CC BY
17Т 49 (4)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2006
УДК 547. 583. 5
Н. Я, Мокши на , О. Л, Пахом ова , С. И. Нифталиев
ЭКСТРАКЦИЯ АСПАРАГИНА ГИДРОФИЛЬНЫМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ ИЗ ВОДНЫХ
РАСТВОРОВ
(^Воронежский государственный университет,
$ $
Воронежская государственная технологическая академия)
Изучена экстракция аспарагина гидрофильными растворителями в присутствии вы-саливателя, установлены некоторые закономерности процесса. Для практически полного извлечения аспарагина из водно-солевых растворов разработаны эффективные системы -двух- и трехкомпонентные смеси гидрофильных растворителей. Состав смесей оптимизирован методом симплекс-решет чатого планирования эксперимента.
Жидкостная экстракция является одним из наиболее эффективных методов выделения биологически активных веществ из водных сред [1], Сведения о закономерностях экстракции аминокислот необходимы при разработке технологии производства поливитаминов, различных белковых смесей.
Объектом данного исследования является аспарагин, широко применяемый в фармакологии в качестве компонента парентеральных смесей. Основное физиологическое действие аспарагина заключается в поддержании баланса процессов, происходящих в центральной нервной системе [2],
Для выделения и очистки аминокислот широко применяются ионообменные и мембранные методы [3,4], соответствующие определения выполняются в течение весьма длительного времени. Известно разделение биологически активных веществ методом высоковольтного электрофореза [5], предусматривающим применение токсичного реагента (нингндрин). Определения аминокислот хро~ матографическими методами [6] характеризуются низкими пределами обнаружения и малой погрешностью, однако связаны с использованием дорогостоящего оборудования и привлечением специально обученного персонала,
В этой связи актуальность приобретает разработка экологически безопасного и экспрессного
способа определения аспарагина в водных средах. Решение задачи возможно с применением экстракции гидрофильными растворителями. В качестве экстрагентов нами изучены бутиловый спирт и ацетон, а также двухкомпонентная (бутиловый спирт ацетон) и трехкомлонентная (бутиловый спирт -ацетон - этияацетат) смеси растворителей. Состав равновесных органических фаз устанавливали методом потенциометрического титрования.
Для выделения гидрофильных растворителей в самостоятельную фазу применяли высалива-тель - сульфат лития, растворимый в воде (34,7 % при 20 С) и практически нерастворимый в применяемых экстрагентах. Присутствие электролита в системе - обязательное условие экстракции из водных сред частично или неограниченно смешивающимися с водой растворителями. Ранее нами показано, что сульфат лития является наиболее эффективным высаливателем при экстракции органических веществ разных классов (фенолы, бензойные кислоты, аминокислоты) [7]. К водному раствору аспарагина добавляли кристаллический сульфат лития до получения раствора с содержанием соли 20 мас.%. Установлено, что при таком содержании вы-саливателя достигаются максимальные коэффициенты распределения аспарагина в системе гидрофильный растворитель - вода (табл. 1).
Таблица I
Коэффициенты распределения аспарагина в системе ацетон - водно-солевой раствор при различных концентрациях сульфата лития Table L Asparagïne distribution coefficients in the system acetone-aqueous salt solution at various lithium sulfate
concentrations.
При содержании высаливателя в растворе более 30 мае. % выделяются кристаллы сульфата лития, экстракция невозможна,
Для получения сопоставимых коэффициентов распределения экстракцию аспарагина проводили в идентичных условиях; температура 20±l°C, pH водного раствора - 5, соотношение объемов водной и органической фаз г = 10: L
Потенциометрическов титрование. К 30 см водно-солевого раствора аспарагина (с = 0,01 -0,05 мг/см3) добавляли 3 см3 органического растворителя и экстрагировали 5 мин на вибросмесителе. Предварительно установили, что в течение этого времени достигается межфазное равновесие. После расслаивания фаз (1-2 мин) экстракт отделяли, не захватывая водного слоя, количественно переносили в ячейку для потенциометрического титрования и титровали по кислотно-основному механизму с применением цепи с переносом заряда:
СЭ/W АК/AgCl/KCl, где СЭ - (лшепянный электрод; АК аминокислота (аспарагин), AgCl / KCl - хлорвде^ребршшй электрод, заполненный насыщенньгм раствором KCl в этиловом спирте.
С целью выбора титранта* обеспечивающего максимальный скачок на кривой потенциометрического титрования и точность индикации точки сте-хиометричности, аспарагин титровали в среде этилового спирта со стеклянным индикаторным электродом и хлоридсеребряньш электродом сравнения. Оптимальный скачок на кривой титрования и минимальная погрешность определения получены при титровании 0,01 моль/дм3 раствором КОН в безводном этиловом спирте. Электродвижущую силу измеряли на высокоомном потенциометре.
Коэффициенты распределения аспарагина (D) рассчитывали как отношение равновесных его концентраций в водной и органической фазах. Степень извлечения аспарагина (R>%) вычисляли по уравнению:
R = D • i00/D + rv Установлено, что аспарагин сольватируется органическими растворителями как цвиттер-ион за счет образования межмолекулярных водородных связей, причем сольватация амино- и карбоксигрупп может происходить с протонным переносом и без него,
В результате образования гидрато-сольватов в системах с ацетоном повышается его эффективность как экстрагента. Коэффициент распределения аспарагина в системе ацетон -водно-солевой раствор равен 87, R - 89,6 %. Для практически полного (97-98%-ного) извлечения аспарагина ацетоном необходимым условием является соотношение г, равное 5:1, Вместе с тем, такое условие снижает степень концентрирования и повышает уровень минимально определяемых концентраций аспарагина.
При изучении экстракции аспарагина бутиловым спиртом учитывали, что самоассоциация растворителя снижает вероятность образования водородных связей между аминокислотами и экстра-гейтом [8], Спирты относятся к ассоциированным растворителям и можно предположить, что их экстракционная способность по отношению к аспара-гину мала. Однако в системах спирт - вода происходит ослабление водородных связей между молекулами спирта, кроме того, в растворе спирты не образуют оксокиевые соединения, что облегчает сольватацию аминокислот молекулами спирта. Коэффициент распределения и степень извлечения аспарагина бутиловым спиртом соответственно равны 145 и 93,6 % (табл.2).
Таблица 2
Экстракционные характеристики аспарагина в системах с гидрофильными растворителями Table 2. Asparaglne extraction characteristics in the system with hydrophilic solvents.
Состав смеси экстрагентов, мол. доли Коэффициент распределения Степень извлечения,%
бутиловый спирт ацетон этготацегат
1,0 — 87 89,6
1,0 - — 146 93,6
0,8 0,2 — 254 96,2
0,7 0,3 275 96,5
0,6 0,4 280 96,6
0,5 0,5 278 96,5
0,4 0,6 — 260 96,3
0,3 0,7 — 243 96,0
0,2 0,8 193 95,1
0,6 0,2 0,2 630 98,4
Концентрация высаливателя, мас.% Коэффициент распределения Концентрация высаливателя, мас.% Коэффициент распределения
5 2,3 20 87,0
10 21,1 22,5 61,1
15 30,4 25 51,2
17,5 65,2 30 46,3
Механизм сольватации аспарагина бутиловым спиртом и ацетоном различен, включает взаимодействия либо за счет свободной электронной пары СООН- группы аспарагина, либо атома ОН-группы спирта. Таким образом, бутиловый спирт -более эффективный экстрагент, чем ацетон, однако и он не обеспечивает практически полного извлечения аспарагина из водных растворов (табл. 2),
Изучена экстракция аспарагина из водно-солевых растворов смесью бутиловый спирт — ацетон. Оптимальные соотношения компонентов смеси установлены на основе экспериментальных данных (табл.2). Эффективность экстракции бинарной смесью возрастает по сравнению с экстракцией индивидуальными растворителями, изотерма экстракции приведена на рис.Ь Коэффициенты распределения аспарагина практически аддитивны, К = 93 - 96%,
0,2
0,4
0,6
0,8
мол, доля ацетона
Рис.1. Экстракция аспарагина смесями бутиловый спирт™ ацетон (1) и бутиловый спирт - ацетон - этилацетат (2) при различном содержании эфира (мол. доли): 0,1 (а), 0,2 {б), 0,3 {в)
Fig. i .Asparagine extraction with mixtures of butyl alcohol-acetone-(1) and butyl alcohol-aeetone-ethylacetate (2) at various contents of ether, (mole fractions). 0,1 (a), 0,2 (6), 0,3 (в)
Для повышения эффективности экстракции аспарагина применяли трехкомпонентную смесь гидрофильных растворителей (бутиловый спирт -ацетон - этилацетат). Соответствующие экстракционные характеристики выше, чем при экстракции индивидуальными растворителями и их бинарной смесью. Это объясняется тем, что апротоиный этилацетат способствует разрыву межмолекулярных связей в бутиловом спирте. В результате усиливается сольватация аспарагина спиртом, коэффициенты распределения повышаются.
Изученная нами трехкомпонентная смесь экетра-гентов имеет следующие преимущества но сравнению с индивидуальными растворителями: повышенная растворяющая способность по отношению к аспарашну, высо-
кая точность определения, погрешность не более 10 %.
Вместе с тем имеется сложность применения таких систем, заключающаяся в выборе оптимального соотношения компонентов смеси растворителей [11]. Задача, как правило, решается эмпирически на основании обширного эксперимента. Применение математических методов планирования эксперимента значительно сокращает временные и материальные затраты на решение задачи.
Для выбора оптимального состава смеси экстрагентов нами применено симплекс-решетчатое планирование эксперимента [9]. Основная предпосылка состоит в нормированное™ суммы независимых переменных. За единицу условно принята сумма мольных долей компонентов: бутилового спирта (Х|), этилацетата (Х2) и ацетона (Хз), Y] _ Y(0 -экспериментально установленные коэффициенты распределения. Программа исследования заложена в матрицу планирования эксперимента (табл. 3).
Таблица 3
Симплекс - решетчатый план третьего порядка для
трех компонентной смеси растворителей Table 3. Simplex-lattice (like) plan of the third order for
three-corn] ponent solvent mixture.
Номер X, X, Хч Y
эксперимента
1 I 0 0 Y,
2 0 1 0 Y,
3 0 0 1 Y3
4 2/3 1/3 0 Y4
5 1/3 2/3 0 Y,
6 0 2/3 1/3 Y<,
7 0 1/3 2/3 Y7
8 2/3 0 73 Yr
9 1/3 0 2/3 У 9
10 1/3 1/3 1/3 Yiö
В результате статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, описывающее экстракцию аспарагина трех-компоненгной смесью растворителей:
V = 334Х, + 132Х2 + 765Х3 + 1584Х|Х2 + +7813Х,Х3+ 597X3X1 + 365Х,Х2(Х| - Х2) + н-498Х]Х3(Х| - Хд) + +421Х2Х3(Х2 - Х3) +7514X1X3X3 Проверка уравнения по критерию Фишера [10] показала, что неполная квадратичная модель адекватно описывает экспериментальные результаты и, следовательно, применима для оптимизации состава трехкомпонентного экстрагента.
По полученному уравнению регрессии построена номограмма - контурная кривая коэффициентов распределения аспарагина (рис.2)
Эти л ацетат
Ацетон
Коэффициент D • 630
_200
300
- - - 400 -500
- - 600
Бутиловый спирт
Рис. 2 Номограмма коэффициентов распределения аспарагина в системе трех компонентная смесь зкетрагентов- водно-
солевой раствор Fig.2. Nanograms of asparagíne distribution coefficients in the system: three-component mixture of extradants- aqueous salt solution.
На основании номограммы оптимизирован состав смеси экстрагентов, Возможно решение обратной задачи - прогнозирование коэффициентов распределения аспарагина в зависимости от содержания отдельных растворителей в трех компонентной смеси [12].
ЛИТЕРАТУРА
L Кореиман Я. И,, Нифталиев С. И, Экстракция хлорфено-jïob гидрофильными растворителями /У Жури, прикл. химии. Т. 66. № 6. С. 1394-1397, 2. Виноградова K.ÀM Котовз И.Б,, Додзии МЖ* // Антибио-тики и химиотерапия. 1999. № 8, С. 23-29.
3. Ионообменные методы очистки веществ / Под рея, Г.А, Чикина и Ö.H. Мягкого. Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. унта. 1984. 372 с.
4. Самсонов Г.В,, Мелейевский А.Т. Сорбционные и хроматографии ее кие методы физико-химической биотехнологии. Л.: Наука. 1986. 230 с.
5. Мари Р.* Греннер Дм Мейес П.5 Родуэл В. Биохимия человека: В 2-х томах. 'ГЛ. М: Мир. 1993, 134 с,
6. Сунозова Е.В., Трубников В.М, Саквдынеасий К.И. Газовая хроматография аминокислот. ML: Наука. 1976. 82 с.
7. Ермолаева Т»НМ Кореиман ЯЖ //В сб.: "Экстракция органических соединений". Воронеж: Изд-во Воронеж, тс. технол. акад. 1992. Выл Л. С 106-113.
8. Мокшииа и др* // Жури, аналит. химии.!994, 7\ 49, № П. С 1193-1196.
9. Ахпазарова СЛ., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.
10. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химико-технологических процессов, М.: Химия. 1972. 200 с.
11. Нифтшшев СИ. Экстракция ароматических кислот гидрофильными растворителями - моделирование, закономерности межфазного распределения, прогнозирование и применение в анализе: Азтореф, дис. ,.,докт. хим. наук, Краснодар: Изд-во кубан, гос. ун-та. 2004. 48 с.
12. Кореиман Константинова H.A., Нифгалиев СИ, // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. Вып. 2. С 8—11,
Кафедра аналитической химии
УДК 539Л 94 + 541,6 + 547.567
А.Н. Панкратов
КВАНТОВОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СРОДСТВА К ЭЛЕКТРОНУ В РЯДУ ХИНОНОВ
(Саратовский государственный университет им. КП Чернышевского)
e-mail: [email protected]
Показано, что значения сродства хинонов к электрону, измеренные полярографическим методом, линейно коррелируют с рассчитанными с помощью полуэмпирических методов квантовой химии.
Хиноны являются компонентами редокс-систем, в том числе в живых организмах, типичными акцепторами в комплексах с переносом заряда, находят широкое и разнообразное практическое применение ([1-14] и др.).
Сродство к электрону [15] - важная физико-химическая величина. Она служит мерой электро-ноакдепторных свойств молекул при восстановлении хинонов, при образовании донорно-акцеп-
торных комплексов, при атаке нуклеофилами.
В работе [16] сообщается об оценке электронного сродства в различных молекулах методом МНОО.
Нами произведена кватовохишетеская оценка сродства к электрону 56 хинонов (табл. 1), дня которых названная величина измерена экспериментально [15] путем анализа электронных спектров поглощения комплексов, с помощью полярографии и магнетронного метода, а также посредством сопоставления различных данных.
