CC BY
18Yashkin S.N., Svetlov A.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Teklmol. 2009. V. 52. N 9.'p. 70-77 (iiiRussian).
13. Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии / Под ред. Ю.С. Никитина, Р.С. Петровой. М.: МГУ. 1990. 318 с.;
Experimental methods in adsorption and molecular chroma-tography / Ed. Yu.S. Nikitin, R.S. Petrova. M.: MSU. 1990.318 р. (in Russian).
14. Dorris G.M., Gray D.G. // J. Colloid Interface Sci. 1980. V. 77. N2. P. 353-362.
15. Сидоров Л.Н., Юровская М.А., Борщевский А.Я., Трушков И.В., Иоффе И.Н. Фуллерены. М.: Экзамен. 2005. 688 с.;
Sidorov L.N., Yurovskaya M.A., Borshchevskiy A.Ya., Trushkov I.V., Ioffe I.N. Fullerens. M.: Ekzamen. 2005. 688 p. (in Russian).
16. Березин Г.И. // Докл. АН СССР. 1974. Т. 217. № 4. С. 843-845;
Berezin G.I // Dokl. AN SSSR 1974. V. 217. N 4. P. 843845 (in Russian).
17. Авгуль Н.Н., Киселев А.В., Пошкус Д.П. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях. М.: Химия. 1975. 384 с.;
Avgul' N.N., Kiselev A.V., Poshkus D.P. Adsorption of gases and vapors on homogeneous surfaces. M.: Khimiya. 1975. 384 p. (in Russian).
18. Лопаткин А.А. // РХЖ. 1996. Т. 40. № 2. С. 5-18; Lopatkin A.A. // Russ. Khim. Zhum. 1996. V. 40. N 2. P. 518 (in Russ an).
19. Лопаткин А.А. // ЖФХ. 1997. Т. 71. № 5. С. 916-919; Lopatkin A.A. // Zhum. Phys. Khimii. 1997. Т. 71. N 5. P. 916-919 (in Russian).
Кафедра аналитической и физической химии
УДК 543.421.424:547.458.88:547.854.4 Н.С. Борисова*, И.П. Королева*, Ю.С. Зимин*, А.Р. Гимадиева*, А.Г. Мустафин*' **
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УРАЦИЛОВ С ЯБЛОЧНЫМ ПЕКТИНОМ И ПРОДУКТАМИ ЕГО ОКИСЛЕНИЯ
(*Башкирский государственный университет, **Институт органической химии УНЦ РАН) e-mail: [email protected]
Методом ультрафиолетовой спектроскопии изучено комплексообразование яблочного пектина и низкомолекулярных продуктов его окисления с урацилами в водной среде. Определен состав образующихся комплексных соединений и рассчитаны их константы устойчивости. Изучено влияние природы заместителей в молекуле 6-ме-тилурацила на устойчивость образующихся комплексов.
Ключевые слова: комплексообразование, яблочный пектин, урацил и его производные, константы устойчивости, УФ-спектроскопия
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время фармацевтическая промышленность выпускает большое количество высокоэффективных лекарственных препаратов, но зачастую многие из них токсичны и обладают целым рядом побочных эффектов. Одним из возможных путей решения данной проблемы является нанесение фармакологически активного вещества на полимерную матрицу из природного полисахарида пектина, что позволит обеспечить постепенный выход и длительное поддержание необходимой концентрации действующего вещества в организме или в определенном органе - мишени.
Поскольку пектины имеют большую молекулярную массу, то могут возникнуть затруднения в диффузии лекарственного препарата к внут-
ренним органам человека. Для решения данной проблемы в качестве носителя лекарственных веществ можно использовать модифицированный пектин, полученный путем озонированного окисления. Такой полисахарид обладает меньшей молекулярной массой и большей комплексообра-зующей способностью за счет дополнительных функциональных групп. При этом использование озон-кислородной смеси в качестве окислителя позволяет избежать дополнительной очистки компонентов реакции.
В связи с вышеизложенным, в данной статье представлены результаты исследования взаимодействия яблочного пектина и его окисленной фракции с урацилом и его производными, обладающими широким спектром фармакологической активности [1].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В опытах был использован яблочный пектин (ЯП) с молекулярной массой 213000 фирмы Herbstreith & Fox (Германия). В качестве растворителя использовали свежеперегнанную биди-стиллированную воду. Концентрация озона в газовой смеси на выходе из озонатора составляла 1-2 об. %. Пектин окисляли в стеклянном термо-статируемом реакторе барботажного типа со скоростью подачи озон-кислородной смеси 6.4 л/час при температуре 70°С в течение 25 минут.
Комплексообразование яблочного пектина (исходного полисахарида и его окисленной фракции) с урацилом и его производными (5-фторура-цилом, 6-метилурацилом, 5-амино-6-метилура-цилом, 5-бром-6-метилурацилом, 5-гидрокси-6-метилурацилом, 5-нитро-6-метилурацилом) изучали спектрофотометрическим методом. Концентрацию пектина и его окисленной фракции рассчитывали в единицах «моль/л» на элементарное дисахаридное звено. Комплексы получали при комнатной температуре в равновесных условиях при низких концентрациях исходных реагентов (10 -1(Г моль/л) в водных растворах. УФ спектры снимали на спектрофотометре UV-2401 PC фирмы "Shimadzu" в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды. Кислотность среды фиксировали с помощью рН-метра Radelkis 211/2.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Комплексообразование яблочного пектина с урацилом и его производными. Согласно литературным данным [2], для урацила и его производных возможны шесть таутомерных форм. Наибольший практический интерес представляют урацилы, находящиеся в дикето-форме, так как именно эта форма пиримидинового основания обладает физиологической активностью [1, 3]. В настоящей работе установлено, что значения pH водных растворов изучаемых урацилов находятся в диапазоне 4.3-5.8. Этот факт указывает на существование производных урацила (ПУ) преимущественно в дикето-форме; концентрация енольной формы ПУ в данных условиях (при рН < <7.0) ничтожно мала [3, 4].
В УФ спектрах водных растворов ураци-лов имеются две полосы поглощения: первая полоса (200-220 нм) относится к поглощению хромофорной группы —с=о , а вторую (255-275 нм) относят к поглощению сопряжения
—C=C—C^O урацильного кольца [4, 5]. Было обнаружено, что добавление пектина к водным растворам урацилов приводит к гипсохромному
сдвигу и увеличению интенсивности максимумов поглощения в данных областях спектра. Эти данные свидетельствуют о влиянии, оказываемом полисахаридом на электронную систему урацилов вследствие образования комплексных соединений.
Состав комплексов определяли двумя фотометрическими методами: методом изомолярных серий (МИС) и методом молярных отношений (ММО) [6]. Метод изомолярных серий основан на определении отношения изомолярных концентраций реагирующих веществ, отвечающего максимальному выходу образующегося комплексного соединения. Кривая зависимости выхода комплекса от состава раствора характеризуется экстремальной точкой. Такая точка отвечает максимально возможной концентрации комплекса, а ее положение (абсцисса) позволяет определить стехиометрию образующегося соединения.
На рис. 1 приведена характерная кривая, полученная МИС для комплекса ЯП с 5-бром-6-метилурацилом (5-Br-6-МУ), имеющая максимум изменения оптической плотности (ДА) при соотношении изомолярных концентраций растворов равном 0.5. Этот факт свидетельствует о том, что в исследуемой реакционной системе образуется комплекс состава 1:1.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
[ПУ]/([ПУ] + [ЯП]) Рис. 1. Изомолярные диаграммы для комплексов яблочного пектина (ЯП) с 5-бром-6-метилурацилом (1) и окисленной фракции яблочного пектина с 5-гидрокси-6-метилурацилом (2); 23°С, [ПУ] + [ЯП] = МО" моль/л. ПУ-производные урацдла Fig. 1. Isomole diagrams for complexes of apple pectin (AP) with 5-bromine-6-methyluracil (1) and oxidized apple pectin fraction with 5-hydroxy-6-methyluracil (2); 23°C, [DU] + [АР] = ЫСГ4 mol/l. DU-uracil derivatives
Аналогичный вид имеют зависимости АА от состава изомолярных растворов, построенные для комплексных соединений яблочного пектина с другими изученными урацилами. Наличие максимума изменения оптической плотности при соотношении концентраций исследуемых растворов, равном 0.5, также свидетельствует о составе получаемых комплексов 1:1.
Подтверждением состава комплексных соединений, образующихся в разбавленных водных растворах, являются данные ММО. Сущность данного метода заключается в установлении зависимости АА от концентрации одного из компонентов при постоянной концентрации второго компонента. Точка излома на кривой отвечает отношению стехиометрических коэффициентов, которое равно отношению концентраций реагирующих компонентов в абсциссе точки эквивалентности. Графическая зависимость изменения оптической плотности растворов от соотношения концентраций 5-Бг-6-МУ и ЯП (рис. 2) указывает на присутствие в растворе комплекса состава 1:1.
Аналогичным образом, используя ММО, установлено, что при взаимодействии яблочного пектина со всеми изученными урацилами образуются комплексные соединения состава 1:1.
На основании анализа табл. 1 можно сделать вывод о том, что в разбавленных водных растворах производные урацила и яблочный пектин образуют достаточно прочные комплексные соединения, устойчивость которых существенно зависит от строения урацилов. Установлено, что константы устойчивости комплексов ЯП с 6-метилурацилом и рядом его замещенных (в пятом положении) удовлетворительно описываются уравнением Гаммета (рис. 3):
^ К = (5.0 ± 0.1) - (1.0 ± 0.2)-а, (I) где а - константа Гаммета [7]. Исключение, как видно из рис. 3, составляет 5-амино-6-метилура-цил. Отрицательный наклон прямой свидетельствует о том, что реакция ЯП с 6-метилурацилом и его замещенными ускоряется электронодонорны-ми заместителями.
Рис. 2. Кривые насыщения для комплексов яблочного пектина с 5-бром-6-метилурацилом (1) и окисленной фракции яблочного пектина с 5-гидрокси-6-метилурацилом (2); 23°С, [ПУ] = (0.2 4- 8.0> 1(Г5 моль/л, [ЯП] = 2-Ю"5 моль/л Fig. 2. Curves of saturation for complexes of apple pectin with 5-
bromine-6-methyluracil (1) and oxidized apple pectin fraction with 5-hydroxy-6-methyluracil (2); 23°C, [DU] = (0.2 -н 8.0) -10~5 mol/l, [АР] = 2-10"5 mol/l
С помощью ММО [6] были рассчитаны константы устойчивости соединений ЯП с урацилом и его производными (табл. 1).
Таблица 1
Константы устойчивости комплексов яблочного пектина с урацилами, 23°С Table 1. Stability constants for complexes of apple
Рис. 3. Корреляционные зависимости констант устойчивости комплексов, образованных яблочным пектином (1) или его окисленной фракцией (2) и рядом замещенных 6-метилура-
цила, с а-константами Гаммета, 23°С Fig. 3. Correlation dependences of stability constants on complexes formed by apple pectin (1) or its oxydized fraction (2) and series of 6-methyluracil derivatives with a-constants of Gammet, 23 °C
Поскольку пиримидиновые основания являются слабыми кислотами, то, соответственно, введение в пятое положение урацильного кольца электронодонорных заместителей должно приводить к уменьшению кислотных свойств урацилов [3]. Поэтому в ряду 5-нитро-6-метилурацил, 5-бром-6-метилурацил, 6-метилурацил, 5-гидрокси-6-метилурацил следует ожидать уменьшения кислотных и, наоборот, увеличения основных свойств урацилов. При этом пектин, обладающий слабыми кислотными свойствами, лучше взаимодействует с теми производными 6-метилурацила, основные свойства которых выражены в большей степени.
pectin with uracils, 23°С
Урацил и его производные К10 4, л/моль
урацил 0.9 ± 0.1
5-фторурацил 7 ± 1
6 -метилурацил 13 ± 2
5 -амино -6 -метилурацил 16 ± 3
5-бром-6-метилурацил 6 ± 1
5-гидрокси-6-метилурацил 20 ± 4
5 -нитро -6 -метилурацил 1.6 ± 0.1
2. Комплексообразование окисленной фракции яблочного пектина с урацилом и его производными. Ранее [8, 9] было установлено, что под действием озон-кислородной смеси происходит окисление пектина (яблочного и цитрусового), приводящее к уменьшению молекулярной массы биополимера и увеличению количества карбоксильных групп в макромолекуле. Такой окисленный полисахарид может быть использован в медицине для получения лекарственных препаратов пролонгированного действия. В связи с этим, на следующем этапе работы было изучено взаимодействие окисленной фракции яблочного пектина (М » 22000) с урацилом и его производными.
Установлено, что при добавлении в водные растворы урацилов окисленной фракции ЯП также наблюдается сдвиг максимумов поглощения и изменение интенсивности пиков в областях 200-220 и 255-275 нм, что свидетельствует о равновесном образовании комплексных соединений. Для определения их состава были использованы МИС и ММО. Как следует из рис. 1 и 2, состав образующихся в разбавленных водных растворах комплексов 5-гидрокси-6-метилурацила с окисленной фракцией ЯП равен 1:1. Следует отметить, что комплексные соединения всех изученных производных урацила и окисленной фракции пектина имеют такой же состав. Константы устойчивости образующихся комплексов приведены в табл. 2.
Таблица2
Константы устойчивости комплексов, образованных окисленной фракцией яблочного пектина и
рядом производных урацила, 23°С Table 2. Stability constants for complexes formed by oxydized fraction of apple pectin and series of uracil derivatives, 23°С
Анализ данных табл. 2 показывает, что константы равновесия для комплексов окисленной фракции ЯП с 6-метилурацилом и его замещенными (в пятом положении) можно описать уравнением Гаммета (рис. 3):
^ К = (5.2 ±0.1)-(1.1 ±0.3)-ст. (II)
Обращает на себя внимание тот факт, что из данной корреляционной зависимости, как и при комплексообразовании ЯП с замещенными 6-ме-
тилурацила, выпадает 5-амино-6-метилурацил. Отрицательный знак константы реакционной серии свидетельствует о том, что электронодонор-ные заместители в молекуле 6-метилурацила увеличивают устойчивость комплексных соединений с окисленной фракцией биополимера.
3. Обсуждение результатов. Сравнительный анализ данных, полученных в разделах 1 и 2, свидетельствует об одинаковом характере взаимодействия урацилов с пектином и его окисленной фракцией. Действительно, состав образующихся комплексных соединений во всех случаях составляет 1:1, т. е. на одну карбоксильную группу полисахарида всегда приходится одна молекула урацила (или его производного). Константы устойчивости комплексных соединений (табл. 1 и 2), образованных урацилами и биополимерами (исходным ЯП и его окисленной фракцией), имеют близкие значения. Более того, коэффициенты уравнений (I) и (II), описывающих корреляционные зависимости ^ К = Я а) для двух типов комплексов «замещенные 6-метилурацила + ЯП» и «замещенные 6-метилурацила + окисленная фракция ЯП», совпадают в пределах погрешности их определения. Исключение, как видно из рис. 3, составляет 5-амино-6-метилурацил, для которого можно ожидать иного (за счет NH2-группы) способа взаимодействия с пектином и его окисленной фракцией.
Следует также отметить, что найденные в настоящей работе значения К (табл. 1 и 2) достаточно хорошо согласуются с полученными ранее [10] константами устойчивости комплексных соединений, образованных галактуроновой кислотой и рядом производных урацила. Данный факт находит объяснение, если учесть, что галактуро-новая кислота является структурной единицей пектиновых веществ. Действительно, остовом молекулы пектиновых веществ [11] является цепь из остатков D-галактуроновой кислоты, которая соединена 1^-4-гликозидными связями в нитевидную молекулу полигалактуроновой (пектиновой) кислоты.
Таким образом, в настоящей работе установлено, что исходный и окисленный яблочный пектин в водном растворе образует комплексные соединения с урацилом и его производными состава 1:1. Были рассчитаны их константы ком-плексообразования. Показано, что электронодо-норные заместители 6-метилурацила (в пятом положении) увеличивают устойчивость образующихся комплексных соединений.
Работа выполнена при поддержке проекта № 3.1151.2011, исполняемого в рамках государственного задания Минобрнауки РФ, а также ФЦП
Урацил и его производные К10 4, л/моль
урацил 1.2 ± 0.4
5-фторурацил 2.7 ± 0.5
6 -метилурацил 16 ± 4
5 -амино -6 -метилурацил 24 ± 3
5-бром-6-метилурацил 6 ± 1
5-гидрокси-6-метилурацил 25 ± 2
5 -нитро -6 -метилурацил 2.1 ± 0.3
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», г/к № 02.740.11.0648.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гимадиева А.Р., Чернышенко Ю.Н., Мустафин А.Г., Абдрахманов И.Б. // Башк. хим. журн. 2007. Т. 14. № 3. С. 5-21;
Gimadieva A.R., Chernyshenko Yu.N., Mustafin A.G., Abdrakhmanov I.B. // Bashk. Khim. Zhhurn. 2007. V. 14. N 3. P. 5-21 (in Russian).
2. Иванов С.П., Хурсан С.Л. // ЖФХ. 2004. Т. 78. № 7.
С. 1283-1288;
Ivanov S.P., Khursan S.L. // Zhurn. Phys. Khimii. 2004. V. 78. N 7. P. 1283-1288 (in Russian).
3. Иванов С.П. Изучение кето-енольного равновесия некоторых производных урацила в водных растворах. Дис. ... к.х.н. Уфа: ИОХ УНЦ РАН. 2003. 143 с.;
Ivanov S.P. The study of keto-enole equilibrium of some derivatives of uracil in aqueous solutions.Dissertation for candidate degree on chemical sciences. Ufa. IOC USC RAS. 2003. 143 p. (in Russian).
4. Iza N., Gil M., Marcillo J. // J. Mol. Struct. 1988. V. 175. N 1. P. 31-36.
5. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии. М.: МГУ 1979. 240 с.;
Kazitsyna L.A., Kuplettskaya N.B. Application of UV-, IR-, NMR- and mass- spectroscopy in organic chemistry. M.: MSU. 1979. 240 p. (in Russian).
6. Бек М., Надьпал И. Исследования комплексообразова-ния новейшими методами. М.: Мир. 1989. 413 с.;
Bek M., Nadypal I.Studies of complex formation with the latest techniques. M.: Mir. 1989. 413 p. (in Russian).
7. Гаммет Л. Основы физической органической химии. М.: Мир. 1972. 524 с.;
Gammet L. Fundamentals of physical organic chemistry. M.: Mir. 1972. 524 p. (in Russian).
8. Гуськова Н.С., Тимербаева Г.Р., Валиева О.И., Насретдинова Р.Н., Зимин Ю.С. // Бутлер. сообщ. 2011. Т. 27. № 13. С. 29-35;
Gus'kova N.S., Timerbaeva G.R., Valieva O.I., Nasretdinova R.N., Zimin Yu.S. // Butler. Commun. 2011. V. 27. N 13. P. 29-35 (in Russian).
9. Зимин Ю.С., Тимербаева Г.Р., Борисов И.М., Муда-рисова Р.Х., Монаков Ю.Б. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 4. С. 79-84;
Zimin Yu.S., Timerbaeva G.R., Borisov I.M., Mudariso-va R.Kh., Monakov Yu. B. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 4. P. 79-84 (in Russian).
10. Тимербаева Г.Р., Зимин Ю.С., Борисов И.М., Мустафин А.Г., Монаков Ю.Б. // Вестн. Башк. ун-та. 2009. Т. 14. № 1. С. 62-64;
Timerbaeva G.R., Zimin Yu.S., Borisov I.M., Mustafin A.G., Monakov Yu. B. // Vestn. Bashk. Un-ta. 2009. V. 14. N 1.P. 62-64 (in Russian).
11. Дегтярев А.С., Купчик М.П., Донченко Л.В., Богданова О.В. // Изв. вузов. Пищ. технология. 2002. № 4. С. 15-18;
12. Degtyaryov A.S., Kupchik M.P., Donchenko L.V., Bogdanova O.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Pisshch. Tekhnol. 2002. N 4. P. 15-18 (in Russian).
Кафедра физической химии и химической экологии
