с диполния момент на повърхността: φS = PzSε, където Δε е разликата в диелектричните проницаемости на двете среди.

Графично резюме:

GA-Slavchov

pdf

 Bulg. J. Chem. 3 (2014) 51-62

Ключови думи

, , , , , ,