Научная статья на тему 'СПЕКТРОСКОПИЯ САМОСБОРКА МОЛЕКУЛ ТАРТРАЗИНА'

СПЕКТРОСКОПИЯ САМОСБОРКА МОЛЕКУЛ ТАРТРАЗИНА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
37
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Ученый XXI века
Область наук
Ключевые слова
Тартразин / самосборка / гипохромный эффект / Ван-дер-Ваальсовые силы / оптическая активность / дихроизм / межмолекулярного взаимодействия / оптический активность агрегаты / квантов химический расчет

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — С.Х. Астанов, Г.К. Касимова, Р.Х. Шамсиев

Исследованиями спектров линейного дихроизма установлено что, самоагрегаты тартразина, имеющие игольчатообразную структуру, обладают оптической активностью. Эти данные являются паспортными характеристиками самособранных молекул тартразина и они могут быть использованы для определения нативности самоагрегатов красителя. Установлено что, путём подбора концентрации и соотношений бинарных смесей растворителя можно урегулировать количество молекул в самоагрегированных молекулах красителя. Объединения молекул тартразина в самоагрегаты происходит силами Ван-дер-Ваальса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — С.Х. Астанов, Г.К. Касимова, Р.Х. Шамсиев

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «СПЕКТРОСКОПИЯ САМОСБОРКА МОЛЕКУЛ ТАРТРАЗИНА»

СПЕКТРОСКОПИЯ САМОСБОРКА МОЛЕКУЛ

ТАРТРАЗИНА

С.Х. Астанов1, Г.К. Касимова2, Р.Х. Шамсиев3

Исследованиями спектров линейного дихроизма установлено что, самоагрегаты тартразина, имеющие игольчатообразную структуру, обладают оптической активностью. Эти данные являются паспортными характеристиками самособранных молекул тартразина и они могут быть использованы для определения нативности самоагрегатов красителя. Установлено что, путём подбора концентрации и соотношений бинарных смесей растворителя можно урегулировать количество молекул в самоагрегированных молекулах красителя. Объединения молекул тартразина в самоагрегаты происходит силами Ван-дер-Ваальса.

Ключевые слова: Тартразин, самосборка, гипохромный эффект, Ван-дер-Ваальсовые силы, оптическая активность, дихроизм, межмолекулярного взаимодействия, оптический активность агрегаты, квантов химический расчет.

В пищевой и фармацевтической практике широко применяют как натуральные, так и синтетические красители [1]. Синтетические красители имеют некоторые преимущества по сравнению с натуральными красителями. Поскольку дают яркие, легко воспроизводимые цвета, устойчивые к свету, температуре, окислителям, восстановителям, изменениям РН и менее чувствительные к различным видам воздействий, которым подвергаются материалв технологическом процессе. Жёлтый краситель тартразин (Е102) является одним из синтетических, водорастворимым красителем [2]. Рядом авторов экспериментально и клиническими исследованиями показано что, тартразин может индуцировать гиперчувствительность организма, что расцениваться как побочные эффекты при окрашивании лекарств или витаминов [3-5]. Несмотря на то, что некоторые органы власти давно запретили использование тартразина в качестве красителя для окрашивания лекарственных препаратов и пищевых продуктов (приказ Министра Минздрава России №8 19.03.1998г), до сих пор в научных публикациях имеются сообщения о выявления следов этого красителя в организмах детей и взрослых пациентов [5-7]. Учитывая токсичность красителя, при клинических исследованиях ряду авторов удалось разработать методы вывода или уменьшения количества тартразина в организме пациента [8-12]. При разработке метода уменьшения количество тартразина в организме основывались на изучении электронных полос, ИК спектров и результатах микроскопических исследований пораженной части организма. Однако, авторами этих работ не учитывалась возможность процесса самоагрегация или комплекс образования молекул тартразина в виде их наночастиц [16]. В этих случаях обнаружение и удаление молекул красителя из организма являются актуальными. Эти исследования позволяют выяснить природ не только природу электронного перехода в результате самоагрегации молекул, но и определяют природы силу взаимодействия в процессе образования их наночастиц.

По определению самосборка является процессом, в котором принимают участие только компоненты конечной структуры. Объединения молекул в растворах могут осуществляться под действием различных межмолекулярных взаимодействий (ММВ). Возникновение ММВ способствуют самосборке молекул

1 Астанов Солих Хусенович - Бухарский инженерно-технологический институт, Бухара.

2 Касимова Гузал Касимовна - Бухарский инженерно-технологический институт, Бухара.

3 Шамсиев Рустам Халилович - Бухарский инженерно-технологический институт, Бухара.

растворенного вещества. Этот процесс сопровождается существенной деформацией спектрально-оптических характеристик исследуемого соединения [17,18]. Выяснение природы сил, под действием которых происходит самосборка молекул, является одной из актуальных проблем физики современного конденсированного состояния.

Целью настоящего исследования заключалась в выявления условия самоагрегация красителя Е102 с использованием растворителей, разрешенных Минздравами (вода и деметилсулфаксид) по использованию их в медицинской практике. Определить положение электронных полос поглощения димеров и сложных агрегатов. Эти полосы могут служит паспортными характеристиками димерных и сложных самоагрегатов молекул красителя. На основании этих полос клиническими исследователями могут быть оценена нативность самоагрегированных молекул.

В работе был использован порошок пищевого красителя тартразина (Е-102). Электронные спектры поглощения измерялись на спектрофотометре Specord 50 SA, (Analytikjena, Германия) позволяющем проводить измерения оптической плотности в диапазоне 190-1100нм. Дисперсию оптического вращения и спектры линейного дихроизма снимали на дихрографе Jasko-20 с оптической приставкой двойного параллелепипеда Френеля, используемого в видимой и УФ части спектральной области.

В качестве растворителя использовались бидистиллированная вода, диметильсульфоксид ^MSO) очищенные, согласно известных методик [19]. Микроскопические исследования осуществлялись на биологическом микроскопе KSO 5001-1 "Anjeon presicion optics Co, Htd" (южная Корея) и на электронном микроскопе (SEM) TESCAN Mira3 (Россия).

Квантово-химический расчет электронного строения и распределения зарядов на атомах молекул тартразина проведен с помощью пакета программы MOPAC 2009 полуэмпирическим методом АМ1 со стандартным набором параметров [20,21].

Бинарные смеси растворителей были приготовлены таким образом, чтобы концентрация исследуемого соединения оставалась постоянной, менялось соотношение бинарной смеси растворителя. Во втором случае состав бинарной смеси растворителя оставался постоянным, менялась концентрация красителя.

Самосборка тартразина была исследована в водно и водно-диметильсульфаксидном растворе. Выбор растворителя был обусловлен тем, что вода и диметильсулфаксид используется в медицинском практике как криопротектор и он добавляется в клеточную среду для предотвращения повреждения клеток от заморозки. 10% растворы ДМСО также могут быть использованы для безопасного охлаждения клетки, и она используется диметильсулфаксид используется как противовоспалительное и обезболивающее средство [23-25].

Прежде всего, нами был исследован спектр поглощения тартразина в воде [26]. При этом установлено, что в спектре длинноволновой полосы поглощения наблюдается максимумом с Ямах=426нм. Причем форма и интенсивность спектра красителя в широком интервале концентрации 5-10"6^10"6 М практически остаются неизменным, и они относятся к поглощательной способности мономерных молекул тартразина (крив. 1и 11 рис1а) исследуемого соединения. Для упрощения обсуждения полученных результатов спектры поглощения нормировались к единице. Как видно из рисунка1а по мере увеличения концентрации водного раствора наблюдается падение поглощательной способности (гипохромный эффект) с уширением спектра поглощения по отношению полос мономеров молекул тартразина (крив 2-5 рис 1а).

Для подробного исследования самосборки молекул тартразина, нами были проведены эксперименты в бинарных смесях водно-диметильсулфаксидном (водно-ДМСО) растворе. На рисунке 1б приведены спектры поглощения тартразина при постоянной концентрации (С=5-10"6М) с изменением доли воды в водно-диметильсулфаксидном растворе. Экспериментально установлено, что спектр поглощения в 100% воды совпадает с полосой низко концентрированного водного раствора который относятся мономерным

молекул красителя. По мере уменьшения доли воды и увеличения объёма ДМСО при постоянной концентрации происходит падение поглощательной способности раствора с гипохромным эффектом (рис.1б крив.2-3). При этом происходит уширение полос поглощения в длинноволновой части спектра мономеров молекул тартразина. Деформация спектров сопровождается образованием изобестической точки (Ад=463нм). Такие изменение спектров поглощения связана с образованием самоагрегатов тартразина в виде димеров. При этом в растворах окажутся как мономерные так и димерные молекулы тартразина. Дальнейшее увеличение доли ДМСО в бинарных растворах приводят к усилению падению поглощательной способности с возникновением второй изобестической точки (Л2=513нм) (рис 1б крив 4-8).

Длина волны, А нм Д™"3 воянь|' нм

Рис. 1 Концентрационная зависимость спектров поглощения тартразина в воде (а)- С=5-10-6(1), 10-5(2),5- 10-5(3), 10-4(4), 5-10-4(5) М (1-5); и бинарной смеси вода-ДМСО концентрации С=5-10-6 М от содержание воды (б)- 100%(1), 80%(2), 60%(3) 40%(4), 30%(5), 20%(6), 10% (7), 5%(8).

Дальнейшее увеличение концентрации красителя приводят к образованию опалесценции раствора, и она становится мутным, коллоидным.

Повышение температуры раствора вода+ДМСО приводит к восстановлению электронных полос характерной для мономерный молекул тартразина. Повышение температуры раствора до 80-850С приводить к полному восстановлению полос поглощения мономерных молекул тартразина. Из температурных опытов на основе методики [27,28] были определены энергии связи самособранных молекул красителя в бинарных смесях растворителей. Значении этих энергии составляли 22-24 кДж/моль, что относятся энергии водородной связи.

Агрегацию в бинарной смеси вода+ДМСО для молекул тартразина можно объяснить следующим образом. При растворении тартразина в воде, каждая молекула окажется окружена сольватными оболочками растворителя. При этом исключается межмолекулярное взаимодействие (ММВ) непосредственно между молекулами растворённого соединения и они находятся в мономерном состоянии. Добавление второго компонента (ДМСО) в котором тартразин не растворим, возможно, приводит к тому, что эти компоненты объединяются между собой по схеме: RlO...HR2, где Rl и R2 отставшая часть молекул воды и диметильсульфаксида соответственно. В результате этих ММВ сольватная оболочка вокруг растворённого вещества ослабевает.

При этом молекулы исследуемого соединения выходят из сольватной оболочки, в результате которых возникает возможность взаимодействия между молекулами растворённых соединения. Эти процессы приводят к образованию локального объема с высокой концентрацией исследуемого соединения, в результате чего происходит объединение молекул в виде агрегата. На первом этапе самоагрегации образуются димеры с полосами поглощения, которые

образуют изобестическую точку с Л=463нм (рис.1б). По мере увеличения доли диметильсулфаксида, процесс агрегирования молекул тартразина усиливается и образуется более сложные агрегаты с изобестической точкой А=513нм (рис.1б). Образование самоагрегатов подтверждается температурными исследованиями. Повышения температура раствора дол значения 75-850С приводят к восстановлению спектр мономерных молекул красителя. Энергия связи 22-24 кДЖ/моль относится к энергии водородной связи между компонентами бинарных смеси растворителей (вода-ДМСО). Объединение молекул тартразина осуществляется силами Ван-дер-Ваальса, что подтверждается проведёнными теоретическими расчётами.

На рис.2а приведено распределение зарядов, а также длина связи между атомами диметильсулфаксида. Из рисунка 2а следует что кислород О1 в диметильсулфаксида с водородами Нб и Н10 имеют одинаковые длина связи 1=1,114 А0 (пунктирная линия) (рис 2а). Также одинаковые длины связи имеют с кислородом О1 с водородами Н7 и Н9 с длиной связи 1=1,112А0 которые являются равносильными. Мы предполагаем, что между кислородом О1 ДМСО возможно образуются внутримолекулярные водородное связи с водородами Н6 и Н10 и водородами Н7 и Н9. В этих случаях вероятность внутримолекулярной водородной связи осуществляются с О1 водородами Н6 и Н10. То есть равносильными водородными связами является взаимодействия с водородами Н7 иН9. На ряду с внутримолекулярными водородными связями также осуществляется связь между кислородом ДМСО О1 и с водородами Н2 и Нз молекул воды. Эти связи является равносильными. Причём связь кислорода О1 с водородами воды являются равносильными и структура агрегатов между этими молекулами приведена на рис 2б. Теоретические значения энергии связи (вода-ДМСО) Е=5,32 кКал/моль, что соответствует 22,34 кДЖ/моль.

1,393

Рис. 2. Структуры мономерной формы ДМСО (а) и самоагрегатов диметилсульфаксида с водой (б)

В результате теоретических расчётов показывает что, самосборка молекул тартразина осуществляется в концентрированных водных, и бинарных растворителей вода+ДМСО. При этом энергия связи со значениями 22-24 кЖ/мол относится к бинарных смесей растворителей вода+диметильсульфаксид. В тоже время молекулы тартразина объединяются силами Ван-дер-Ваальса.

Установлено, что молекулы тартразина в концентрированных водных растворах и в водно-диметильсулфаксидном растворе образуют агрегаты, обладающие гипохромным эффектом и оптическом активностью. Гипохромный эффект спектра поглощение обусловлены, что интенсивность поглощательной способности самоагрегатов на порядок меньше по отношению интенсивности мономерных молекул тартразина, которые должно быт учтены в клинических исследованиях. Показано что, молекулы тартразина объединяются в результате сильного диполь-дипольного взаимодействия. В результате чего наблюдается резонансное расщепление возбуждённых уровней электронного состояния димерных и сложных самоагрегатов молекул тартразина.

Список литературы:

1. Н.С. Аляхнович, Д.К. Новиков. Красители в лекарствах и пищевых продуктах-потенциалные иммуномодуляторы. Медицинская иммунология. 2019,Т.21,№2, ст.313-322.

2. А.С. Материенко, В.А. Грудько, В.А. Георгиянц. Разработка методик определения тартразина и кармуазина в сиропе «Грипаут бэйби». Научные ведомости. Серия Медицина. Фармация. 2013. № 25 (168). Выпуск 24.

3. Головачева В.А. Влияние пищевых красителей на развитие болезней почек у детей (клинико-экспериментальное исследование). Бюллетень медицинских Интернет-конференций.2012. Том 2. № 1. Ст.7-14.

4. Ouezzani, A. El Hourch, M. El Azzouzi. Photodegradation of toxic synthetic food coloring: The Tartrazie. Der Pharma chemical. 2016, 8(1),p. 39-43.

5. Новиков П.Д., Титова Н.Д. Выявление IgE- и IgG-антител к пищевому красителю тартразину в сыворотке крови больных. Ж. Иммунология аллергология инфектология. 2019, №3.

6. F.Ghanbary, A.Jafarian, N.Modirshala, M.A.Behnajady, M.Khosravi. Using fuzzy interpolation for studying removal of tartrazin by UV/TiO2 process(Article). Australian Journal of Basic and Applied Sciences.2011, 5(11),р.2230-2236

7. D. Tassalit, H.Chekir, O.Benhabiles, F.Bentahar, N.A.Laoufi. Photocatalytic degradation of Tylosin and spiramycin in water using TiO2 and ZnO catalysts under UV radiation. Energy, Transportation and Global Warming. 2016. June 15. Pp. 695-706.

8. Maher Darvish, Ali Mohammadi, Navid Assi. Microwave-assisted polyol synthesis and characterization of pvp-capped cds nanoparticles for the photocatalytic degradation of tartrazine. Materials Research Bulletin. 2016.(74). Pp. 387-396.

9. Ravindra Kumar Gautam, Pavan Kumar Gautam, Sushmita Banerjee, Vandani Rawat, Shivani Soni Sanjay, K. Sharma, Mahesh Chandra, Chattopadhyaya. Removal of tartrazine by activated carbon biosorbents of Lantana camara: Kinetics, equilibrium modeling and spectroscopic analysis. Journal of Environmental chemical Engineering. 2015. 3(1). pp. 79-88.

10. Sousna Sahnoun, Mokhtar Boutahala. Adsorption removal of tartrazine by chitosan/polyaniline composite: Kinetics and equilibrium studies. International Journal of Biological Macromolecules.Volume 114, 15 July 2018, Pages 1345-1353.

11. L.Aoudjit, P.M.Martins, F.Madjene, D.Y.Petrovykh, S.Lanceros-Mendez. Photocatalytic reusable membranes for the effective degradation of tartrazine with a solar photoreactor. Journal of Hazardous Materials. Volume 344, 15 February 2018, Pages 408-416.

12. Naghmeh Arabzadeh, Alireza Khosravi, Alireza Khosravi, Ali Mohammadi, Niyaz Mohammad. Enhanced photodegradation of hazardous Tartrazine by composite of nanomolecularly imprinted polymernanophotocatalyst with high efficiency. Desalination and Water Treatment.Volume 57, 2016 - Issue 7. Pages 3142-3151

13. В.Л.Багиров, Л.И.Митькина. Определение тартразина в лекарственных средствах. Химико-фармацевтический журнал. 2003. Том 37. №10. Стр.48-50

14. G.John, M.D.Gerber, N.Ann, M.S Payne, Освальд Оельц М.Д., Алан С. Ниес М.Д., Джон А. Оутс М.Д. Tartrazine and the prostaglandin system. Journal of Allergy and Clinical Immunology. Volume 63, Issue 4, April 1979, Pages 289-294.

15. Tassalit D., Chekir N., Benhabiles O. Use of Packed Bed Photocatalyst and Sun Light Radiation for the Removal of Emerging Contaminant Dyes from Water. International Journal of ChemTech Research. 2016.V.9 (8).pp 366-373.

16. Astanov S.Kh., Sharipov M.Z., Kasimova G.K. Hipochromic effect in riboflavin solutions. Eurasian Physical Technical Journal, 2019, Vol.16, No.1(31)

17. П.В.Лебедев - Степанов, Р.М.Кадушников, С.П.Молганов и др. «Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент». Российские нанотехнологии 2013. Т8. №3,4.с5-23.

18. Ching-Yi Wu and Yu-Chie Chen. // Riboflavin immobilized Fe3O4 magnetic nanoparticles carried with n-butylidenephthalide as targeting-based anticancer agents. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology 2019, V. 47, №1, P. 210-220

19. Gordon, R. Ford. The chemist's companion. Wiley Interscience, New York.1972.

20. http://www.openmopac.net.

21. J.J. P. Stewart, MOPAC: A semiempirical molecular orbital program, J. Computer Aided Mol. Desing. 4, (1990) 1-103.

22. Astanov S. Kh., Daminov M. I., Kasimova G. K., Shamsiev R.Kh. Spectroscopy of a non-luminescent associate of Indigo Carmine in solutions. // БДУ Илмий ахбороти. Бухоро, 2021. №2(84). С.3-15.

23. Астонов С.Х., Шамсиев Р.Х., Шарипов М.З., Касимова Г.К., Ёкубов М.Э. Природа гиппохромного эффекта в растворах рибофлавина и некоторых пищевых

красителей // Доклады академии республики Узбекистан: математика, технические науки, естествознание.-Ташкент, 2018-№6. С. 6-13.

24. Kasimovа G.K., Astanov S.Kh., Kurtaliev E.N., Nizomov N.N. Structure of self-assembled riboflavin molecules in solutions // Journal of Molecular structure. 2019. Volume 1185. P.107-111

25. Astanov S.Kh., Kasimova G.K., Kurtaliev E.N., Nizomov N.N., JumabaevA. Electronic nature and structure of aggregates of riboflavin molecules // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2021. 119177

26. Astanov S.H., Kasimova G.K., Abrorov A., Fayziyeva B.K. Self-assembly of tartrazine molecules in water-dimethylsulphoxide solution // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Volume 848. 012095

27. S.H. Astanov, R.H. Shamsiev, G.K. Kasimova. Natural and some organic food // Lap Lambert Academik Publishing - Германия, 2021. ISBN: 978-620-4-20307-2.

28. Шамсиев Р.Х. Переработка плодов абрикоса, спрсоб получения красителя из них // Universum: технические науки. -Москва, 2022. -№ 3(96). - С.56-58. (02.00.00; №1).

© С.Х. Астанов, Г.К. Касимова, Р.Х. Шамсиев, 2022.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.