Молекула этана из пластилина: Как слепить молекулы из пластилина.

  • Home
  • Разное
  • Молекула этана из пластилина: Как слепить молекулы из пластилина.

Содержание

Как слепить молекулы из пластилина.

Многие школьники не любят химию и считают ее скучным предметом. Многим этот предмет дается с трудом. Но ее изучение может быть интересным и познавательным, если подойти к процессу творчески и показать все наглядно.

Предлагаем вам подробное руководство по лепке молекул из пластилина.

Перед изготовлением молекул нам нужно заранее определиться с тем, какие химические формулы будем использовать. В нашем случае это этан, этилен, метилен. Нам понадобятся: пластилин контрастных цветов (в нашем случае – красный и синий) и немного зеленого пластилина, спички (зубочистки).

1. Из красного пластилина скатываем 4 шарика диаметром около 2 см (атомы углерода). Затем из синего пластилина скатываем 8 шариков поменьше, диаметром около сантиметра (атомы водорода).

2. Берем 1 красный шарик и вставляем в него 4 спички (или зубочистки)так, как показано на рисунке.

3. Берем 4 синих шарика и надеваем их на свободные концы вставленных в красный шарик спичек. Получилась молекула природного газа.

4. Повторяем шаг №3 и получаем две молекулы для следующего химического вещества.

5. Сделанные молекулы нужно соединить между собой спичкой для того, чтобы получилась молекула этана.

6. Также можно создать молекулу с двойной связью — этилен. Для этого, из каждой молекулы, полученной при выполнении шага № 3 вынимаем по 1 спичке с надетым на нее синим шариком и соединяем детали между собой двумя спичками.

7. Берем красный шарик и 2 синих и соединяем их между собой двумя спичками так, чтобы получилась цепочка: синий – 2 спички – красный – 2 спички – синий. У нас получилась еще одна молекула с двойной связью – метилен.

8. Берем оставшиеся шарики: красный и 2 синих и соединяем их спичками между собой как показано на рисунке. Затем скатываем из зеленого пластилина 2 маленьких шарика и прикрепляем к нашей молекуле. У нас получилась молекула с двумя отрицательно заряженными электронами.

Изучение химии станет интереснее, а у вашего ребенка появится интерес к предмету.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.


Олеся Селихова

Об авторе: Психолог, специалист в области семейных отношений и воспитания детей. Обожаю рисование, лепку, рукоделие и любое интересное творчество. Мама, воспитывающая двоих детей и прекрасная жена!

Поделиться с друзьями:

Модели молекул метана, этана, пропана, бутана, изобутана

Ход работы:

Задание 1.Напишите структурные формулы следующих соединений:

А) нонан Б) декан В) гексан Г) октан

 

А____________________________________________________________________________

Б____________________________________________________________________________

В____________________________________________________________________________

Г____________________________________________________________________________

Задание 2. Соберите модель молекулы метана. Для этого из пластилина светлых тонов изготовьте четыре небольших шарика, а из пластилина темных тонов — один шарик, который приблизительно в два раза больше предыдущих. В качестве стержней можно использовать спички. Учтите, что в молекуле метана угол между химическими связями

С-Н составляет 109°, т.е. молекула имеет тетраэдрическое строение. Нарисуйте шаростержневую модель молекулы метана.

Задание 3. Соберите модель молекулы н-бутана, используя пластилин. Аналогично соберите модель молекулы изобутана. Учтите, что в молекуле бутана атомы углерода расположены по соотношению друг к другу под углом 109°, т.е. углеродная цепь должна иметь зигзагообразное строение. В молекуле изобутана все связи центрального атома углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра. Сравните строение этих углеводородов. Нарисуйте шаростержневые модели молекул бутана и изобутана.

 

Задание 4.Напишите структурные формулы всех возможных изомеров гексана. Назовите их по международной номенклатуре.

Задание 5.Напишите структурные формулы следующих углеводородов:

А) 2-метилгексан:

Б) 2,2-диметилпентан;

В) н-пентан;

Г) 2,2-диметил-4этилгексан;

Д) 2,3,4-триметилпентан;

Е) 2-этилпентан

А Г  
Б Д    
В Е

Вопросы для закрепления материала:

1.Запишите определения.

Органические соединения — _____________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Органическая химия — __________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Углеводороды — _______________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Гомологический ряд — _________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Гомологи — ___________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Изомеры — ____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

Изомерия — ___________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

2. Укажите валентность элементов в органических соединениях:

А) углерода ______; Б) водорода ______; В) кислорода _______; Г) азота ______.

 

3. Подчеркните формулы органических соединений. ВаСО3, СН4, СО2, СН3ОН, Н2СО3, НСl, С4Н10, СО, С6Н6, Na2СО3, С2Н5СООН, С2Н2, NН3, КНСО3, СН32

Выпишите формулы углеводородов_______________________________________________

_____________________________________________________________________________

 

4.Определите степень окисления элементов в соединениях: СН4; С2Н2; С2Н4; С5Н10; С2Н5ОН; СН32

 

Условия выполнения задания

1. Место (время) выполнения задания: задание выполняется на занятие в аудиторное время

2. Максимальное время выполнения задания: 90 мин.

3. Вы можете воспользоваться учебником, конспектом лекций

Шкала оценки образовательных достижений:

Критерии оценки:Выполнение работы более 90% –оценка «5»,

70-90% — оценка «4»,

50 -70% — оценка «3»,

Менее 50% — оценка «2».

Лабораторная работа №6

Тема работы:Кислородсодержащие органические соединения.

Цель:изучить химические свойства этилового спирта, глицерина, уксусной кислоты, глюкозы, сахарозы и крахмала.

Техника безопасности

1. Работа с нагревательными приборами.

2. Работа с химической посудой.

3. Работа с химическими реактивами.

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, спиртовка, медная проволока, гранулы цинка, оксид меди (II), кристаллический карбонат натрия, крахмал, растворы глицерина, гидроксида натрия, сульфата меди (II), глюкозы, сахарозы, этилового спирта, спиртового раствора йода, вода.

Задание:Выполните опыты и оформите отчет, заполнив таблицу.

Теоретическая часть

К кислородсодержащим органическим соединениям, которые состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, относятся спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, углеводы. Их химические свойства определяются наличием в молекулах различных функциональных групп.

Этиловый спирт С2Н5ОН-бесцветная жидкость со своеобразным запахом, легче воды, хорошо растворим в воде и сам является растворителем многих неорганических и органических веществ. Этанол – ядовитое наркотическое вещество. Спирт легко воспламеняется и горит синеватым почти не светящимся пламенем. Этиловый спирт реагирует со щелочными металлами с образованием алкоголятов.

2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa +H2

Этанол вступает в реакцию дегидратации:

С2Н5ОН→С2Н4↑ + Н2О

Межмолекулярная дегидратация:

С2Н5ОН + НОС2Н5 = С2Н5-О-С2Н5 + Н

Оксид меди (II) окисляет спирт в альдегид:

С2Н5ОН + СuО = СН3-СНО + Н2О + Сu

С карбоновыми кислотами спирт образует сложные эфиры:

СН3-СООН + С2Н5ОН = СН3-СОО-С2Н5 + Н2О

Глицерин-это представитель трехатомных спиртов. Он неограниченно растворим в воде, очень гигроскопичен, не ядовит. Если оставить глицерин в открытом сосуде, его масса увеличивается до 40% за счёт поглощения влаги из воздуха. Это свойство широко используется в парфюмерной промышленности. Глицерин используют как пищевую добавку при изготовлении кондитерских изделий и напитков, при производстве пластмасс, в кожевенном производстве и текстильной промышленности, а также для изготовления взрывчатых веществ. Качественной реакцией на многоатомные спирты является их взаимодействие со свежеполученным осадком гидроксида меди (II), который растворяется с образованием ярко-синего раствора.

Карбоновые кислоты – это органические вещества в состав которых входит карбоксильная группа – СООН, связанная с углеводородным радикалом.

Класс карбоновых кислот очень разнообразен. Начинает гомологический ряд муравьиная кислота или метановая (НСООН). Муравьиная кислота – это жидкость с резким запахом, хорошо растворимая в воде, ядовита, при попадании на кожу вызывает ожоги. Жалящая жидкость, выделяемая муравьями, крапивой, некоторыми видами медуз, содержит эту кислоту. Второй представитель гомологического ряда — уксусная кислота, бесцветная жидкость с характерным запахом, смешивается с водой в любых соотношениях.

Уксусная кислота часто встречается в растениях, в выделениях животных, образуется при окислении органических веществ. Из всех карбоновых кислот она имеет самое широкое применение. Всем известно использование водного раствора уксусной кислоты – уксуса в качестве вкусового и консервирующего средства (приправа к пище, маринование грибов, овощей). Путем различных реакций солеобразования получают соли уксусной кислоты – ацетаты. Уксусная кислота используется для получения искусственных волокон, пластмасс на основе целлюлозы, производства красителей (индиго), медикаментов (аспирин), ядохимикатов, органического стекла. Сама кислота и её эфиры являются хорошими растворителями.

При диссоциации уксусной кислоты образуются ионы водорода:

СН3COOH → СН3COO + H+

Карбоновые кислоты реагируют с активными металлами и их оксидами, со щелочами:

2СН3СООН + 2К = 2СН3СООК + Н2

ацетат калия

СН3СООН + КОН = СН3СООК + Н2О

Взаимодействуют со спиртами с образованием сложных эфиров:

СН3CОOН + НOС2Н5 → СН3COО С2Н5 + Н2О

этиловый эфир уксусной кислоты

Углеводы представляют собой конечные продукты фотосинтеза и являются исходными веществами для биосинтеза других органических соединений. Одним из наиболее распространенных моносахаридов является глюкоза, которая имеет молекулярную формулу С6Н12О6. Глюкоза – белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде. По химическому строению глюкоза многоатомный спирт и альдегид, содержит пять гидроксильных групп –ОН и одну карбонильную группу. Как альдегид она вступает в реакции гидрирования, дает реакцию «серебряного зеркала». Как многоатомный спирт, вступает в реакцию этерификации. Специфическим свойством глюкозы является процесс брожения. Существует несколько типов брожения: спиртовое, молочнокислое и маслянокислое. В живом организме глюкоза окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды, с выделением большого количества энергии.

Глюкоза – основной источник энергии в клетке. Именно она используется в лечебных целях (применяют внутрь или вводят внутривенно ослабленным больным). Кроме того глюкозу используют для получения различных соединений: этилового спирта, молочной кислоты и др. В пищевой промышленности ее применяют в качестве заменителя сахарозы. В молекуле глюкозы объединяются свойства альдегида и многоатомного спирта, поэтому глюкозу называют альдегидоспиртом. Подобно многоатомным спиртам глюкоза с гидроксидом меди (II) образуется ярко-синий раствор.

При нагревании глюкозы с Cu(OH)2 получается характерная реакция на альдегиды – «медное зеркало».

СН2ОН ─ (СНОН)4 ─ C ═ O + 2Cu(OH)2 = CH2OH ─ (CHOH)4 ─ C ═ O + Cu2O↓ + 2H2O

│ │

H OH

При нагревании глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра получается характерная реакция на альдегиды – «серебряное зеркало».

СН2ОН ─(СНОН)4 ─C ═ O + Ag2O → CH2OH ─(CHOH)4 ─ C ═ O + 2Ag↓

│ │

H OH

Под действием биологических катализаторов – ферментов – глюкоза способна превращаться в спирт – это так называемое спиртовое брожение.

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2

Крахмал представляет собой белый аморфный порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде крахмал сначала набухает, а затем дает вязкий раствор, который называется клейстером. Крахмал является смесью полисахаридов, поэтому не дает реакций, свойственных моносахаридам. Он не обладает восстановительными свойствами – не образует красного осадка оксида меди (I). При действии минеральных кислот крахмал гидролизуется до глюкозы.

6Н10О5)n + nH2O → nC6H12O6

Характерной реакцией на крахмал является реакция его с раствором иода — раствор окрашивается в интенсивный синий цвет.

Ход работы

Опыт Результаты
Опыт №1 Окисление этилового спирта оксидом меди (II). В пробирку поместите 4 капли этилового спирта и погрузите в нее прокаленную медную спираль, покрытую черным налетом оксида меди (II). Что наблюдаете? ___________________________________ ___________________________________ Напишите уравнение реакции   ___________________________________ ___________________________________
Опыт №2 Получение глицерата меди В пробирку налейте 1 мл 10%-го раствора сульфата меди (II) и добавьте немного 10%-го раствора гидроксида натрия. К полученному осадку добавьте по каплям глицерин. Взболтайте смесь. Что наблюдаете? ___________________________________ Напишите уравнение реакции ___________________________________ Что наблюдаете? ___________________________________ Напишите уравнение реакции ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
Опыт №3 Свойства уксусной кислоты. В три пробирки налейте по 2 мл уксусной кислоты. В первую пробирку добавьте гранулу цинка, во вторую – несколько крупинок оксид меди (II), в третью – кристаллический карбонат натрия.     Что наблюдаете? 1 пробирка__________________________ 2 пробирка__________________________ 3 пробирка__________________________   На­пишите уравнения реакций 1 __________________________________ ___________________________________   2 __________________________________ ___________________________________   3 _________________________________ ___________________________________
Опыт №4 Действие гидроксида меди (II) на глюкозу. а) В пробирку прилейте 0,5 мл раствора глюкозы и 2 мл раствора гидроксида натрия. К полученной смеси добавьте 1 мл раствора сульфата меди (II).   б) К полученному раствору добавьте 1 мл воды и нагрейте на пламени спиртовки только верхнюю часть раствора. Что наблюдаете? ___________________________________ Напишите уравнение реакции ___________________________________ ___________________________________   Что наблюдаете? ___________________________________ Напишите уравнение реакции ___________________________________ ____________________________________
Опыт №5 Действие гидроксида меди (II) на сахарозу. В пробирку прилейте 0,5 мл раствора сахарозы и 2 мл раствора гидроксида натрия. К полученной смеси добавьте 1 мл раствора сульфата меди (II). Полученный раствор осторожно нагрейте. Что наблюдаете? ___________________________________ ___________________________________   Напишите уравнение реакции ___________________________________ ___________________________________
Опыт №6 Действие йода на крахмал. В стакан с 20 мл воды, нагретой до кипения, добавьте 2 г крахмала, хорошо размешайте образовавшуюся суспензию до образования прозрачного коллоидного раствора – крахмального клейстера. Налейте в пробирку 2-3 мл охлажденного клейстера и добавьте несколько капель спиртового раствора йода. Нагрейте смесь в пробирке. Что наблюдаете? ___________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ ___________________________________ ___________________________________

Общий вывод:_________________________________________________________________

__________________________________________________________________

_______________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

 

Вопросы для закрепления материала:

1. Почему глюкоза проявляет свойства альдегидов и спиртов?

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

2. Почему сахароза не дает реакцию «серебряного зеркала»?

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

3. Как можно обнаружить крахмал в продуктах питания?

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

4. В трех пробирках находятся растворы: уксусной кислоты, глюкозы и глицерина. Определите характерными реакциями, в какой из пробирок находится какое вещество, и напишите уравнения реакций.

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

5. Осуществите превращение: CO2 → C6H12O6 → C2H5OH → CO2

______________________________________________________________

________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

Условия выполнения задания

1. Место (время) выполнения задания: задание выполняется на занятие в аудиторное время

2. Максимальное время выполнения задания: 90 мин.

3. Вы можете воспользоваться учебником, конспектом лекций

Шкала оценки образовательных достижений:

Критерии оценки:Выполнение работы более 90% –оценка «5»,

70-90% — оценка «4»,

50 -70% — оценка «3»,

Менее 50% — оценка «2»

Литература

Основная:

1. Ерохин Ю.М. Химия для профессий и специальностей технического и естественно-научного профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2016.

2. Габриелян, О.С. Химия для профессий и специальностей технического профиля. — М., 2014.

3. Егоров А.С. Химия для колледжей. – Ростов н/Д , 2013.

 

Дополнительная:

1. Габриелян, О.С. Химия: тесты, задачи и упражнения: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

2. Ерохин Ю.М. Сборник задач и упражнений по химии (с дидактическим материалом). — М., 2005.

3. Маршанова, Г.Л. Техника безопасности в школьной химической лаборатории: Сборник инструкций и рекомендаций. – М., 2002.

 

Интернет – ресурсы:

www. pvg. mk. ru (олимпиада «Покори Воробьевы горы»).

www. hemi. wallst. ru (Образовательный сайт для школьников «Химия»).

www. alhimikov. net (Образовательный сайт для школьников).

www. chem. msu. su (Электронная библиотека по химии).

www. enauki. ru (интернет-издание для учителей «Естественные науки»).

www. 1september. ru (методическая газета «Первое сентября»).

www. hvsh. ru (журнал «Химия в школе»).

www. hij. ru (журнал «Химия и жизнь»).

www. chemistry-chemists. com (электронный журнал «Химики и химия»).

Инструкция по выполнению практического занятия — Студопедия.Нет

1. Составьте сокращённые структурные формулы углеводородов: метана, этана, пропана, бутана, изобутана, пентана и всех его изомеров.

2. Изготовьте модели молекул углеводородов:                                    

— Модель молекулы метана.

Соберите модель молекулы метана, используя для этого спички и пластилин. Для этого из пластилина (в наборе 16 шариков) выберите четыре шарика, а из пластилина (в наборе 7 шариков) – один шарик. В качестве стержней можно использовать спички. Учтите, что в молекуле метана угол между химическими связями С–Н составляет 109°28′, т. е. молекула имеет тетраэдрическое строение (см. рис. 1).

— Модель молекулы этана.

Соберите модель молекулы этана, используя для этого спички и пластилин. Учтите, что в молекуле этана угол между химическими связями С–Н составляет 109°28′, а углерод-углеродные связи L (С-С) = 0,154 нм. (см. рис. 2).

— Модель молекулы пропана.

Соберите модель молекулы пропана, используя для этого спички и пластилин.

— Модели молекул бутана и изобутана.

Соберите модель молекулы н-бутана, используя пластилин. Подумайте и переделайте модель н-бутана в модель молекулы изобутана. Учтите, что в бутане атомы углерода расположены по отношению друг к другу под углом 109°, т. е. углеродная цепь должна иметь зигзагообразное строение. В молекуле изобутана все связи центрального атома углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра.

Сравните строение этих углеводородов.

— Модели молекул пентана и всех его изомеров.

 Соберите модель молекулы н-пентана и всех его изомеров последовательно, используя пластилин.

 

Образец отчёта

Практическое занятие № 12  Составление моделей молекул органических веществ.

Цель: научиться составлять модели молекул различной сложности.

 

№ задания Название вещества Шаростержневая модель молекулы Сокращенная структурная формула Молекулярная формула
         

Вывод делать в соответствии с целью работы

 

Литература0-1 с 78 – 80

Тема 2.2 Углеводороды и их природные источники

Лабораторная работа № 8

Нефть и нефтепродукты

Цель:изучить свойства природных источников углеводородов.

 

Обеспеченность занятия

1. Сборник методических указаний для студентов по выполнению практических занятий и лабораторных работ по учебной дисциплине «Химия».

2. Коллекции «Продукты нефтепереработки», учебные схемы «Перегонка нефти. Трубчатая печь и ректификационная колонна», «Фрагмент установки каталитического крекинга нефтепродуктов», «Коксохимическое производство», «Основные научные принципы современного химического производства», «Выход продукта и отходы производства. Экологические проблемы».

Теоретический материал

            Нефть– природная смесь углеводородов, обычно содержащая три вида углеводородов (в зависимости от месторождения) – парафины, цикланы и арены (ароматические).
         Крекинг – процесс расщепления углеводородов нефти с образованием более легких углеводородов.

Термический крекинг протекает при 470–550 °С. Процесс медленный. Образуются углеводороды с неразветвленной цепью, в том числе непредельные углеводороды, легко окисляющиеся и полимеризующиеся. Продукт неустойчив при хранении.
             Каталитический крекинг протекает при 450–500 °С в присутствии катализаторов. Скорость процесса больше, чем при термическом крекинге. Происходит изомеризация (разветвление). Продукт обладает большей детонационной стойкостью. Непредельных углеводородов в смеси меньше, следовательно, образующийся бензин более устойчив при хранении.
         Пиролиз – это высокотемпературный (700 °С и больше) крекинг без доступа воздуха (продукты – этен, этин, бензол, толуол и др.). При радикальном разрыве -связей (связи С–С примерно в середине углеродной цепи и связи С–Н в 2-положении от места разрыва связи С–С) из одной молекулы алкана образуется две сравнительно короткие молекулы новых алкана и алкена. Например, из н-октана получается н-бутан и бутен-1:

 

Дальнейший пиролиз можно описать такими реакциями:

Схема использования продуктов нефтепереработки

 

Вопросы для закрепления теоретического материала

1. Чем отличаются попутные газы от природного газа?

2. Какие смазочные масла используют на производстве?

3. Назовите важнейшие нефтепродукты и укажите их область применения.

4. Чем отличается процесс крекинга нефти от её перегонки?

5. Чем отличается термический крекинг от каталитического? Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов.

Задание

Рассмотрите выданные коллекции с образцами продуктов нефтепереработки. Охарактеризуйте свойства этих продуктов и области их применения.

 

Инструкция по выполнению

1. Рассмотрите образец нефти и нефтепродуктов.

2. Охарактеризуйте его по разным признакам.

3. Запишите его состав и свойства в таблицу для отчёта.

4. По аналогии проведите работу с другими образцами из коллекции.

 

Образец отчёта

Лабораторная работа № 8  Нефть и нефтепродукты.

Цель: изучить свойства природных источников углеводородов.

 

  Природный и попутный газы Нефть Уголь
1. Агрегатное состояние и состав      
2. Запасы      
3. Переработка      
4. Применение      
Продукты нефтепереработки Свойства (агрегатное состояние, цвет, особенности) Применение
1. Газ    
2. Бензин    
3. Лигроин    
4. Керосин    
5. Мазут    
6. Гудрон    

Вывод делать в соответствии с целью работы

 

Литература0-1.с 80-90

 

Тема 2.3Кислородсодержащие органические соединения».

 

Лабораторная работа №9

Лабораторная работа № 7 — Студопедия

«Моделирование молекул алканов и их производных»

Цели работы

· изучить особенности строения молекул органических веществ;

· найти общие признаки и различия гомологов и изомеров;

· научиться составлять модели молекул различной сложности.

Краткие теоретические сведения

Для того чтобы понять сущность работы, надо знать, что: 1. Простейшим представителем насыщенных углеводородов является метан, структурная формула которого  
2. sp3— гибридизация характерна для атомов углерода в (алканах) – в частности, в метане.

рис. 10

3. Атом углерода в молекуле метана расположен в центре тетраэдра, атомы водорода – в его вершинах. 4. Валентные углы между направлениями связей равны между собой и составляют угол 109°28′.
5. В этане есть углерод-углеродные связи. L (С-С) = 0,154 нм. Оборудование пластилин, спички. рис. 11

Задание № 1. Составление сокращённых структурных формул углеводородов.

1. Формула молекулы метана.

2. Формула молекулы этана.

3. Формула молекулы пропана.

4. Формулы молекул бутана и изобутана.

5. Формулы молекулы пентана и всех его изомеров.


Задание № 2. Изготовление моделей молекул углеводородов

1. Модель молекулы метана. Соберите модель молекулы метана, используя для этого спички и пластилин. Для этого из пластилина (в наборе 16 шариков) выберите четыре шарика, а из пластилина (в наборе 7 шариков) – один шарик. В качестве стержней можно использовать спички. Учтите, что в молекуле метана угол между химическими связями С–Н составляет 109°28′, т. е. молекула имеет тетраэдрическое строение (см. рис. 10).

2. Модель молекулы этана. Соберите модель молекулы этана, используя для этого спички и пластилин. Учтите, что в молекуле этана угол между химическими связями С–Н составляет 109°28′, а углерод-углеродные связи L (С-С) = 0,154 нм. (см. рис. 11).

3. Модель молекулы пропана. Соберите модель молекулы пропана, используя для этого спички и пластилин.

4. Модели молекул бутана и изобутана. Соберите модель молекулы н-бутана, используя пластилин. Подумайте и переделайте модель н-бутана в модель молекулы изобутана. Учтите, что в бутане атомы углерода расположены по отношению друг к другу под углом 109°, т. е. углеродная цепь должна иметь зигзагообразное строение. В молекуле изобутана все связи центрального атома углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра. Сравните строение этих углеводородов.

5. Модели молекул пентана и всех его изомеров. Соберите модель молекулы н-пентана и всех его изомеров последовательно, используя пластилин.

Вопросы для выводов

1. Сколько моделей: а) гомологов, б) изомеров было собрано во время лабораторной работы

2. Что общего и в чём различия в строении а) гомологов, б) изомеров

Контрольные вопросы

1) Какие вещества называют органическими?

2) В чем отличие органических веществ от неорганических веществ?

3) Определите молекулярную формулу вещества, если оно содержит С-80%,Н-20%, а плотность вещества по водороду равна 15.

Тетраэдр как модель атома углерод

    Геометрическая изомерия (цис- и транс-изомерия). Этот вид изомерии требует пространственного распределения частиц. Подобно тому как для объяснения изомерии в органической химии Вант-Гофф построил тетраэдрическую модель молекулы, где в центре тетраэдра располагается атом углерода, а в вершинах — связанные с ним группы, Вернер для объяснения изомерии неорганических комплексных соединений с координационным числом 6 привлек октаэдрическую модель, где в центре октаэдра находится центральный атом, а в вершинах — координированные группы — лиганды. [c.378]
    Модели атомов и молекул можно представить в форме различных тел шара, пирамиды, тетраэдра и т. д. Модель атома углерода имеет тетраэдрическое строение. Тетраэдр —это пирамида, в основании которой лежит равносторонний треугольник. В центре тетраэдра находится атом углерода, а все его четыре валентности направлены к вершинам тетраэдра (рис. 2). [c.34]

    Структурные формулы не дают представления о пространственной структуре молекул веществ. Они только изображают порядок сцепления атомов друг с другом. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение 4 атома водорода образуют правильный тетраэдр вокруг атома углерода, находящегося в центре (рис. 55). Модель молекулы метана изображена на рис. 56. Атомы на нем показаны как бы сплющенными. Основанием для такого изображения послужило строение метана. Атом углерода связан с каждым водородным атомом в молекуле метана парой общих электронов. Электронные пары образуются при непосредственном соприкосновении атомов. Они как бы стягивают атомы, вследствие чего их электронные обо- [c.194]

    На рис. 23 представлены две пространственные модели молекул молочной кислоты в них асимметрический атом углерода, расположенный в центре тетраэдра, изображен черным шариком остальные группы (в вершинах тетраэдра) условно обозначены шариками с различной штриховкой. [c.199]

    Рассмотрим тетраэдрическую модель метана (рис. 16). Атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, а четыре [c.55]

    На рис. 10 представлена модель молекулы метана. Атом углерода (черный шарик) расположен как бы в центре тетраэдра (стр. 24), [c.37]

    Вант-Гофф предложил тетраэдрическую модель атома углерода Согласно этой теории, четыре валентности атома углерода в метане направлены к четырем углам тетраэдра, в центре которого находится углеродный атом, а в вершинах — атомы водорода (рис 1, а) Этан, согласно Вант-Гоффу, можно представить себе как два тетраэдра, соединенных вершинами и свободно вращающихся около общей оси (рис 1, б) Модель молекулы этилена представляет собой два тетраэдра, соединенных ребрами (рис 1, в), а молекулы с тройной связью изображаются моделью, в которой тетраэдры соприкасаются плоскостями (рис 1, г) [c.24]

    Стереохимия — область химии, изучающая структуру соединений. В качестве пособия при изучении трехмерных структур рекомендуется применять простые модели из палочек. (Некоторые, изготовленные кустарно, очень хороши.) Стереохимию иногда рассматривают только как область органической химии, но это большое заблуждение. Органические соединения характеризуются большим разнообразием форм и структур вследствие возможности существования длинных углерод-углеродных цепей, в которых каждый отдельный атом углерода окружен четырьмя группами, расположенными в вершинах тетраэдра. Поскольку углерод — элемент, находящийся во втором ряду, то в образовании химической связи принимают участие только 5- и р-орбиты. [c.72]


    Модель алмаза (рис. 48) показывает, что в кристалле алмаза каждый атом углерода лежит в центре правильного тетраэдра, а четыре ближайших атома углерода — в его углах. [c.735]

    Чтобы у учащихся сложилось правильное представление о строении молекул, необходимо дать сведения о пространственном строении молекул углеводородов на примере одного из них (например, метана). В конце XIX в. молодые ученые Вант-Гофф и Ле-Бель независимо друг от друга показали, что соединение с четырьмя заместителями имеет тетраэдрическую структуру в центре трехгранной пирамиды (тетраэдра), в вершинах которой располагаются атомы водорода, находится атом углерода, связанный со всеми четырьмя атомами водорода. Такую модель можно сделать из пластилина и палочек (см. рис. 1). Тетраэдрическая конфигурация соединений углерода объясняется р -гибридизацией валентных электронов углерода. [c.49]

    Оптическая изомерия. В 1815 г. французский химик Био обнаружил, что некоторые органические вещества в жидком и растворенном состояниях способны вращать плоскость поляризованного света. Ранее эта особенность была отмечена для кристаллов кварца при прохождении через них поляризованного луча происходит вращение плоскости поляризации, причем одни кристаллы отклоняют ее вправо, другие—влево. В 1848 г. Л. Пастер обнаружил эту способность у винных кислот. Это явление, названное оптической изомерией, получило объяснение в работах Вант-Гоффа и Ле-Бе тя. Оно связано с определенной пространственной ориентацией ковалентных связей. Все четыре валентности атома углерода тождественны и направлены к вершинам правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. Если в вершинах тетраэдра расположить различные заместители, то молекула станет асимметричной. Пространственные модели этой молекулы будут относиться [c.150]

    Модель алмаза (рис. 48) показывает, что в кристалле алмаза каждый атом углерода лежит в центре правильного тетраэдра, а четыре ближайших атома углерода — в его углах. Иначе говоря, атомы углерода в алмазе находятся в положениях, отвечающих стереохимической модели Вант-Гоффа. Расстояние между ближайшими [c.641]

    В которых асимметрический атом углерода (он в формуле помечен звездочкой) находится в центре тетраэдра. Нетрудно заметить, что эти модели невозможно совместить в пространстве они построены зеркально и отображают пространственную конфигурацию молекул двух различных веществ (в данном примере молочных кислот), отличающихся некоторыми физическими, а главным образом, биологическими свойствами. Такая изомерия называется зеркальной стереоизомерией, а соответствующие изомеры— зеркальными изомерами. Различие в пространственном строении зеркальных изомеров может быть представлено и прн помощи структурных формул, в которых показано различное расположение атомных групп при асимметрическом атоме например, для приведенных на рис. 130 зеркальных изомеров молочной кислоты  [c.462]

    Стереохимию аминокислот принято оценивать не по оптическому вращению, а исходя из абсолютной конфигурации всех четырех замещающих групп, расположенных вокруг асимметрического атома углерода в вершинах модели тетраэдра. Абсолютную конфигурацию аминокислот принято соотносить стереохимически с соединением, произвольно взятым для сравнения, а именно с глицериновым альдегидом, также содержащим асимметрический атом углерода. Ниже представлены Ь- и О-стереоизомеры глицеринового альдегида. Рядом показаны пространственные конфигурации Ь-и О-аланина  [c.39]

    Модель молекулы метана, где углерод соединен с четырьмя одинаковыми атомами водорода, можно представить в виде тетраэдра (правильного четырехгранника) в центре его находится атом углерода, в вершинах — атомы водорода (см. рис. 1 и 15). Таким образом, четыре валентности углерода направлены в пространстве к четырем вершинам тетраэдра. Они расположены друг к другу под углом 109°28. Эти направления сохраняются и при образовании углеродных цепей. Молекулу этана можно представить фигурой, состоящей из двух тетраэдров, соединенных вершинами (см. рис. 16), и т. д. [c.308]

    Предпосылки для возникновения стереохимии создавало не только от, что в связи с изучением оптически активных соединений формировалась мысль о существовании изомерии, обусловленной геометрией молекул не только то, что стали накапливаться факты из области собственно геометрической изомерии, но и то, что в связи с разработкой теории химического строения, хотя и по случайным поводам, не раз высказывалась идея углеродного тетраэдра. Правда, как мы уже говорили (стр. 10), еще в начале века встречались упоминания о тетраэдрической модели, но они, конечно, были основательно забыты и, кроме того, и не относились специально к атому углерода. Даже модель неправильного тетраэдра у Пастера, строго говоря, относилась к целой молекуле (винной кислоты), а не к атому углерода, и в то время, когда она была предложена в качестве одной из иллюстраций понятия диссимметрии молекул, т. е. до возникновения теории химического строения, никак не могла относиться к направлению связей в пространстве. [c.33]


    Для примера кратко проанализируем атом углерода, модели которого имеют разную форму в зависимости от типа связи. Углерод алифатической цепи — тетраэдр с четырьмя связями по плоскостям. Углероды этиленовой двойной связи и в ароматических соединениях имеют призматическую форму, что отражает несимметричный характер распределения л-электронов. Эллиптическая форма сечения двойной связи затрудняет свободное вращение, в то же время заместители имеют возможность свободно вращаться вокруг простых связей. Углерод тройной связи имеет форму сфероида. [c.186]

    Пространственную симметрию расположения атомов и полярных связей можно легко себе представить при рассмотрении тетраэдрической модели строения метана, в соответствии с которой атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, а другие четыре атома (водород или его заместители) расположены по отношению к нему в вершине тетраэдра (рис. 10). В том случае, когда дипольные моменты всех четырех связей равны, т. е. когда атом углерода связан с четырьмя одинаковыми атомами, как это имеет место, например, в [c.28]

    В заключение рассмотрим атом углерода. Электронную конфигурацию свободного атома можно записать в виде 18 2А 2р . Два 15-электрона па первой или 7(Г-оболочке взаимно насыщаются так же, как и 25-алектроны на второй или -оболочке. Только два 2р-электрона могут дать валентные связи с другими атомами. Если бы в действительности осуществлялась эта конфигурация, углерод оказался бы двухвалентным. Хорошо известно, однако, что углерод четырехвалентен. Чтобы объяснить этот факт, представим себе, что один из 25-электронов перешел на уровень 2р, благодаря чему возникло состояние 1.ч 28 2р . Теперь атом углерода может об. 1адать четырьмя простыми связями, три из которых обусловлены р-электронами п расположены под прямыми углами, а четвертая, обусловленная 25-электропом, безразлична к выбору направления. Эта модель, хотя она и лучше первой, все же неверна, так как противоречит хорошо известному пз органической химии алифатических углеводородов факту абсолютной эквивалентности четырех валентных связей в метане. Истолкование этого явления методами во.лновой механики дано Полингом. При этом не учитывается разница энергий 25- и 2р-элек-тропов. В основе объяснения лежит факт, что если гр(25), 2р ), (2р ) и гр (2р,) являются волновыми функциями для четырех электронов, то любая их линейная комбинация такн- е является законным решением уравнения Шредингера для атома углерода. Найдя коэффициенты, аналогичные а и Ь в уравнении (203), и использовав условие, что энергия молекулы должна быть минимальной, можпо показать [18], что четыре валентности атома углерода должны быть одинаковыми и расположенными под углом а, определяемым уравнением соза= /з. Как показано в гл. XII, это как раз угол, необходимый для построения правильного тетраэдра. [c.185]

    В состоянии 5р -гибридизации атом углерода связан с четырьмя заместителями. Если эти заместители одинаковы, то модель представляет собой правильный тетраэдр с валентными углами 109°28. Если с атомом углерода связаны неодинаковые заместители, то валентные углы отклоняются от тетраэдрических, разными оказываются и длины связей — тетраэдр становится неправильным. В состоянии хр -гибридизации атом углерода связан с тремя заместителями, причем все четыре атома лежат в одной плоскости, валентные углы равны 120°. Углерод в состоянии 5р-гибридизации связан с двумя заместителями все четыре атома системы с тройной связью лежат на одной прямой, валентный угол равен 180°. Все это хорошо известно из курса органической химии и не требует дополнительного обсуждения. [c.8]

    Существуют стереоизомеры и другого рода. Рассмотрим, например, чем отличаются друг от друга в пространственном отношении пропионовая кислота СНз—СНг—СООН и ее а-оксипро-изводное — молочная кислота СНз—СН(ОН)—СООН. Пользуясь тетраэдрической моделью атома углерода ( 16), изобразим их молекулы и построим их зеркальное изображение (рис. 9 и 10), для чего поместим зеркало АВ перпендикулярно плоскости чертежа. Теперь будем вращать тетраэдры вокруг оси, проходящей через центральный атом углерода и карбоксильную груп- [c.161]

    Изображать соединения в виде тетраэдров (см. рис. 9 и 10) неудобно, особенно если в молекуле имеется несколько асимметрических атомов углерода. Поэтому пользуются проекционными формулами. Для перехода от тетраэдрической модели к проекционной формуле тетраэдр ориентируют в пространстве горизонтальным ребром к наблюдателю и в большинстве случаев таким образом, чтобы более окисленная группа (для молочной кислоты — карбоксильная) оказалась по вертикали вверху, а менее окисленная (метильная) —внизу. Гидроксильные группы и водород будут находиться при этом справа и слева. Затем этот тетраэдр проектируют на бумагу и получают крест, в центре которого находится асимметрический атом углерода (его в проекционных формулах не пишут) (рис. 11). [c.163]

    К основным представлениям учения о пространственном расположении атомов в молекулах относится тетраэдрическая модель углеродного атома (рис. 1). Атом углерода находится в центре правильного тетраэдра (черный кружок), четыре валентности углеродного атома (обозначение —) направлены к вершинам углов тетраэдра (белые кружки). Углы между направлениями валентных связей 109°28.  [c.107]

    Тетраэдрическая модель атома углерода. Одновременно и независимо друг от друга Вант-Гофф и Ле-Бель (1874 г.) показали, что оптическую изомерию, а также и другие явления можно объяснить, предположив, что валентности атома углерода ориентированы в пространстве. По Вант-Гоффу, все четыре валентности углерода тождественны и направлены по четырем углам правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. Такое строение представляет собой наиболее равномерное расположение валентностей четырехвалентного атома [c.30]

    К основным по.чожениям учения о пространственном расположении атомов в молекулах относится представление о тетраэдрической модели углеродного атома (рис. 1). Атом углерода находится в центре правильного тетраэдра (черный кружок), четыре валентности углеродного атома (обозначение —) направлены к вершинам углов тетраэдра (белые кружки). Углы между направлениями валентных связей 109°28. Если два атома углерода соединены между собой двойной связью, то тетраэдры соприкасаются ребрами (рис. 2). [c.122]

    Основой стереохимии Я. Вант-Гоффа стало учение о тетраэдрическом строении молекулы метана. Он допустил, что атом углерода расположен в центре правильного тетраэдра, а четыре-вполне равноценных его сродства направлены к углам тетраэдра. Если атом углерода связан с четырьмя различными атомными группами (радикалами), он становится асимметрическим и соединение оказывается опти 1ески активным. Тетраэдрическая модель углеродного атома дала возможность Я. Вант-Гоффу наглядно представить пространстве11ное строение многих соединений. При этом наличие двойной связи он изображал в виде общего ребра двух тетраэдров (двух атомов углерода). При тройной связи общей является плоскость двух тетраэдров. Одновременно с Я. Вант-Гоффом и независимо от него близкие представления о пространственном расположении атомов в молекулах были высказаны А. Ле Белем (ноябрь 1874). Статью Я. Вант-Гоффа (1874) вскоре перевели на немецкий язык, и она вышла с предисловием И. Вислиценуса (1877). [c.150]

    И сам углерод, и его аналоги могут существовать в нескольких аллотропических модификациях. Если для типичных неметаллов, например кислорода и серы, явление аллотропии связано с возможностью образования молекул различного состава, то в простых телах кристаллической структуры, например у у1 лерода, олова, кремния, аллотропия связана с возможностью построения кристаллических решеток различного типа. Так, в кристаллической структуре алмаза каждый атом углерода связан четырьмя связями с другими атомами таким образом, что все углы между связями равны 109,5°. Модель кристаллической решетки алмаза можно получить, если поместить атом углерода в центр тетраэдра на пересечении его высот и соединить его с четырьмя Е ершинами тетраэдра, поместив в них еще четыре атома углерода рассматривая каждый из этих атомов как центр нового тетраэдра, можно таким путем воспроизвести всю решетку. [c.95]

    Модель неправильного тетраэдра у Пастера относилась к молекуле виппой кислоты, а не к атому углерода. [c.214]

    Стереохимия. — Стереохимия — наука о расположении атомов в пространстве. В 1874 г. Вант-Гофф и Ле-Вель независимо друг от друга пришли к заключению, что атом углерода тетра-эдричен (рис. 5,а). По Вант-Гоффу его четыре связи направлены в трехмерном пространстве под равными углами одна к другой. Этот вывод был подтвержден многими химическими и физическими данными. В трехмерной симметричной молекуле метана атом углерода расположен в центре, а четыре атома водорода — как бы в вершинах правильного тетраэдра. Такое расположение схематически представлено на модели (рис. 5,6), в которой черный шар изображает центральный атом углерода, а серые шары — связанные с ним атомы водорода. [c.38]

    Вайссенберг считает возможным идти вторым путем, т. е. принять пирамидальную модель вместо тетраэдрической в качестве основы для построения единообразной (einheitli he) стереохимии, поскольку, по его мнению, все факты, объясняемые с помощью тетраэдрической модели или подтверждающие ее, могут с таким же успехом быть объяснены и с помощью новой модели. Но в то же время Вайссенберг, учитывая, что тот же рентгенографический метод дал ясные доказательства существования в СВГ4 (кубическая модификация) и в С(СНд)4 углеродных тетраэдров, говорит Конфигурация правильного тетраэдра — даже для высокосимметричных замещенных производных метана — не универсальна [там же, стр. 1538],— центральный атом углерода может лежать и по одну сторону от всех четырех заместителей. Вайссенберг стремится до- [c.160]

    На рис. 10 представлена шариковая модадь молекулы метана. Атом углерода (черный шарик) расположен как бы в центре тетраэдра (см.), а атомы водорода (белые шарики) — в его вершинах. При этом все валентные углы (углы между направлениями связей) в метане равны между собой и составляют 109°28. Нетрудно заметить, что структурная формула метана представляет собой не что иное, как проекцию его модели на плоскрсть чертежа. [c.34]

    Тетраэдр в качестве модели атома углерода уже давно предложен Вант-Гоффом и ЛеБелем (см. стр. 84). Поэтому утверждалось, что изложенное выше математическое доказательство тетраэдрической структуры атома углерода значительно запоздало. Хотя это и правильно, но, с другой стороны, такая оценка все же несправедлива. Во-первых, атомная физика и ее математический вспомогательный аппарат развились лишь в начале нашего столетия, так что раньше этого доказательства нельзя было дать. Во-вторых, сейчас мы можем понять сущность атомной связи углерода и понять, почему именно атом углерода в основном четырехвалентен, почему его связи направлены тетраэдрически и почему он стремится сохранить это тетраэдрическое расположение. При таком подходе выведенная на основании атомной теории тетраэдрическая структура атома углерода является блестящим доказательством надежности и применимости современных взглядов для решения основных проблем органической химии. [c.37]

    Согласно идее Вант-Гоффа и Лебеля, атом углерода имеет тетраэдрическое строение и может соединяться с другими атомами либо вершиной тетраэдра, образуя единичную связь, либо ребром, образуя двойную связь, либо гранью, образуя тройную связь. Из этой модели вытекает ряд следствий. Так, все атомы в молекуле этилена оказываются лежащими в одной плоскости, т. е. двойная связь С=С задает плоскостное расположение нег[осредственно соединенных с ней атомов. Все атомы в молекуле ацетилена, по Вант-Гоффу, лежат на одной прямой—тройная связь С=С задает линейное расположение атомов. [c.44]

    В моделях Дрейдинга атомы углерода вместе с их связями выполнены в виде металлических стержней, двух сплошных и двух полых, соединенных в точке, соответствующей центру атома, под правильными углами тетраэдра. Для соединения двух атомов сплошной стержень одного из них вставляют в полый стержень другого. Длина связей и положение стопоров внутри полых стержней таковы, что расстояния С — Н и С —С передаются в соответствующем масштабе свободным стержнем и двумя соединенными стержнями. Для структур с двойными связями используют атом углерода, состоящий из трех конланарных стержней под углом 120° друг к другу. Имеются также и некоторые гетероатомы. Эти модели превосходны для показа у доски, хотя слишком малы для демонстрации в больших аудиториях (1А=2,5 см). [c.20]


Опыт № 11/12. Изготовление моделей молекул органических соединений

Оборудование. Наборы разного цвета шаров и стержней.

А. Изготовление моделей углеводородов и их галогенопроизводных

Задания. 1—5. Соберите шаростержневые модели молекулы метана и его гомологов.

6—7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлор-метана и дихлорэтана.

Выполнение опыта

1. Возьмите шарик, который условно будет изображать атом углерода, и четыре стержня (или спички), которые будут изображать связи С—Н. Объясните, почему химические связи располагаются вокруг атома углерода под углом 109°28′ относительно друг друга. Расположите четыре стержня под указанным углом между ними.

2. Мысленно или при помощи нити соедините центры ядер атомов водорода (свободные концы стержней) друг с другом. Изображение какой геометрической фигуры вы получили?

3. На свободные концы стержней прикрепите (наколите) четыре шарика. Такая модель молекулы метана называется шаростержневой моделью.

Аналогичные модели молекул, в которой детали, изображающие атомы элементов, выполняются в соответствующем масштабе, называются масштабными.

4. Соберите шаростержневые модели молекул метана, этана, пропана, бутана.

Что общего в строении молекул этих веществ, в чем различие? Чем объясняется зигзагообразное строение углеродной цепи в молекулах пропана и бутана? Какова величина угла в зигзагообразном отрезке углеродной цепи? Продемонстрируйте на моделях молекул этана и пропана возможность свободного вращения углеводородных радикалов относительно друг друга (конформация) и образования в результате этого огромного числа пространственных изомеров. Почему нельзя выделить эти изомеры?

5. Изготовьте шаростержневые модели н-бутана и н-пентана. С помощью моделей покажите возможный переход парафинов в циклопарафины и наоборот. Сохраняется ли размер валентных углов в углеродной цепи парафинов при превращении их в циклопарафины?

6. Изготовьте шаростержневые модели молекул метана и четырех молекул хлора. С помощью этих моделей продемонстрируйте поэтапное замещение атомов водорода в метане на атомы хлора с образованием хлороводорода и соответствующих галогенопроизводных метана.

7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлорметана и дихлорэтана. Имеются ли изомеры у этих галогенопроизводных? Если да, то покажите их с помощью моделей, назовите их.

Б. Изготовление моделей молекул метиламина и диметиламина

Выполнение опыта

1. Используя приемы, описанные выше, соберите шаростержневые модели молекул аммиака и метана. Удалите по одному атому из каждой молекулы и остатки соедините свободными валентностями. Получилась модель молекулы метиламина. Сделайте вывод, что представляет собой это соединение по отношению к аммиаку и метану.

2. Соберите шаростержневую модель молекулы диметиламина. Что представляет собой это соединение по отношению к аммиаку?

Оборудование. Наборы разного цвета шаров и стержней.

А. Изготовление моделей углеводородов и их галогенопроизводных

Задания. 1—5. Соберите шаростержневые модели молекулы метана и его гомологов.

6—7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлор-метана и дихлорэтана.

Выполнение опыта

1. Возьмите шарик, который условно будет изображать атом углерода, и четыре стержня (или спички), которые будут изображать связи С—Н. Объясните, почему химические связи располагаются вокруг атома углерода под углом 109°28′ относительно друг друга. Расположите четыре стержня под указанным углом между ними.

2. Мысленно или при помощи нити соедините центры ядер атомов водорода (свободные концы стержней) друг с другом. Изображение какой геометрической фигуры вы получили?

3. На свободные концы стержней прикрепите (наколите) четыре шарика. Такая модель молекулы метана называется шаростержневой моделью.

Аналогичные модели молекул, в которой детали, изображающие атомы элементов, выполняются в соответствующем масштабе, называются масштабными.

4. Соберите шаростержневые модели молекул метана, этана, пропана, бутана.

Что общего в строении молекул этих веществ, в чем различие? Чем объясняется зигзагообразное строение углеродной цепи в молекулах пропана и бутана? Какова величина угла в зигзагообразном отрезке углеродной цепи? Продемонстрируйте на моделях молекул этана и пропана возможность свободного вращения углеводородных радикалов относительно друг друга (конформация) и образования в результате этого огромного числа пространственных изомеров. Почему нельзя выделить эти изомеры?

5. Изготовьте шаростержневые модели н-бутана и н-пентана. С помощью моделей покажите возможный переход парафинов в циклопарафины и наоборот. Сохраняется ли размер валентных углов в углеродной цепи парафинов при превращении их в циклопарафины?

6. Изготовьте шаростержневые модели молекул метана и четырех молекул хлора. С помощью этих моделей продемонстрируйте поэтапное замещение атомов водорода в метане на атомы хлора с образованием хлороводорода и соответствующих галогенопроизводных метана.

7. Соберите шаростержневые модели молекул дихлорметана и дихлорэтана. Имеются ли изомеры у этих галогенопроизводных? Если да, то покажите их с помощью моделей, назовите их.

А. 1, 2, 3.

Потому, что этот угол (109°28′) наиболее выгоден для молекулы, получается симметричная структура: атомы и равно отдалены друг от друга и находятся на одинаковом расстоянии от атома С. Атомы водорода образуют тетраэдр, причем атом C расположен в центре.

4. Пространственное строение не изменилось.

5.

Общее: углы между связями одинаковы для разных молекул (109°28′). Зигзагообразное строение углеродной связи объясняется углом (109°28′) и способностью свободно вращаться. Пространственные изомеры нельзя выделить потому, что углеводородные радикалы вращаются свободно относительно друг друга.

6. Размер валентных углов сохраняется.

7. 8.

2.

Поурочный план лабораторной работы по теме: «Изготовление моделей молекул углеводородов»

  1. Составить шаростержневую модель молекулы метана:

— сделать из черного пластилина один шарик, который будет символизировать атом углерода, и из белого пластилина сделать четыре шарика, которые будут символизировать атомы водорода. Причем диаметр черного шарика должен превышать диаметр белых шариков в 1,5 раза.

— на черном шарике (атом углерода) наметьте четыре равноудаленные друг от друга точки и вставьте в них палочки, к концам палочек присоедините четыре белых шарика (атомы водорода).

  1. Составить шаростержневую модель молекулы трихлорметана:

— исходя из модели молекулы метана, составьте модель молекулы трихлорметана.

— сделать из синего пластилина три шарика, которые будут символизировать атом хлора. Причем диаметр синих шариков должен превышать диаметр белых шариков в 2 раза.

— отнимите от модели молекулы метана три шарика белого цвета (символ атома водорода) и на освободившиеся места прикрепите синие шарики (символ атома хлора).

  1. Составить шаростержневую модель молекулы этана:

— сделать из черного пластилина два шарика, которые будут символизировать атом углерода, и из белого пластилина сделать шесть шариков, которые будут символизировать атомы водорода. Причем диаметр черных шариков должен превышать диаметр белых шариков в 1,5 раза.

— соедините между собой палочкой шарики черного цвета.

— на каждом черном шарике (атом углерода) наметьте три равноудаленные друг от друга точки и вставьте в них палочки, к концам палочек присоедините белый шарик (атомы водорода).

  1. Составить шаростержневую модель молекулы хлорэтана:

— исходя из модели молекулы этана, составьте модель молекулы хлорэтана.

— сделать из синего пластилина шарик, которые будут символизировать атом хлора. Причем диаметр синего шарика должен превышать диаметр белых шариков в 2 раза.

— отнимите от модели молекулы этана один шарик белого цвета (символ атома водорода) и на освободившееся место прикрепите синий шарик (символ атома хлора).

  1. Составить шаростержневую модель молекулы бутана:

— сделать из черного пластилина четыре шарика, которые будут символизировать атом углерода, и из белого пластилина сделать десять шариков, которые будут символизировать атомы водорода. Причем диаметр черных шариков должен превышать диаметр белых шариков в 1,5 раза.

— соедините между собой палочками шарики черного цвета.

— на первый и четвертый черный шарик (атом углерода) наметьте три равноудаленные друг от друга точки и вставьте в них палочки, к концам палочек присоедините белый шарик (атомы водорода). Ко второму и третьему черному шарику вставить по две палочки, к концам палочек присоедините белый шарик (атомы водорода).

Выводы по лабораторной работе: _______________________________________________________.

Контрольные вопросы по защите лабораторной работе:

  1. Какие существуют способы моделирования молекул органических соединений?

  2. Какие положения теории химического строения органических соединений учитывались при составлении моделей молекул углеводородов?

  3. Записать название соединений их структурные формулы. С6Н14, С7Н16. Составить изомеры этих соединений, назвать их.

Разделение этилена и этана в стабильном органическом каркасе с водородными связями с помощью запорного механизма.

  • 1.

    Шолл, Д. С. и Лайвли, Р. П. Семь химических разделений, которые изменят мир. Природа 532 , 435–437 (2016).

    PubMed Статья Google ученый

  • 2.

    Лин, Дж. Ю. С. Молекулярные сита для разделения газов. Наука 353 , 121–122 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 3.

    Чу С., Цуй Ю. и Лю Н. Путь к устойчивой энергетике. Nat. Матер. 16 , 16–22 (2017).

    Артикул CAS Google ученый

  • 4.

    Kuznicki, S. M. et al. Молекулярное сито из титаносиликата с регулируемыми порами для избирательной адсорбции молекул по размеру. Nature 412 , 720–724 (2001).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 5.

    Кузницки, С. М. и Белл, В. А. Разделение олефинов с использованием молекулярных сит CTS. Патент США 6517611 (2003).

  • 6.

    Mohamed, M. H. et al. Проектирование открытых металлических площадок в металлоорганических каркасах для разделения парафинов и олефинов. J. Am. Chem. Soc. 141 , 13003–13007 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 7.

    Фурукава, Х., Кордова, К. Э., О’Киф, М., Яги, О.М. Химия и применение металлоорганических каркасов. Наука 341 , 1230444 (2013).

    Артикул CAS Google ученый

  • 8.

    Li, L. et al. Разделение этана и этилена в металлоорганическом каркасе с пероксцентрами железа. Наука 362 , 443–446 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 9.

    Liao, P.-Q., Zhang, W.-X., Zhang, J.-P. И Чен, X.-M. Эффективная очистка этена металлоорганическим каркасом, улавливающим этан. Nat. Commun. 6 , 8697 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 10.

    Казвини, Т., Бабарао, Р., Ши, З. Л., Чжан, Ю. Б. и Телфер, С. Г. Надежный улавливающий этан металлорганический каркас с высокой способностью очистки этилена. J. Am. Chem. Soc. 141 , 5014–5020 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 11.

    Yang, H. et al. Разделение порового пространства обеспечивает исключительное поглощение этана и селективное по этану разделение этана и этилена. J. Am. Chem. Soc. 142 , 2222–2227 (2020).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 12.

    Zeng, H. et al. Металлоорганический каркас, соединенный между собой клетками, с адаптированными отверстиями для эффективного разделения C 2 H 6 / C 2 H 4 разделения во влажных условиях. J. Am. Chem. Soc. 141 , 20390–20396 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 13.

    Hao, H.-G. и другие. Одновременный захват C 2 H 2 и C 2 H 6 из тройной смеси C 2 H 2 / C 2 H 4 / C 2 H 6 в прочном металлоорганическом каркасе для очистки от C 2 H 4 . Angew. Chem. Int. Эд. 130 , 16299–16303 (2018).

    Артикул Google ученый

  • 14.

    Lin, L. et al. Основные сведения о реакционной способности и использовании открытых участков металла в Cu (i) -MFU-4 l . Металлоорганические соединения 38 , 3453–3459 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 15.

    Ван Х.и другие. Единственный в своем роде: микропористый металлорганический каркас, способный адсорбционно разделять линейные, моно- и двразветвленные изомеры алканов с помощью молекулярного сита в зависимости от температуры и адсорбата. Energy Environ. Sci. 11 , 1226 (2018). Исходя из изотерм 77 K N 2 , явления гибкости и устойчивости четко не наблюдались в этом кальциевом MOF.

    CAS Статья Google ученый

  • 16.

    Хуанг Н., Ван П. и Цзян Д. Ковалентные органические каркасы: платформа материалов для структурного и функционального проектирования. Nat. Rev. Mater. 1 , 16068 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 17.

    Li, B. et al. Введение π-комплексообразования в пористый ароматический каркас для высокоселективной адсорбции этилена над этаном. J. Am. Chem. Soc. 136 , 8654–8660 (2014).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 18.

    He, Y., Xiang, S. & Chen, B. Микропористый водородно-связанный органический каркас для высокоселективного C 2 H 2 / C 2 H 4 разделение при температуре окружающей среды температура. J. Am. Chem. Soc. 133 , 14570–14573 (2011).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 19.

    Линь Р.-Б. и другие. Многофункциональные пористые органические каркасные материалы на водородной связке. Chem. Soc. Ред. 48 , 1362–1389 (2019).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 20.

    Liao, P.-Q., Huang, N.-Y., Zhang, W.-X., Zhang, J.-P. И Чен, X.-M. Контроль конформации гостя для эффективной очистки бутадиена. Наука 356 , 1193–1196 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 21.

    Chen, K.-J. и другие. Синергетическое разделение сорбентов для одностадийной очистки этилена от четырехкомпонентной смеси. Наука 366 , 241 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 22.

    Zhang, X. et al. Селективное разделение этана / этилена в прочном микропористом органическом каркасе с водородными связями. J. Am. Chem. Soc. 142 , 633–640 (2020).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 23.

    Vaidhyanathan, R. et al. Прямое наблюдение и количественная оценка связывания CO 2 в функционализированном амином нанопористом твердом теле. Наука 330 , 650–653 (2010).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 24.

    Bloch, E. D. et al. Разделение углеводородов в металлоорганическом каркасе с открытыми координационными центрами железа (ii). Наука 335 , 1606–1610 (2012).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 25.

    Yang, S. et al. Супрамолекулярное связывание и разделение углеводородов внутри функционализированного пористого металлорганического каркаса. Nat. Chem. 7 , 121–129 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 26.

    Cui, X. et al. Химический состав пор и контроль размера в гибридных пористых материалах для улавливания ацетилена из этилена. Наука 353 , 141–144 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 27.

    Yoon, J. W. et al. Селективный захват азота пористыми гибридными материалами, содержащими доступные центры ионов переходных металлов. Nat. Матер. 16 , 526–531 (2016).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 28.

    Wang, H. et al. Индивидуальные микропористые металлоорганические каркасы для полного отделения пропана от пропилена путем селективного исключения размеров. Adv. Матер. 30 , 1805088 (2018).

    Артикул CAS Google ученый

  • 29.

    Линь Р.-Б. и другие. Молекулярное отсеивание этилена от этана на жестком металлоорганическом каркасе. Nat. Матер. 17 , 1128–1133 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 30.

    Кадиау, А., Адил, К., Бхатт, П. М., Бельмабхут, Ю. и Эддауди, М. Разделитель на основе металл-органического каркаса для отделения пропилена от пропана. Наука 353 , 137–140 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 31.

    Бавыкина А. и Гаскон Дж. Эффективное наносито. Nat. Матер. 17 , 1057–1058 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 32.

    Рид, К. Р. и Томас, К. М. Кинетика адсорбции и свойства исключения размеров молекул зондов для селективной пористости в углеродном молекулярном сите, используемом для разделения воздуха. J. Phys. Chem. B 105 , 10619–10629 (2001).

    CAS Статья Google ученый

  • 33.

    Вебстер К. Э., Драго Р. С. и Цернер М. С. Молекулярные размеры адсорбентов. J. Am. Chem. Soc. 120 , 5509–5516 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 34.

    Li, L. et al. Металлоорганический каркас с подходящим размером пор и определенными функциональными центрами для удаления следов пропина из пропилена. Angew. Chem. Int. Эд. 57 , 15183–15188 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 35.

    Krause, S. et al. Усиливающий давление каркасный материал с отрицательными переходами адсорбции газа. Природа 532 , 348–352 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 36.

    Gu, C. et al. Проектирование и управление процессом диффузии газа в мягком нанопористом кристалле. Наука 363 , 387 (2019).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 37.

    Yang, H. et al. Эффекты «замок-ключ» и «память формы» на нетрадиционном синтетическом пути к металлоорганическим каркасам из магния. Angew. Chem. Int. Эд. 58 , 11757–11762 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 38.

    Китаура Р., Секи К., Акияма Г. и Китагава С. Пористые кристаллы координационного полимера с закрытыми каналами, специально предназначенные для сверхкритических газов. Angew. Chem. Int. Эд. 42 , 428–431 (2003).

    CAS Статья Google ученый

  • 39.

    Li, L. et al. Гибкий и прочный металлоорганический каркас для эффективного удаления пропина из пропилена. J. Am. Chem. Soc. 139 , 7733–7736 (2017). «Гибкий – надежный MOF» был впервые определен в этой литературе, как показано на рис. 1b. «Гибкость-надежность» также поясняется на иллюстрации адсорбции N 2 и CO 2 HOF-FJU-1a (дополнительные рисунки 9 и 12) при криогенных температурах.

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 40.

    Саркисов, Л., Харрисон, А. Инструменты для расчета характеристик структуры в применении к упорядоченным и неупорядоченным пористым материалам. Мол. Simul. 37 , 1248–1257 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 41.

    Thommes, M. et al. Физическая адсорбция газов с особым упором на оценку площади поверхности и распределения пор по размерам. Pure Appl. Chem. 87 , 1051–1069 (2015).

    CAS Статья Google ученый

  • 42.

    Агуадо С., Бержере Г., Даниэль С. и Фарруссенг Д. Абсолютное разделение смесей этилена / этана на молекулярных ситах с цеолитом серебра A. J. Am. Chem. Soc. 134 , 14635–14637 (2012).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 43.

    Bereciartua, P.J. et al. Контроль гибкости цеолитного каркаса и топологии пор для разделения этана и этилена. Наука 358 , 1068–1071 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 44.

    Hu, F. L. et al. Сверхстабильный и легко регенерируемый органический молекулярный каркас с водородными связями и постоянной пористостью. Angew. Chem. Int. Эд. 56 , 2101–2104 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 45.

    Инь, В.и другие. Сверхпрочный и кристаллический восстанавливаемый органический каркас с водородными связями для синергетической химио-фотодинамической терапии. Angew. Chem. Int. Эд. 57 , 7691–7696 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 46.

    Zhang, X. et al. Органический каркас со стержневой набивкой, связанный водородными связями, с подходящим ограничением пор для эталонного разделения этана / этилена. Angew. Chem. Int. Эд. 60 , 10304–10310 (2021).

    CAS Статья Google ученый

  • 47.

    Саркисов, Л., Харрисон, А. Инструменты для расчета характеристик структуры в применении к упорядоченным и неупорядоченным пористым материалам. Мол. Simul. 37 , 1248–1257 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 48.

    Шелдрик, Г. М. SHELXT — Интегрированное определение пространственной группы и кристаллической структуры. Acta Crystallogr. А 71 , 3–8 (2015).

    Артикул CAS Google ученый

  • Создание молекулярной модели

    Во время этого упражнения мы собираемся использовать легкодоступные материалы, которые мы все можем найти дома или легко купить в супермаркете, чтобы создать молекулярную модель молекулы аромата. Мы хотели бы, чтобы вы попробовали сделать пропилэтаноат (CH 3 CO 2 CH 2 CH 2 CH 3 ), и мы хотим, чтобы вы проявили как можно более творческий подход к материалам, которые вы использовать! Но помните, что мы все еще хотим видеть истинное представление молекулы (т.е. чтобы он имел правильную трехмерную форму с достаточно точными углами связи). Потребуются следующие ингредиенты:
    • Конфеты, мячи для пластилина или другие круглые предметы, используемые в качестве атомов, трех разных цветов (в идеале — красного, белого и черного)
    • Коктейльные палочки, соломинки, средства для чистки трубок и т. Д. (Что-то для использования в качестве связующего).
    Убедитесь, что вы прочитали все инструкции перед началом эксперимента, чтобы убедиться, что вы точно понимаете, что будет происходить на каждом этапе.

    Шаг первый: выберите молекулу аромата

    Мы сделали попытку воссоздать сложный эфир, который мы хотели бы, чтобы вы сделали (пропилэтаноат) — скелетная структура показана ниже.

    Шаг второй: выберите материалы

    Для наших молекул мы решили использовать красные мармеладные конфеты для кислорода, черные мармеладные конфеты для углерода, белые мини-маршмеллоу для водорода и коктейльные палочки для связок. Но именно здесь вы можете проявить себя по-настоящему творчески!

    4.9

    32 Отзывы

    Вы можете использовать фрукты, марципан, пластилин… все, что у вас есть в доме, что может работать как атомы и молекулы — мы оставим эту сторону вещей на ваше усмотрение.

    Шаг третий: вперед

    Вот изображение нашего мармеладного сладкого творения! Довольно сложно заставить модели стоять вертикально, но главное, вы можете использовать свою модель, чтобы визуализировать молекулы аромата в 3D.Для обеспечения стабильности для некоторых одинарных связей в нашей мармеладной конфете потребовались две коктейльные палочки, расположенные рядом друг с другом — для двойной связи коктейльные палочки хорошо разделены с очевидным зазором между ними. Если вы застряли, пытаясь создать свою молекулярную модель, ознакомьтесь с нашими советами и подсказками в формате pdf в разделе загрузок ниже. Это дает пошаговое руководство, которое может быть полезно при попытке получить правильные валентные углы вокруг ваших атомов. Когда вы закончите, мы будем рады увидеть ваши творческие шедевры! Почему бы не загрузить изображение своей модели в нашу открытую Padlet (мы включили несколько примеров из предыдущих курсов, чтобы вдохновить вас) или использовать Twitter или Instagram #FLchemistry, чтобы узнать, как у вас дела.Кроме того, дайте нам знать, как вы справились с задачей, используя раздел комментариев ниже. Если вам нужны какие-либо инструкции по использованию Padlet, тогда доступна дополнительная информация — мы очень хотели бы, чтобы каждый почувствовал себя частью обучающегося сообщества, поэтому с нетерпением ждем ваших отзывов. Для вашей безопасности рекомендуется не употреблять в пищу какие-либо части созданной вами молекулярной модели на любом этапе эксперимента (негигиеничное обращение с пищевыми продуктами может привести к заражению). Выбросьте образцы в мусорное ведро общего назначения. Примите соответствующие меры при использовании коктейльных палочек или других острых предметов, чтобы не пораниться.

    Конкурс моделей

    Будет вручен приз за фотографию лучшей модели пропилэтаноата, размещенную на нашем сайте Padlet и / или в Twitter или Instagram до 9 утра понедельника 6 июля (2 неделя) . Приз будет вручен моделисту, модель которого, по мнению Энди, является самой оригинальной, яркой, творческой и научно точной.Мы объявим имя победителя на 2-й неделе (в комментариях ниже), которому будут отправлены потрясающие бутылки с водой Chemistry @ York и спиннер . (Этот конкурс проводится Энди из Йоркского университета и не связан с FutureLearn, и любые личные данные, предоставленные учащимся, будут использоваться только для отправки приза.) Почему бы не попробовать?

    Агрегат-13.pmd

    % PDF-1.3 % 655 0 объект >>>] / ON [699 0 R] / Заказ [] / RBGroups [] >> / OCGs [699 0 R] >> / Страницы 642 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 656 0 объект > / Шрифт >>> / Поля 638 0 R >> эндобдж 652 0 объект > поток заявка / pdf

  • NCERT
  • Блок-13.pmd
  • 2018-01-23T15: 22: 42PageMaker 7.02019-04-18T09: 07: 03 + 05: 302019-04-18T09: 07: 03 + 05: 30GPL Ghostscript 8.15uuid: eb536708-1217-4684-90d6-da04441a7a1euuid: ca5fb8bb- a602-497f-8b25-8c57504d1335 конечный поток эндобдж 642 0 объект > эндобдж 643 0 объект > эндобдж 649 0 объект > эндобдж 650 0 объект > эндобдж 651 0 объект > эндобдж 434 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 436 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 442 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 444 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 709 0 объект > поток HW [k ~? B] ׽ HH`% JȆU ~ [ӻ [EVnOnui [nRtYOk) K 漦 Oo> _., wO ヌ ߿? C: «F% w> kXNO? MxkW «ewR1D-j ܕ (_ / b_W: lVCoo_ ר 䗐?; Zy @ G4 Ձ˃ K. ~ % Y% J +? 0; pA 8] 7hq ΄ Ο> sҞm Խ c & z * Wd_Snhy # ‘ph ؛ z: OdA] HT # G

    :% 1 &; (} vLM.} X! 7VtHo (C & dw ׹! SBFˁ [nxP٩w-Z \ zw6K «io), _ Ez

    Создание Пластмассы: от мономера к полимеру

    Универсальность, простота производства и относительно низкая стоимость делают пластмассы одними из самых полезных материалов для широкого спектра применений. В этой статье объясняются химический состав и производственные процессы, лежащие в основе двух самых популярных пластмасс: полиэтилен и полипропилен.

    Пластмассы — одни из самых разнообразных и полезных производственных материалов в мире. В то время как пластмассы включают в себя большое количество материалов, полиэтилен и полипропилен являются двумя основными типами пластмасс, используемых во многих потребительских товарах, от автомобильных запчастей до пакетов для покупок и водопроводных труб.

    Несколько типов реакторов могут производить полимеры, включая реакторы с псевдоожиженным слоем, петлевые, автоклавные и трубчатые реакторы. Различные марки полиэтилена и полипропилена обладают широким спектром физических свойств, таких как плотность, жесткость, гибкость, непрозрачность, температура плавления, текстура и прочность.Манипулируя переменными в реакторе, такими как расход мономера, сомономера, катализатора и охлаждающей среды, можно управлять ключевыми параметрами качества. Добавки и красители могут изменить внешний вид полимера.

    Полимерные заводы — это полунепрерывные процессы. Сырье непрерывно подается в реактор в передней части, а полимерный порошок и гранулы упаковываются партиями. На большинстве предприятий используется несколько линий с большим количеством бункеров и силосов для хранения и смешивания. Пластмассы в конечном итоге доставляются клиентам с помощью барж, грузовиков или железнодорожных вагонов.

    В этой статье описаны различные процессы производства полиолефинов, их основные рабочие параметры и способы использования автоматизации для улучшения контроля качества и увеличения производительности.

    Химия производства пластика

    Полезно понять некоторые химические процессы, лежащие в основе реакции полимеризации, чтобы понять, как работает этот процесс, и насколько сложен процесс производства пластика. Реакция полимеризации начинается с первичного ингредиента (мономера), такого как этилен или пропилен.

    Этилен (C 2 H 4 ) представляет собой стабильную молекулу с двумя атомами углерода и двойной связью. Полиэтилен (PE) образуется в результате реакции множества молекул этилена в присутствии катализатора с разрывом двойной связи и соединением атомов углерода в цепочку (рис. 1). Чем длиннее цепь, тем выше молекулярная масса. Полимеры могут иметь миллионы молекулярных масс.

    Точно так же полипропилен (ПП) получают путем разрыва двойной связи в молекуле пропилена (C 3 H 6 ) в присутствии катализатора с образованием длинных цепочек молекул с тремя атомами углерода (рис. 2).Третий атом углерода добавляет сложности: на какую сторону цепи попадут метильные (CH 3 ) группы? Все они могут быть по одну сторону от центральной линии цепи или позвоночника (изотактический), они могут появляться поочередно на противоположных сторонах позвоночника (синдиотактический), или их положения могут быть случайными (атактическими). Эти устройства имеют разные физические свойства.

    Реакции полимеризации также потребляют водород, который требуется для гашения реакции ( т.е., заканчивают цепи), а некоторые будут включать вторичный ингредиент (известный как сомономер). Поскольку концентрации этих компонентов в реакторе влияют на вероятность того, что конкретные реакции будут иметь место, состав в реакторе эффективно устанавливает количество разветвлений и длину цепи.

    Рис. 1. Этилен — стабильная молекула с двумя атомами углерода, соединенными двойной связью. Полиэтилен образуется в результате реакции множества молекул этилена в присутствии катализатора.

    В полимерной промышленности используется множество катализаторов, и каждый год разрабатываются новые катализаторы. Различные катализаторы используются для создания полимеров с определенными свойствами даже в одном и том же реакторе. Каждый лицензиар процесса ПЭ или ПП включает патентованные рецептуры катализаторов в конструкции своих реакторов. В зависимости от типа реактора катализаторы могут быть твердыми частицами или суспендированы в углеводороде или растворителе.

    Полимеризация — это сильно экзотермическая реакция, и она требует непрерывного охлаждения для предотвращения неуправляемых реакций.Большинство реакторных систем включают аварийное гашение, которое быстро останавливает реактор, если температура достигает заданного значения. До внедрения резервных механизмов управления реакция неуправляемого двигателя могла привести к тому, что реактор полностью забился пластиком. С тех пор технологические процессы были изменены, и были внедрены системы безопасности для предотвращения таких инцидентов.

    Рис. 2. Полипропилен получают путем разрыва двойной связи в молекуле пропилена в присутствии катализатора.Получающийся в результате полимер может быть изотактическим, со всеми метильными группами на одной стороне основной цепи полимера, синдиотактическим, с альтернативными метильными группами на противоположных сторонах основной цепи, или атактическим (не показано), с метильными группами, расположенными случайным образом.

    Рис. 3. Распределение молекулярной массы бимодального полимера имеет более одного пика.

    Основные характеристики качества

    Хотя свойства полимера можно несколько изменить на стадиях смешивания и экструзии, условия в реакторе устанавливают сорт (ы) продукта — как определено несколькими ключевыми мерами качества — которые могут быть изготовлены.В общем, полиэтилен классифицируется по его плотности, линейности молекул (, т.е. степень разветвления) и его молекулярной массе (длине цепей). Другие качества полимера, включая свойство текучести расплава, известное как индекс текучести расплава, являются функцией кристаллической структуры и также в первую очередь определяются реакцией полимеризации. Индекс текучести расплава определяет поведение полимера при последующих операциях, таких как экструзия, выдувное формование или производство пленки.

    Наиболее распространенные марки полиэтилена:

    • полиэтилен высокой плотности (HDPE) . Этот полимер имеет плотность не менее 0,941 г / см 3 . Он имеет низкую степень разветвления, в основном линейные молекулы, имеет высокую прочность на разрыв, устойчив ко многим химическим веществам и используется в таких продуктах, как бутылки, кувшины, водопроводные трубы и игрушки.
    • полиэтилен средней плотности (MDPE) . В диапазоне плотности от 0,925 до 0.940 г / см 3 , MDPE имеет лучшую стойкость к ударам и растрескиванию под напряжением, чем HDPE, и обычно используется для газовых труб, пластиковых пакетов и упаковочной пленки.
    • полиэтилен низкой плотности (LDPE) . Этот сорт имеет диапазон плотности …

    Frontiers | Механизм образования и окраски типичных минералов алюмосиликатной глины для получения гибридного пигмента CoAl2O4

    Введение

    AB 2 O 4 Комплексные оксиды шпинели обычно используются в качестве керамических материалов, неорганических пигментов, магнитных материалов, катализаторов и газочувствительных материалов (Ren et al., 2014; Йонеда и др., 2016; Цзоу и Чжэн, 2016; Альварес-Досио и др., 2017; Чафи и др., 2017; Рани, 2017; Tang et al., 2017), наиболее известным из них является алюминат кобальта (CoAl 2 O 4 ). Как высококачественный экологически чистый пигмент насыщенного синего цвета, он может применяться в области керамики, пластика, красок, стекла и цветных телевизионных трубок благодаря высокому показателю преломления, отличной химической и термической стабильности (Mahé et al., 2008; Ryu et al., 2008; Tirsoaga et al., 2011; Merino et al., 2015; Сулеймани-Горгания и др., 2015). Однако высокая стоимость пигментов CoAl 2 O 4 сильно ограничила их широкое применение из-за дорогих соединений кобальта (De Souza et al., 2009; Gholizadeh, Malekzadeh, 2017; Zhang et al., 2017). Кроме того, традиционный метод получения пигмента кобальтового синего включал кальцинирование CoO и Al 2 O 3 при температуре выше 1300 ° C в течение длительного времени (Armijo, 1969; Salavati-Niasari et al., 2009; Распродажа, 2015; He et al., 2017; Zhang et al., 2017), что, очевидно, отнимало много времени. Следовательно, необходимо срочно разработать стратегию получения недорогого кобальтового синего пигмента с превосходными цветовыми характеристиками, чтобы реализовать его широкое применение.

    Включение нетоксичных и недорогих элементов может быть эффективным методом уменьшения использования элемента Со. Торкиан и др. синтезированный нанопигмент Co x Mg 1 − x Al 2 O 4 на основе замещения Co 2+ с использованием Mg 2+ методом сжигания (Torkian et al., 2013). Хаттаб и др. также синтезировал Co x Mg 1 − x Al 2 O 4 синий пигмент после замены Co 2+ на Mg 2+ в процессе прокаливания (Khattab et al., 2017), и Компания Sedghi приготовила нанопигменты Co x Zn 1 − x Al 2 O 4 методом сжигания геля (Sedghi et al., 2014). Это предполагает, что технология легирования с использованием согласованных ионов металлов может улучшить цветовые свойства, а также снизить стоимость кобальтового синего.Однако снижение стоимости кобальтового синего ограничивается заменой Co 2+ ионами других металлов. Более того, агломерация и рост кристаллических зерен наночастиц кобальтового синего все еще сохраняются в процессе прокаливания.

    В последнее время многие неорганические субстраты используются для создания экологически чистого высококачественного неорганического гибридного пигмента (Mousavand et al., 2006; Zhang et al., 2015; Meng et al., 2016; Mishra et al., 2017; Tian и др., 2017). Благодаря изобилию в природе, низкой стоимости, нетоксичности и уникальным структурным особенностям глинистые минералы могут служить многообещающим субстратом для загрузки неорганических наночастиц (Wang et al., 2011; Тодорова и др., 2014; Му и Ван, 2015; Ezzatahmadi et al., 2017; Intachai et al., 2017). Поэтому наши группы подготовили гибридные пигменты кобальтового синего цвета после включения аттапульгита, галлуазита (Hal), монтмориллонита (Mt) и т. Д. Методом соосаждения с последующим процессом прокаливания (Mu et al., 2015; Zhang et al. , 2017). Он подтвердил, что введение глинистых минералов резко снижает стоимость пигмента, а также улучшает агрегацию наночастиц кобальтового синего цвета.Кроме того, некоторые компоненты глинистых минералов могут занимать тетраэдрические или октаэдрические позиции в структуре шпинели CoAl 2 O 4 , чтобы заменить Co 2+ или Al 3+ , которые оказывают очевидное влияние на цветовые свойства синий кобальт. Однако соответствующий механизм образования и окраски гибридных пигментов CoAl 2 O 4 / глина все еще не был ясен. Таким образом, несколько типичных алюмосиликатных минералов были выбраны для создания гибридных пигментов CoAl 2 O 4 / алюмосиликатная глина для изучения соответствующего механизма образования и окраски в этом исследовании, задействованные глинистые минералы включали Hal, Mt, каолин (Kaol ), андалузита (А), дикита (Dic), муллита (М47 и М70, число является индикатором содержания Al 2 O 3 ).Было детально изучено влияние различных минералов алюмосиликатной глины на параметры цвета гибридного пигмента, и был предложен возможный механизм образования и окрашивания гибридных пигментов. Ожидается, что в нем будут представлены рекомендации по приготовлению недорогого и высококачественного кобальтового синего с превосходными цветовыми характеристиками.

    Экспериментальный

    Материалы

    Hal и А были получены от Zhengzhou Jinyangguang Ceramics Co., Ltd. (Хэнань, Китай). Mt, Dic, M47 и M70 были получены от Yixian Kaolin Development Co., Ltd. (Хэбэй, Китай), Qingdao Yuzhou chemical Co., Ltd. (Шаньдун, Китай), Huakang Non-Metallic Minerals Processing Plants (HeBei, Китай) соответственно. Каол был приобретен у Longyan Kaolin Co., Ltd. (Фуцзянь, Китай). Чтобы проанализировать состав алюмосиликатных минералов с помощью рентгеновской флуоресценции, алюмосиликатные минералы сначала измельчали ​​и очищали 4% HCl (мас.%) Для удаления карбонатов, а затем очищенные глинистые минералы фильтровали через фильтр с размером ячеек 200 меш. сито. Состав вовлеченных алюмосиликатных минералов представлен в таблице 1.Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O и Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O были приобретены на Shanghai Reagent Factory (Шанхай, Китай). NaOH, HCl и безводный этанол были получены China National Medicines Co., Ltd.

    .

    Таблица 1 . Химический состав различных глинистых минералов после кислотной обработки.

    Получение CoAl

    2 O 4 / Минеральный гибридный пигмент алюмосиликатной глины

    CoAl 2 O 4 / минеральные гибридные пигменты из алюмосиликатной глины были изготовлены в соответствии с аналогичной процедурой, описанной в нашем предыдущем исследовании (Zhang et al., 2017). Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (0,01 моль), Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O (0,02 моль) и 1,090 г минерала алюмосиликатной глины ( 60 мас.% CoAl ( 2 O 4 ) добавляли в воду (50 мл) и перемешивали на магнитной мешалке при 150 об / мин в течение 1 часа. Затем значение pH реакционной системы доводили до 10, используя 3 М водный раствор NaOH, и перемешивали в течение 2 часов при комнатной температуре. Полученные твердые продукты собирали центрифугированием и промывали более пяти раз водой перед сушкой при 60 ° C в течение 10 часов.Наконец, его прокалили при 1100 ° C в течение 2 часов со скоростью 10 ° C / мин от комнатной температуры до 1100 ° C, и полученные гибридные пигменты были сокращены до Kaol-HP, Hal-HP, Mt-HP. , M47-HP, M70-HP, And-HP и Dic-HP, соответствующие различным глинистым минералам, соответственно. В качестве контроля кобальтовые синие пигменты без глинистых минералов также были изготовлены с помощью тех же процедур, и продукция была помечена как CoAl 2 O 4 -900, CoAl 2 O 4 -1000, CoAl 2 O 4 -1100 и CoAl 2 O 4 -1200 в соответствии с температурами прокаливания, соответственно.Кроме того, различные глинистые минералы также были кальцинированы при 1100 ° C и обозначены как Kaol-1100, Hal-1100, Mt-1100, M47-1100, M70-1100 And-1100 и Dic-1100 соответственно.

    Характеристика

    Морфологию измеряли с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ, JEM-1200EX / S, JEOL). Структуру и состав анализировали с использованием инфракрасного излучения с преобразованием Фурье (FTIR, Thermo Nicolet NEXUS TM, Мэдисон, США). Дифрактометр X’pert PRO (λ = 1,54060Å) использовался для анализа рентгенограмм образца с размером шага сканирования 0.02 ° в секунду. Рамановские спектры регистрировали с помощью микрозонда на рамановском спектрометре Labram HR Evolution (Horiba). Автоматический дифференциальный колориметр Color-Eye (X-Rite, Ci 7800) использовался для изучения цветовых свойств готовых пигментов Международной комиссией по освещению (CIE) 1976 L *, a *, b * колориметрический метод. L * — ось яркости (0 для черного и 100 для белого). Параметры a * (отрицательные значения для зеленого и положительные значения для красного) и b * (отрицательные значения для синего и положительные значения для желтого) обозначают размеры оттенка или цвета.

    Результаты и обсуждение

    Характеристика Kaol-HP

    На рисунке S1 (см. ESI) приведены параметры CIE для Kaol-HP, прокаленного при различных температурах. Наблюдается, что значение L * гибридных пигментов сначала увеличивается с увеличением температуры прокаливания, а затем уменьшается, когда температура превышает 1100 ° C. Такая же тенденция изменения наблюдается и для значения b * для Kaol-HP, но цвет пигментов CoAl 2 O 4 без Kaol отличается от цвета Kaol-HP, полученного в тех же условиях.Чтобы получить синий цвет, температура прокаливания для приготовления пигментов CoAl 2 O 4 без каола должна быть выше 1200 ° C (рисунок S2, см. ESI), но его цветовые свойства ( L * = 37,41 , a * = −0,52, b * = −41,14) хуже по сравнению с Kaol-HP, полученным при 1100 ° C ( L * = 48,11, a * = 2,64, b * = — 63,75). Таким образом, эти два образца выбраны для исследования влияния введения глинистых минералов на структуру и свойства пигментов.Однако значение L * Kaol-HP уменьшается при повышении температуры до 1200 ° C, что может быть связано с кристаллическим фазовым переходом и коллапсом структуры Kaol (Juneja et al., 2010; Yeo, 2011; Zhang и др., 2017).

    На рис. 1А представлены ИК-спектры неочищенного каола, каола, прокаленного при 1100 ° C, Kaol-HP и CoAl 2 O 4 , прокаленных при 1200 ° C. Как показано в ИК-Фурье-спектре необработанного каола, полосы при 3684 и 3651 см -1 относятся к валентным колебаниям Al-OH (Saikia and Parthasarathy, 2010).Полосы при 3440 и 1636 см -1 относятся к физадсорбированной воде на поверхности Kaol и изгибному колебанию H-O-H, соответственно. ИК-пики при 911 см -1 могут быть отнесены к колебанию Al-Al-OH глиняного листа, в то время как полосы, расположенные на 1114, 1096, 1032 и 471 см -1 , относятся к Si-O. -Si листов глиняных тетраэдров (Джафари и Хассанзаде-Тебризи, 2014). После прокаливания при 1100 ° C типичные полосы поглощения Каола при 3651, 3684 и 911 см -1 исчезают из-за дегидроксилирования Каола во время прокаливания.После включения наночастиц CoAl 2 O 4 отчетливо наблюдались характерные полосы поглощения CoAl 2 O 4 при 668, 557 и 509 см -1 , которые соответствуют валентному колебанию Al -O AlO 6 и Co-O CoO 4 (Чапская и др., 2005) соответственно. Кроме того, эти характерные полосы адсорбции также можно найти в FTIR-спектре пигментов CoAl 2 O 4 .

    Рисунок 1.(A) FTIR-спектры и (B) XRD-картины необработанного Kaol, Kaol-1100, Kaol-HP и CoAl 2 O 4 -1200, соответственно.

    На рис. 1В представлены дифрактограммы сырого каола, каола, прокаленного при 1100 ° C, Kaol-HP и CoAl 2 O 4 , прокаленных при 1200 ° C. Необработанный каол представляет собой четко выраженные отражения при 2θ = 12 и 25 °, которые являются типичными характеристическими пиками каолинита (Panda et al., 2010; Konduri and Fatehi, 2017). Дифракционный пик слюды наблюдается при 2 θ = 8.9 °, а 2 θ = 18,3 и 20,2 ° относятся к дифракционным пикам Hal. Это указывает на то, что необработанный каол связан с галом, кварцем и слюдой. При прокаливании каола при 1100 ° C типичные дифракционные пики каола, гала и слюды исчезают, и остаются только дифракционные пики кварца. Что касается Kaol-HP, очевидно, что типичные дифракционные пики Kaol исчезают вместе с появлением некоторых новых дифракционных пиков, которые приписываются шпинели CoAl 2 O 4 .Согласно карте JCPD № 10-458, дифракционные пики, расположенные при 2 θ = 31,1, 36,8, 44,8, 49,0, 55,5, 59,2, 65,2 °, соответствуют (220), (311), (400), (331). ), (422), (511) и (440) CoAl 2 O 4 соответственно (Abaide et al., 2015). Чтобы изучить влияние температур прокаливания и включения глинистых минералов на размеры CoAl 2 O 4 , размер кристаллитов также рассчитывается с использованием соотношения Шеррера согласно рентгенограммам всех образцов (включая гибридные пигменты, полученные с использованием Kaol. при разных температурах, см. Рисунок S3) (Уравнение 1):

    D = 0.89 × λB × cos θ (1)

    , где D — размер кристаллитов, λ — длина волны (Cu Ka), θ — угол дифракции наиболее интенсивного дифракционного пика (Zhang et al., 2018), B — скорректированная полуширина, полученная с использованием кварц в качестве ссылки. B = B м B s , где B м относится к результатам тестирования, а B s было получено путем тестирования эталонное вещество.Как показано в Таблице S1, ясно, что размер кристаллитов CoAl 2 O 4 увеличивается с увеличением температуры прокаливания либо гибридных пигментов, либо пигментов CoAl 2 O 4 без Каола. Однако размер кристаллитов готовых гибридных пигментов меньше, чем у пигментов CoAl 2 O 4 , что позволяет предположить, что введение глинистых минералов, очевидно, предотвращает увеличение размера и агломерацию CoAl 2 O 4 частиц в процессе прокаливания.

    На рис. 2а представлено ПЭМ-изображение Каола, и можно обнаружить, что Каол представляет собой типичную слоистую слоистую структуру с гладкой поверхностью, а также наблюдается некоторая трубчатая морфология, которая может быть отнесена к соответствующему трубчатому Hal. Длина Hal составляет около 0,2–2,0 мкм, а внешний и внутренний диаметры составляют около 50–80 и 20–50 нм соответственно. После прокаливания при 1100 ° C (рис. 2b) ламеллярная морфология Kaol сохраняется, в то время как трубчатая структура трансформируется в стержнеобразную, что, возможно, связано с фазовым превращением Hal.После введения наночастиц CoAl 2 O 4 поверхность ламеллярной морфологии становится шероховатой из-за загрузки наночастиц CoAl 2 O 4 . Наночастицы CoAl 2 O 4 диаметром около 10–20 нм равномерно закреплены на поверхности ламеллярных пластинок (рис. 2c). Кроме того, выбранная электронограмма Kaol-HP, прокаленного при 1100 ° C, также подтвердила образование наночастиц CoAl 2 O 4 (рисунок S4, см. ESI) (Ouahdi et al., 2005; Миндру и др., 2010). Кроме того, на рисунке 2d представлена ​​увеличенная электронная микрофотография рисунка 2c, на нем представлена ​​хорошо разрешенная плоскость решетки с межплоскостным расстоянием 0,244 нм, соответствующая плоскости [311] кубической пространственной группы Fd3m , которая указана на на основе данных из стандарта CoAl 2 O 4 база данных JCPD номер карты. 10-458 (Kim et al., 2012). Микрофотография показывает сосуществование аморфной и кристаллической фаз, причем кристаллическая фаза может быть отнесена к шпинели CoAl 2 O 4 , а аморфная фаза связана с силикатом, полученным из каола (Cho and Kakihana, 1999).

    Рисунок 2 . ПЭМ-изображения (а), сырого каола, (б) каола, кальцинированного при 1100 ° C, (в) Каол-HP и (г) , увеличенная электронная микрофотография Каол-HP.

    На рисунке S5 показан спектр EDX для Kaol-HP, и можно обнаружить, что Kaol-HP в основном состоит из элементов Co, Al, O и Si. Отображение элементов Kaol-HP проиллюстрировано на фиг. 3, видно, что элемент Co равномерно распределен на поверхности ламелей, что свидетельствует о том, что образованный CoAl 2 O 4 хорошо закреплен на поверхности подложки.Кроме того, другие элементы также имеют равномерное распределение. Напротив, цвет краев Si-элемента нечеткий, что можно объяснить тем фактом, что толщина краев силикатной подложки мала. Однако значение Co / Al уменьшается с 0,49 до 0,37 до 0,31 с изменением выбранной области от границы к центру Kaol-HP (Таблица 2), что указывает на содержание загрузки CoAl 2 O 4 в край края выше, чем центр силикатной подложки.Основываясь на приведенном выше анализе, можно предположить, что Kaol-HP был успешно приготовлен.

    Рисунок 3 . Отображение элементов Каол-ХП.

    Таблица 2 . Состав элементов различных областей выбора Kaol-HP.

    Влияние различных минералов алюмосиликатной глины и механизм окраски

    В нашем предыдущем исследовании (Zhang et al., 2017) было подтверждено, что введение глинистых минералов, особенно алюмосиликатного минерала Hal, способствовало снижению температуры образования CoAl шпинельного типа 2 O 4 и улучшение цветовых свойств пигмента CoAl 2 O 4 .Чтобы исследовать влияние различных алюмосиликатных минералов на цветовые свойства гибридных пигментов, было выбрано несколько типичных алюмосиликатных минералов для получения гибридных пигментов CoAl 2 O 4 , включая Hal, And, Kaol, Mt, Dic, M47. , и M70.

    Диаграммы XRD различных алюмосиликатных минералов представлены на рисунке 4. Hal представляет собой алюмосиликатный минерал 1: 1 с эмпирической формулой Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 , типичные дифракционные пики Hal наблюдаются при 2 θ = 12.3, 18,3, 20,2, 24,8 °, а дифракционные пики кварца расположены при 2 θ = 20,8, 26,7 и 36,6 ° (рис. 4A) (Philip et al., 2017). На рисунке 4B представлена ​​рентгенограмма Mt, характерные дифракционные пики расположены при 2 θ = 5,9, 19,7 и 35,1 °, а дифракционные пики при 2 θ = 12,5 и 17,5 ° приписываются иллиту (Wang et al. ., 2016; Liang et al., 2017). Дик — это разновидность слоистого силикатного минерала, относящегося к подгруппе каолов в соотношении 1: 1. Как показано на рисунке 4C, можно наблюдать характерные дифракционные пики между 34 и 39 °, которые относятся к (200), (131), (006) и (133) Dic, соответственно (Zheng et al., 2011). На рисунках 4D – F изображены рентгенограммы M47, M70 и And. Муллит — это искусственный материал, который синтезируется с использованием природного сырья при температуре 1100–1600 ° C, такого как And, кианит и др. (Xu et al., 2017; Yuan et al., 2017).

    Рисунок 4 . Диаграммы XRD (A), Hal, (B), Mt, (C), Dic, (D), M47, (E), M70 и (F), A.

    На рисунке 5 показаны цифровые фотографии необработанных минералов алюмосиликатной глины, кальцинированных минералов алюмосиликатной глины при 1100 ° C и гибридных пигментов CoAl 2 O 4 , полученных из различных минералов алюмосиликатной глины, соответственно.Очевидно, что разные глинистые минералы имеют разный цвет. Dic и Kaol — белые, Hal и Mt — светло-коричневые, а M47, M70 и And — серые. После прокаливания при 1100 ° C (рис. 5b) Kaol и Dic имеют белый цвет, Mt — желтовато-коричневый, Hal — светло-розовый, а остальные (M47, M70 и And) — серые. Цифровые фотографии готовых гибридных пигментов представлены на Фигуре 5c. Было обнаружено, что все гибридные пигменты имеют типичный синий цвет, но есть различия между различными гибридными пигментами.Напротив, цвет Kaol-HP является оптимальным, что также согласуется с их цветовыми параметрами (Таблица 3). Kaol-HP демонстрирует максимальные значения b * и C *, за которыми следуют M70-HP, M47-HP, Hal-HP, соответственно, в то время как Mt-HP и And-HP показывают худшую легкость ( L * ). Это предполагает, что цвета гибридных пигментов могут быть связаны с типами и составом алюмосиликатных глинистых минералов.

    Рисунок 5 . Цифровые фотографии (a) различных глинистых минералов, (b) кальцинированных глинистых минералов при 1100 ° C и (c) CoAl 2 O 4 гибридных пигментов, полученных из различных глинистых минералов, соответственно.

    Таблица 3 . Параметры CIE различных гибридных пигментов CoAl 2 O 4 .

    Как показано в таблице 1, основными составами задействованных алюмосиликатных глинистых минералов являются Al 2 O 3 и SiO 2 . Таким образом, исследуется взаимосвязь между содержанием Al 2 O 3 или SiO 2 и цветовыми параметрами гибридных пигментов, и на рисунке 6 показана взаимосвязь между параметрами CIE CoAl 2 O 4 гибридные пигменты и содержание Al 2 O 3 и SiO 2 различных минералов алюмосиликатной глины, тогда как в таблице S2 суммировано содержание Al 2 O 3 и SiO 2 глинистых минералов и CIE гибридных пигментов.В целом значение a * гибридных пигментов увеличивается с увеличением содержания Al 2 O 3 , но значение b * становится более отрицательным. Это указывает на то, что синий цвет гибридных пигментов становится более глубоким с увеличением содержания Al 2 O 3 . Однако значение b * более положительно с увеличением содержания SiO 2 , что указывает на плохой синий цвет. Следовательно, Al 2 O 3 и SiO 2 минералов алюмосиликатной глины играет важную роль в регулировании цвета гибридных пигментов CoAl 2 O 4 , но окончательные цветовые свойства гибридных пигментов являются результатом синергия различных составов алюмосиликатных глинистых минералов, помимо их цвета.Чтобы подтвердить вышеприведенное предложение, для изготовления гибридных пигментов без глинистых минералов, соответственно, использовали Al 2 O 3 и SiO 2 с различными добавленными количествами. Как показано на Фигуре 7, значение b * гибридных пигментов, полученных с использованием Al 2 O 3 , постепенно уменьшается с увеличением добавленных количеств Al 2 O 3 (более отрицательное). Напротив, значение b * гибридных пигментов, полученных из SiO 2 , увеличивается с увеличением количества SiO 2 (более положительным), что может быть связано с образованием силиката кобальта (Llusar et al. ., 2001). Эта тенденция изменения также согласуется с результатами на рисунках 6A, B.

    Рисунок 6 . Связь между параметрами CIE гибридных пигментов CoAl 2 O 4 и содержанием Al 2 O 3 (A) и SiO 2 (B) различных глинистых минералов соответственно .

    Рисунок 7 . Связь между параметрами CIE гибридных пигментов CoAl 2 O 4 , полученных после включения различных добавленных количеств (A) Al 2 O 3 и (B) SiO 2 без глины минералы соответственно.

    Кроме того, значение pH реакционной системы имеет решающее значение для двойных гидроксидов кобальта-алюминия (Co / Al DH) (Zhang et al., 2017), избыток OH влияет на молярное соотношение Co / Al в Ultimate CoAl 2 O 4 из-за потерь при растворении Al в щелочной среде, которые напрямую определяют цветовые свойства пигментов. Чтобы доказать этот эффект, после реакции соосаждения в центрифугат добавляли HCl, при добавлении HCl (1.0 M), и было подтверждено, что осадок представляет собой Al (OH) 3 с использованием метода FTIR (рисунок S6, см. ESI) (Kamaraj and Vasudevan, 2016). Кроме того, чем выше значения pH реакции, тем больше содержание белого осадка (Рисунок S6, см. ESI). Когда значение pH реакционной системы выше 10, образовавшийся Al (OH) 3 будет частично растворяться, и молярное соотношение Co 2+ / Al 3+ составляет <2, что может быть подтверждено EDX. CoAl 2 O 4 при отсутствии глинистых минералов при приготовлении.Как показано на рисунке S7, значение Co / Al для CoAl 2 O 4 в отсутствие глинистых минералов составляет около 0,62, и, таким образом, потери Al составляют около 20% из-за растворения Al (OH) . 3 в щелочной среде во время приготовления прекурсора. Следовательно, включение алюмосиликатного глинистого минерала может быть идеальным природным источником алюминия для компенсации потерь алюминия из-за растворения Al (OH) 3 в щелочной среде во время приготовления прекурсора, сохраняя оптимальное молярное соотношение Co 2+. / Al 3+ для образования шпинели CoAl 2 O 4 пигмент.Можно сделать вывод, что Al, происходящий из глинистых минералов, около 20% может участвовать в реакции и вступать в октаэдрические позиции в структуре шпинели CoAl 2 O 4 с образованием CoAl 2 O 4 -силикатного твердого раствора (Tang et al., 2018). Это также может быть подтверждено получением, полученным из соли Co 2+ и каола в отсутствие соли Al 3+ , которую получают с использованием той же процедуры с Kaol-HP. Как показано на Рисунке S8, дифрактограмма продукта представляет характерные дифракционные пики CoAl 2 O 4 , предполагая, что Каол может служить источником алюминия для образования CoAl 2 O 4 .Процесс эволюции можно описать следующим процессом (рис. 8) (Zhong et al., 1999; Cava et al., 2006).

    Рисунок 8 . Возможный процесс образования гибридного пигмента CoAl 2 O 4 , полученного с использованием Kaol и Co 2+ без Al 3+ .

    Механизм образования CoAl

    2 O 4 Гибридные пигменты

    На основании полученных результатов был предложен возможный механизм образования гибридных пигментов CoAl 2 O 4 (Схема 1).Во время реакции соосаждения Co 2+ и Al 3+ сначала адсорбировались на поверхности глинистых минералов из-за электростатического взаимодействия и ионного обмена между ионами металлов и глинистыми минералами, а затем Co 2+ и Al 3+ превращались в гидроксиды и осаждались на поверхности глинистого минерала после введения OH . Из-за разницы в константе растворимости Al (OH) 3 и Co (OH) 2 , Al 3+ сначала начал осаждаться при более низком pH, а затем Co 2+ превратился в Co (OH) 2 при более высоком pH (Loganathan et al., 1977; Он и Беккер, 1997; Matjie et al., 2003; Акдемир и др., 2011). Когда pH реакционной системы был выше 10, Co 2+ почти полностью осаждался, но Al (OH) 3 частично растворялся с образованием AlO2-. В результате молярное соотношение Co 2+ / Al 3+ составляет <2. (Lavrenčič Štangar et al., 2003; Carta et al., 2005; Xu et al., 2008; Tielens et al., 2009; Kurajica et al., 2012). Таким образом, CoAl DH разлагается с образованием аморфной фазы Co 3 O 4 при температуре около 400–500 ° C в сочетании с присутствием высокоаморфного Al 2 O 3 при однократном нагревании.При повышении температуры прокаливания (500–700 ° C) аморфный Co 3 O 4 превращался в Co 3 O 4 шпинельного типа, а Каол — в метакаолинит (2SiO 2 · Al 2 O 3 ) (Yu et al., 2009; Duan et al., 2011), а Co 3 O 4 затем постепенно превращался в CoAl 2 O 4 фазу выше 900 ° C, таким образом, содержание фазы шпинели CoAl 2 O 4 постепенно увеличивалось с исчезновением фазы Co 3 O 4 , когда температура прокаливания была выше 1000 ° C (Zayat and Levy, 2000; Дуан и др., 2011; Альварес-Досио и др., 2017; Zhang et al., 2018). Кроме того, сначала метакаолинит был преобразован в шпинель SiAl 2 O 5 и аморфный SiO 2 , а затем шпинель SiAl 2 O 5 превратилась в аморфный SiO 2 и кристаллический α- низшего порядка. Al 2 O 3 выше 1000 ° C (Chen et al., 2000; Ribeiro et al., 2005; Veselý et al., 2010; Wu et al., 2017). Фактически, термическое восстановление Co 3+ до Co 2+ происходило одновременно с диффузией и реорганизацией ионов Co 2+ и Al 3+ , полученных из предшественника и глинистых минералов во время этого процесса.

    Схема 1 . Схема процесса образования Kaol-HP и соответствующего процесса фазового превращения во время прокаливания.

    Хорошо известно, что процесс массопереноса был этапом контроля скорости при получении CoAl 2 O 4 (Габровска и др., 2014). Следовательно, минералы алюмосиликатной глины вызывают закрепление CoAl DH на своей поверхности, предотвращая свободные скопления CoAl DH, что может эффективно снижать сопротивление массопереносу, сокращая время и температуру прокаливания для образования шпинели CoAl 2 O 4 .Кроме того, это было в пользу контроля размера и гранулометрического состава наночастиц CoAl 2 O 4 во время процесса прокаливания. Более того, Al 3+ , полученный из минерала алюмосиликатной глины, также участвовал в кристаллизации CoAl 2 O 4 путем диффузии из подложки, чтобы компенсировать потери алюминия во время реакции соосаждения (Wang et al., 2006; Альварес-Досио и др., 2017). Таким образом, это может объяснить, почему ярко-синие гибридные пигменты CoAl 2 O 4 могут быть получены при 1100 ° C в течение 2 часов, но при этом необходимо проводить традиционный твердофазный метод получения CoAl 2 O 4 . при высокой температуре (> 1200 ° C) в течение длительного времени (Ji et al., 2000; Lorite et al., 2012). В частности, гибридные пигменты, полученные из минералов алюмосиликатной глины типа 1: 1, показали высокие параметры CIE. Из-за более высокого сродства CoO к Al 2 O 3 , чем SiO 2 , и CoO легко попадал в межфазную фазу α-Al 2 O 3 , происходящую из минерала алюмосиликатной глины с образованием CoAl. 2 O 4 (Ahmed et al., 2012). Для минералов алюмосиликатной глины типа 2: 1 минералы алюмосиликатной глины трансформируются в аморфный SiO 2 и α-Al 2 O 3 при высокой температуре, а содержание SiO 2 намного выше, чем содержание α -Al 2 O 3 .CoO может частично реагировать с SiO 2 с образованием CoSiO 3 , что приводит к ухудшению цветовых свойств гибридного пигмента. Чтобы подтвердить вышеприведенное предложение, сравниваются рентгенограммы Kaol-HP и Mt-HP (Рисунок S9), ясно, что CoSiO 3 (карта JCPD № 72-1508) встречается в Mt-HP вместе с SiO. 2 (карта JCPD № 86-0680), но их нельзя найти на рентгенограмме Kaol-HP.

    Выводы

    Таким образом, различные минералы алюмосиликатной глины были использованы для получения гибридного пигмента CoAl 2 O 4 с различными цветовыми свойствами.Было обнаружено, что чем больше содержание Al 2 O 3 , тем лучше цветовые характеристики гибридного пигмента (более светлый и синий), что позволяет предположить, что минерал из силиката алюминия с высоким содержанием алюминия подходит для приготовления ярко-синего кобальтового пигмента. Минерал алюмосиликатной глины служил носителем для загрузки наночастиц CoAl 2 O 4 , предотвращая агрегацию и контролируя размер наночастиц CoAl 2 O 4 в процессе прокаливания.Более того, это был идеальный источник природного алюминия для компенсации потерь алюминия из-за растворения Al (OH) 3 в щелочной среде во время приготовления прекурсора, сохраняя оптимальное молярное соотношение Co 2+ / Al 3 + для образования шпинелевых пигментов CoAl 2 O 4 при высокотемпературной кристаллизации. Таким образом, это исследование может предоставить осуществимую стратегию не только для разработки недорогих и ярко-синих кобальтовых пигментов, но и для управления цветовыми свойствами кобальтового синего путем корректировки типов глинистых минералов для удовлетворения индивидуальных потребностей в практическом применении.

    Авторские взносы

    AZ и XW участвуют в процессе эксперимента, анализе данных и подготовке документов. BM и AW в основном отвечают за разработку эксперимента, анализ данных и редактирование документов. LW способствует характеристике образцов.

    Заявление о конфликте интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Рецензент SW и редактор обработки заявили о своей общей принадлежности.

    Благодарности

    Авторы благодарны за финансовую поддержку Региональному ключевому проекту Службы науки и технологий (STS) Китайской академии наук [(2016) № 70], Молодежной ассоциации содействия инновациям CAS (2017458), Major Science and Технологические проекты Ланьчжоу (2017-2-3), Фонды творческих исследовательских групп Ганьсу, Китай (№ 17JR5RA306) и пятый проект 333 провинции Цзянсу, Китай (№BRA2017259 и BRA2016244).

    Дополнительные материалы

    Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2018.00125/full#supplementary-material

    Список литературы

    Abaide, E.R., Anchieta, C.G., Foletto, V.S., Reinehr, B., Nunes, L.F., Kuhn, R.C., et al. (2015). Производство шпинелей из алюминатов меди и кобальта и их применение в качестве носителей для иммобилизации инулиназы. Мат.Res . 18, 1062–1069. DOI: 10.1590 / 1516-1439.031415

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ахмед, Н. А., Абдель-Фатах, Х. Т. М., и Юсеф, Э. А. (2012). Исследования коррозии специально подобранных пигментов на основе алюмината Zn · Co / каолина в красках на алкидной основе. Прог. Орг. Пальто . 73, 76–87. DOI: 10.1016 / j.porgcoat.2011.09.003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Акдемир, С., Озель, Э., Сувачи, Э. (2011). Растворимость синего CoAl 2 O 4 керамических пигментов в воде и среде диэтиленгликоля. Ceram. Инт . 37, 863–870. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2010.10.031

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Альварес-Досио, К. М., Рейноса, Дж. Дж., Дель Кампо, А., и Фернандес, Дж. Ф. (2017). 2D-частицы, образующие наноструктурированную оболочку: шаг вперед в холодном ближнем ИК-диапазоне для пигментов CoAl 2 O 4 . Красители Пигменты 137, 1–11. DOI: 10.1016 / j.dyepig.2016.09.061

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Armijo, J.С. (1969). Кинетика и механизм образования твердотельной шпинели — обзор и критика. Оксид. Встретил . 1, 171–198. DOI: 10.1007 / BF00603514

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Carta, G., Casarin, M., Habra, N., and Zanella, P. (2005). MOCVD осаждение пленок CoAl 2 O 4 . Электрохим. Acta 50, 4592–4599. DOI: 10.1016 / j.electacta.2004.10.094

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Cava, S., Tebcherani, S.М., Пианаро, С.А., Паскоцимас, К.А., Лонго, Э., и Варела, Дж. А. (2006). Структурный и спектроскопический анализ фазового перехода γ-Al 2 O 3 в α-Al 2 O 3 -CoAl 2 O 4 . Mater. хим. Phys . 97, 102–108. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2005.07.057

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чафи, М.С., Гасеми, Б., и Араби, А.М. (2017). Синтез горения раствора (SCS) хрома оксида алюминия как высокотемпературного розового пигмента. Внутр. J. Appl. Ceram. Tec. 15, 203–209. DOI: 10.1111 / ijac.12770

    CrossRef Полный текст

    Чапская А.Ю., Радищевская Н.И., Касацкий Н.Г., Лепакова О.К., Набороденко Ю.С., Верещагин В.В. (2005). Влияние состава и условий синтеза на структуру кобальтсодержащих пигментов типа шпинели. Стеклокерамика. 62, 388–390. DOI: 10.1007 / s10717-006-0016-x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чен, К.Ю., Лан, С. С., Туан, В. Х. (2000). Эволюция микроструктуры муллита при спекании компактов порошка каолина. Ceram. Инт . 26, 715–720. DOI: 10.1016 / S0272-8842 (00) 00009-2

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чо, В. С., и Какихана, М. (1999). Кристаллизация нанокристаллов керамического пигмента CoAl 2 O 4 из металлоорганического прекурсора Co-Al. J. Сплавы Compd . 287, 87–90. DOI: 10.1016 / S0925-8388 (99) 00059-6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Де Соуза, Л.К. К., Замиан, Дж. Р., Да Роча Филхо, Г. Н., Соледадеб, Л. Е. Б., Дос Сантос, И. М. Г., Соуза, А. Г. и др. (2009). Синие пигменты на основе Co x Zn 1 − x Al 2 O 4 шпинелей, синтезированных методом полимерного прекурсора. Красители Пигменты 81, 187–192. DOI: 10.1016 / j.dyepig.2008.09.017

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дуань, X., Пан, М., Ю, Ф., и Юань, Д. Р. (2011). Синтез, структура и оптические свойства нанокристаллов шпинели CoAl 2 O 4 . J. Сплав. Compd . 509, 1079–1083. DOI: 10.1016 / j.jallcom.2010.09.199

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ezzatahmadi, N., Ayoko, G.A., Millar, G.J., Speight, R., Yan, C., Li, J.H., et al. (2017). Наноразмерные композитные материалы с нулевой валентностью железа на основе глины для восстановления загрязненных водных растворов: обзор. Chem. Англ. J . 312, 336–350. DOI: 10.1016 / j.cej.2016.11.154

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Габровская, М.В., Крисан Д., Станица Н. и Карджиева Р. (2014). Co-Al слои двойных гидроксидов в качестве предшественников керамического пигмента CoAl 2 O 4 . Часть I: фазовый состав. Rev. Roum. Хим . 59, 445–450.

    Google Scholar

    Голизаде, А., Малекзаде, А. (2017). Структурные и окислительно-восстановительные свойства La 0,7 Bi 0,3 Mn 1 − x Co x O 3 наноперовскитов для горения этана и окисления CO. Внутр.J. Appl. Ceram. Tec . 14, 404–412. DOI: 10.1111 / ijac.12650

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    He, T., и Becker, K. D. (1997). Оптическое исследование на месте реагирующего кристалла шпинели. Ионика твердого тела 101, 337–342. DOI: 10.1016 / S0167-2738 (97) 84050-7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хэ Ю., Цао Ю., Ляо, Х. Л. и Ван, Дж. А. (2017). Получение пористого алюмината кобальта и его хромогенный механизм. Порошок Технол . 324, 95–101. DOI: 10.1016 / j.powtec.2017.08.056

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Интачай С., Суппасо С., Клинсрисук С., Каорапапонг Н. и Огава М. (2017). Возможное легирование модификации Al 3+ и F на CdS в монтмориллоните. Коллоидный прибой. Physicochem. Англ. Асп . 522, 133–139. DOI: 10.1016 / j.colsurfa.2017.02.044

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джафари, М., и Хасанзаде-Тебризи, С.А. (2014). Получение наносинего пигмента CoAl 2 O 4 методом полиакриламидного геля. Порошок Технол . 266, 236–239. DOI: 10.1016 / j.powtec.2014.06.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джи, Л., Линь, Дж. И Цзэн, Х.С. (2000). Взаимодействия металл-носитель в катализаторах Co / Al 2 O 3 : сравнительное исследование реакционной способности носителя. J. Phys. Chem. B 104, 1783–1790. DOI: 10.1021 / jp9l

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джунджа А., Хегде А., Ли Ф. Х. и Йео К. Х. (2010). Центрифужное моделирование армирования забоя туннелей с использованием форполинга. Tunn. Undergr. Космическая Техника . 25, 377–381. DOI: 10.1016 / j.tust.2010.01.013

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Камарадж А., Васудеван С. (2016). Простой однореакторный электросинтез Al (OH) 3 -кинетика и равновесное моделирование адсорбции 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты из водного раствора. Новый J. Chem . 40, 2249–2258. DOI: 10.1039 / C5NJ02407B

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хаттаб, Р. М., Садек, Х. Э. Х., и Габер, А. А. (2017). Синтез наношпинелевых пигментов Co x Mg 1 − x Al 2 O 4 методом микроволнового сжигания. Ceram. Инт . 43, 234–243. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2016.09.144

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким, Дж. Х., Сон, Б. Р., Юн, Д. Х., Hwang, K. T., Noh, H. G., Cho, W. S., et al. (2012). Характеристика синего нанопигмента CoAl 2 O 4 , синтезированного ультразвуковым гидротермальным методом. Ceram. Инт . 38, 5707–5712. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2012.04.015

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кондури, М. К. Р., Фатехи, П. (2017). Дисперсия частиц каолина с карбоксиметилированным ксиланом. заявл. Глина Sci . 137, 183–191. DOI: 10.1016 / j.clay.2016.12.027

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кураджица, С., Попович, Й., Ткалчец, Э., Гржета, Б., и Мандич, В. (2012). Влияние температуры отжига на структуру и оптические свойства золь-гель производной нанокристаллической шпинели алюмината кобальта. Mater. Chem. Phys . 135, 587–593. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2012.05.030

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лавренчич Штангар, У., Орел, Б., и Крайнц, М. (2003). Получение и спектроскопическая характеристика голубых покрытий CoAl 2 O 4 . J. Sol Gel sci. Технол . 26, 771–775. DOI: 10.1023 / A: 1020770810027

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лян, Х., Ван, З. К., Ляо, Л. М., Чен, Л., Ли, З., и Фэн, Дж. (2017). Высокопроизводительные фотокатализаторы: композиты на подложке из монтмориллонита и нано-TiO 2 . Optik 136, 44–51. DOI: 10.1016 / j.ijleo.2017.02.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ллусар, М., Форес, А., Баденес, Дж. А., Кальбо, Дж., Тена, М.А., и Монрос, Г. (2001). Цветовой анализ некоторых синих пигментов на основе кобальта. J. Eur. Ceram. Soc . 21, 1121–1130. DOI: 10.1016 / S0955-2219 (00) 00295-8

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Логанатан П., Бурау Р. Г. и Фюрстенау Д. В. (1977). Влияние pH на сорбцию Co 2+ , Zn 2+ и Ca 2+ водным оксидом марганца. Почвоведение. Soc. Являюсь. J . 41, 57–62. DOI: 10.2136 / sssaj1977.03615995004100010020x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лорит, И., Кампо, А., Ромеро, Дж. Дж., И Фернандес, Дж. Ф. (2012). Рамановская спектроскопия изолированных наночастиц. Дж. Раман Спектроск . 43, 889–894. DOI: 10.1002 / jrs.3112

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Маэ, М., Хайнц, Дж., Рёдел, Дж., И Рейндерс, П. (2008). Растрескивание нанокристаллических покрытий диоксида титана. J. Eur. Ceram. Soc . 28, 2003–2010 гг. DOI: 10.1016 / j.jeurceramsoc.2008.02.002

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Matjie, R.Х., Мдлелени М. М. и Скуррелл М. С. (2003). Экстракция кобальта (II) из щелока от выщелачивания, содержащего нитрат аммония, аммониевой солью ди (2-этилгексил) фосфорной кислоты. Шахтер. Eng . 16, 1013–1017. DOI: 10.1016 / S0892-6875 (03) 00265-6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мэн К., Гао С., Ву Л., Ван Г., Лю X., Чен Г. и др. (2016). Двумерные органо-неорганические гибридные фотонные пленки перовскита. Nano Lett . 16, 4166–4173.DOI: 10.1021 / acs.nanolett.6b01046

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мерино, М.С.Г., Эстрелла, А.Л., Родригес, М.Э., и Васкес, П. (2015). Синтезы сжиганием порошков CoAl 2 O 4 с использованием различных видов топлива. Прог. Матер. Sci . 8, 519–525. DOI: 10.1016 / j.mspro.2015.04.104

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Миндру, И., Маринеску, Г., Гингасу, Д., Патрон, Л., Гика, К., и Джурджинка, М.(2010). Blue CoAl 2 O 4 шпинель методом комплексообразования. Mater. Chem. Phys . 122, 491–497. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2010.03.032

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мишра А., Мехта А., Шарма М. и Басу С. (2017). Повышенная гетерогенная фотодеградация ЛОС и красителя с использованием синтезированного с помощью микроволнового излучения TiO 2 / Нанокомпозиты из глины: сравнительное исследование различных типов глин. J. Сплав. Compd . 694, 574–580.DOI: 10.1016 / j.jallcom.2016.10.036

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мусаванд, Т., Таками, С., Умецу, М., Охара, С., и Адсчири, Т. (2006). Сверхкритический гидротермальный синтез органо-неорганических гибридных наночастиц. J. Mater. Sci . 41, 1445–1448. DOI: 10.1007 / s10853-006-7458-y

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Му, Б., и Ван, А. К. (2015). Однореакторное производство многофункциональных суперпарамагнитных нанокомпозитов аттапульгит / Fe 3 O 4 / полианилин служило адсорбентом и носителем катализатора. J. Mater. Chem. А 3, 281–289. DOI: 10.1039 / C4TA05367B

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Му, Б., Ван, К., и Ван, А. К. (2015). Влияние различных глинистых минералов и температуры прокаливания на морфологию и цвет глины / CoAl 2 O 4 гибридных пигментов. RSC Adv. 5, 102674–102681. DOI: 10.1039 / C5RA19955G

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Уахди, Н., Гийеме, С., Демай, Дж. Дж., Дюран, Б., Эр Рахо, Л., Мусса, Р. и др. (2005). Исследование реакционной способности AlCl 3 и CoCl 2 по отношению к расплавленным нитратам щелочных металлов с целью синтеза CoAl 2 O 4 . Mater. Lett . 59, 334–340. DOI: 10.1016 / j.matlet.2004.10.013

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Панда, А. К., Мишра, Б. Г., Мишра, Д. К., и Сингха, Р. К. (2010). Влияние обработки серной кислотой на физико-химические характеристики каолиновой глины. Коллоидный прибой. Physicochem. Англ. Асп . 363, 98–104. DOI: 10.1016 / j.colsurfa.2010.04.022

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Филип А., Лихавайнен Дж., Кейнянен М. и Пакканен Т. Т. (2017). Украшенные золотыми наночастицами галлуазитовые нанотрубки — селективные катализаторы окисления бензилового спирта. заявл. Глина Sci . 143, 80–88. DOI: 10.1016 / j.clay.2017.03.015

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рани, Г. (2017). Влияние отжига на структурные, оптические и термолюминесцентные свойства ZnAl 2 O 4 : Cr 3+ . Порошок Технол . 312, 354–359. DOI: 10.1016 / j.powtec.2017.02.040

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ren, Z., Botu, V., Wang, S., Meng, Y., Song, W., Guo, Y., et al. (2014). Монолитно интегрированная шпинель M x Co 3 − x O 4 (M = Co, Ni, Zn) наномассивные катализаторы: масштабируемый синтез и манипуляции с катионами для настраиваемого низкотемпературного окисления CH 4 и CO. Angew. Chem. Int. Отредактируйте . 53, 7223–7227. DOI: 10.1002 / anie.201403461

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рибейро, М. Дж., Тулягавов, Д. У., Феррейра, Дж. М., и Лабринча, Дж. А. (2005). Растворение муллита при высоких температурах в керамических изделиях, полученных из богатого алюминием шлама. J. Eur. Ceram. Soc . 25, 703–710. DOI: 10.1016 / j.jeurceramsoc.2004.03.028

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ryu, Y.C., Kim, T.G., Seo, G., Park, J.H., Suh, C.S., Park, S., et al. (2008). Влияние подложки на фазовое превращение TiO 2 в перламутровый пигмент. J. Ind. Eng. Chem . 14, 213–218. DOI: 10.1016 / j.jiec.2007.11.004

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сайкия, Б. Дж., И Партасарати, Г. (2010). Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье для каолинита из Ассама и Мегхалаи, Северо-Восточная Индия. J. Mod. Phys . 1, 206–210. DOI: 10.4236 / jmp.2010.14031

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Салавати-Ниасари М., Хансари А. и Давар Ф. (2009). Синтез и характеристика наночастиц Co 3 O 4 с помощью процесса термической обработки. Дж. Класт. Sci . 362, 4937–4942. DOI: 10.1016 / j.ica.2009.07.023

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сейл, С. (2015). Связь между реологией геля и удельной поверхностью наноразмерного порошка CoAl 2 O 4 , полученного методом самовоспламенения. Mater. Lett . 139, 498–500. DOI: 10.1016 / j.matlet.2014.10.118

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Седги А., Алимохаммади М. и Заде М.С. (2014). Структура и свойства Co x Zn 1 − x Al 2 O 4 нанопигментов, полученных методом горения геля. Ceram. Silikáty 58, 145–150.

    Google Scholar

    Сулеймани-Горгания, А., Гахариб, М., и Пейманния, М. (2015). Производство на месте нано-CoAl 2 O 4 на керамической поверхности с помощью струйной печати. J. Eur. Ceram. Soc . 35, 779–786. DOI: 10.1016 / j.jeurceramsoc.2014.08.047

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Tang, W. X., Ren, Z., Lu, X. X., Wang, S. B., Guo, Y. B., Hoang, S., et al. (2017). Масштабируемая интеграция массива наноструктур Mn x Co 3 − x O 4 на керамические монолитные подложки для низкотемпературного окисления пропана. ChemCatChem 9, 4112–4119. DOI: 10.1002 / cctc.201700795

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тан, Ю., Ву, К., Сун, Ю., Чжэн, Ю., и Чжао, К. (2018). Влияние механизма окрашивания и стабильности CoAl 2 O 4 керамических пигментов, спеченных на подложках. Ceram. Инт . 44, 1019–1025. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2017.10.038

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тиан, Г. Ю., Ван, В. Б., Ван, Д. Д., Ван, К., и Ван, А. К. (2017). Новые экологически чистые неорганические красные пигменты на основе аттапульгита. Порошок Технол . 315, 60–67. DOI: 10.1016 / j.powtec.2017.03.044

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тиленс, Ф., Калатаюд, М., Франко, Р., Ресио, Дж. М., Перес-Рамирес, Дж., И Майнот, К. (2009). Теоретическое исследование параметра инверсии в структурах шпинели Co 3 − s Al s O 4 (s = 0-3). Ионика твердого тела 180, 1011–1016. DOI: 10.1016 / j.ssi.2009.03.023

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тирсоага, А., Висинеску, Д., Юрка, Б., Янкулеску, А., Карп, О. (2011). Экологичный синтез алюминатов металлов на основе сжигания MAl 2 O 4 (M = Ni, Co). J. Nanopart. Res . 13, 6397–6408. DOI: 10.1007 / s11051-011-0392-1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тодорова, Н., Гианнакопулу, Т., Карапати, С., Петридис, Д., Ваймакис, Т., и Трапалис, К. (2014). Композитный TiO 2 / глинистые материалы для фотокаталитического окисления NO x . заявл. Серфинг.Sci . 319, 113–120. DOI: 10.1016 / j.apsusc.2014.07.020

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Торкиан, Л., Дагхиги, М., и Бурбор, З. (2013). Простой и эффективный способ синтеза нанопигментов шпинели. J. Chem . 2013, 1–6. DOI: 10.1155 / 2013/694531

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Веселы Д., Календова А. и Календа П. А. (2010). Изучение свойств диатомита и прокаленного каолина в антикоррозионных защитных покрытиях. Прог. Орг. Пальто . 68, 173–179. DOI: 10.1016 / j.porgcoat.2010.02.007

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван, К., Лю, С. М., Лю, Л. Х., и Бай, X (2006). Синтез кобальто-алюминатных шпинелей через хелатные предшественники глицина. Mater. Chem. Phys . 96, 361–370. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2005.07.066

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван, Г. Ф., Ван, С., Сун, В., Сун, З. М., и Чжэн, С. Л. (2016). Синтез нового иллит @ углеродного нанокомпозитного адсорбента для удаления Cr (VI) из сточных вод. J. Environ. Sci . 57, 62−71. DOI: 10.1016 / j.jes.2016.10.017

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Wang, R.J., Jiang, G.H., Ding, Y. W., Wang, Y., Sun, X.K., Wang, X.H., et al. (2011). Фотокаталитическая активность гетероструктур на основе TiO 2 и нанотрубок галлуазита. заявл. Матер. Интер . 3, 4154–4158. DOI: 10.1021 / am201020q

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ву, Дж.Ф., Ху, К., Сюй, Х. Х., Чжан, Ю. Ф. (2017). Приготовление и исследование эксплуатационных характеристик композитной керамики Mullite / Al 2 O 3 для трубопровода теплопередачи солнечной энергии. Внутр. J. Appl. Ceram. Tec . 13, 1017–1023. DOI: 10.1111 / ijac.12584

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Xu, X. H., Li, J. W., Wu, J. F., Tang, Z. H., Chen, L. L., Li, Y., et al. (2017). Получение и термостойкость корундо-муллитовой композитной керамики из андалузита. Ceram. Инт . 43, 1762–1767. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2016.10.116

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сюй, X. Х., Цинь, X. Ф., Цзян, Ф. X., Ли, X. Л., Чен, Ю., и Геринг, Г. А. (2008). Концентрация примеси и температурная зависимость ферромагнетизма в тонких пленках ZnO, легированных кобальтом. заявл. Серфинг. Sci . 254, 4956–4960. DOI: 10.1016 / j.apsusc.2008.01.164

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Йео, К. Х. (2011). Механизмы устойчивости и разрушения неармированных и армированных форштуками тоннелей. к.э.н. дипломная работа, Национальный университет Сингапура, Сингапур.

    Йонеда, М., Гото, К., Наканиши, М., Фуджи, Т., и Номура, Т. (2016). Влияние источника алюминия на цветовой тон кобальтового пигмента. Порошок Технол . 323, 574–580. DOI: 10.1016 / j.powtec2016.06.021

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Yu, F., Yang, J., Ma, J., Du, J., and Zhou, Y.Q. (2009). Приготовление наноразмерных порошков CoAl 2 O 4 золь-гель и золь-гель гидротермальными методами. J. Сплав. Compd . 468, 443–446. DOI: 10.1016 / j.jallcom.2008.01.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Юань, Л., Ма, Б. Й., Чжу, К., Чжан, X. Д., Чжан, Х. и Ю, Дж. К. (2017). Получение и свойства муллитовой пористой волокнистой муллитовой керамики методом гель-литья из эпоксидной смолы. Ceram. Инт . 43, 5478–5483.DOI: 10.1016 / j.ceramint.2017.01.062

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Заят М. и Леви Д. (2000). Blue CoAl 2 O 4 частиц, полученных золь-гель- и цитрат-гелевым методами. Chem. Mater . 12, 2763–2769. DOI: 10,1021 / см001061z

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чжан, А.Дж., Му, Б., Ли, Х.М., Ан, Х.С. и Ван, А.К. (2018). Гибридный пигмент кобальтового синего цвета с добавкой магния, полученный из сепиолита. заявл. Глина Sci . 157, 111–120. DOI: 10.1016 / j.clay.2018.02.032

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чжан, А.Дж., Му, Б., и Ван, А.К. (2017). Ярко-синий галлуазит / CoAl 2 O 4 гибридные пигменты: получение, характеристика и применение в красках на водной основе. Красители Пигменты 139, 473–481. DOI: 10.1016 / j.dyepig.2016.12.055

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чжан, Ю., Ван, В. Б., Му, Б., Ван, К., и Ван, А.К. (2015). Влияние времени измельчения на изготовление стабильного гибридного нанокомпозита метиленовый синий / палыгорскит. Порошок Технол . 280, 173–179. DOI: 10.1016 / j.powtec.2015.04.046

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чжэн, К. М., Лю, К. Ф., Шен, К., Ву, З. Г., и Чжан, Ю. М. (2011). Минералогическая характеристика и генезис диккита в формации Тайюань на юго-востоке Шаньси. Proc. Eng . 26, 898–901. DOI: 10.1016 / j.proeng.2011.11.2253

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чжун, З. Ю., Мастай, Ю., Колтыпин, Ю., Чжао, Ю. М., и Геданкен, А. (1999). Сонохимическое покрытие наноразмерного никеля на субмикросферах оксида алюминия и взаимодействие никеля и оксида никеля с подложкой. Chem. Mater . 11, 2350–2359. DOI: 10,1021 / см 981005 м

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Цзоу, Дж., И Чжэн, В. (2016). TiO 2 @CoTiO 3 комплексные зеленые пигменты с низким содержанием кобальта и настраиваемыми цветовыми свойствами. Ceram. Инт . 42, 8198–8205. DOI: 10.1016 / j.ceramint.2016.02.029

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Роль GCC-бокса в опосредованной жасмонатом активации гена PDF1.2 Arabidopsis

    Abstract

    Ген PDF1.2 Arabidopsis , кодирующий растительный дефенсин, обычно используется в качестве маркера для характеристики жасмоната. -зависимые защитные реакции. Здесь, используя промоторных линий PDF1.2 , связанных с репортерным геном β-глюкуронидазы, мы исследовали предполагаемые промоторные элементы, связанные с экспрессией этого гена, чувствительной к жасмонату.Используя стабильно трансформированные растения, мы сначала охарактеризовали расширенную область промотора, которая положительно регулирует базальную экспрессию от промотора PDF1.2 . Во-вторых, используя конструкции с делецией промотора, в том числе ту, из которой была удалена область GCC-бокса, мы наблюдали существенно более низкий ответ на жасмонат, чем линии, несущие этот мотив. Кроме того, точечные мутации, введенные в последовательность ядра GCC-бокса, существенно снижали чувствительность жасмоната, тогда как добавление промоторного элемента длиной 20 нуклеотидов, несущего сердцевину GCC-бокса и фланкирующие нуклеотиды, обеспечивало чувствительность жасмоната к минимальному промотору 35S.Взятые вместе, эти результаты показали, что GCC-бокс играет ключевую роль в обеспечении чувствительности жасмоната к промотору PDF1.2 . Однако делеция или специфические мутации, введенные в сердцевину GCC-бокса, не полностью устраняют жасмонатную чувствительность промотора, предполагая, что другие элементы промотора, лежащие ниже по ходу от области GCC-бокса, также могут вносить вклад в жасмонатную чувствительность. В других экспериментах мы идентифицировали фактор транскрипции этиленового фактора ответа на жасмонат и патоген, AtERF2 , который при сверхэкспрессии в трансгенных растениях Arabidopsis активировал транскрипцию из PDF1.2, Thi2.1 и PR4 (основная хитиназа) гены, все из которых содержат последовательность GCC-бокса в своих промоторах. Наши результаты предполагают, что в дополнение к их роли в регуляции экспрессии генов, опосредованной этиленом, факторы ответа на этилен, по-видимому, также играют важную роль в регуляции экспрессии гена, чувствительного к жасмонату, возможно, посредством взаимодействия с GCC-боксом.

    Болезни, вызываемые грибковыми, бактериальными и вирусными патогенами, приводят к огромному снижению урожайности и качества сельскохозяйственных культур во всем мире.Однако, хотя растения постоянно подвергаются заражению патогенными микроорганизмами, развитие болезни является относительно редким явлением. Поэтому ясно, что растения обладают эффективными системами защиты. Эффективная индукция защитного ответа требует распознавания патогена, за которым следует сеть процессов передачи сигнала, что приводит к быстрой активации экспрессии защитного гена. Ряд вторичных сигнальных молекул, таких как салициловая кислота (SA), жасмоновая кислота (JA) и ее метиловый эфир, метилжасмонат (MeJA) и этилен, усиливают и регулируют защитные реакции после начальной активации (Dong, 1998; Reymond and Farmer). , 1998; Schenk et al., 2000). Интересно, что SA- и jasmonate / этилен-зависимые пути передачи сигналов, по-видимому, модулируют защитные реакции растений против разных классов патогенов (для обзора см. Thomma et al., 2001). Обработка MeJA обеспечивает растениям Arabidopsis защиту от последующей инокуляции рядом некротрофных грибов, но не против биотрофного патогена Peronospora parasitica (Thomma et al., 1998). Аналогичным образом, несколько исследований мутантов Arabidopsis, включая ein2, coi1, jar1 и fad3 / 7 / 8 , в которых нарушена реакция жасмоната / этилена, показали, что устойчивость к ряду некротрофных патогенов требуется функциональный путь передачи сигналов жасмонат / этилен (Staswick et al., 1998; Виджаян и др., 1998; Thomma et al., 1999). Напротив, устойчивость к биотрофу P. parasitica , но не к некротрофу Alternaria brassicicola , усиливается предварительной обработкой изоникотиновой кислотой, функциональным аналогом SA (Thomma et al., 1998).

    Известно, что ряд классов регуляторных белков и факторов транскрипции играет важную роль в передаче сигналов, инициированных патогеном, нижестоящим компонентам для активации защитных реакций растений.Среди них факторы транскрипции, содержащие домен фактора ответа этилена (ERF), задействованы в качестве ключевых регуляторов защитных реакций растений. Например, ген томата ( Lycopersicon esculentum ) Pti4 кодирует белок ERF, который индуцируется сигнальными молекулами защиты и бактериальным патогеном Pseudomonas syringae pv. томат (Thara et al., 1999; Gu et al., 2000). Pti4 и другие ERF томата Pti5 и Pti6 фосфорилируются Pto-киназой, и это обеспечивает прямую связь между распознаванием патогена, опосредованным геном R , и последующей активацией защитного гена (Zhou et al., 1997; Gu et al., 2000). Трансгенная экспрессия ERF, таких как ERF1 арабидопсиса, Pti4 томата и Tsi1 табака ( Nicotiana tabacum ), активирует экспрессию защитных генов и обеспечивает повышенную устойчивость против грибковых и бактериальных патогенов (Park et al., 2001; Berrocal-Lobo et al. ., 2002; Гу и др., 2002). Экспрессия ERF может также обеспечивать устойчивость к абиотическим стрессам (например, осмотическому стрессу), указывая на то, что множественные сигнальные пути могут сходиться на ERF, чтобы регулировать экспрессию генов в ответ на ряд биотических и абиотических стрессов (Fujimoto et al., 2000; Park et al., 2001; Мемелинк и др., 2001).

    Некоторые члены семейства ERF специфически связываются с последовательностью AGCCGCC через консервативный домен ERF (Hao et al., 1998). Эта цис-действующая последовательность, известная как GCC-бокс, обнаруживается в промоторах многих патоген-чувствительных генов, таких как PDF1.2, Thi2.1 и PR4 (основная хитиназа; Zhou et al., 1997 ; Manners et al., 1998). Было показано, что GCC-бокс функционирует как чувствительный к этилену элемент, который необходим, а в некоторых случаях достаточен для регуляции транскрипции этиленом (Ohme-Takagi and Shinshi, 1995; Shinshi et al., 1995). Кроме того, GCC-box участвует в чувствительной к озону экспрессии гена белка PR-1 основного типа, связанного с патогенезом табака, посредством этилен-зависимой передачи сигналов (Grimmig et al., 2003).

    Совсем недавно подсемейство факторов транскрипции ERF, называемых октадеканоид-чувствительными Catharanthus AP2 (ORCA), было вовлечено в регулируемую жасмонатом экспрессию вторичных метаболических путей у барвинка Мадагаскара ( Catharanthus roseus ; Menke et al., 1999a; ван дер Фитс и Мемелинк, 2000). Обработка MeJA и грибковые элиситоры быстро индуцируют уровни транскриптов Orca2 и Orca3 . Белки ORCA2 и ORCA3 регулируют перекрывающиеся, но отдельные наборы генов, связанных со вторичным метаболизмом, посредством специфического связывания с промоторным элементом, называемым элементом, отвечающим за жасмонат и элиситор, который содержит основной GCC-бокс (Menke et al., 1999a; van der Fits and Memelink, 2000).

    Ген PDF1.2 Arabidopsis кодирует растительный дефенсин, и его экспрессия индуцируется заражением патогеном как локально в месте инокуляции несовместимым грибковым патогеном, так и системно в удаленных неинокулированных областях растения (Penninckx et al., 1996). Эта активация происходит через сигнальный путь, опосредованный жасмонатом / этиленом, а не через SA-зависимый путь активации защитного гена (Penninckx et al., 1996, 1998). Хотя промотор гена PDF1.2 содержит несколько предполагаемых цис-действующих элементов последовательности, таких как GCC-бокс (Manners et al., 1998), роль этих элементов и их соответствующих транс-действующих факторов в регуляции Ген PDF1.2 жасмонатов напрямую не исследовался.Ранее мы сообщали о жасмонатной и патоген-опосредованной активации промотора PDF1.2 как трансгена промотор-репортер, который имитировал паттерны экспрессии нативного гена PDF1.2 (Manners et al., 1998; Mitter et al. , 1998). Исследование участка длиной 1183 п.н. перед сайтом начала транскрипции гена PDF1.2 выявило несколько предполагаемых мотивов с гомологией с известными цис-элементами, участвующими в регуляции транскрипции других генов, включая те, которые имеют особое значение для опосредованного жасмонатом выражение.Два из этих мотивов, расположенные между -277 и -495 промотора PDF1.2 , включали жасмонат-чувствительный элемент, TGACG (от -392 до -396), присутствующий в гене Lox1 ячменя ( Hordeum vulgare ; Rouster et al., 1997), и последовательность из 9 пар оснований, AAATGTTGT (от -410 до -419), аналогичная последовательности в чувствительной к жасмонату области промотора гена сои ( Glycine max ) VspB (Mason et al., 1993).

    В настоящем исследовании мы намеревались очертить области PDF1.2 , которые контролируют реакцию жасмоната. Мы сообщаем здесь об идентификации областей промотора PDF1.2 , включая GCC-бокс, которые активно модулируют экспрессию этого гена в ответ на жасмонаты. Кроме того, мы идентифицировали чувствительный к жасмонату, этилену и патогену фактор транскрипции ERF Arabidopsis, чья трансгенная сверхэкспрессия в Arabidopsis привела к транскрипционной активации гена PDF1.2 .

    РЕЗУЛЬТАТЫ

    Получение трансгенных линий, несущих

    PDF1.2 Конструкции удаления промотора и идентификация положительного регуляторного элемента в промоторе PDF1.2

    Мы создали серию 5′-делеций промотора PDF1.2 , слитого в рамке с β-глюкуронидазой (GUS, UidA ) репортерный ген в бинарном векторе для использования в трансформации растений (). Положения предполагаемых цис-последовательностей, которые могут быть связаны с жасмонатными ответами, были приняты во внимание при разработке серии 5′-делеций.В серию делеций, помимо полной конструкции P1 (-1,183), входили три конструкции P2 (-789), P3 (-495) и P4 (-278), в которых относительно большие делеции 394, 688 и 905 были получены нуклеотиды из конструкции P1. Конструкции P5 (-262) и P6 (-255) удаляли только 16 и 23 нуклеотида из предыдущей самой маленькой конструкции P4 и были разработаны для изучения роли GCC-бокса (GCCGCC между -255 и -261). Мы создали от семи до 12 независимых трансгенных линий, стабильно трансформированных для каждого из PDF1.2 конструкции с делецией промотора . Мы случайным образом выбрали пять независимо трансформированных линий для каждой конструкции с делецией промотора PDF1.2 и проанализировали активность GUS в гомогенатах из цельных стерильно выращенных проростков, как описано в разделе «Материалы и методы». Средние данные экспрессии GUS от пяти трансгенных линий, несущих одну и ту же конструкцию, показали, что базальная экспрессия (т.е. отсутствие заражения патогеном и обработки MeJA) репортерных генов в растениях, несущих более длинные P1, P2 и P3 PDF1.2 делеции промотора были значительно выше ( P <0,01), чем у растений, несущих более короткие конструкции P4, P5 и P6 (заштрихованные столбцы). Сравнение средней активности GUS в необработанных растениях, несущих конструкции с делециями P3 и P4, показало, что делеция области от -495 до -279 промотора PDF1.2 приводила к 97% снижению экспрессии. Это указывает на то, что предполагаемый положительный регуляторный элемент, по-видимому, расположен в области от -495 до -278 PDF1 .2 промоутер.

    Базальная и MeJA-зависимая экспрессия активности GUS в промоторных линиях с делециями PDF1.2 . A — Средняя базальная активность GUS (единицы флуоресценции на миллиграмм белка) в каждой из делеционных конструкций промотора PDF1.2 . Каждая полоса представляет данные пяти независимых трансгенных линий, полученных из шести повторов в двух независимых экспериментах. Затененные столбики, Растения, выращенные в стерильных условиях; черные полосы, растения, выращенные в почве. B, PDF1.2 промоторных репортерных конструкции , которые были помещены в бинарный вектор pBI101.3, используемый для создания линий трансгенных растений. C — средние значения индукции для каждой конструкции с делецией промотора в обработанных MeJA растениях. Данные индукции были получены из пяти независимых трансгенных линий для стерильных проростков, тогда как две репрезентативные линии были использованы для растений, выращенных в почве. Анализы активности GUS проводили на 20 растениях T 2 для каждой трансгенной линии. Полоски обозначают se.

    Мы также исследовали базальную экспрессию репортерного гена в розеточных листьях 6-недельных растений, выращенных в почве (две линии для каждой PDF1.2 конструкции с делецией промотора ; , черные полосы). Несмотря на некоторые различия в базальных уровнях экспрессии, обусловленные делециями промотора PDF1.2 P1, P2 и P3 между двумя условиями роста, общий эффект предполагаемого элемента-усилителя, выявленный в исследованиях проростков, все еще легко обнаруживался в почве. -растущие растения

    Чтобы дополнительно определить присутствие предполагаемого положительного регуляторного элемента в области от -495 до -278 промотора PDF1.2 , мы провели анализы временной экспрессии.В этих анализах мы совместно бомбардировали листья растений Arabidopsis дикого типа тремя конструкциями, которые в дополнение к каждой конструкции с делецией промотора включали 35S-зеленый флуоресцентный белок (GFP) и плазмиды 35S-Luc. После бомбардировки листья исследовали с помощью флуоресцентной микроскопии. Срезы листьев, отображающие большое количество клеток, экспрессирующих GFP (> 60), отбирали для анализа активности люциферазы в гомогенатах листьев, которые затем использовали для нормализации измерений активности GUS для того же образца.Результаты () показали, что конструкции P3 и Ea существенно не различались по экспрессии, но демонстрировали примерно в 2 раза более высокую экспрессию, чем конструкции Eb, Ec и P5 ( P > 0,01). Это предполагает, что предполагаемый элемент энхансера промотора PDF1.2 расположен ниже -465. Поскольку не наблюдалось значительных различий между Eb, Ec и P5, эти результаты показывают, что 68-нуклеотидная область промотора PDF1.2 , расположенная между -465 и -398 или охватывающая область -398, является критической для высокой -уровневое выражение.

    Выделение энхансерного элемента с использованием количественного анализа временной экспрессии делеционных конструкций PDF1.2 -промотор в листьях Arabidopsis. Данные относительной экспрессии для каждой конструкции представляют собой среднее значение соотношений GUS / люцифераза по меньшей мере для шести отдельных образцов листьев. Полоски обозначают se. Приведенные здесь данные собраны из нескольких независимых экспериментов по бомбардировке, которые дали аналогичные результаты.

    Отзывчивость Jasmonate, одобренная

    PDF1.2 Делеционные конструкции промотора

    Затем мы исследовали трансгенные растения, несущие конструкции делеции промотора PDF1.2 , чтобы идентифицировать области промотора, которые могут регулировать ответ на жасмонат. Как в стерильных, так и в почвенных растениях, хотя уровни активности GUS были выше после обработки MeJA, различия между конструкциями, по-видимому, отражали результаты для необработанных растений в том, что специфические активности GUS были значительно выше в линиях, несущих конструкции P1, P2 и P3, чем в линии, несущие конструкции P4, P5 и P6 (данные не показаны).Однако при сравнении коэффициентов индукции при кратном увеличении возникла иная картина (). В стерильно выращенных растениях конструкции P3 и P4 существенно не отличались друг от друга по коэффициентам индукции в кратности и показали значительно более высокую индукцию с помощью MeJA, чем P1 и P2 ( P <0,01). Точно так же у выращиваемых в почве растений линии, несущие конструкцию P3, показали более высокий уровень индукции, чем линии, несущие конструкции P1 и P2.

    При использовании стерильных трансгенных растений делеция области длиной 15 п.н. между конструкциями P4 и P5 привела к значительному снижению индукции MeJA ( P <0.01; ). Дальнейшее снижение индукции наблюдалось в P6 с делецией дополнительных 7 п.н., содержащих основной мотив GCC AGCCGCC. В отличие от стерильно выращенных растений, стабильно трансформированные выращенные в почве растения, несущие конструкцию Р5, давали аналогичную кратную индукцию репортерного гена растениям, несущим Р3 или Р4. Однако, как и в случае с стерильно выращенными растениями, делеция ядра GCC-бокса (конструкция P6) значительно снижает уровень MeJA-опосредованной индукции активности GUS. Хотя эти результаты указывают на важность этого мотива GCC-бокса для индукции PDF1.2 с помощью жасмоната, делеция этого бокса не устраняет полностью жасмонатную чувствительность, указывая на то, что другие элементы, расположенные ниже -255, также могут участвовать в регуляции этого ответа. Биологическое значение разницы между стерильными и выращиваемыми в почве растениями, несущими конструкцию P5, неизвестно, но в случае подтверждения может быть связано с дополнительными позитивными сигнальными путями, инициированными биотическими или абиотическими факторами.

    Стремясь подтвердить роль GCC-бокса в обеспечении отзывчивости jasmonate, мы сгенерировали два дополнительных PDF1.2 конструкции промотора , mGCC и pIB (). MGCC состоял из фрагмента промотора -495 PDF1.2 с заменой основной последовательности GCC-бокса (GCCGCC) на TCCTCA. Конструкция pIB была нацелена на определение того, достаточно ли одной области GCC для обеспечения экспрессии гена, чувствительного к жасмонату. Эта конструкция представляла собой слияние расширенной области GCC-бокса (от -250 до -270) перед укороченным промотором 35S (-46), полученным из CaMV.

    от A до C. Дальнейшее подтверждение того, что блок GCC дает jasmonate отзывчивость к PDF1.2 с использованием количественного анализа стабильно трансформированных растений. C. Результаты представлены в виде средних значений кратности индукции от двух до пяти трансгенных линий, несущих каждую конструкцию с делецией промотора PDF1.2 . А. Также дана базовая экспрессия GUS из каждой конструкции. Конструкция mGCC такая же, как конструкция P3, но в остальном содержит три замены в первом (G-T), четвертом (G-T) и шестом (C-A) нуклеотидах (выделены жирным шрифтом) для преобразования основной последовательности бокса GCCGCC. в TCCTCA.B, Construct pIB содержит последовательность длиной 20 нуклеотидов, включающую GCC-бокс и окружающие нуклеотиды от -270 до -250 промотора PDF1.2 , связанную с усеченным промотором вируса мозаики цветной капусты 35S (CaMV). Эти полосы также показаны для каждой конструкции.

    Анализ средней экспрессии GUS в обработанных MeJA стерильно выращенных целых проростках, стабильно трансформированных конструкцией mGCC, показал, что не было значительной индукции MeJA по сравнению с контрольными образцами, обработанными имитацией ().Этот эксперимент включал растения, стабильно трансформированные конструкцией P3 в качестве контроля, которые показали такое же высокозначимое увеличение индукции MeJA-ответа ( P <0,01), что и в предыдущем эксперименте, описанном в. Этот результат прямо указывает на то, что последовательность GCC-бокса придает жасмонатную чувствительность промотору PDF1.2 .

    Затем мы исследовали реактивность жасмоната, обеспечиваемую конструкцией pIB, связывающей GCC-бокс с минимальным промотором 35S в стабильно трансформированных стерильно выращенных растениях.После обработки MeJA эти растения показали некоторый ответ жасмонатом, но уровень индукции был значительно ниже, чем уровень, измеренный для конструкции P3 ( P <0,05). Растения, трансформированные только конструкцией минимального промотора 35S, не показали какой-либо значительной индукции активности GUS после обработки MeJA ().

    Идентификация MeJA-чувствительных ERF арабидопсиса

    Чувствительная к жасмонату экспрессия активности GUS в растениях, стабильно трансформированных PDF1.2 конструкции промотора , включая GCC-бокс, предполагают, что этот консервативный элемент последовательности может действовать как сайт связывания для факторов транскрипции ERF, чувствительных к жасмонату. Для идентификации членов семейства генов, кодирующих предполагаемые ERFs Arabidopsis, мы использовали согласованную аминокислотную последовательность ДНК-связывающего домена всех известных членов ERF, которые связываются с GCC-бокс-доменом, в качестве последовательности запроса для поиска BLASTP последовательностей Arabidopsis, доступных в GenBank. В результате поиска было найдено 145 последовательностей, представляющих уникальные белки (см. Также Sakuma et al., 2002), из которых 131 содержал единственный ДНК-связывающий домен AP2 / ERF-типа. Из-за относительно большого размера этого семейства факторов транскрипции мы выбрали представителей из кластеров последовательностей для профилирования экспрессии. За исключением APETALA2 , все гены были выбраны из подсемейства, которое содержит только один домен ERF. Выбранные последовательности включали ERF1 (Solano et al., 1998), AtERF2, AtERF3, AtERF4, AtERF5 (Fujimoto et al., 2000) и 12 других ERF (номера локусов см. В разделе «Материалы и методы»), для которых в литературе нет данных об экспрессии. Из последнего был выбран AP6 , потому что он имел самую высокую гомологию любого ERF Arabidopsis с ORCA2. Последовательности ДНК для каждого из этих 18 ERF были созданы с помощью ПЦР-амплификации из дивергентных областей за пределами консервативного ДНК-связывающего домена, чтобы избежать перекрестной гибридизации между различными членами семейства генов.

    Для идентификации чувствительных к жасмонату ERF Arabidopsis мы сначала исследовали паттерны экспрессии 18 выбранных ERF Arabidopsis с помощью анализа обратной северной гибридизации макроматрицы вариабельной последовательности каждого гена.Затем образцы экспрессии ERF , показывающие индукцию после обработки MeJA, были подтверждены с помощью нозерн-блоттинга. Только пять ( ERF1, AtERF2, AtERF3, AtERF4 и RAP2.10 ) из 18 членов семейства генов AP2 / ERF, присутствующих на макромассиве, гибридизованы с кДНК, полученной из растений, обработанных MeJA, и связанных с ними контролей. Все эти пять генов показали индукцию под действием MeJA через 0,5 часа с пиком индукции через 1 час воздействия MeJA (данные не показаны). За исключением AtERF4 , который оставался индуцированным до 4 часов, уровни транскрипции всех генов возвращались к уровням, наблюдаемым в контрольных растениях, через 2 часа (данные не показаны).Исследование паттернов экспрессии с помощью нозерн-блоттинга подтвердило результаты, полученные при анализе макроматрицы (левая панель). Индукция PDF1.2 наблюдалась после 4 часов воздействия MeJA в этих экспериментах (левая панель).

    A, Профилирование экспрессии выбранных генов ERF с помощью нозерн-блоттинга в динамическом анализе. Левая панель, выражение в ответ на MeJA; правая панель, экспрессия в ответ на этилен для каждого гена. Верхняя и нижняя панели представляют РНК от контрольных (C) и обработанных (T) растений соответственно.B, коэффициенты индукции генов Arabidopsis ERF1, AtERF2 и PDF1.2 , полученные с помощью количественной обратной транскриптазы (RT) -PCR в реальном времени после обработки MeJA.

    Далее мы количественно оценили коэффициенты индукции ERF1, AtERF2 и PDF1.2 после обработки MeJA с помощью количественной ОТ-ПЦР в реальном времени, которая особенно подходит для специфического обнаружения транскриптов от членов мультигенных семейств (Charrier et al., 2002). В этих временных экспериментах мы использовали РНК, выделенную из растений, выращенных и обработанных в отдельных случаях.Результаты этих экспериментов, которые включали как ранние, так и поздние временные точки (например, 24 и 48 часов), соответствовали результатам Нозерн-блоттинга и анализов макроматрицы, поскольку как ERF1 , так и AtERF2 демонстрировали различные, но перекрывающиеся паттерны экспрессии ( ). AtERF2 был значительно более чувствителен к лечению MeJA, чем ERF1 , особенно в более ранние моменты времени (например, 3 и 6 ч), тогда как устойчивый уровень экспрессии наблюдался для обоих генов в более поздние моменты времени.В соответствии с известным паттерном экспрессии PDF1.2 , мы обнаружили сильную индукцию транскриптов PDF1.2 , начиная с 6 до 12 часов после обработки.

    Мы также проверили профили отклика на этилен тех ERF , которые были индуцированы MeJA, с помощью Нозерн-блот-анализа. Эти анализы показали, что AtERF2, AtERF3, AtERF4 и RAP2.10 реагировали на этилен аналогично тому, как это наблюдалось для MeJA (правая панель). Они показали быструю индукцию воздействия этилена, при этом экспрессия возвращалась к контрольным уровням через 1-2 часа. Экспрессия ERF1 после обработки этиленом была более устойчивой и продолжала увеличиваться в течение тестируемых временных точек.

    Затем мы использовали анализ макромассивов для исследования влияния инокуляции грибковым патогеном A. brassicicola на профили экспрессии выбранных генов ERF в растениях Arabidopsis через 5 часов после инокуляции. Паттерны экспрессии оценивали в местной инокулированной ткани и системной неинокулированной ткани инокулированных растений и сравнивали с эквивалентными тканями контрольных неинокулированных растений.Экспрессия AtERF2, AtERF3, AtERF4 и RAP2.10 была индуцирована как в местной, так и в системной ткани через 5 часов после инокуляции A. brassicicola (). Для AtERF2 и RAP2.10 локальная индукция была значительно выше по сравнению с системной тканью в этот ранний момент времени. Никакой значительной индукции не наблюдалось ни от одного из других протестированных ERF или известных защитных генов PDF1.2 и PR 1 (данные не показаны).Ранее было продемонстрировано, что инокуляция A. brassicicola индуцирует экспрессию этих защитных генов (Penninckx et al., 1996; Thomma et al., 1998), но в более поздние периоды времени после инокуляции (48–72 ч). Далее мы количественно определили коэффициенты индукции AtERF2 и PDF1.2 с помощью количественной ОТ-ПЦР в реальном времени после инокуляции A. brassicicola . Анализ образцов РНК, полученных в ходе независимого эксперимента (т.е. РНК, выделенной из растений, выращенных и инокулированных в другом случае), показал индукцию как ERF1 , так и AtERF2 этим несовместимым патогеном во все исследованные моменты времени, хотя ERF1 индукция была значительно выше, чем наблюдаемая для AtERF2 ().

    Arabidopsis Гены ERF отвечают на инокуляцию грибов. A: Макроматричный анализ, показывающий -кратную индукцию четырех ERF Arabidopsis после заражения несовместимым грибковым патогеном A. brassicicola в инокулированных (местных) листьях и неинокулированных (системных) листьях одного и того же растения. Образцы собирали через 5 ч после инокуляции. Столбики показывают кратность индукции каждого гена по сравнению с эквивалентной тканью из инокулированных растений. Экспрессию определяли с использованием программного обеспечения ImageQuant, и значения корректировали относительно β- тубулина в качестве контроля нагрузки.B. Индукционные коэффициенты (локальные) генов Arabidopsis AtERF2 и PDF1.2 , полученные с помощью количественной ОТ-ПЦР в реальном времени после инокуляции A. brassicicola .

    Сверхэкспрессия AtERF2 в Arabidopsis активирует

    PDF1.2, Thi2.1 и PR4 экспрессию

    Как описано выше, транскрипты некоторых генов AtERF2 значительно увеличились в более ранние моменты времени после лечения MeJA, чем первое обнаружение повышенные уровни транскриптов PDF1.2 ген. Чтобы проверить, существует ли причинная связь между повышенными уровнями транскриптов ERF и последующей индукцией гена PDF1.2 , мы стабильно трансформировали растения Arabidopsis геном AtERF2 , управляемым конститутивным промотором 35S. Исследование уровней транскрипта T 2 растений в четырех стабильно трансформированных линиях с помощью количественной ОТ-ПЦР в реальном времени показало, что две из линий гиперэкспрессируют AtERF2 в 3-5 раз по сравнению с нетрансформированными контрольными растениями ().Уровни экспрессии гена AtERF2 в двух других стабильно трансформированных линиях были аналогичны уровням, наблюдаемым в нетрансформированных контрольных растениях (данные не показаны). Мы также обнаружили 16- и 51-кратное увеличение PDF1.2 , 80- и 50-кратное увеличение Thi2.1 и 2- и 3-кратное увеличение транскрипта PR4 (основная хитиназа). уровни, соответственно, в этих двух линиях со сверхэкспрессией AtERF2 (), тогда как такое увеличение экспрессии этих генов не было очевидным в нетрансформированных контрольных растениях и в двух других трансгенных линиях с уровнями транскриптов AtERF2 дикого типа.В целом, эти результаты предполагают, что белок AtERF2 способен активировать гены PDF1.2, Thi2.1 и PR4 при сверхэкспрессии в трансгенных растениях.

    Сверхэкспрессия AtERF2 активирует экспрессию защитного гена у Arabidopsis. Здесь показаны кратные значения экспрессии генов AtERF2, PDF1.2, Thi2.1 и PR4 в двух независимых стабильно трансформированных трансгенных линиях T 2 , содержащих трансген 35S- AtERF2 , по сравнению с теми, которые наблюдались в нетрансформированных контрольные растения.Планки погрешностей также показаны для каждой строки.

    Уровень транскрипта AtERF2 остается неизменным у мутантов арабидопсиса, конститутивно экспрессирующих ген PDF1.2

    Чтобы определить, могут ли повышенные уровни транскрипта AtERF2 быть обнаружены в мутантах, передающих защитный сигнал арабидопсиса , которые конститутивно экспрессируют PDF1. 2 и Thi2.1 , мы исследовали уровни транскрипта AtERF2 с помощью количественного анализа RT-PCR в реальном времени у мутантов, передающих защитные сигналы Arabidopsis cev 1 и cpr5 (Bowling et al., 1997; Эллис и Тернер, 2001). Эти анализы не показали значительного изменения уровня транскрипта AtERF2 у этих мутантов (данные не показаны). Однако, в соответствии с предыдущими сообщениями, мы обнаружили повышенные уровни транскрипта PDF1.2 как в мутантах cev 1 , так и в cpr5 (данные не показаны).

    ОБСУЖДЕНИЕ

    GCC-Box является основным элементом, обеспечивающим жасмонатную отзывчивость промотора

    PDF1.2

    В этом отчете мы определили область промотора от -255 до -277 как критическую для регулирования PDF1.2 ген от жасмоната. Линии растений, несущие конструкции с делециями в этой области (P5 и особенно P6), показали значительно более низкую индукцию MeJA по сравнению со всеми другими конструкциями с делециями. Penninckx et al. (1998) и Manners et al. (1998) сообщили, что уровень индукции PDF1.2 как MeJA, так и этиленом в растениях, выращенных на тканевых культурах, увеличивался при росте растений в нестерильных условиях. Таким образом, мы использовали оба типа условий роста при оценке экспрессии промотор-делеционных конструкций.В целом, результаты, представленные в этой рукописи, подтверждают это наблюдение для индукции управляемой промотором экспрессии репортерного гена PDF1.2 с помощью MeJA в растениях, выращиваемых в почве. Повышенная индукция у растений, выращиваемых в почве, может быть следствием физиологических различий между растениями, выращиваемыми в почве и in vitro, или в результате усиления биологическими факторами, связанными с почвой.

    Область от -255 до -277 содержит GCC-бокс, который является общим мотивом в промоторах различных генов, кодирующих белки, связанные с защитой, и ранее был идентифицирован как сайт специфического связывания для членов подсемейства ERF AP2. / Факторы транскрипции ERF (Ohme-Takagi and Shinshi, 1995; Buttner and Singh, 1997; Zhou et al., 1997). Анализ линий Arabidopsis, стабильно трансформированных трансгеном промотор PDF1.2 -репортер GUS, выявил ступенчатое снижение индукции жасмонатом, поскольку последовательности, непосредственно предшествующие GCC-боксу (P4 и P5), были удалены, с дальнейшим снижением индукции после удаление самого основного мотива GCC (P6). В других исследованиях 21-нуклеотидная последовательность, содержащая GCC-бокс в промоторе промотора PDF1.2 , обеспечивала жасмонатную чувствительность при соединении с минимальным 35S промотором CaMV, а мутации, введенные в GCC-бокс, значительно снижали чувствительность жасмоната. растений, несущих конструкцию P3.Взятые вместе, эти результаты показывают, что GCC-бокс в промоторе гена PDF1.2 модулирует жасмонатную чувствительность гена PDF1.2 . Подобно нашим результатам, представленным здесь, Menke et al. (1999a) недавно показали, что элементы, реагирующие на жасмонат и элиситор, обнаруженные в промоторе гена биосинтеза вторичного метаболита, Str , мадагаскарского барвинка, содержат GCC-подобный блок, который необходим и достаточен для жасмоната и элиситора. -ответственное выражение.

    Было хорошо установлено, что члены семейства факторов транскрипции ERF взаимодействуют с последовательностью GCC-бокса. Подробный анализ требований связывания in vitro трех факторов транскрипции ERF табака показал, что, в то время как контакт специфических аминокислотных остатков ERF ограничен областью ядра GCCGCC из 6 пар оснований GCC-бокса, окружающие нуклеотиды необходимы для высокого -аффинное связывание (Hao et al., 1998). Эти последовательности могут также модулировать дифференциальное связывание различными ERF.Это может объяснить наблюдение, что растения, несущие конструкцию P5 с делецией 5′-фланкирующей последовательности к коровому мотиву GCC, показали пониженную чувствительность к жасмонату, но значительно более высокие уровни базальной экспрессии по сравнению с растениями P4, несущими расширенный мотив GCC. Удаление нуклеотидов, определяющих рекрутирование специфических ERF, которые активируют транскрипцию PDF1.2 в ответ на жасмонат, может позволить конкурентное связывание других членов подсемейства ERF, которые, хотя и не реагируют на жасмонат, могут увеличивать базальную экспрессию генов.

    Хотя результаты, представленные здесь, идентифицируют область от -255 до -277, содержащую сердцевинный GCC-бокс, и фланкирующие последовательности как критические для регуляции гена, они не исключают дополнительную значимость цис-элементов, расположенных ниже по течению в PDF1. .2 промотор. Фактически, другие цис-элементы, по-видимому, также вносят вклад в реактивность жасмоната, на что указывает остаточная индукция, отображаемая линиями, несущими конструкцию P6. Интересно, что в P6 частичная последовательность GCC-бокса (AGCCGC, от -219 до -214) встречается в PDF1.2 промотор ниже консенсусного GCC-бокса от -255 до -277. Возможно, что некоторые факторы транскрипции могут связываться с этой областью, подобной GCC-боксу, и активировать экспрессию генов посредством взаимодействий с ERF. Корегуляция экспрессии генов GCC-боксом и другими элементами промотора также наблюдалась ранее. Например, GCC-бокс необходим, но его недостаточно для индукции высокого уровня гена осмотина табака этиленом (Raghothama et al., 1997). Кроме того, G-бокс связан с реактивностью жасмоната в генах, связанных с защитой, у различных видов растений (Kim et al., 1992; Mason et al., 1993). В промоторе PDF1.2 GCC-бокс также непосредственно следует за предполагаемым мотивом G-бокса (от -255 до -250) с последовательностью CATGTG (Manners et al., 1998). Тесная близость этих G- и GCC-боксов является общей чертой генов PR табака и постулируется как возможность перекрестного связывания факторов транскрипции ERF и bZIP для регуляции экспрессии генов во время защитных реакций растений (Sessa et al., 1995; Баттнер и Сингх, 1997). Хотя было показано, что G-бокс играет важную роль в регуляции экспрессии некоторых генов, чувствительных к жасмонату (Kim et al., 1992; Mason et al., 1993), предполагаемый G-бокс в промоторе PDF1.2 не имеет точной основной последовательности ACGT, характерной для сайтов связывания фактора транскрипции bZIP (Izawa et al., 1993), и, таким образом, может не представлять функциональную G коробка. Необходимы дальнейшие исследования для определения роли этих дополнительных элементов в регуляции гена PDF1.2 .

    AtERF2, ERF, индуцируемый жасмонатом / этиленом и патогенами, конститутивно активирует транскрипцию из GCC-бокса, содержащего защитные гены

    Анализ делеций PDF1.2 предположил, что GCC-бокс является критическим для опосредованной жасмонатом регуляции экспрессии гена PDF1.2 . Таким образом, казалось разумной гипотеза, что один или несколько членов семейства факторов транскрипции ERF Arabidopsis, гомологичных факторам транскрипции ORCA2 и ORCA3 барвинка (Menke et al., 1999a; van der Fits and Memelink, 2000), могут действовать, регулируя экспрессию PDF1.2 в ответ на жасмонаты. Поэтому мы исследовали уровни мРНК отобранных ERF в растениях Arabidopsis после обработки индукторами PDF1.2 и идентифицировали ERF, которые показывают различные профили индукции. ERF1, AtERF2, AtERF3, AtERF4 и RAP2.10 все показали немедленную раннюю индукцию с накоплением мРНК только через 0,5 часа воздействия MeJA. MeJA-индуцированная экспрессия каждого из этих генов произошла раньше, чем наблюдаемая для PDF1.2 , что позволяет предположить, что один или несколько из этих ERF могут регулировать экспрессию PDF1.2 . Быстрая и временная индукция AtERF2 с помощью MeJA имитировала паттерны экспрессии транскриптов Orca2 и Orca3 , которые также показали сильную индукцию 0.Через 5 часов после воздействия MeJA (Menke et al., 1999a, 1999b; van der Fits, Memelink, 2000, 2001). Кроме того, выведенная аминокислотная последовательность AtERF2 очень похожа на последовательность ORCA3, особенно вокруг богатой сером области, предполагаемого сайта фосфорилирования, расположенного на С-конце белка ORCA3 (van der Fits and Memelink, 2000). Эти сходства между AtERF2 и ORCA2 / 3 предполагают, что AtERF2 может играть роль в MeJA-опосредованной индукции гена PDF1.2 . Мы специально количественно оценили выражение из PDF1.2 с помощью количественной ОТ-ПЦР в реальном времени, чтобы отличить экспрессию PDF1.2 от трех других PDF1.2 -подобных экспрессируемых последовательностей, которые существуют в Arabidopsis. Предсказанные зрелые пептиды, кодируемые генами PDF1.2a (такие же, как PDF1.2 ), PDF1.2b и PDF1.2c , идентичны (RL Brown and K. Karzan, неопубликованные данные; Thomma et al. ., 2002). Более того, вышестоящие регуляторные последовательности последних двух генов содержат области со значительной гомологией с GCC-боксом и соседними последовательностями, обнаруженными в промоторе PDF1.2 ген (R.L. Brown, K. Karzan, неопубликованные данные). Идентификация нескольких членов семейства, гомологичных PDF1.2 , означает, что исследования экспрессии этого гена, основанные исключительно на сигналах гибридизации, могут вводить в заблуждение. Это было особенно важно, чтобы исключить возможность того, что в растениях со сверхэкспрессией AtERF2 обнаруживается экспрессия PDF1.2 , но не каких-либо других PDF1.2 -подобных генов, поскольку возможно, что другие PDF1.2 -подобные гены обнаруживаются. гены также могут быть активированы из-за наличия в их промоторах последовательностей, подобных GCC-боксу.Наш анализ показал, что сверхэкспрессия AtERF2 активировала транскрипцию защитных генов, таких как PDF1.2, Thi2.1 и PR4 . Все эти гены содержат GCC-боксы в своих промоторах (Epple et al., 1995; Zhou et al., 1997; Manners et al., 1998), и их активация с помощью AtERF2, вероятно, происходит через GCC-бокс. Fujimoto et al. (2000) продемонстрировали способность AtERF2 взаимодействовать с GCC-боксом для активации экспрессии репортерного гена в анализах временной экспрессии.

    Белок AtERF2 также имеет высокую идентичность аминокислотной последовательности с ERF томата, Pti4, избыточная экспрессия которого в Arabidopsis также приводит к повышенной экспрессии PDF1.2, Thi2.1 и PR4 и повышенной устойчивости к грибковому патогену. Erysiphe orontii и бактериальный патоген P. syringae pv. томат (Gu et al., 2002). Об активации защитного гена и фенотипе повышенной устойчивости к болезням также сообщалось для растений Arabidopsis, сверхэкспрессирующих ERF1 (Berrocal-Lobo et al., 2002; Лоренцо и др., 2003). Это может указывать на то, что ERF1 и AtERF2 могут иметь перекрывающиеся или дублирующие функции. Хотя мы не тестировали уровень устойчивости к болезням у растений, сверхэкспрессирующих AtERF2, мы прогнозируем, что эти растения могут также демонстрировать повышенные уровни устойчивости к болезням из-за конститутивной сверхэкспрессии ряда защитных генов, которые могут быть дополнительно индуцированы во время инфекции из-за наличия дополнительных положительные регуляторы защитных генов, которые могут потребовать индукции патогеном.

    Конвергенция множественных сигнальных путей на ERF

    Недавние исследования (Fujimoto et al., 2000; Ohta et al., 2000; Park et al., 2001; Cheong et al., 2002; Gu et al., 2002; Mazarei et al., 2002; Nishiuchi et al., 2002; Oñate-Sánchez and Singh, 2002; Wu et al., 2002) предполагают, что ERF регулируются по-разному как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях, и что разные белки ERF могут регулировать различные подмножества генов, содержащих GCC-бокс. Например, изученные здесь гены ERF, включая AtERF2 и , реагировали на известные индукторы PDF1.2 , а именно MeJA и этилен (Fujimoto et al., 2000; Lorenzo et al., 2003; это исследование), и инокуляция грибковым патогеном (это исследование). Идентификация факторов транскрипции ERF, индуцируемых жасмонатом, этиленом, патогенами, ранами, нематодами и стрессом, предполагает, что ERF могут пространственно и временно регулировать экспрессию генов в ответ на биотические и абиотические сигналы. Как недавно предположили Fujimoto et al. (2000), как этилен, так и связанные со стрессом сигнальные пути, по-видимому, сходятся на подмножестве разных ERFs, которые впоследствии регулируют подмножество генов, содержащих GCC-box.Представленные здесь результаты вместе с исследованиями белков ORCA2 / 3 и ERF1 (Lorenzo et al., 2003) предполагают, что компоненты путей передачи сигналов жасмонатом сходятся с компонентами других путей (например, абиотический стресс, ранение, этилен и патоген / элиситор). ) на факторы транскрипции ERF в регуляции экспрессии генов.

    Интересно, что до настоящего времени было показано, что ряд белков ERF способен трансактивировать экспрессию PDF1.2 при стабильной или временной экспрессии в Arabidopsis (Fujimoto et al., 2000; Охта и др., 2001; Беррокаль-Лобо и др., 2002; Gu et al., 2002; Wu et al., 2002; эта учеба). Однако неясно, какие ERF могут быть ответственны за активацию экспрессии PDF1.2 in planta в ответ на сигналы жасмоната или патогена. Совсем недавно Lorenzo et al. (2003) предположили, что ERF1 и AtERF2 могут иметь избыточные функции. Также возможно, что активация гена PDF1.2 в трансгенных растениях, конститутивно экспрессирующих GCC-бокс-связывающий белок, происходит несколько неспецифично.В этом исследовании AtERF2, ERF, индуцируемый жасмонатом, патогенами и этиленом, был способен активировать экспрессию гена PDF1.2 при сверхэкспрессии в трансгенных растениях. Однако исследование конститутивных PDF1.2 -экспрессирующих мутантов Arabidopsis, cev1 и cpr5 , не выявило увеличения уровня транскрипта A tERF2 . Эти результаты согласуются с результатами Oñate-Sánchez and Singh (2002), которые недавно сообщили, что экспрессия ряда ERF, индуцируемых жасмонатом, патогенами и SA, включая AtERF2 , не изменилась у cep1 . и cpr5 2 мутантов.Взятые вместе, эти данные предполагают, что PDF1.2 сверхэкспрессия, наблюдаемая у этих мутантов, может быть опосредована другими ERF. В качестве альтернативы, как было предложено Gu et al. (2002), относительно низкие уровни AtERF2 могут быть посттрансляционно активированы конститутивно экспрессируемой предполагаемой киназой без какого-либо детектируемого повышения на уровне транскрипта. Такое событие фосфорилирования может влиять на локализацию AtERF2 в ядре и модулировать его ДНК-связывающую способность или его взаимодействие с другими факторами транскрипции.Фосфорилирование Pto-киназой усиливает связывание ERF Pti4 томатов с GCC-боксом (Gu et al., 2000). Некоторые другие AP2 / ERF, такие как CBF1, CBF2, CBF3 ORCA2, ORCA3 и AtERF5, содержат потенциальные сайты узнавания протеинкиназ, которые могут играть важную роль в модулировании функции этих белков (Medina et al., 1999; Yamamoto et al. др., 1999; Фудзимото и др., 2000).

    В качестве альтернативы активации ERF, инактивация предполагаемого репрессорного белка, возможно, также ERF, может быть ответственной за конститутивную экспрессию PDF1.2 в мутантах cev1 и cpr5 , указанных выше. Недавние исследования показали, что некоторые ERF могут действовать как репрессоры, а не как активаторы транскрипции (Fujimoto et al., 2000; Ohta et al., 2001). Мотив консервативной последовательности, называемый этилен-ассоциированной амфифильной репрессией в С-концевой области этих факторов транскрипции, по-видимому, важен для репрессии с помощью таких репрессорных ERFs (Ohta et al., 2001). Например, AtERF3, AtERF4 и RAP2.Все 10 белков содержат связанный с этиленом мотив амфифильной репрессии, а AtERF3 и AtERF4, как было показано, действуют как репрессоры в анализах in vitro (Fujimoto et al., 2000). Таким образом, даже несмотря на то, что MeJA-, этилен- и A. brassicicola -индуцированная экспрессия AtERF3, AtERF4 и RAP2.10 предшествует индукции PDF1.2 в исследовании, о котором идет речь, это невозможно. пришли к выводу, что эти гены участвуют в специфической активации PDF1.2 .

    Энхансерная область в

    PDF1.2 Промотор

    В этой статье мы также сообщили об элементах промотора, отличных от области GCC, которые, по-видимому, играют роль в регуляции общих уровней экспрессии PDF1.2 ген Arabidopsis. Анализ экспрессии репортерного гена в нескольких трансгенных линиях для каждой линии с делецией промотор-репортер показал, что сильный энхансерный элемент расположен в области от -277 до -495 PDF1 .2 промоутер. Дальнейший делеционный анализ промотора PDF1.2 с использованием системы временной экспрессии позволил выделить этот элемент в 68-нуклеотидную область, расположенную между -398 и -465. Эта область промотора PDF1.2 содержит несколько мотивов, сходных с регуляторными элементами других генов, и / или известные сайты узнавания для факторов транскрипции. К ним относятся последовательности TTCGAC (от -398 до -404), участвующие в реакции SA на ген табака PR 2d (Shah and Klessig, 1996) и CGACG (от -399 до -403), необходимые для высокий уровень экспрессии гена риса ( Oryza sativa ) Amy3D в условиях сахарного голодания (Hwang et al., 1998). Кроме того, эта 68-нуклеотидная область содержит последовательность CAACA (от -454 до -458), которая была выявлена ​​в экспериментах по связыванию in vitro как последовательность распознавания ДНК для фактора транскрипции RAV1 Arabidopsis (Kagaya et al., 1999). Белок RAV1 связывается с этим мотивом через белковый домен, который сильно напоминает домен AP2, обнаруженный в белках AP2 / ERF (Kagaya et al., 1999). Также в 68-нуклеотидной предполагаемой области энхансера промотора PDF1.2 расположены последовательности, гомологичные элементам GT- и GATA (I box), которые опосредуют светочувствительную экспрессию многих генов (Zhou, 1999).GT-элементы также существуют во многих нечувствительных к свету генах, что указывает на широкий спектр функций и, в зависимости от структуры промотора, может иметь положительный или отрицательный эффект на транскрипцию (Zhou, 1999). Необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы определить, модулируют ли один или несколько из описанных выше элементов высокоуровневую экспрессию на промоторе PDF1.2 или предполагаемый энхансер, содержащийся в этой области промотора PDF1.2 , представляет собой новый элемент. .

    В заключение, наши результаты продемонстрировали роль GCC-бокса в обеспечении чувствительности жасмоната к промотору PDF1.2 . Этот мотив и окружающие его основания, скорее всего, взаимодействуют с несколькими членами семейства факторов транскрипции ERF, некоторые из которых также могут быть индуцированы жасмонатами. Анализ промотора PDF1.2 также показал существование др., Вероятно, интерактивных цис-элементов, необходимых для высокоуровневой жасмонат-опосредованной регуляции PDF1.2 во время защитных реакций растений.

    МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

    Получение

    PDF1.2 Конструкций промотора

    Клонированный промотор PDF1 . 2 ген, описанный у Manners et al. (1998) был использован в качестве шаблона для производства всех PDF1 . 2 делеции промотора. Фрагменты промотора различной длины амплифицировали с помощью ПЦР с использованием следующих прямых праймеров для конструкций P2, P3, P4, P5 и P6 соответственно (): 5′-ATCAAAGCT TTGAGCCTCTCACTTGCGGTC-3 ‘, 5’-ATCAAA GCTTTGCTGCTCTTGAGATCAACC-3 ‘-GCCGAAGCTTCCATTCAGATTAACCAGCC-3′, 5’-ATCAAAGCTTAGCCGCCCATGTGAACGATG-3 ‘, 5′-ATCAAAGCTTCATGTGAACGATGTAGCATTAGC-3′ и общий обратный праймер 3’-GAGAGAGGATAGCATGAACTGAGAGGATCCTGA для всех конструкций. PDF1 . 2 делеции промотора были клонированы в сайт Hin dIII- Bam HI бинарного вектора pBI101.3 (CLONTECH, Хэмпшир, Великобритания) в рамке с геном UidA с использованием стандартных методов молекулярной биологии ( Sambrook et al., 1989). Конструкцию pA35S получали путем амплификации области от -46 до +10 промотора 35S CaMV с использованием пары праймеров 5′-CACTATGTCGACCAAGACCTTTCCTCTATATAAG-3 ‘и 5′-CCCGGGGATCCGTCCTCTCAAAATGAATGGAAC-3’.Продукт амплификации расщепляли Sal I и Bam HI и вставляли перед геном UidA в pBI101.3, также расщепляли Sal I и Bam HI. Эта конструкция получила название pB35S. Кассета трансгена в pB35S затем была удалена путем переваривания Hin dIII и Eco RI и вставлена ​​в расщепленный бинарный вектор pAOV Hin dIII / Eco RI, который несет ген устойчивости к Basta (Mylne and Botella, 1998). .Конструкция pIB была получена путем амплификации области от -270 до -250 PDF1 . 2 с использованием праймеров 5′-TTAATCAAGCTTGATTAACCAGCCGCC-3 ‘и 5′-TGCTACGTCGACCACATGGGCGGCTGG-3’. Затем продукт амплификации расщепляли Sal I и Hin dIII и лигировали с Sal I / Hin dIII-переваренной pB35S, которую назвали pB6. Кассету трансгена в pB6 затем удаляли путем гидролиза Hin dIII / Eco RI и клонировали в pAOV Hin dIII / Eco RI.Конструкция mGCC была создана с помощью двухэтапного процесса ПЦР с использованием пар праймеров: (а) 5′-ATCAAAGCTTTGCTGCTCTTGAGATCAACC-3 ‘и 5′-CGTTCACATGTGAGGATGGTTAATC-3′ и (b) 5′-GATTAACCATCCTCGATGATGATGATGATGATGATGATCAGTAGTAGT-GATTAACCATCCGACCCAGTAGT и 5’-GATTAACCATCCTCGACAGTAGTGA -3 ′. Продукт амплификации обрабатывали Bam HI и Hin dIII и клонировали в бинарный вектор PBI101.3, расщепленный Bam HI / Hin dIII. Затем кассету трансгена удаляли из этой плазмиды расщеплением Hin dIII / Eco RI и клонировали в pAOV, расщепленную Hin dIII / Eco RI.Плазмиды вводили в клетки Escherichia coli DH5-α посредством трансформации тепловым шоком (Sambrook et al., 1989). Слитые конструкции проверяли секвенированием с использованием антисмыслового праймера (5′-CAGTTTTCGCGATCCAGACTG-3 ‘) для гена UidA . Бинарные векторы переносили на Agrobacterium tumefaciens через трехродительское скрещивание. Процедура, описанная Valvekens et al. (1988) был использован для получения трансгенных растений Arabidopsis экотипа C24, и трансформанты были отобраны на основе устойчивости к канамицину.MGCC, pIB, pA35 и дополнительную конструкцию P3 вводили в растения Col-0 с использованием процедуры трансформации окунанием в цветок (Clough and Bent, 1998).

    Обработка растений для анализа активности промотора

    Для стерильных растений семена Arabidopsis стерилизовали поверхность и равномерно размещали по чашкам Петри, содержащим среду для проращивания (Valvekens et al., 1988), с плотностью 70 семян на чашку. Семена стратифицировали при 4 ° C в течение 3 дней, и чашки Петри переносили в камеры для выращивания с 12-часовым фотопериодом при 24 ° C.Индукционные опыты проводили на проростках 16-дневного возраста. Для выращиваемых в почве растений семена проращивали на среде для проращивания в чашках Петри, и 10-дневные проростки переносили в почву, по пять особей высаживали в каждый горшок размером 4 × 4 см для индукционных экспериментов с использованием экзогенных химикатов. Для облегчения инокуляции только четыре человека были пересажены на горшок для экспериментов, когда растения были заражены грибковым патогеном Alternaria brassicicola . Растения выращивали в короткие дни (8-часовой фотопериод), чтобы отсрочить скрепление.Дневная температура составляла 21 ° C при влажности 70%, а ночная температура — 24 ° C при влажности 60%. Индукционные эксперименты проводили на 5-6-недельных растениях.

    Для обработки растений горшки с растениями или планшеты для культивирования тканей помещали в сосуды с фитоконами объемом 1 л (Sigma-Aldrich, Сент-Луис), которые закрывали по краю пластилином. Этилен наносили в концентрации 200 мкл L -1 путем впрыскивания газообразного этилена через резиновую мембрану. MeJA применяли в концентрации 0.1 мкмоль L -1 воздуха путем инокуляции 5 мкл 21,8 мм раствора MeJA (в этаноле) на шарик ваты, прикрепленный к внутренней части контейнера. Контрольные растения помещали в идентичные камеры, но без добавления индуцирующих агентов. Образцы собирали через 24 ч инкубации при постоянном освещении. Для анализа на основе проростков 20 отдельных целых трансгенных растений (поколение T 2 ) собирали для каждого повторного образца. Для каждого лечения из каждого из двух независимых экспериментов брали по три повторяющихся набора образцов.Для каждой повторности в анализах зрелых растений набирали по пять растений. Обработка растений MeJA, использованная в дополнительных экспериментах с динамикой времени с количественной ОТ-ПЦР в реальном времени, была проведена в соответствии с Schenk et al. (2000).

    Инокуляция грибов

    Листья выращенных в почве растений инокулировали каплями 5 мкл свежеубранной суспензии конидиальных спор (5 × 10 5 спор на мл -1 в воде) A . brassicicola (изолят UQ4273). Растения помещали в квартиру для размножения под прозрачной крышкой из полистирола для поддержания высокой влажности.Обработанные листья собирали отдельно от необработанных листьев того же растения через 5 ч после инокуляции.

    Количественные анализы GUS на активность промотора

    Использовали трансгенные растения в поколении T 2 (20 особей), стабильно трансформированных каждой конструкцией промотора-репортера. Активность промотора оценивали количественными анализами GUS гена UidA с использованием 4-метил-умбеллиферил-β-d-глюкуронида (Sigma-Aldrich) в качестве субстрата. Анализ проводили в соответствии с процедурой Джефферсона (1987), адаптированной для использования с микротитровальными планшетами и флуорометром Fluoroskan Ascent (Labsystems, Хельсинки).Общее содержание белка в образцах оценивали с помощью анализа связывания красителя с белками, адаптированного для микротитровальных планшетов (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA).

    Анализы временной экспрессии

    Плазмида pBINm-GFP5-ER (Haseloff et al., 1997), содержащая синтетический ген GFP под контролем промотора 35S (CaMV), использовалась в качестве контроля трансформации во всех экспериментах. Плазмида pSP35Slucnos, содержащая ген люциферазы светлячка под контролем промотора 35S (CaMV), была подарком Dr.Роберт Берч (факультет ботаники Квинслендского университета, Австралия). ПЦР амплифицированный PDF1 . 2 фрагмента делеции промотора с использованием прямых праймеров 5′-AACAAGCTTTTAGTCCACAACG-3 ‘, 5′-TGTAAGCTTATGACGAAGGTC-3′ и 5’-AAGCTTGACTATGAACTGC-3 ‘для конструкций Ea, Eb и общего обратного Ec, соответственно, и праймер 5’-GAGAGAGGATCCTGATGGAAGCAAATTAGCCATG-3 ‘для всех конструкций был клонирован в рамке с геном UidA в вектор pGEM4.GUS3 размером 4,87 т.п.н. с использованием стандартных методов молекулярной биологии (Sambrook et al., 1989). Бомбардировки проводились с использованием изготовленной на заказ пушки для подачи частиц гелия под давлением, как описано ранее (Schenk et al., 1998). Экспрессирующие GFP клетки в подвергнутых бомбардировке листьях просматривали с помощью стереомикроскопа MZ6 с модулем флуоресцентного фильтра GFP Plus (Leica Microscopy and Scientific Instruments, Bannockburn, IL), содержащим фильтр возбуждения 480/40 нм, дихроматический пучок длиной 505 нм. -деляющее зеркало и барьерный фильтр длиной 510 нм. Люциферазную активность определяли с использованием реагента для анализа люциферазы (Promega, Madison, WI) в люминометре Fluoroskan Ascent FL (Labsystems).

    Анализ макромассивов

    Консенсусная аминокислотная последовательность ДНК-связывающего домена семейства факторов транскрипции AP2 / ERF (YRGV RRPW GKWA AEIR DPKR VWLG TFTA EEAA RAYD AARG KALN FP; Riechmann and Meyerowitz, 1998) использовалась в качестве запроса. последовательность в поиске BLASTP в базе данных неизбыточных белков GenBank, ограниченная Arabidopsis. Распределение по подсемейству определяли путем поиска консервативной линкерной последовательности (E-V-LRR-S-F-RG; Klucher et al., 1996), находящейся между двумя консервативными доменами AP2 членов подсемейства AP2.ClustalW использовался для анализа сходства последовательностей в консервативном домене и для создания направляющего дерева родства. Для конструирования макроматрицы геномную ДНК экстрагировали из растений Col-0 экотипа Arabidopsis с использованием метода CTAB. Следующие последовательности прямого и обратного праймеров использовали для амплификации дивергентных областей последовательностей AP2 / ERF из генома Arabidopsis: для ERF1 (At3g23240), 5′-CGGCGGAGAGAGTTCAAGAGTC-3 ‘и 5′-TCCCACTATTTTCAGAAGACCCC-3’; для AtERF2 (At5g47220), 5′-TTGGGGAGGTTTGCCATTG-3 ‘и 5′-TCCATCGCCGTAAAGTTCTCAG-3’; для AtERF3 (At1g50640), 5′-CCGACCATCAACAACAGTTCCC-3 ‘и 5′-CGACGAATCGCAATCGCTG-3’; для EREBP4 / RAP2 . 5 / AtERF4 (At3g15210), 5′-TCTACTTTTTGGACCTGATGGGG-3 ‘и 5′-TCGCTTTGGGGCACCACAAG-3’; для AtERF5 (At5g47230), 5′-ACGAGGCTTCTCCTGTGGCTAC-3 ‘и 5′-GCGAAATCTTCAATGGCGG-3’; для предполагаемого EREBP (At2g44970), 5′-CGATAACTGGAGCGACTTGCC-3 ‘и 5′-GGAGAGGTAACGGGAGGAACG-3’; для TINY изолог (At1g22810), 5′-TCCTTCACTCGTTTCCAGAACTTC-3 ‘и 5′-GCCGCCCAGATAATCATACACTG-3’; для гена, подобного табаку EREBP3 (At1g12980), 5′-AGAAATCTTCGCCGTCTGCTC-3 ‘и 5′-TCTTGATACCCCCACTCGTTTG-3’; для AP9 (At1g80580), 5′-AACCCGAAAACACGCATC-3 ‘и 5′-GCTTCACACCACCTTCTTTGG-3’; для RAP2 . 10 (At4g36900), 5′-AGGAGGAGTGAACGGTGGTG-3 ‘и 5′-GATGATGATGATGACGATTCCC-3’; для предполагаемого AP2 (At1g63030), 5′-ATTCTGCTTGGAGGTTGCCG-3 ‘и 5′-CTCCAAAGTGACAAATCTTC-3’; для предполагаемого AP2 (At2g35700), 5′-CATCTCCCACAGTTACGGAAAC-3 ‘и 5′-AAAAGAGTCCCAGAAGCCATC-3’; для предполагаемого AP2 (At1g63040), 5′-TCTTACCCCATTCCCCTTTCC-3 ‘и 5′-AGCCACCATCATCCCTTTGG-3’; для предполагаемого AP2 (At2g46310), 5′-CGAGGGAATCGCAAATCAGTC-3 ‘и 5′-CGAGAAACAAAGGGTCAGGGG-3’; для AP2 фактор транскрипции (At2g40340), 5′-CAAGTTCAGGTTTTGGTCAGGTG-3 ‘и 5′-GCAATCTCCATAGGGTTGAGGC-3’; для предполагаемого AP2 (At2g22200), 5′-TGAATCCTCTCCCTTCCTCTGTTG-3 ‘и 5′-CATCGCTTCTCGGTGACTCATTAG-3′; для предполагаемого белка (At4g31060) 5’-AGGCAACCAAAAAGTGGCG-3 ‘и 5′-CAACCATTCCGTGTTCTCCATC-3′; и для APETALA2 (At4g36920) 5’-AACGACGCACCACACCAAAC-3 ‘и 5′-AAAGCCAGAAGCAACACCACC-3’.Для целей нормализации фильтры макроматрицы также содержали последовательности ДНК из следующих генов, амплифицированных с использованием следующих пар праймеров: PR 1 , 5′-CGGCGACAAGACTACCTTGATG-3 ‘и 5′-TGGCACATCCAACCCACTCTG-3’; PDF1 . 2 , 5′-CGCACCGGCAATGGTGGAAG-3 ‘и 5′-CACACGATTTAGCACCAAAG-3’; BGL 2 , 5′-GTAAAACGACGGCCAGT-3 ‘и 5′-GGAAACAGCTATGACCATG-3’; UidA , 5′-ACCCTTACGCTGAAGAGATGC-3 ‘и 5′-AACGTATCCACGCCGTATTCG-3’; Актин , 5′-GGATGCTTATGTTGGCGATG-3 ‘и 5′-GCTGGTTTTGGCTGTCTCG-3’; и тубулин β- 8-цепь , 5′-GTAAAACGACGGCCAGT-3 ‘и 5′-GGAAACAGCTATGACCATG-3’.Фильтры макроматрицы готовили следующим образом. ДНК зонда (40 нг пятна -1 ) денатурировали и переносили в двух экземплярах на мембрану Hybond N + (Amersham Biosciences, Piscataway, NJ) с использованием аппарата для микрофильтрации Bio-Dot (Bio-Rad Laboratories) в соответствии с инструкциями производителя. Полный синтез кДНК проводили с использованием 750 нг очищенной поли (A + ) РНК с использованием Superscript II RT (Invitrogen, Carlsbad, CA), как рекомендовано производителем. Полученную общую кДНК метили с использованием системы мечения ДНК Megaprime (Amersham Biosciences) или системы Strip-EZ (Ambion, Остин, Техас) в соответствии с инструкциями производителя.Блоты гибридизовали, как описано ранее (Mitter et al., 1998), и визуализировали с помощью системы PhosporImaging, а данные обрабатывали с помощью программного обеспечения для анализа ImageQuant (Molecular Dynamics, Sunnyvale, CA). Для каждого гибридизационного блоттинга контрольный показатель рассчитывали путем усреднения сигнала гибридизации от дублированных пятен β- тубулина за вычетом фона. Данные для зондов от всех других генов определяли аналогичным образом и затем делили на эталон β- тубулина для этого блота, чтобы можно было сравнить относительные уровни экспрессии различных генов.

    Нозерн-блот-анализ

    Растения Arabidopsis экотипа Col-0 выращивали в условиях короткого дня (8 часов света, 16 часов темноты) в течение 3 недель и обрабатывали MeJA, этиленом или ничем (контроль), как описано выше для анализов активности GUS. Общую клеточную РНК экстрагировали из надземной части растений с использованием гуанидинтиоцианатного метода, и 20 мкг образца общей РНК наносили на гель и наносили на мембрану Hybond N + (Amersham Biosciences). Зонды амплифицировали с помощью ПЦР и очищали с использованием набора для очистки ПЦР Qiaquick (Qiagen USA, Валенсия, Калифорния).Зонды ERF амплифицировали с использованием последовательностей праймеров, приведенных выше. PDF1 . 2 Зонд амплифицировали из клона 10a (Manners et al., 1998) с использованием праймеров 5′-CGCACCGGCAATGGTGGAAG-3 ‘и 5′-CACACGATTTAGCACCAAAG-3’. Зонд тубулина β- 8-цепочечный был амплифицирован из клона EST номер 108K21T7 (номер доступа GenBank {«type»: «entrez-нуклеотид», «attrs»: {«text»: «T41808», «term_id» : «634396», «term_text»: «T41808»}} T41808; Центр биологических ресурсов Arabidopsis, Колумбус, Огайо) с использованием прямого праймера M13 и обратного праймера M13.Гибридизации и анализ сигналов гибридизации выполняли, как описано для гибридизации макроматрицы.

    Количественный анализ ОТ-ПЦР в реальном времени

    Общую клеточную РНК экстрагировали из надземной части растений с использованием набора для экстракции растительной РНК (Bio-Rad Laboratories). КДНК первой цепи синтезировали с использованием 2 мкг общей РНК, Superscript II RT (Invitrogen) и случайных гексамерных праймеров до общего объема 10 мкл. Реакционную смесь инкубировали при 42 ° C в течение 50 минут перед тепловой инактивацией фермента при 70 ° C в течение 15 минут.Затем матрицу кДНК разбавляли путем добавления 240 мкл воды milli-Q, чтобы получить конечную концентрацию 8 нг мкл -1 для использования в анализах ПЦР в реальном времени. Вторую аликвоту 2 мкг каждого образца РНК подвергали тем же условиям без добавления RT (контроли минус RT). Амплификацию и детекцию ПЦР в реальном времени проводили в системе обнаружения последовательностей модели ABI 7700 (Applied Biosystems, Foster City, CA). Реакции проводились в конечных объемах 25 мкл и содержали 40 нг матрицы кДНК и 5 мкл смеси праймеров, содержащей 1 мкМ раствор каждого из праймеров AtERF2 , 5′-TGAGGTTAATTCCGGTGAACC-3 ‘и 5′-TCAACTTCCCGTTTTCAGACGA-3’ ; праймеров ERF1 , 5′-CGAGAAGCTCGGGTGGTAGT-3 ‘и 5′-GCCGTGCATCCTTTTCC-3’; PDF1 . 2 (At5g44420) праймеров, 5′-TTGCTGCTTTCGACGCA-3 ‘и 5′-TGTCCCACTTGGCTTCTCG-3’; Thi2 . 1 ({«type»: «entrez-нуклеотид», «attrs»: {«text»: «L41244.1», «term_id»: «1181530», «term_text»: «L41244.1»}} L41244 .1) праймеры (Epple et al., 1995), 5′-CTCAGCTGATGCTACCAATGAGC-3 ‘и 5′-GCTCCATTCACAATTTCACTTGC-3’; или PR4 (At3g12500) праймеров, 5′-ATCAGCGCTGCAAAGTCCTTC-3 ‘и 5′-GTGCTGTAGCCCATCCACCTG-3’; и 12,5 мкл мастер-микса SYBR Green PCR (Applied Biosystems).Условия термоциклирования: 10 мин при 95 ° C, 45 циклов по 15 с при 95 ° C и 1 мин при 60 ° C. Двойные анализы SYBR Green для каждой генной мишени были выполнены как для положительных, так и для отрицательных образцов RT. Для каждой пары праймеров в каждый прогон включали контроль без матрицы. Обнаружена экспрессия трех генов β- актина Arabidopsis, β- актина 2 (At3g18780), β- актина 7 (At5g09810) и β- актина 8 ( At1g49240) использовали следующую смесь праймеров (R.Симпсон, личное сообщение; универсальный прямой праймер актина 5′-AGTGGTCGTACAACCGGTATTGT-3 ‘и специфические обратные праймеры 5′-GATGGCATGGAGGAAGAGAGAAAC-3′, 5’-GAGGAAGAGCATTCCCCTCGTA-3 ‘и 5′-GAGGATAGCATGTGGAACT’, соответственно, использовались в качестве внутренних стандартов 3, соответственно нормализовать небольшие различия в суммах шаблона. Результаты ПЦР в реальном времени регистрировались и анализировались с использованием программного обеспечения для обнаружения последовательностей (SDS v1.7, Applied Biosystems) и процедур анализа данных, описанных в бюллетене пользователя 2 для системы обнаружения последовательностей модели 7700 ABI.

    Конструирование бинарного вектора 35S-

    AtERF2 и трансформация растений

    Ген AtERF2 (AT5g47220) арабидопсиса был амплифицирован из экотипа Col-0 с использованием праймеров 5′-CTGAAAATGTACGGACACAGTGC-3 ‘и -3 ′. Продукт амплификации обрабатывали 1 единицей полинуклеотидкиназы (Roche Diagnostics, Mannheim, Германия), лигировали в бинарный вектор pKEN, разрезанный Hin dIII, заполняли ДНК-полимеразой Кленова (Roche Diagnostics) и дефосфорилировали.pKEN был сконструирован путем клонирования фрагмента Sac I / Xho I, содержащего кассету с двойным промотором / терминатором 35S из плазмиды pJIT163 (Hellens et al., 2000), в Sac I / Xho I-переваренный pGreen229 ( Hellens et al., 2000). Рекомбинантную плазмиду электропорировали в компетентный A . tumefaciens (штамм AGL-1), предварительно трансформированные плазмидой pSoup (Hellens et al., 2000). Затем растения Arabidopsis Col-0 трансформировали с использованием процедуры трансформации цветочным окунанием (Clough and Bent, 1998), и трансформанты отбирали на основе их устойчивости к Basta.

    Статистический анализ данных

    Пакет JMP IN Statistics v3.2.6 (SAS Institute Inc., Кэри, Северная Каролина) использовался для всех статистических анализов. Значимость различий между трансгенными растениями, несущими различные конструкции с делециями промотора, и независимыми трансгенными линиями в этих конструкциях определяли с помощью вложенного дисперсионного анализа. Непараметрический тест Вилкоксена-Манна-Уитни использовали для определения статистической значимости различий между конструкциями в экспериментах по бомбардировке.Биологическое значение было присвоено P <0,05.

    Хиральные центры и хиральные молекулы Учебное пособие по химии

    Пожалуйста, не блокируйте рекламу на этом сайте.
    Без рекламы = для нас нет денег = для вас нет бесплатных вещей!

    Зеркальное отображение молекул и хиральность

    Ваша левая и правая рука хиральны. Ваши руки демонстрируют свойство хиральности. 4
    Ваша левая рука является зеркальным отражением вашей правой руки, но вы не можете накладывать левую руку на правую.

    Многие биологические молекулы, такие как аминокислоты, белки и сахара, являются хиральными, как и ваша левая и правая рука, но только одна из этих хиральных молекул может проявлять биологическую активность. 5
    Точно так же, как ваша левая рука не помещается в перчатку для правшей, «левосторонний» белок не подходит для «правостороннего» фермента, поэтому скорость химической реакции для » левосторонний »белок не подвержен влиянию« правостороннего »фермента.

    Рассмотрим молекулу метана, CH 4 .
    Мы могли бы использовать набор молекулярных моделей для построения трехмерной модели молекулы метана, как показано ниже 6 :

    Центральный атом углерода — это черный шар в центре, каждый серый шар представляет собой атом водорода.
    Две связи C-H лежат в одной плоскости ( красный цвет внизу).
    Одна связка C-H выходит вперед, к вам, когда вы читаете это (цвет синий ниже).
    Одна связка C-H идет назад, от вас, когда вы читаете это (цвет зеленый ниже).

    Химики обычно не используют цвета, чтобы показать трехмерную структуру молекулы, вместо этого мы рисуем различные виды линий и форм, чтобы представить, как атомы расположены в пространстве.
    Когда мы это делаем, мы обращаемся к представлению как к трехмерной структурной формуле:

    • Связи в одной плоскости ( красные линии выше) показаны сплошной линией.
    • Связи, идущие к вам (синяя линия выше) показаны сплошным клином.
    • Связи, которые простираются от вас (зеленая линия выше) показаны пунктирным клином.
    Шарик и клюшка
    Молекулярная модель
    3-х мерный
    структурная формула

    Представьте, что вы можете взять молекулу метана и поместить ее перед зеркалом.
    В зеркальном отображении центральный атом углерода будет находиться «позади» зеркала на том же расстоянии, что и центральный атом углерода «настоящей» молекулы перед зеркалом.
    Зеркальная версия каждого атома водорода будет казаться такой же «позади» зеркала, как и реальная версия перед зеркалом.

    «настоящий метан» зеркало «зеркальное отображение метана»

    Мы написали зеркальные изображения «C» и «H», чтобы выделить «настоящую» молекулу, а какая «зеркальное отображение» молекулы, но ясно, что оба атома углерода идентичны друг другу, и весь водород атомы неотличимы друг от друга, на самом деле только расположение этих атомов в трехмерном пространстве важно для следующего обсуждения.

    Две молекулы метана, «реальная» и «зеркальное отображение» — одно и то же.
    Мы можем повернуть «зеркальное отображение» молекулы вокруг вертикальной оси, чтобы получить такое же расположение связей C-H в 3-х измерениях, что и «настоящая» молекула.

    Мы видим, что «зеркальное отображение» молекулы метана может быть наложено на «реальную» молекулу метана, просто вращая молекулу вокруг вертикальной оси.

    Метан, CH 4 , НЕ является примером хиральной молекулы. Мы говорим, что метан ахиральный.

    Что делать, если один из атомов водорода замещен другим атомом, например атомом хлора.
    Будет ли хлорметан, CH 3 Cl, и его зеркальное отображение иметь одинаковое расположение атомов в трех измерениях или различное?
    Будет ли хлорметан, CH 3 Cl, хиральным или ахиральным?

    «настоящий хлорметан» зеркало «зеркальное отображение хлорметана»

    Если мы повернем «зеркальное отображение» хлорметана вокруг вертикальной оси, мы получим точно такое же трехмерное расположение атомов, что и в «настоящей» молекуле хлорметана.
    «Зеркальное отражение» молекулы хлорметана накладывается на «настоящую» молекулу хлорметана.
    Хлорметан не является хиральным, он считается ахиральным.

    Что делать, если один из атомов водорода в хлорметане заменен другим атомом, например, атомом брома.
    Будет ли бромхлорметан и его зеркальное отображение иметь одинаковое расположение атомов в 3-х измерениях или различное?
    Будет бромхлорметан хиральным или ахиральным?

    «настоящий бромхлорметан» зеркало «зеркальное отображение бромхлорметана»

    Связь C-Cl и связь C-Br были представлены как находящиеся в одной плоскости на «реальной» молекуле.
    На зеркальном изображении мы могли бы повернуть молекулу до тех пор, пока атом брома не окажется «за» плоскостью (пунктирный клин), а затем выбрать представление молекулы так, чтобы обе связи C-Cl и C-Br находились в одной плоскости, так что одна связь CH простирается к нам, а другая CH — от нас, поэтому эти два представления, «реальное» и «зеркальное отображение» одинаковы, поэтому бромхлорметан НЕ хиральный, он ахиральный.

    Что, если мы заменим один из оставшихся атомов водорода в бромхлорметане другим атомом, например фтором.
    Будет ли бромхлорфторметан и его зеркальное отображение иметь одинаковое трехмерное расположение атомов или расположение атомов будет другим?
    Бромхлорфторметан хиральный или ахиральный?

    «настоящий бромхлорфторметан» зеркало «зеркальное отображение бромхлорфторметана»

    Если мы повернем «зеркальное отображение» молекулы так, чтобы связь C-Br находилась «позади» (пунктирный клин), тогда связь CF будет в той же плоскости, что и связь C-Cl, а связь CH будет «вперед». (сплошной клин), как показано ниже:

    повернуть

    Если мы теперь представим эту повернутую «зеркальное отображение» молекулы со связью C-Br в той же плоскости, что и связь C-Cl (как это было в «реальной» молекуле), мы теперь обнаружим, что связь CF простирается от нас. (пунктирный клин), а связь CH направлена ​​к нам (сплошной клин), как показано ниже:

    Теперь сравните бок о бок «настоящую» молекулу и эту повернутую версию молекулы «зеркального отражения»:

    «настоящая» молекула повернутая «зеркальное отражение» молекулы
    & nequiv;

    Когда мы пытаемся наложить «зеркальное отображение» молекулы на «настоящую» молекулу, мы обнаруживаем, что связи C-Cl и C-Br накладываются друг на друга, но связь CF в «реальной» молекуле выходит из плоскости к вам. в то время как в молекуле «зеркального отражения» она простирается за плоскость и от вас.
    Точно так же связь C-H в «настоящей» молекуле простирается за плоскость и от вас, но в молекуле «зеркального отображения» связь C-H простирается от плоскости к вам.

    Нельзя наложить «зеркальное отображение» молекулы бромхлорфторметана на «настоящую» молекулу.

    Бромхлорфторметан ЯВЛЯЕТСЯ хиральной молекулой.
    Атом углерода, который имеет 4 различных заместителя, называется хиральным центром (иногда хиральным углеродом).
    Атом углерода в молекуле бромхлорфторметана является хиральным центром, поскольку он имеет 4 различных заместителя (H, Br, Cl и F).
    Эти две молекулы, «настоящий» и «зеркальное отображение» бромхлорфторметана, называются энантиомерами.

    Определение хиральных центров

    В органической молекуле любой атом углерода с 4 различными заместителями будет хиральным центром.
    Органическая молекула с хиральным центром будет хиральной молекулой. 7

    Рассмотрим следующую молекулу:

    Он содержит 2 атома углерода, один показан как синий , другой как красный .
    К синему атому углерода C присоединены 3 атома водорода и 1 атом углерода.
    Поскольку к этому атому углерода присоединены только 2 различных заместителя (H и C), этот атом углерода НЕ является хиральным центром.
    Теперь рассмотрим красный атом углерода, C .
    К этому атому углерода присоединена одна группа OH, один атом H, один атом F и одна метильная группа (CH 3 ).
    У этого атома углерода 4 разных заместителя.
    Этот атом углерода является хиральным центром.
    Эта молекула будет хиральной.

    Рассмотрим молекулу 2-бромбутана, показанную ниже, с атомами углерода под номерами 1, 2, 3 и 4:

    H
    |
    Br
    |
    H
    |
    H
    |
    H- С 1 С 2 С 3 С 4 -H
    |
    H
    |
    H
    |
    H
    |
    H

    Ясно, что атомы углерода 1 и 4 не могут быть хиральными центрами, потому что с ними связаны 3 атома водорода, поэтому у них нет 4 разных заместителей.
    Точно так же углерод 3 не может быть хиральным центром, потому что с ним связаны 2 атома водорода, поэтому он не имеет 4 различных заместителей и, следовательно, не может быть хиральным центром.
    А как насчет углерода 2? Это хиральный центр?
    Давайте перерисуем структуру, чтобы было нагляднее …

    Br
    |
    H 3 C С 2 Канал 2 Канал 3
    |
    H

    Теперь мы ясно видим, что углерод 2 имеет 4 разных заместителя:

    (i) метильная группа (CH 3 )
    (ii) атом брома (Br)
    (iii) атом водорода (H)
    (iv) этильная группа (CH 2 CH 3 )

    Углерод 2 является хиральным центром, а молекула хиральной.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.