Экстракция аминокислот динонилнафталинсульфокислотой в присутствии дициклогексил-18-краун-6 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 542.61:547.466

ЭКСТРАКЦИЯ АМИНОКИСЛОТ

ДИНОНИЛНАФТАЛИНСУЛЬФОКИСЛОТОЙ В ПРИСУТСТВИИ ДИЦИКЛОГЕКСИЛ-18-КРАУН-6

С В. Смирнова, И. И. Торочешникова, И. В. Плетнев

(кафедра аналитической химии)

Изучена экстракция аминокислот из водных растворов динонилнафталинсульфокислотой в хлороформ и гептан. Показано уменьшение эффективности извлечения в ряду: Пe>Trp>Phe>Lys>Gly>Glu, что коррелирует с гидрофобностью аминокислот. Введение в систему краун-эфира позволяет повысить степень извлечения изолейцина, триптофана, фенилалани-на, лизина с 75-85% до 90-98%, а глицина - с 15 до 40%. Установлено соотношение компонентов в экстрагирующихся соединениях. Рассчитаны значения констант экстракции; исследовано мешающее влияние катионов металлов и аминов.

Принятые в статье сокращения: Ile - изолейцин, Trp -триптофан, Phe - фенилаланин , Lys - лизин, Gly - глицин, Glu - глутаминовая кислота.

Разработка методов экстракционного выделения аминокислот - актуальная проблема биотехнологии и аналитической химии. Описано применение в качестве экстра-гентов краун-эфиров и других макроциклических соединений, образующих водородные связи с аминогруппой субстрата по типу комплексообразования «гость - хозяин» [1-3]. Однако извлечение протонированных аминокислот в присутствии противоионов в этих системах не очень велико из-за большой полярности и гидрофильнос-ти субстрата. С достаточно высокой эффективностью аминокислоты извлекаются катионообменным экстраген-том динонилнафталинсульфокислотой. Реагент обеспечивает сравнительно высокое извлечение аминокислот из кислых растворов и реэкстракцию [4], но его экстракционная способность недостаточна для количественного извлечения аминокислот однократной экстракцией.

Предметом нашей работы стало изучение экстракции аминокислот с динонилнафталинсульфокислотой (ДННСК) и дициклогексил-18-краун-6 (ДЦГ18К6) при совместном присутствии. В качестве растворителя использовали хлороформ (своего рода «стандарт» при исследовании экстракции комплексов «гость-хозяин») и гептан. Поскольку литературные данные об извлечении имеются только для толуола [4], изучали также экстракцию в хлороформ и гептан с этим реагентом.

Экспериментальная часть

Растворы и реагенты. В работе использовали дино-нилнафталинсульфокислоту ( промышленный образец ) и дициклогексил-18-краун-6 (квалификации «х.ч.», смесь изомеров, производство ВНИПИМ, г. Тула ). Растворы дициклогексил-18-краун-6 (110-2М) готовили растворением точной навески в хлороформе или гептане. Исходный раствор ДННСК в толуоле имел концентрацию 0,13 М. Рабочие растворы ДННСК и ДЦГ18К6 готовили последовательным разбавлением в хлороформе или в гептане. Органические растворители квалификации «х.ч.» и «ч.д.а.» использовали без дополнительной очистки. Для приготовления исходных растворов аминокислот (110-2М) использовали триптофан, изолейцин, фенилаланин, лизин, глицин, глутаминовую кислоту квалификации «ч.д.а.».

Исходные растворы аминов готовили из соответствующих гидрохлоридов квалификации «ч.» Использовали нитраты металлов (натрия, калия, кальция), хлорид кадмия квалификации «ч.д.а.». Рабочие растворы аминокислот, аминов, нитратов металлов готовили растворением точной навески в дистиллированной воде. Рабочий раствор нин-гидрина - растворением точной навески в ацетоне.

Методика экстракционного эксперимента. В делительные воронки вводили необходимые количества аминокислот, устанавливали нужное значение рН (добавлением HNO3 или LiOH), добавляли раствор реагента в органическом растворителе или чистый растворитель и встряхивали на механическом вибраторе в течение необходимого для установления равновесия времени. Объемы водной и органической фаз составляли по 5 мл. После достижения равновесия фазы разделяли. Контроль за содержанием аминокислот осуществляли по водной фазе фотометрическим методом с нингидрином [5].

Измерения рН водных растворов проводили на рН-метре рН-121 со стеклянным электродом ЭСЛ-63-07. Спек-трофотометрические измерения проводили на фотоэлект-рокалориметре КФК-2 и спектрофотометре СФ-46.

Рузультаты и обсуждение

Экстракционные свойства динонилнафталинсульфо-кислоты. Изучали экстракцию Ile, Trp, Phe , Lys, Gly, Glu хлороформными растворами динонилнафталинсульфокис-лоты в интервале рН 1-9 (рис. 1). Время установления экстракционного равновесия не превышало 5 мин.

Извлечение максимально и практически постоянно в интервале рН 1,5-4,0, что соответствует экстракции ионных ассоциатов протонированных форм аминокислот с анионом сульфокислоты:

+

+ H3N-

COOH

CoHi с

CoHi (

CoHi

SO3- .+H3N-

CoHi

•R

COOH

Снижение экстракции с увеличением рН связано с депротонированием аминокислот.

В постоянных концентрационных условиях (СДтН+ =

5 10M, C

ДННСК

= 110 М) экстракция снижается в ряду:

R

11е>Тгр>РЬе>Ьу8>01у>01и, соответствующем ряду гидрофобности аминокислот [6, 7]. Степени извлечения аминокислот при экстракции их 1 • 10 М раствором ДННСК в хлороформ в интервале концентраций 110-4110 М аминокислоты (рН 2-4) приведены ниже.

Аминокислота Ile Trp Phe Lys Gly

R, % 83 82 73 72 13

Для выяснения состава экстрагирующихся соединений изучили зависимость коэффициентов распределения аминокислот от концентрации реагента. Тангенсы углов наклона соответствующих билогарифмических зависимостей lgD - 1вСдННСК для Ile, Trp, Phe, Gly, изолейцина, триптофана, фенилаланина, глицина равны 1, что указывает на экстракцию соединений с соотношением AmH: ДННСК = 1:1 (рис. 2). Для Lys тангенс угла наклона соответствующей билогарифмической зависимости близок к 2, т.е. соотношение Lys :ДННСК составляет 1:2. Действительно, при низких значениях рН обе аминогруппы лизина протони-рованы, и для образования нейтрального экстрагирующегося комплекса необходимы два аниона ДННСК.

Полагая, что вся аминокислота существует в водной фазе в виде AmH , а реагент (ДННСК) - в органической фазе в виде Lo , уравнения экстракции можно представить следующим образом:

для Trp, Ile, Phe, Gly

к 1

ex1

АтН+В + L-o о (AmH+L- )o,

Kexi = [AmH+LT/[AmH+UL]o;

для Lys

к'

Таким образом, использование ДННСК в качестве реагента для экстракции дает возможность относительно эффективно извлекать аминокислоты из кислых водных растворов. Повысить степень извлечения можно путем введения в систему еще одного реагента - дициклогек-сил-18-краун-6.

Экстракция аминокислот динонилнафталинсульфо-кислотой в присутствии дициклогексил-18-краун-6. Предполагалось, что «обволакивание» протонированной аминогруппы аминокислоты краун-эфиром увеличит гид-рофобность ионного ассоциата:

H

C9H19 C9H19

C9H19 C9H19

Связывание аминогруппы полиэфирным кольцом должно способствовать и увеличению устойчивости комплекса. Действительно, извлечение аминокислот в присутствии ДЦГ18К6 заметно улучшается.

Влияние присутствия краун-эфира на эффективность экстракции аминокислот реагентом ДННСК в хлороформ представлено на рис. 3. Для аминокислот изолейцин,

AmH2B + 2L-o О (^/Ц^

Kxi = ^m^T^mH+Urt.

Рассчитанные значения констант экстракции представлены в табл. 1 .

Мешающее влияние катионов щелочных и щелочноземельных металлов на экстракцию аминокислот реагентом ДННСК изучено на примере К, Са; мешающее влияние аминов - на примере бензиламина и октиламина. Показано, что 10-кратные (по отношению к аминокислоте) количества К, Са снижают извлечение Тгр на 1020%, а при 1000-кратном избытке металлов экстрагируется 20-50% аминокислоты, причем мешающее влияние возрастает в ряду: К > № > Са. Более сильное влияние на экстракцию оказывают амины. При стехиометрическом соотношении октиламина и Тгр последний экстрагируется только на 30% и практически не экстрагируется при 100-кратном избытке амина. Несколько слабее мешающее влияние бензиламина — полностью подавляет экстракцию триптофана лишь 1 000-кратный избыток мешающего катиона (табл. 2).

На примере Тгр исследовали экстракцию аминокислот в гептан. Как и в случае хлороформа время установления экстракционного равновесия составляло 5 мин. Степень извлечение Тгр в гептан ниже, чем в хлороформ, примерно на 1 0%. Максимальная экстракция наблюдается при рН 1,5-4,0. Соотношение компонентов в экстрагирующемся комплексе для гептана составляет 1:1. Это, несомненно, связано с меньшей полярностью растворителя.

Рис. 1. Зависимость экстракции аминокислот (5-10 4М) реагентом ДННСК (110-3М, CHCl3) от рН

Рис. 2. Зависимость коэффициентов распределения аминокислот (5-10М) от концентрации реагента ДННСК

Рис. 3. Зависимость экстракции аминокислот (5 ■ЮМ) реагентом ДННСК (110-3М, CHCl3) от концентрации краун-эфира

Т а б л и ц а 1

Константы экстракции аминокислот в хлороформ с ДННСК в отсутствие (Lg Kex1) и в присутствии ДЦГ18К6 (Lg Kex2)

Аминокислота Lg Kex1 LgKex2

Изолейцин 3,9 ± 0,2 8,6 ± 0,2

Триптофан 3,8 ± 0,1 8,2 ± 0,2

Фенилаланин 3,6 ± 0,1 8,0 ± 0,1

Лизин 3,8 ± 0,2* 8,5 ± 0,2

Глицин 2,2 ± 0,1 6,1 ± 0,1

* Lg Kex' для комплексов 1:2.

Т а б л и ц а 2

Мешающее влияние катионов металлов и аминов на экстракцию триптофана (5-10-4М) реагентом ДННСК (110-3М)

Мешающий ион R (%) при соотношении аминокислота : мешающий ион*

1 : 1 1 : 10 1 : 100 1 : 1000

K 79 68 51 20

Na 81 75 66 45

Ca 82 76 68 54

Октиламин 29 12 1

Бензиламин 40 21 8 1

Рис. 4. Зависимость коэффициентов распределения аминокислот (510-4М) реагентом ДННСК (110-3М, CHCl3) от концентрации краун-эфира

триптофан, фенилаланин извлечение составило 95% при стехиометрическом соотношении аминокислоты к краун-эфиру, а увеличение концентрации ДЦГ18К6 в два раза обеспечило практически количественное извлечение. Эффективность извлечения глицина повысилась в 2,5 раза и составила 40%.

Анализ билогарифмических зависимостей коэффициентов распределения аминокислоты от концентрации краун-эфира позволил сделать вывод, что для Ile, Trp, Phe , Gly соотношение AmH+ : ДЦГ18К6 в комплексе составляет 1:1. Для Lys тангенс угла наклона соответствующей билога-рифмической зависимости близок к 2, т.е. на одну молекулу Lys приходится две молекулы краун-эфира; очевидно, обе аминогруппы лизина связываются с атомами кислорода полиэфира (рис. 4).

Аналогично влияет краун-эфир и на извлечение аминокислот с ДННСК в гептан (показано на примере триптофана). В этом случае степень извлечения увеличивается с 76 до 94%, однако остается более низкой, чем в случае хлороформа. Соотношение компонентов в экстрагирующемся комплексе составляет 1:1 (определено методом сдвига равновесия).

Уравнение экстракции аминокислот динонилнафталин-сульфокислотой в присутствии краун-эфира можно представить следующим образом:

В отсутствие мешающего иона R = 82

для Trp, Phe, Ile, Gly

для Lys

K'

AmH+В + L- +ДЦГ18К6 ^ (AmH+L^H 8К6 )

AmH^ + 2L-o+2 ДЦГ18К6о (AmH^L^r^^) o, K'ex2=[AmH2+L2-ДЦГ18К62]о I [Am^^L-]^™^]^.

Рассчитанные значения констант экстракции представлены в табл. 2.

Таким образом, показано, что введение краун-эфира позволяет улучшить экстракцию аминокислот катионооб-менным экстрагентом (в ряде случаев вплоть до количественного извлечения).

Авторы выражают искреннюю благодарность докт. хим. наук. А. А. Формановскому и канд. хим. наук. Д.Н.Муравьеву за предоставленные реактивы и Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mutihas L., Mutihas R., Buschmann H.-J. // J.Inclusion Phenom.

Mol. Recognit. Chem. 1 995. 23. P. 1 67.

2. Popescu D.O., Mutihas L., Konstantinescu T. // Rev. Roum. Chim.

1997. 42. P. 907.

3. Chen H. ,Ogo S., Fish R.H. // J. Chem. Soc. 1996. 118. P. 4993.

4. Kelly N.A., Lukhezo M., Reuben B.J. // J. Chem. Technol.

Biotechnol. 1998. 72. Р. 347.

5. Семенов А.Д., Ивлева И.Н., Дацко В.Г. // Изв. АНСССР ОХН

1961. С. 184.

6. Barett G.C. Chemistry and biochemistry of the aminoacids. N.Y.,

1985.

7. Волькенштейн М.В. Биофизика М., 1981

K 2 = [AmH+L-ДЦГ!8К61 I [AmH+yL-! [ДЦГ18К61;

Поступила в редакцию 14.09.99

а