Синтез, состав и свойства биомосов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.15.02.547.455.623

СИНТЕЗ, СОСТАВ И СВОЙСТВА БИОМОСОВ А.Л. Бисикало

ГОУ ВПО Иркутский государственный университет, Российская Федерация, 664003, г. Иркутск, ул. К.Маркса, 1. [email protected]

Металлокомплексы как природные биологически активные соединения (биомосы) образуются при энергетических воздействиях на водные растворы углеводов в присутствии ионов переходных металлов в буферной среде. Состав и свойства биомосов, как поликоординационных соединений недостаточно изучены. На основе глюкозы с использованием солей различных металлов ^е3+, Со2*, Си2*, Мп2+) синтезированы, изучены состав и свойства, методами количественной спектроскопии ЯМР 13С и адсорбционной полярографии, металлокомплексного соединения - глюкомоса. Ил. 7. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: глюкоза, глюкомос, спектроскопия ЯМР 13С, адсорбционная полярография.

ВВЕДЕНИЕ

Биомосы (биологически активные металло-комплексные соединения) - соединения сложного переменного состава, полимерного характера, содержащие гетероатомные, преимущественно кислородсодержащие группы, способные к образованию комплексных соединений с атомами переходных металлов [1-3]. Из-за многообразия протекающих параллельно и одновременно реакций превращения исходного углевода, строение и свойства биомосов изучены недостаточно, тем не менее отмеча-

ется их влияние на свойства живых организмов и биохимические процессы [4, 5].

Различают природные и синтетические биомосы. Природные из растительного сырья (биомос-ВЖ, фодомос, пиномос), к синтетическим относят полученные на основе углеводов (глюкомос, фруктомос и др.) По сравнению с природными, синтетические биомосы обладают повышенной биологической активностью, отличаясь стабильностью свойств [1, 3, 5]. В [6] проведено сравнение отдельных характеристик химических и физико-химических свойств

биомосов, гуминовых веществ, гуминоподоб-ных металлокомплексов.

Цикл исследований синтетических и природных биомосов показал, что эти вещества представляют продукт окислительной конденсационной полимеризации, проходящей в условиях протонно-апротонного катализа [5].

Расширяя имеющиеся исследования, нами проведен синтез металокомплексного соединения на основе глюкозы в буферном растворе (KH2PO4, Na2HPO4 и Н2О) и солей металлов как катализаторов (Fe3+, Co2+, Cu2+, Mn2+), с последующей регистрацией спектров ЯМР 13С и изучением продуктов синтеза методом адсорбционной полярографии (вольтамперометрия).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах 1 С синтезированных образцов регистрировали на спектрометре VXR-500S ("Varian", США), с использованием прецизи-ных ампул фирмы "Aldrich" (диаметр 5 и 10 мм). Сбор и обработка данных ЯМР дились на рабочей станции Sparc Ultra5. дика основана на измерении интегральных тенсивностей сигналов в спектрах ЯМР цов анализируемых проб, с использованием Фурье-спектрометра ЯМР с высоким ным полем (11Тл), термостатированным датчиком и системой сбора данных. Для точного определения количественного содержания леродсодержащих фрагментов и значений мических сдвигов (ХС) использовали внутренний стандарт (запаянная ампула с бензолом), для которого известно массовое содержание и ХС в спектре ЯМР 13С (128,72 м.д) [7].

Содержание этанола определялось по разработанной нами методике спектроскопии

ЯМР1Н (спектрометр Мапап» VXR-500S, 500 МГц) при определении в смеси сигналов метильной, метиленовой и гидроксильной групп образующегося этанола, совокупности сигналов СН-, СН2- групп глюкозы, суммарного сигнала ОН-групп глюкозы и воды.

Реакционная смесь представляла собой следующее: глюкоза (3%), буферный раствор (КН2РО4 1,3%, Na2HPO4 0,1%, Н2О) и соли различных металлов ^е3+, Со2+, Си2+, Мп2+ 0,004%), в качестве катализаторов, по отдельности. Раствор подвергали термической обработке ^ = 98 оС) и УФ-облучению (Л = 110 нм). После термической обработки реакционной смеси в спектре ЯМР 13С обнаружено наличие новых сигналов в области 65, 69, 82 и 99 м.д., не относящихся к исходному веществу - глюкозе, что подтверждает протекание процессов её превращения. На рис. 1 представлен фрагмент спектра ЯМР 13С в диапазоне 60-110 м.д., отражающий доминирующие превращения углеводородного скелета молекулы глюкозы и соответственно содержащий только химические сдвиги (ХС) СН и СН2 ее фрагментов. В значительно более слабом поле нами идентифицированы сигналы со значениями ХС 177,5; 175,2; 173,9 м.д., соответствующие ок-сидикарбоновым кислотам - лимонной, яблочной, янтарной. Соответствующие им сигналы с 5р3-гибридизацией атома углерода, проявляющиеся в диапазоне 19-45 м.д. также обнаружены в спектре. Наличие оксидикарбоновых кислот отражает процесс интенсивного окисления глюкозы.

\J

н-1-г

т

1-1-1-г

~~1 90

1-1-1-г

80

1-1-1-г

70

1-1-1-г

н—1—г 60

ppm (f1) 100

Рис. 1. Спектр ЯМР С продуктов превращения глюкозы, после термической обработки исходной смеси

Время кипячения раствора , мин.

Рис. 2. Зависимость содержания конечного продукта в смеси от времени термической обработки

ботке раствора во времени интенсивность сигнала СН2ОН группы глюкозы уменьшается, а сигнала фруктозы увеличивается, при этом количество осадка в образце также увеличивается (рис. 2).

Как видно из рис. 2, достаточная продолжительность синтеза составляет 180 мин, дальнейшая термическая обработка раствора не приводит к изменению соотношения осадок-раствор.

На рис. 3 представлен спектр раствора продуктов реакции над поверхностью осадка после УФ-облучения (Л = 110 нм) и последующей термической обработки, в течение трех часов. Из спектра видно появление тех же групп сигналов, подтверждающих протекание доминирующего процесса превращения глюкозы во фруктозу.

Нами, так же как в работах [1, 2], при УФ-

wwvvwA>AÍЛГ/V

~I-1-Г~

ррт (П) ЮО

—I I I I I |—

90 80

I 13,

-1-1-1-Г"

70

60

Рис. 3. Спектр ЯМР С продуктов превращения глюкозы после УФ-облучения и термической обработки

Сигнал в области 62 м.д. принадлежит группе СН2ОН глюкозы, диапазон 80-70 м.д. - группам СНОН, значения ХС 93 и 97 м.д. соответствуют анамерным атомам углерода изомеров глюкозы. Уширение сигналов в спектре объясняется не только явлением мутаротации глюкозы, но и парамагнитными свойствами ионов Fe3+. При этом в реакции участвует открытая форма глюкозы, содержание которой = 1% и по мере ее расходования в смеси протекает реакция перехода цикличной формы в открытую, которая вступает в реакцию окисления. Значения ХС ядер углерода 13С реакционной смеси (опалесцирующий раствора над поверхностью выпавшего осадка) после термической обработки в диапазоне спектра 65, 69, 82 и 99 м.д. - свидетельство реакции изомеризации глюкозы до фруктозы, которая протекает достаточно эффективно. При термической обра-

облучении смеси глюкозы, буферного раствора и катализатора - соли Fe3+, получен бесцветный опалесцирующий раствор (при высушивании - сероватый порошок). После термической обработки - вязкая однородная консистенция красноватого цвета (вследствие частичного осмоления глюкозы), а после высушивания - желтовато-бурая смолопо-добная масса. В результате после УФ- и термической обработки раствора выделен осадок серо-бурового цвета. Спектр ЯМР 13С растворенного осадка представлен на рис. 4.

Спектр значительно уширен, что свидетельствует о прошедшей реакции конденсации глюкозы, с образованием соединения, в состав которого входит парамагнитный комплексооб-разователь - Fe2+ (подтверждено качественной реакцией). Это приводит к появлению парамагнитных центров, обеспечивающих коорди-

i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—г

ppm (f1) 100 90 80 70 60

13

Рис. 4. Спектр ЯМР С осадка после УФ-облучения и термической обработки

нацию отдельных молекул глюкозы и приводящих к существенному уширение всех сигналов в спектре ЯМР 13С за счет образования металлокомплексного соединения - глюкомо-са. Причем значения химических сдвигов в спектре ЯМР13С глюкомоса с учетом ширины линии и частичного перекрывания сигналов полностью соответствуют ХС исходной глюкозы, как и соотношение интегральных интен-сивностей сигналов в этом диапазоне спектра.

Выявлено, что реакционная смесь над образующимся осадком в результате синтеза представляет собой сложную многокомпонентную смесь, в которой, исходя из спектров ЯМР 13С (рис. 1, 3), присутствуют а- и р-фруктофуранозы, р-фруктопираноза, диокси-карбоновые кислоты различного состава, а также фруктоза и глюкоза. Сам же осадок (глюко-мос), как мы предполагаем из анализа характера распределения спектральной плотности, формы линии и значений времени спин-спиновой релаксации, может быть представлен многоядерным комплексом замкнутых кольцевых структур, внутри которых расположены центральные атомы Fe2+, Со2+, Си + или Мп2+.

Известно, что металлокомплексные соединения обладают различными поверхностно-активными свойствами в зависимости от строения, состава и молекулярной массы, которые можно количественно отследить вольтамперо-метрическим методом (полярография), по подавлению максимума первого рода кислородного пика [8]. Поверхностно-активные свойства, в свою очередь, предопределяют различные виды активности веществ - ростовую, антиоксидант-ную, транспортные функции и др., которые так же связаны со значениями молекулярных масс [7]. Нами установлена зависимость между интенсивностью подавления кислородного максимума, ростовой активностью гуминовых веществ различного происхождения и значений средних

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 Объем добавленного глюкомоса , wi

-до кипения -15 мин. -30 мин. -45 мин. -60 мин. -90 мин. -120 мин. -150 мин. -180 мин. -210 мин.

Рис. 5. Подавление кислородного

максимума глюкомосом при различной продолжительности термической обработки

молекулярных масс [8, 9]. Молекулярная масса полученного продукта реакции, измеренная по этой методике, составляет = 2000 а.е.м.

Этот прием использован нами впервые при оценке ростовой активности гуминовых веществ и применен в данном случае для биомо-са, из-за сходности ряда физических и физико-химических показателей [6]. В качестве фонового электролита использован 0,01 н. раствор КС1. На рис. 5 представлена зависимость подавления кислородного максимума растворенным синтезированным продуктом при различном времени термической обработки.

Установлено, что при увеличении времени температурного воздействия эффективность подавления кислородного пика возрастает. Начиная с 90 мин кипячения раствора проявляется интенсивное подавления высоты кислородного максимума и при достижении 180 мин достигает максимального значения, выходя на плато (что не противоречит нашим результатам, из которых известно, что синтез глюкомоса длится 180 мин (рис. 2). Гуминовые вещества, как поверхностно-активные соеди-

8

4

0

нения переменного состава и различного мо-лекулярно-массового, подавляют кислородный максимум [8], синтезированный глюкомос вызывает эффект подавления кислородного максимума при добавлении значительно меньших объемов. Мы считаем, что эффективность влияния на ростовую активность полученного препарата выше, чем для отдельных товарных продуктов гуминовых веществ, ускоряющих рост растений.

Известно [10], что гуминовые вещества ускоряют биоконверсию глюкозы в этанол при концентрации 0,001%, при этом содержание этанола, при времени реакции 120 ч, более чем вдвое превышает таковое в контроле и практически соответствует полному превращению (11,5% при максимальной, теоретически возможной в данных условиях 12,5%).

Полученные препараты на основе солей отдельных ионов металлов ^е3+, ^2+, ^^ Mn2+) применили для оценки влияния на реакцию спиртового брожения глюкозы в присутствии Saccharomyces cerevisiae.

Как видно из рис. 6, выход этилового спирта остается постоянным для проб с добавлением биомосов на основе ионов различных металлов, при явном ускорении реакции на начальных этапах. Максимум ускорения наблюдается на пятые сутки процесса.

2,5

о» ц

3 S m

S Р

о £■ 1,5

Ц о

0,5

- FeCl3 -CoCl2 -CuSO4 -MnSO4

- эталон

1 3 5 7 10 12 14 Время спиртового брожения, сутки

Рис. 6. Зависимость количества образовавшегося этилового спирта в мл от времени брожения глюкозы

Проведена оценка количества выделившегося этилового спирта, в зависимости от добавленного глюкомоса, полученного с различными солями при УФ-облучении, термической обработке (рис. 7), на пятые сутки процесса сбраживания глюкозы.

Представленные результаты позволяют сделать вывод, что одни соли как катализаторы сис-

0,8 -

Я *

2 s

3 р

0Q £1 s s

5 g

fi ю

о

0,4 -

0,2 -

-УФ

-УФ + Терм. обр.

V о-5" ^ »Г Катализатор

Рис. 7. Зависимость количества выделившегося

этилового спирта в процессе брожения темы синтеза биологически акт ивны х металло-комплексных соединений реакционной системы «глюкоза, буферный раствор, соли металлов» ингибируют процесс спиртового брожения глюкозы (Си +, Mn2+), независимо от способа воздействия на раствор (УФ-облучение и термическая обработка), а другие ^е3*, ^2+) ускоряют (рис. 7).

ВЫВОДЫ

1. Проведен синтез модельного синтетического биомоса - глюкомоса (на основе глюкозы, буферного раствора и иона переходного металла Fe2+); установлено оптимальное время термического и УФ-воздействия на раствор, необходимое для максимального выхода продукта реакции.

2. На основе количественной спектроскопии ЯМР 13С, установлен состав и строение, на основе адсорбционной полярографии - молекулярная масса продукта реакции (= 2000 а.е.м). Предположено, что строение глю-комоса может быть представлено многоядерным комплексом замкнутых кольцевых структур, внутри которых расположены централь-

2+

ные атомы Fe как координирующего элемента.

3. Установлено, что добавление глюкомоса, полученного на основе глюкозы с различными катализаторами ^е3+, ^2+, ^2+, Mn2+) в количестве 0,004% влияет на процесс сбраживания глюкозы. Количество продукта реакции (этилового спирта) на конечном этапе остается неизменным, наблюдается различная степень ускорения процесса брожения на начальных этапах.

4. Обнаружено, что эффективность влияния полученного препарата на ростовую активность выше, чем для отдельных товарных продуктов гуминовых веществ, ускоряющих рост растений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Бескровный А.М., Зайцев В.Т., Пекарский Д.Е. С. 162-166.

Вещества биомосы и перспективы их применения. 2. Бескровный А.М., Котляренко И.П., Сукачева

Экспериментальные исследования. Саранск, 1976. О.А. Биологически активные искусственные гумино-

0

0

подобные соединения // Науч. докл. высшей школы : Биол. науки. 1979. № 3. С. 85-88.

3. Бескровный А.М., Котляренко И.П. Гуминовые и гуминоподобные металлокомплексы (биомосы) // тез. докл. науч.-техн. конф. 31 марта-1 апр. 1981 г. Тюмень, 1981. 31 с.

4. Бескровный А.М., Зеркаль В.П. Изучение эффективности нового физиологически активного вещества на некоторых биологических моделях // Использование лабораторных животных в разработке, производстве и контроле биологических медицинских препаратов : тез. докл. конф. М. : 4-5 окт. 1976. С. 81-82.

5. Диуретическая активность биомосов. URL http://www.biomos.com/biomos/test/diuretic.html (дата обращения: 25.01.2007).

6. Бескровный А.М., Орлов Д.С., Котляренко И.П. Сравнительная характеристика химических и физико-химических свойств гуминовых веществ, искусственных металлсодержащих гуминоподобных соединений

и мумие // Доклады АН СССР. 1980. Т. 255, № 4. С. 866-870.

7. Калабин Г.А, Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М. : Химия, 2000. С. 1-407.

8. Aprelkova N.F, Bisikalo A.L., Matvievskay N.S., Kushnarev D.F. Estimation of the physiological activity of humic substances using polarography and 13C NMR methods // Proceedings of 3rd international symposium in chemistry "Chemistry and food safety-2008" Oktober 004, 2008 Mongolia, Faculty of Chemistry, National University. P. 126.

9. Безуглый В.Д. Полярография в химии и технологии полимеров. М. : Химия, 1989. C. 1-196.

10. Влияние гуматов окисленных бурых углей на процесс спиртового брожения / Дашициренова А.И. [и др.] // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экол. и безопас. жизнедеят. 2005. № 1. С. 167-172.