Кислотно-катализируемый гидролиз селенопирана Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 547.812.2, 547.818.9 П. А. Полубояринов (к.с.-х.н., доц.)1, П. П. Лещенко (к.х.н., доц.)1, А. В. Ариповский (к.х.н., в.н.с.)2

КИСЛОТНО-КАТАЛИЗИРУЕМЫЙ ГИДРОЛИЗ СЕЛЕНОПИРАНА

1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»,

кафедра «Физики и химии» 440028, Пенза, ул. Германа Титова 28; тел. (8412) 497277; e-mail: poluboyarinovpavel@mail.ru 2 Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии 142279, Московская обл., Серпуховский р-н, пос. Оболенск, тел. (4967) 360003; e-mail: aripovsky@rambler.ru

P. A. Poluboyarinov1, P. P. Leshchenko1, A. V. Aripovsky2

ACID-CATALYZED HYDROLYSIS OF SELENOPYRAN

1 Penza State University of Architecture and Construction 28, Germana Titova Str, 440028, Penza, Russia; e-mail: poluboyarinovpavel@mail.ru 2Federal State Institution of Science State Research Center for Applied Microbiology & Biotechnology Serpukhov district, 142279 Obolensk, Moscow region, Russia; e-mail: aripovsky@rambler.ru

В ходе исследования способности 9И-сим-нона-гидро-10-окса(халькогена)антраценов к кислотно-катализируемому гидролизу показано, что селенопиран (9-фенил-сим-нонагидро-10-селе-наантрацен) как и пиран (9-фенил-сим-нона-гидро-10-оксаантрацен) подвергается кислотно-катализируемому гидролизу. Это говорит о способности 4Н-селенопиранов элиминировать селен в условиях биологического гидролиза, что в свою очередь имеет практический интерес с точки зрения определения возможности введения соединений селена в биологически активные добавки.

Ключевые слова: дикетон; кетол; кислотно-катализируемый гидролиз; селенопиран; элементный селен.

The capability of acid catalyzed hydrolysis of 9R-sim-nonagydro-10-oxo(halkogene)antracenes is investigated. It is shown that both selenopyran (9-phenyl-sim-nonahydro-10-selenoantracene) and pyran (9-phenyl-sim-nonahydro-10-oxaantra-cene) undergoes by acid catalyzed hydrolysis. This indicates the ability of 4H-selenopyranes to eliminate selenium in condition of biological hydrolysis, that, in turn, has a practical interest from the point of view of determining the possibility of the introduction of selenium compounds in dietary supplements.

Key words: acid catalyzed hydrolysis; diketone; elemental selenium; ketol, selenopyran.

Селен (Бе) является эссенциальным микроэлементом для животных и человека. Одним из путей восполнения недостатка селена в рационах животных и питании человека является введение его соединений в состав различных биологически активных добавок.

В России в девяностые годы профессором Пензенской ГСХА А. Ф. Блинохватовым был синтезирован селенопиран (9-фенил-сим-нона-гидро-10-селеноантрацен 1), (СП-1). Это вещество не имеет вкуса и запаха, стабильно при хранении, совместимо с основными ингредиентами кормов и мало токсично (ЛД50 для цыплят — 700—960 мг/кг) 1. Селенопиран широко применяется в качестве малотоксичного источника селена в биологически активных (Селен-

Дата поступления 02.12.15

Актив, СеленЕС и др.) и кормовых добавках в рационах животных 2. Однако механизм метаболизма селенопирана еще очень мало изучен .

Актуальность изучения вопроса о способности 9И-сим-нонагидро-10-окса(халькоген)-антраценов взаимодействовать с водой обусловлена не только чисто научным, но и сугубо практическим интересом. Изучение этих реакций дает ключ к пониманию способности 4Н-селенопиранов элиминировать селен в условиях биологического гидролиза.

Процесс кислотно-катализируемого гидролиза 4Н-пиранов и их халькоген-аналогов можно отразить схемой 1.

В соответствии с этой схемой активность гетероциклов должна определяться, прежде всего, сравнительной реакционной способностью двойных связей по отношению к электро-

н

+нт

\

Лх+^Х

н

+н2о

-н

/ хо ^

I

н

л

хо

н

+н2о

-н2х

н

н

Л

оо

х=Б, Бе

Схема 1

фильному присоединению воды и степенью стабильности образующихся при этом продуктов (циклических полукеталей).

Литературные данные 4 свидетельствуют о том, что 4Н-пираны подвергаются кислотному гидролизу очень легко, превращаясь в соответствующие насыщенные 1,5-дикетоны.

В работе 1 отмечается чрезвычайно высокая устойчивость трициклических тиопиранов и селенопиранов к кислотно-катализируемому процессу гидролиза. Так, многочасовое кипячение эмульсий этих веществ в растворах минеральных кислот и внесение в них солей серебра и ртути, способных отщеплять группы БИ и БеИ, не вызывает разложения исходных соединений. Автор считает, что селенопиран может элиминировать селен только в процессах ксенобиотического обмена печени, но не в результате гидролиза данного соединения, что представляется более вероятным. В результате электрофоретического исследования белков микросомальной фракции 5 установлено, что препарат специфически индуцирует изоформу цитохрома Р-450, находящуюся в области белков с молекулярной массой 49 кД. Именно данная форма цитохрома, как полагают авторы, ответственна за метаболизацию 9-фенил-сим-нона-гидро-10-селеноантрацена. В работе 6 установлено что 2,4,6-трифенил-4Н-селенопиран вследствие индукции цитохрома Р-450 увеличивает токсичность и иммунотоксичность тетрахлорметана и снижает данные свойства карбофоса.

Данные разночтения в химической активности пиранов и селенопиранов побудили нас исследовать способность селенопирана 1 (9-фенил-сим-нонагидро-10-селеноантрацена) к взаимодействовию с водой и изучить продукты его гидролиза, что позволило бы объяснить его метаболизм в живых организмах.

Материалы и методы исследования

В работе использовали селенопиран 1 (табл. 1), любезно предоставленный д.б.н., профессором Г. И. Боряевым.

Кетол 2 был получен нами по методике и очищен перекристаллизацией из диоксана.

Тиличенко 7

2

=\ .0

о

с

он-

н

-н2о

[ I

он

о

Дикетон 3 был выделен из продуктов термического расщепления кетола 2 8.

Пиран 4 был получен кипячением кетола 2 в смеси уксусного ангидрида и уксусной кислоты по методике, использованной в работе 1.

Ход реакций и индивидуальность полученных соединений контролировали методом ТСХ на пластинах Сорбфил УФ в системе гек-сан-диэтиловый эфир (200:1), и-гексан-этила-цетат (5:2), гексан-хлороформ-изопропиловый спирт (5:6:4) .

Для обнаружения пятен веществ использовался облучатель УФС-254/365 при длине волны 254 нм.

ВЭЖХ-анализ осуществлялся на приборе «Милихром А-02» (ЗАО ЭкоНова) с использованием колонки Ргоп1о5И-120-5-С18 АО, размер: 2.0x75 мм, зерно 5.0 мкм. Подвижная

+

2

фаза вода/ацетонитрил, температура 40 oC, давление 1.5 МПа. Применялось как изокра-тическое (100% ацетонитрил) элюирование для малополярных исходных веществ, так и градиентное (5—100 % ацетонитрил) для полярных продуктов реакции.

Продукты распада селенопирана 1 на пластинах Сорбфил были также изучены методом газожидкостной хроматографии: (хроматограф HP 5890, кварцевые капиллярные колонки, неподвижная фаза — SPB-1 (полидиметил-силоксан), с режимом программирования температуры).

Для количественного определения выделяющегося элементарного селена и исследования влияния рН среды на ход реакции селено-пиран 1 растворялся в ацетоне (1 г в 100 мл), затем 1 мл раствора вносился в центрифужные пробирки, содержащие 20 мл дистиллированной воды (контроль), либо такое же количество 0.1N раствора HCl, или буферных ра-

створов с рН = 4.01, 6.86 и 9.18. Через трое суток пробирки центрифугировались в течение 15 мин со скоростью 3000 об./мин. Надосадоч-ная жидкость удалялась. Затем осадок дважды заливался ацетоном (для удаления органической части) и снова центрифугировался.

Для подтверждения выделения элементарного селена проводилась качественная реакция на селен по Файглею и Весту 9. Она основана на каталитическом действии селена на восстановление метиленового голубого сульфидами щелочных металлов до бесцветного лейкосоединения. Для количественного определения выделившегося селена был применен спектрофотометрический метод (спектрофотометр СФ-200) с о-фенилендиамином. Элементный селен окисляли 1—2 каплями концентрированной НК03 до селенистой кислоты, образующей с о-фенилендиамином бензоселендиазол, и фотометрировали при длине волны 335 нм 10.

Таблица 1

Температура плавления использованных в работе веществ

Формула вещества Название Температура

плавления

9-фенил-сим-нона-гидро-10- 95-96 [1]

селенаантрацен(селенопиран)

одо

1

4-фенил-2,3-тетраметилен-[3,3,1]- 208-210 [1]

9 бициклонанон-9-ол-2, (кетол)

OH

2

2,2'(фенилметилен)дициклогексанол, 120-122*

I (1,5-дикетон)

^^ OO

3

9-фенил-сим-нонагидро-10-оксаантрацен 98-99 [1]

Л, (пиран)

еда

4

* данные, получены в ходе исследований

чо

4

+н2о/н

он

оо

3

-н

он

о

Схема 2. Кислотно-катализируемый гидролиз пирана 4

Результаты и обсуждение

Реакции кислотно-катализируемого гидролиза 9И-сим-нонагидрооксантраценов были подробно изучены в работе 1 Нагревание суспензии пирана 4 в 5% соляной кислоте приводило к быстрому превращению вещества в ди-кетон 3, циклический полукеталь 5 и кетол 2 (схема 2). Расщеплению циклического полуке-таля 5 в соответствующий дикетон препятствует фенильный заместитель в положении 9. Однако выделение циклического полукеталя 5 в виде индивидуального вещества невозможно вследствие лабильности последнего.

Воспроизведение данного опыта представлялось нам необходимым, так как поведение пирана 4 в реакции кислотно-катализируемого гидролиза и строение продуктов реакции позволили бы прогнозировать поведение в ана-

логичных условиях селенопирана 1. Для этого 10 мг пирана 4 растворяли в 3 мл ацетона, и полученный раствор добавляли к 2 М раствору соляной кислоты. Полученную суспензию нагревали в течение 2—3 ч и оставляли раствор на ночь. Затем продукты реакции экстрагировали хлороформом, отделяли его от водной фазы и упаривали досуха. Полученный осадок растворяли в ацетонитриле, центрифугировали и хроматографировали (рис. 1). Аналогичные операции проводили и с селенопираном 1.

ВЭЖХ-анализ продуктов гидролиза пира-на 4 показал наличие в них кетола 2 в количестве 328 мкг (3.28% от исходного пирана) и ди-кетона 3 в количестве 516 мкг (5.16%). Среди остальных 18 пиков наибольшую площадь имеет пик №13 с объемом удерживания 1598 мкл, который, по-видимому, соответствует циклическому полукеталю 5.

+

н

2

5

Рис. 1. Хроматограмма продуктов гидролиза пирана 4

ВЭЖХ-анализ продуктов гидролиза селе-нопирана 1, как и в случае пирана 4, показал наличие дикетона 3 в количестве 212 мкг (2.12% от исходного селенопирана 1) и значительно меньших количеств кетола 2 — 10.2 мкг (0.1%). Из всех 18 пиков наибольшую площадь имеет пик №13 с объемом удерживания 1600, по-видимому, соответствующий циклическому полукеталю 6 (рис. 2).

По всей видимости, полукеталь 6 более стабилен по сравнению с полукеталем 5, и процесс гидролиза селенопирана в значительной степени тормозится на данной стадии.

Пики пирана и селенопирана на хромато-граммах, снятых в режиме градиентного элюи-рования, отсутствуют — как из-за малой полярности соединений, так и вследствие большего объема удерживания. Однако в режиме изократического элюирования (100% ацето-нитрил) объем удерживания составляет 6.47 для пирана и 6.55 для селенопирана соответственно.

Таким образом, исследование состава органических продуктов гидролиза селенопи-рана 1 позволяет предположить схему его кислотно-катализируемого гидролиза (схема 3).

Исходя из этой схемы, кроме органических продуктов распада, определяемых методом ВЭЖХ, в результате окисления селеново-

дорода должно происходить еще и выделение элементарного селена

Для качественного определения селена пластины Сорбфил с нанесенным селенопира-ном 1 в количестве 5—10 мг элюировались в смеси гексан-диэтиловый эфир (200:1). Затем пластина разрезалась, и опытная часть элюи-ровалась 0.1N водным раствором HCl так, чтобы фронт поднимался выше видимых пятен. После этого пластины были оставлены на воздухе на двое суток.

Надо отметить, что окрашенные пятна се-ленопирана проявились уже на первые сутки, причем более интенсивно — в опыте с HCI. Участки с пятнами вырезались из пластинки и помещались в пробирки с 0.2М сульфидом натрия. Качественная реакция на элементарный селен по Файглею и Весту показала его наличие в обоих случаях (рис. 3).

Из результатов опыта следует, что распад селенопирана проходил как в обработанной 0.1N HCl пластине (более интенсивная красная окраска, подтверждающая версию кислотно-катализируемого гидролиза) так и в не обработанной, хотя и в данном случае, в меньшей степени.

ГЖХ-анализ продуктов распада селенопирана 1, экстрагированных с пластин Сорбфил, (хлороформ-изопропиловый спирт 5:1), также

1

+н+

н

+н2о

8е

-Н

о

н н

Г I

Г I

н

н0

6

8е0

I

н

+н2о

\\ /А^

8е0

+ н28е; н28е

00 3

оо

н20 + 8е (элементный)

[ 1

0н

0

3 2

Схема 3. Кислотно-катализируемый гидролиз селенопирана

0

2

+

Рис. 3. Продукты распада селенопирана 1 на пластинах ТСХ. Слева пластина, обработанная 0.1 НС1

Рис. 4. Определение количества селена, образующегося при гидролизе селенопирана 1 при различных значениях рН среды

показал наличие пиков кетола 2 в количестве 5—6 мкг на пластину.

Выделение элементного селена было зафиксировано качественной реакцией по Файг-лею и Весту. Каталитическое восстановление метиленовового голубого проходило в 3—5 раз быстрее в опытных вариантах, чем в холостом опыте, что говорит о наличии элементного селена в осадках.

Для количественного определения элементного селена, выделяющегося в результате гидролиза селенопирана 1, и изучения влияния ионов водорода на этот процесс, ацетоновый раствор вещества 1 добавляли в растворы с различным значением рН среды — от сильнокислой до сильнощелочной.

Выпадение осадка в результате кислотно-катализируемого гидролиза селенопирана 1 наблюдалось во всех вариантах опыта, однако визуально более интенсивная красная окраска осадка отмечалась в опыте с 0.Ш соляной кис-

лотой, менее окрашенным он был в вариантах с рН среды 4.01, и 6.86. Красный цвет осадка практически отсутствовал в варианте с рН среды 9.18.

Для количественного определения образовавшегося селена спектрофотометрическим методом его предварительно переводили в селенистую кислоту обработкой азотной и соляной кислотами по методике 10. В варианте с дистиллированной водой было обнаружено 193 мкг селена (1.9% от массы исходного селенопирана), в варианте с 0.Ш соляной кислотой — 313 мкг (3.1%), в варианте с рН=4.01 — 292 мкг (2.9%), в варианте с рН=6.86 — 210 мкг (2.1%), в варианте с рН=9.18 — 154 мкг (1.5%) (рис. 4).

Как видно, количество выделившегося элементного селена находится в прямой зависимости от рН раствора, то есть кислая среда, в сравнении со щелочной, способствует лучшему прохождению гидролиза селенопирана 1.

Литература

1. Блинохватов А. Ф. 9-И-сим-нонагидро-10-ок-са(халькогена) антрацены и соли 9-И-сим-окта-гидро-10-оксониа (халькогенониа) антрацена: Дис... докт. хим. наук.— Саратов: СГУ, 1993.— 378 с.

2. Галочкин В. А., Галочкина В. П. Органические и минеральные формы селена, их метаболизм, биологическая доступность и роль в организме // Сельскохозяйственная биология. — 2011.— №4.- С. 3-15.

3. Хотимченко С. А., Голубкина Н. А., Соколов Я. А., Цыб А. Ф., Тихонов В. П. Оценка селенового статуса организма при приеме селенопирана

References

1. Blinokhvatov A. F. 9-R-sim-nonagidro-10-oksa-(khalkogena) antratseny i soli 9-R-sim-oktagidro-10-oksonia (khalkogenonia) antratsena: Diss. dokt. khim. nauk [9-R-sim-nonahydro-10-oxa(halcogen)antracenes and salts of 9-R-sim-octahydro-10-oxonia(halcogenonia)antracene. Dr. chem. sci. diss.]. Saratov, 1993, 378 p.

2. Galochkin V. A., Galochkina V. P. Organiches-kie i mineralnye formy selena, ikh metabolizm, biologicheskaya dostupnost i rol v organizme [Organic and inorganic forms of selenium, their metabolism, bioavailability and role in organism]. Selskokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural biology], 2011, no. 4, pp. 3-15.

// Микроэлементы в медицине.— 2005.— №2. С. 33-36.

4. Дрыгина О. В., Грановский А. Д. 4Н-пираны // Химия гетероциклических соединений.-1983.- №8.- С. 1011-1027.

5. Боряев Г. И. Использование кленбутерола в комплексе с органическими соединениями цинка и селена с целью повышения продуктивности и резистентности цыплят-бройлеров: Дис... канд. биол. наук.- Боровск, 1992.- 128 с.

6. Забродский П. Ф., Древко Б. И., Мандыч В. Г., Германчук В. Г., Балашов С. В., Кузьмин А.

B. Изменение токсичности и иммунотоксичнос-ти тетрахлорметана и карбофоса под влиянием 2,4,6-трифенил-4Н-селенопирана и их связь с Р-450 зависимой монооксигеназной системой // Экспериментальная и клиническая фармакология.- 2008.- Т.71.- №6.- С. 42-44.

7. Тиличенко М. Н. Синтез соединений с карбонильным мостиком в восьмичленном цикле на основе щелочной конденсации циклогексанона с альдегидами // Уч. зап. Саратовского государственного университета.- 1959.- Т. 71.-

C. 153-158.

8. Высоцкий В. И., Вершинина Н. В., Тиличенко М. Н. Реакции 1,5-дикетонов // Химия гетероциклических соединений.- 1975.- №7.-С. 898-902.

9. Назаренко И. И., Ермаков А. Н. Аналитическая химия селена и теллура.- М.: «Наука», 1971.- 248 с.

10. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод.- М.: Химия, 1984.- 448 с.

— 3. Khotimchenko S. A., Golubkina N. A., Sokolov Ya. A., Cyb A. F., Tikhonov V.P. Otsenka selenovogo statusa organizma pri prieme selenopirana [Evaluation of the human selenium status under selenopiran loading]. Mikroele-menty v meditsine [Trace elements in medicine], 2005, no. 2, p. 33-36.

4. Drygina O. V., Granovskii A. D. 4Í-pirany [4H-pyran]. Khimiya geterotsiklocheskikh soedinenii [Chemistry of heterocyclic compounds], 1983, no.8, pp. 1011-1027.

5. Boryaev G. I. Ispolzovanie klenbuterola v komplekse s organicheskimi soedineniyami tsinka i selena s tselyu povysheniya produktiv-nosti i rezistentnosti tsypljat-broilerov [Utilization of clenbuterol in combination with zinc and selenium organic compounds for increasing the productivity and resistance of broiler chickens. PhD chem. sci. diss.]. Borovsk, 1992, 128 p.

6. Zabrodskii P. F., Drevko B. I., Mandych V. G., Germanchuk V. G., Balashov S. V., Kuzmin A. V. Izmenenie toksichnosti i immunotoksichnosti tetrakhlormetana i karbofosa pod vliyaniem 2,4,6-trifenil-4H-selenopirana i ikh svyaz s R-450 zavisimoi monooksigenaznoi sistemoi [ Changes in toxicity and immunotoxicity of carbon tetrachloride and malathion under the influence of 2,4,6-triphenyl-4H-selenopiran and their relationship with P-450-dependent monooxygenase system]. Eksperimentalnaya i klinicheskaya farmakologiya [Experimental and clinical pharmacology], 2008, v.71, no.6, pp. 42-44.

7. Tilichenko M. N. Sintez soedinenii s karbonil'nym mostikom v vos'michlennom tsikle na osnove schelochnoi kondensatsii tsiklogeksa-nona s al'degidami [Synthesis of compounds with carbonyl bridge in eight-member rings by alkaline condensation of cyclohexanone with aldehydes]. Uch. zap. SGU, Saratov, 1959, v. 71, pp. 153-158.

8. Vysotskii V. I., Vershinina N. V., Tilichenko M. N. Reaktsii 1,5-diketonov. [Reactions of 1,5-diketones]. Khimiya geterotsiklocheskikh soedinenii [Chemistry of heterocyclic compounds], 1975, no. 7, pp. 898-902.

9. Nazarenko I. I., Ermakov A. N. Analiticheskaja himija promyshlennyh stochnyh vod [Analytical chemistry of selenium and tellurium]. Moscow, Nauka Publ., 1971, 248 p.

10. Lurye Yu. Yu. Analiticheskaya khimiya promyshlennykh stochnykh vod. [Analytical chemistry of industrial wastewater]. Moscow, Khimiya Publ., 1984, 448 p.