Oszcilláló kémiai reakciók tervezése komplex- és csapadékképződési egyensúlyok alkalmazásával
Angol cím
Systematic design of chemical oscillators using complexation and precipitation equilibria
magyar kulcsszavak
oszcilláló kémiai reakciók
angol kulcsszavak
oscillatory chemical reactions
megadott besorolás
Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők
Horváth Viktor Orbán Miklós
projekt kezdete
2006-02-01
projekt vége
2011-06-30
aktuális összeg (MFt)
8.500
FTE (kutatóév egyenérték)
3.86
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
Az oszcilláló, vagy időben periodikus kémiai reakciók kutatása alapvető jelentőségű a nemlineáris kémiai dinamikán alapuló u.n. „egzotikus kémiai jelenségek” törvényszerűségeinek molekuláris szintű megismerésében. Kutatócsoportunk évtizedek óta sikeresen állít elő új oszcilláló kémiai rendszereket. A jelenleg ismert összes oldatfázisú oszcilláló rendszer mechanizmusa a redoxi kémiára épül. Koncentráció oszcillációt ezidáig laboratóriumban csak azokkal az elemekkel tudtunk létrehozni, amelyek több stabil oxidációs állapotban léteznek. Számos biológiai példa bizonyítja, hogy pl. a Ca2+, Mg2+, K+, Na+, stb., amelyeknek oldatfázisban csak 1 stabil oxidációs számuk van, élő szervezetekben résztvesznek periodikus folyamatokban. Igény és kihívás olyan kémiai rendszerek létrehozása és tanulmányozása amelyekkel a sokkal bonyolultabb, de hasonló törvényszerűségek szerint lejátszódó biológiai oszcillációk modellezhetők. Kidolgoztunk és a Nature 2005. január 13-i számában közöltünk egy módszert, amely elvi lehetőséget kínál ionpulzusok előállítására a redoxifolyamatokban részt venni nem képes ionokkal. A módszer alapját képező elv az élő szervezetekben előforduló Ca2+, K+, Cl-, stb. oszcillációk mechanizmusának egyik lehetőségét szolgáltatja. Pályázatunk célja anyagi támogatás elnyerése ahhoz, hogy a módszerünk teljesítőképességét az ionok és vegyületek széles skáláján kipróbálhassuk.
angol összefoglaló
Studies of the periodic chemical reactions are of prime importance in order to understand the „exotic chemical phenomena” at molecular level. Our research team has already produced many new oscillating chemical reactions. The mechanism of all known oscillators is based on redox chemistry and no oscillators exist so far in which the concentration of elements, having only one stable oxidation state, would oscillate. However, many biological examples prove that such ions (e.g. Ca2+, Mg2+, K+, Na+, etc.) can participate in periodical processes in living systems. It is a demand and challenge to produce chemical oscillatory systems which are capable of mimic the more complex biological oscillators. To reach this goal a method was developed and published recently in Nature (January 13, 2005) that makes it possible to induce oscillations in the concentration of ions that possess only a single oxidation state. The principle of the method provides a kind of mechanism by which periodic behavior may arise in biological systems. This proposal asks for financial support to test the efficiency of our design method using a wide range of chemicals in order to give rise to many new oscillatory systems.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Az általunk korábban (Nature, 2005) javasolt módszer szisztematikus alkalmazásával jelentősen kibővítettük a periodikus kémiai folyamatokban részt venni képes elemek számát. A módszerrel, amely egy ismert (primer) pH-oszcillátor és a célelemet magába foglaló pH-érzékeny komplex-, vagy csapadékképződéses egyensúly összekapcsolásán alapul, bizonyos feltételek teljesülése esetén megvalósítható a nem-redox tulajdonságú kationok és anionok koncentrációjának indukált oszcillációja. pH-oszcillátorok és egyensúlyi reakciók sok variációját próbáltuk ki. Ennek kapcsán előállítottuk a Ca2+, Al3+, F– oszcillátorokat, amelyekben primer oszcillátorként a bromát–szulfit–ferrocianid és a bromát–szulfit–mangán(II) CSTR pH-oszcillátorokat, egyensúlyi folyamatként a Ca2+ +EDTA, Al3+ +H2O és Al3+ +F– reakciókat használtuk. Az eredeti módszer kis módosításával megvalósítottuk a szulfit-csapadékokat képező kétértékű kationok, a Cd2+, Ca2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ koncentráció oszcillációját. Az indukált ion-oszcillátorokkal térben periodikus mintázatok (pl. Ca2+ hullámok) előállítását célzó munkánkban komoly előrelépésként tekinthető, hogy az előző példákban említett CSTR pH-oszcillátorokat zárt rendszerben is működő formába tudtuk átalakítani, sokkal reálisabbá téve a kitűzött cél elérését. A nem-redox tulajdonságú ionok koncentráció oszcillációjának laboratóriumi előállítása egy lehetséges mechanizmusát képezheti a vegyértékváltásra nem képes ionok biológiai folyamatokban kimutatott oszcillációjának.
kutatási eredmények (angolul)
Using the method developed by us earlier (Nature, 2005) to generate oscillations in the concentration of elements possessing only a single stable oxidation state in solutions, we were successful with significantly extend the number of elements that are capable of participating in periodical chemical processes. To bring about oscillatory behavior of non-redox ions we coupled a known (primer) pH-oscillator to pH-sensitive complexation or precipitation equilibria in which these ions participate. After testing many variations high amplitude oscillations in the concentration of Ca2+, Al3+ and F– ions were induced when the Ca2+ + EDTA, the hydrolysis of Al3+ and the Al3+ + F– reactions, respectively were connected to the bromate – sulfite – ferrocyanide or the bromate – sulfite – manganese(II) core oscillators in a flow reactor. With modification of the original method concentration osillations of some divalent ions, like Cd2+, Ca2+, Zn2+, Ni2+and Co2+ were generated due to the reactions taking place between the target ion and the components of the primer oscillator. In our efforts to involve the non-redox ions into formation of 2-dimensional periodic patterns, the pH-oscillators used as core systems in the above examples were converted to batch systems, in which finding and studying patterns (e.g. Ca2+ waves) are easier than under open conditions. The results presented here suggest a way how non-redox ions may participate in periodic processes in living systems.
Kurin-Csörgei K; Epstein IR; Orbán M: Periodic pulses of calcium ions in chemical systems, J. Phys. Chem. A 110(24); 7588-7592, 2006
Kurin-Csörgei K; Horváth V; Orbán M: Chemical origin of the sustained like pattern formation in the bromate-dual substrate-dual catalyst oscillatory batch system, React. Kinet. Catal. Letters 90(2); 405-411, 2007
Horváth V; Kurin-Csörgei K; Epstein IR, Orbán M: Oscillations in the Concentration of Fluoride Ions Induced by a pH-Oscillator, J. Phys. Chem. A 112(18); 4271-76, 2008
Horváth V; Kurin-Csörgei K; Epstein IR, Orbán M: Oscillatory concentration pulses of some divalent metal ions induced by a redox oscillator, Phys. Chem. Chem. Phys. 12; 1248-1252, 2010
Poros E, Horváth V, Kurin-Csörgei K, Epstein IR, Orbán M: Generation of pH-Oscillations in Closed Chemical Systems: Method and Applications, J. Am. Chem. Soc. 133(18); 7174–7179, 2011
Kurin-Csörgei K: Oszcillációk és mintázatképződés kémiai rendszerekben, ELTE, Habilitációs tudományos disszertáció, 2009
Horváth V: Új oszcilláló kémiai rendszerek előállítása, dinamikai viselkedésük és kémiai mechanizmusuk tanulmányozása, Semmelweis Egyetem, Gyógyszertudományok Doktori Iskola, PhD értekezés, 2010
Orbán M.,: Molekulák önszerveződése térben és időben: periodikus kémiai rendszerek, Magyar Tudomány, 7, 815-820, 2009
Kurin-Csörgei K: Oscillations in the concentration of some non-redox metal ions induced by a pH oscillator, Absztrakt #6. Gordon Research Conferences; Oscillations & Dynamic Instabilities In Chemical Systems, Colby College, Waterville, Maine, USA, 2008
Kurin-Csörgei K: A new design method for generationg oscillations in the concentrations of non-redox species, ESF 3rd Funcdyn Workshop, Cascais, Portugal, 2009
