CC BY
21УДК 547.854.4:577.114.4
Н.С. Борисова*, Г.Г. Кутлугильдина*, Ю.С. Зимин*, А.Р. Гимадиева**, А.Г. Мустафин*'*
ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ АРАБИНОГАЛАКТАНА И ЕГО КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ С УРАЦИЛАМИ
(*Башкирский государственный университет, **Институт органической химии УНЦ РАН) e-mail: NSGuskova@rambler.ru
На основании изучения кинетики окислительной деструкции арабиногалактана подобраны условия для получения окисленной фракции полисахарида со средней молекулярной массой -25 кДа. Изучено комплексообразование полученной фракции арабиногалактана сурацилом и его производными в водной среде: установлен состав комплексных соединений, определены их константы устойчивости. На примере комплекса окисленной фракции арабиногалактана с 6-метилурацилом изучена температурная зависимость констант устойчивости и определены термодинамические параметры комплек-сообразования.
Ключевые слова: арабиногалактан, окислительная деструкция, окисленная фракция арабиногалактана, комплексообразование, урацил и его производные, константы устойчивости, термодинамические параметры
ВВЕДЕНИЕ
Многолетние исследования растительного полисахарида арабиногалактана (АГ) показывают, что он обладает не только ценными физико-химическими свойствами (высокая мембрано-тропность, растворимость в воде, низкая вязкость, отсутствие токсичности), но и высокой фармакологической активностью (иммуномодулирующей, гепатопротекторной, гастропротекторной, пребио-тической и др.), что позволило использовать данный биополимер в качестве самостоятельного лечебно-профилактического средства [1, 2]. Дополнительный интерес к арабиногалактану обусловлен возможностью использования исходного полисахарида или его окисленных фракций в качестве полимерных подложек при создании новых лекарственных форм с контролируемым высвобождением фармакологически активных веществ.
Известно [2], что главная цепь макромолекулы АГ состоит из звеньев галактозы, соединенных 1 —>3) гликозидными связями, а боковые цепи — из галактозы и арабинозы, связанных (3-(1—>6) связями. Каждое галактозное звено основной цепи содержит две, а концевые звенья и звенья боковых цепей - три незамещенные гидро-ксильные группы, которые потенциально способны участвовать в химических реакциях. Однако введение в молекулу полисахарида активных функциональных (например, карбоксильных) групп путем окислительной модификации позволит повысить его реакционную и комплексообра-зующую способность. В связи с вышеизложенным
целью настоящей работы явилось изучение ком-плексообразования урацилов с природным араби-ногалактаном и его окисленной фракцией, полученной путем озонированного окисления исходного полисахарида.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объектов исследования выбраны арабиногалактан древесины лиственницы Сибирской с молекулярной массой 38.5 килоДальтон (кДа) ([т|] = 0.040 дл/г, 25 ± 1°С) и урацил с рядом его производных (5-фторурацил, 6-метилурацил, 5-амино-6-метилурацил, 5-бром-6-метилурацил, 5-гидрокси-6-метилурацил, 5-нитро-6-
метилурацил). Растворителем служила свежепере-гнанная бидистиллированная вода.
Модифицирование арабиногалактана проводили путем барботажа озон-кислородной смеси со скоростью Уо3+о2 = 6 л/час через водные растворы полисахарида. Концентрация озона в газовой смеси составляла 1-2 об. %. Реакцию проводили в стеклянном термостатируемом реакторе барботажного типа при температуре 90°С. По окончании реакции окисленные фракции арабиногалактана выделяли осаждением ацетоном при соотношении объемов реакционной смеси и ацетона 1:2. Концентрацию карбоксильных групп определяли потенциометрическим титрованием. Характеристическую вязкость водных растворов АГ и его окисленных фракций измеряли на вискозиметре Уббелоде с висячим уровнем.
Комплексообразование исходного арабиногалактана и его окисленной фракции с ураци-
лом и его производными изучали спектрофото-метрическим методом при /.. отвечающих поглощению урацилов (200-220 и 255-275 нм). Концентрацию полисахарида рассчитывали в единицах «моль/л» (на элементарное моносахаридное звено). Комплексные соединения получали при комнатной температуре в равновесных условиях при низких концентрациях исходных реагентов (10~5н-10 1 моль/л) в водных растворах. УФ-спектры снимали на спектрофотометре иУ-2401 РС фирмы «8Ытас1:ш» в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Окислительная деструкция арабинога-лактана. Ранее [3] было установлено, что растворенный в воде природный арабиногалактан не подвергается окислительным превращениям при нагревании до 90°С. Однако добавление озон-кислородной смеси к водному раствору АГ приводит к окислению полисахарида, о чем свидетельствует существенное увеличение концентрации карбоксильных (-СООН) групп в растворе
t, мин
Рис. 1. Кинетика накопления карбоксильных групп (1) и изменения характеристической вязкости (2) водного раствора арабиногалактана; 90°С, [АГ]0 = 10 % масс., V(03+02) = 6 л/ч Fig. 1. Kinetics of accumulation of carboxyl groups (1) and changing the characteristic viscosity (2) of aqueous arabino-galactan solution; 90°C, [AG]0 = 10 % mass., V(03+02) = 6 1/h
Установлено, что окисление арабиногалактана сопровождается деструкцией его макромолекул. Подтверждением этого является уменьшение (рис. 1) характеристической вязкости ([т|]), а следовательно, и молекулярной массы (М) биополимера, по мере увеличения продолжительности окисления АГ озон-кислородной смесью.
Для оценки молекулярных масс окисленных фракций арабиногалактана использовали данные [4], в которой методом дробного осаждения было выделено несколько фракций АГ. Ав-
тор[4] для определения молекулярных масс фракционированных образцов использовал сочетание методов скоростной седиментации и вискозиметрии. Обработка полученных в [4] результатов позволила установить, что между и ^М всех выделенных фракций АГ наблюдается удовлетворительная корреляция: ^[т|]=(-8.4+1.7)+(1.5+0.3)-^М (коэффициент корреляции г = 0.985), которая в дальнейшем была использована нами для получения оценочных значений молекулярных масс высаживаемых ацетоном (см. экспериментальную часть) окисленных фракций полисахарида.
На основании изучения кинетики окислительных превращений арабиногалактана (рис. 1) подобраны условия для получения окисленной фракции АГ со средней молекулярной массой —25 кДа (90°С, [АГ]о=Ю% масс., Уо3+о2=6 л/час, 1=2 ч), которую использовали далее для изучения ее ком-плексообразования с урацилами.
Взаимодействие природного арабиногалактана и его окисленной фракции с урацилами. Из [4,5] известно, что арабиногалактан и продукты его окислительной модификации способны образовать комплексные соединения с фармакологически значимыми аминосодержащими соединениями: 4-аминосалициловой кислотой, 5-аминосалициловой кислотой и гидразидом изони-котиновой кислоты. В этой связи большой интерес вызывает комплексообразование арабиногалактана и его окисленной фракции с урацилами, обладающими широким спектром фармакологической активности: противовоспалительной, противовирусной, противогрибковой, антигипоксиче-ской, иммуномодулирующей и др. [6].
Нами установлено, что добавление исходного (неокисленного) арабиногалактана к водным
растворам урацила и его производных (ПУ) не
-
спектрах. В то же время введение в водные растворы урацилов окисленной фракции арабиногалактана (АГокисл), содержащей в своем составе карбоксильные группы, приводит к гипсохром-ным сдвигам максимумов поглощения и увеличению интенсивностей полос поглощения ПУ. Эти данные можно рассматривать как результат межмолекулярных взаимодействий в реакционной системе «АГокисл+ПУ», приводящих к образованию комплексных соединений.
Другим доказательством комплексообра-зования окисленной фракции арабиногалактана с урацилами являются изомолярные диаграммы и кривые насыщения (рис. 2), полученные методом изомолярных серий и методом молярных отношений [7].
[6-МУ]/[АГокисл]
0 1 2 3 4 5
[6-МУ]/([АГокисл]+[6-МУ]) Рис. 2. Изомолярная диаграмма (1) ([АГ0КНСЛ] + [6-МУ] = ЫО^1 моль/л) и кривая насыщения (2) ([АГ0КНСЛ] = 2-10-5 моль/л, [6-МУ] = (0.2 -f- 8.0)-Ю-5 моль/л) для комплекса окисленной фракции арабиногалакгана с 6-метилурацилом; 22°С Fig. 2. The isomolecular diagram (1) ([AG0J + [6-MU] = 1-10^ - / A( t.. | 2lii ~ mol I. |(i-\H'|
(0.2 -г- 8.0)-10~5 mol/1) for complex of oxidized arabinogalactan with 6-methyluracil; 22°C
Из рис. 2 видно, что для первого (кр. 1) и второго (кр. 2) метода при увеличении концентрации оптически активного вещества (в данной работе, 6-метилурацила (6-МУ)) при изучении зависимостей ДА=Щ6-МУ]/([АГокисл]+[6-МУ])) и ЛА=Щ6-МУ]/[АГокисл]) (ДА - изменение оптической плотности при добавлении АГокисл к водным растворам 6-МУ) наблюдаются максимумы. Эти факты могут свидетельствовать о взаимодействиях между окисленной фракцией арабиногалакгана и урацилами, т.к. в противном случае указанные зависимости имели бы линейный характер.
Определение состава комплексных соединений. Для определения состава комплексов использовали спектральные методы исследования. Изомолярная диаграмма (рис. 2), полученная для реакционной системы «окисленная фракция ара-биногалактана+6-метилурацил», имеет максимум изменения оптической плотности (ДА) при соотношении изомолярных концентраций растворов равном 0.5, что свидетельствует о составе 1:1 образующегося комплексного соединения. Графическая зависимость ДА от соотношения концентраций 6-МУ и АГ0КИСЛ (рис. 2) также указывает на присутствие в растворе комплекса состава 1:1.
Экспериментальные зависимости, полученные для окисленной фракции арабиногалак-тана с другими изученными нами урацилами, оказались аналогичны представленным на рис. 2, что также свидетельствует об образовании комплексных соединений состава 1:1, т.е. на одну карбоксильную группу окисленного полисахарида приходится одна молекула урацила или его производного.
Установлено, что варьирование температуры в пределах от 296 до 323 К не изменяет состава образующихся комплексов. При комнатной и более высоких температурах в разбавленных водных растворах арабиногалактан образует с урацилами комплексные соединения состава 1:1.
Определение устойчивости комплексных соединений. С помощью метода молярных отношений [7] рассчитаны константы устойчивости (К) комплексов окисленной фракции арабиногалакгана с урацилами (табл. 1).
Таблица 1
Константы устойчивости комплексных соединений, образованных окисленной фракцией арабиногалак-тана и урацилами, 22°С
Table 1. Stability constants for complexes formed with the oxidized fraction of arabinogalactan and uracils, 22°C
Урацил и его производные K10-4, л/моль
урацил 3.4 ±0.4
5-фторурацил 1.2 ± 0.2
6-мети^фацил 4.3 ±0.4
5-амино-6-метилурацил 4.1 ±0.5
5-бром-6-метилурацил 3.3 ±0.3
5-гидрокси-6-метилурацил 4.9 ±0.6
5-нигро-6-мети^фацил 2.2 ±0.3
Из табл. 1 видно, что устойчивость образующихся комплексных соединений зависит от строения урацилов. При этом более высокие значения К наблюдаются для 6-метилурацилов, имеющих электронодонорные заместители в пятом положении урацильного кольца. Установлено, что константы равновесия для комплексов 6-метилурацила и ряда его замещенных с АГ0КИСЛ удовлетворительно описываются уравнением Гаммета (рис. 3). Исключение, как видно из рис. 3, составляет 5-амино-6-метилурацил, для которого, вероятно, реализуется иной способ взаимодействия (за счет ЫЬЬ-группы). Отрицательный наклон прямой свидетельствует о том, что электронодонорные заместители, помещенные в пятое положение 6-метилурацила, повышают устойчивость его комплексов с окисленной фракцией арабиногалакгана.
Следует отметить, что аналогичные корреляционные зависимости ранее [7] обнаружены для комплексных соединений, образованных яблочным пектином (ЯП), его окисленной фракцией (ЯПокисл) и рядом замещенных 6-метилурацила. Приведенные данные свидетельствуют о том, что комплексообразование урацилов с изученными биополимерами (ЯП, ЯПокисл, АГокисл) протекает по одному и тому же механизму, который реализуется, скорее всего, за счет карбоксильных групп полисахаридов. Об этом свидетельствует и тот факт,
что добавление исходного арабиногалактана, не содержащего СООН-групп, к водным растворам урацилов не приводит к изменениям картины УФ-спектров, а следовательно, к образованию комплексных соединений.
т,к К-10^, л/моль
295 4.3 ±0.4
303 3.8 ± 0.2
313 3.2 ± 0.3
323 2.7 ±0.2
ной фракцией арабиногалактана с 6-метилураци-лом, значения которых представлены в табл. 3. Полученные результаты подтверждают, что процесс комплексообразования является самопроизвольным.
Таблица 3
Термодинамические параметры реакции комплексообразования окисленной фракции арабиногалактана с 6-метилурацилом Table 3. Thermodynamic parameters of the complex formation reaction for oxidized fraction of arabinoga-
Термодинамические параметры Значения
АН, кДж/моль (-31 ±4)
AS, Дж/моль-К (-12 ±2)
AG (295 К), кДж/моль (-27 ± 3)
Рис. 3. Корреляционная зависимость констант устойчивости
лактана и рядом замещенных 6-метилурацила, с ст-кон-стантами Гаммета; 22°С Fig. 3. The correlation dependence of stability constants for the complexes formed by oxidized fraction of arabinogalactan and series of 6-methyluracil derivatives with a-constants of Gammet, 22°C
Определение термодинамических параметров комплексообразования. В рамках настоящей работы изучено влияние температуры на устойчивость комплексных соединений. Исследования выполнены в интервале температур 295-ь323 К на примере комплекса, образованного окисленной фракцией арабиногалактана и 6-метилурацилом.
Значения констант устойчивости комплексного соединения АГ0|,[|С|---6-МУ при изученных температурах приведены в табл. 2. Устойчивость данного комплекса с ростом температуры падает.
Таблица 2
Температурная зависимость констант устойчивости комплексов окисленной фракции арабиногалактана с 6-метилурацилом; 295-К323 К Table 2. The temperature dependence of stability constants for complexes of oxidized fraction of arabinoga-lactan with 6-methyluracil; 295-K323 К
Данные табл. 2 использованы для расчета термодинамических параметров реакции окислен-
выводы
В настоящей работе изучена кинетика окислительной (под действием озон-кислородной смеси) деструкции арабиногалактана, позволившая подобрать условия для получения окисленной фракции полисахарида со средней молекулярной массой —25 кДа. Исследовано взаимодействие исходного АГ и его окисленной фракции с урацилом и его производными. Установлено, что комплексные соединения с урацилами образует только окисленная фракция арабиногалактана; определены состав и константы устойчивости образующихся комплексов. На примере комплекса АГОКисл с 6-МУ изучена температурная зависимость констант устойчивости и определены термодинамические параметры комплексообразования.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект 14-03-97026 р поволжье а) и проекта (код проекта: 1007, 2014 г.), выполняемого вузом в рамках государственного задания Ми.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арифходжаев А.О. // Химия природ, соединений. 2000. № 3. С. 185-197;
Arifkhodzhaev A.O. // Khim. Prirod. Soed. 2000. N 3. Р. 185-197 (in Russian).
2. Медведева E.H., Бабкин В.А., Остроухова JI.A. // Хвойные бореал. зоны. 2003. № 1. С. 100-108; Medvedeva E.N., Babkin V.A., Ostroukhova L.A. // Khvoiynye boreal. Zony. 2003. N 1. P. 100-108 (in Russian).
3. Тимербаева Г.Р., Зимин Ю.С., Борисов И.М., Мона-ков Ю.Б. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 2. С. 95-99;
Timerbaeva G.R., Zimin Yu.S., Borisov I.M., Monakov
Yu.B. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 2. P. 95-99 (in Russian).
4. Бадыкова JI.A. Взаимодействие арабиногалактана Сибирской лиственницы с 5-аминосалициловой кислотой, 4-аминосалициловой кислотой и гидразидом изоникати-
новой кислоты. Дисс. ... к.х.н. Уфа: ИОХ УНЦ РАН. 2007. 130 с.;
Badykova L.A. The interaction of Siberian larch arabinogalactan with a 5-aminosalicylic acid, 4-amino-salicylic acid and hydrazide of isonicotinic acid. Dissertation for candidate degree on chemical sciences. Ufa. IOC USC RAS. 2007. 130 p. (in Russian).
5. Мударисова P.X., Бадыкова JI.A., Макара H.C., Бабкин В.А., Монаков Ю.Б. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51. Вып. 12. С. 69-72; Mudarisova R.H., Badykova L.A., Makara N.S., Babkin V.A., Monakov Yu.B. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2008. V. 51. N 12. P. 69-72 (in Russian).
6. Камилов Ф.Х., Лазарева Д.Н., Плечев B.B. Пиримиди-ны и их применение в медицине. Уфа: Изд. БГМИ. 1992. 159 с.;
Kamilov F.Kh., Lazareva D.N., Plechev V.V. Pyrimidines and their use in medicine. Ufa: Izd. BSMI. 1992. 159 p.
7. Бек M., Надьпал И. Исследования комплексообразова-ния новейшими методами. М.: Мир. 1989. 413 е.;
Bek M., Nadypal I. Studies of complex formation with the latest techniques. M.: Mir. 1989. 413 p.
8. Борисова H.C., Королева И.П., Зимин Ю.С., Гима-диева А.Р., Мустафин А.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 3. С. 46-50;
Borisova N.S., Koroleva I.P., Zimin Yu.S., Gimadieva A.R., Mustafin A.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 3. P. 46-50 (in Russian).
Кафедра физической химии и химической экологии
УДК 539.264:677.03
А.Е. Завадский*, С.Ю. Вавилова**, Н.П. Пророкова**
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БИМОДАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛИТОВ
В ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ НИТЯХ
(*Ивановский государственный химико-технологический университет, **Институт химии растворов РАН) e-mail: zavadsky@isuct.ru
Разработана методика рентгенографического анализа содержания кристаллитов с- и а*-осевой ориентации в полипропиленовых комплексных нитях (ПКН). Установлено, что повышение степени фильерного вытягивания нитей с 1400% до 16300% существенно снижает возможность формирования а*-ориентированных ламе-лей, в которых молекулярные цепи направлены поперек оси филаментов.
Ключевые слова: полипропилен, комплексные нити, рентгеноструктурный анализ, текстура, кристаллиты, бимодальная структура
В процессе формования изделий из расплава изотактического полипропилена кристаллизация полимера может протекать с образованием бимодальной структуры [1-4], обусловленной присутствием взаимно связанных ламелярных кристаллитов с- и а*-осевой ориентации (молекулярные цепи в элементарной ячейке направлены, соответственно, вдоль и поперек направления деформирования). Такое строение полимера должно
-
механические свойства материалов на основе полипропилена, в частности, комплексных нитей (ПКН). Необходимо отметить, что количественные данные о влиянии условий формования ПКН на формирование бимодальной кристаллической
структуры полипропилена практически отсутствуют. В связи с этим, цель работы заключалась в разработке методики рентгенографической оценки соотношения с- и а*-ориентированных кристаллитов в полипропиленовых нитях.
Рентгеноструктурный анализ ПКН осуществляли с использованием дифрактометра ДРОН-3.
-
ром. Съемку осуществляли по схеме «на прохождение» в диапазоне углов дифракции 29 = 10 - 30° при одновременном повороте образца и детектора излучения.
Для более детального изучения текстуры объектов применяли специальную ячейку, обеспечивающую формирование плоского образца из
