Влияние природы противоиона на процессы комплексообразования нативного и фармакофорсодержащего пектина с медью(II) Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №1

59

УДК 547.458.8

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ ПРОТИВОИОНА НА ПРОЦЕССЫ

КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ НАТИВНОГО И ФАРМАКОФОРСОДЕРЖАЩЕГО ПЕКТИНА С МЕДЬЮ(П)

© О. С. Куковинец1, Р. Х. Мударисова2*, М. И. Абдуллин1, А. Ф. Сагитова1, Т. Ю. Дегтярева1

1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450017 г. Уфа, ул. Мингажева, 100.

2Уфимский институт химии РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел.: +7 (347) 228 62 65.

Email: mudarisova@anrb.ru

Изучены: влияние противоиона в солях CuSOr5HO и CuCh^HO на процесс комплексооб-разования Cu(II) с модифицированным никотиновой кислотой пектином, кинетика и термодинамика сорбции в гетерофазной системе «полисахаридный сорбент - водный раствор». Установлен состав металлокомплексов, определены константы устойчивости и термодинамические характеристики.

Ключевые слова: противоион, комплексообразование, яблочный пектин, фармакофор,

медь, константа устойчивости, сорбция.

Введение

Перспективным направлением в современной фармакологии является применение модифицированных аналогов биоактивных природных субстанций и использование комбинированных структур. В последнем случае важнейшая роль отводится полисахаридам, которые эффективно выполняют роль транспортных веществ, обеспечивая адресную доставку действующего вещества к мишени. Пектины в данном случае занимают лидирующее положение среди полисахаридов, обладая ярко выраженными лечебно-профилактическими, диетическими и защитными свойствами. Они способствуют улучшенной работе желудочно-кишечного тракта, являются эффективными детоксикантами и радиопротекторами [1].

Помимо этого, благодаря наличию карбоксильных и карбалкоксильных групп в структуре, пектины представляют собой идеальную матрицу для образования комплексных соединений различной степени устойчивости с органическими и неорганическими комплексонами. Это актуально с точки зрения создания новых фармакологически значимых препаратов и для регулирования металлолигандного обмена в организме.

Целью настоящей работы является выявление влияния противоиона на эффективность комплексо-образования катионов с нативным и модифицированным никотиновой кислотой яблочным пектином. В качестве источника катионов меди(П) использовали сульфат и хлорид меди(П).

Экспериментальная часть

В экспериментах использовали яблочный пектин (П) товарной марки Unipectine XPP 240 с молекулярной массой 26000 Da и степенью этерифици-рования 80%, CuSO4•5H2O марки «х.ч.», Cua2•2H2O марки «х.ч.», никотиновую кислоту марки «ч.д.а.». ИК-спектры образцов записывали на спектрофотометре «Shimаdzu» в вазелиновом масле в диапазоне

400-4000 см1. УФ-спектры водных растворов снимали в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды на спектрофотометре «Specord M-40» в области 220-900 нм. Для измерения pH среды использовали pH-метр «АНИОН 4100».

Общая методика получения медьсодержащего комплекса: к раствору пектина (П) и/или фармако-форсодержащего пектина (ФП) объемом 20 мл прибавляли (50-60 °С) при перемешивании в течение 1.0-1.5 ч раствор 0.1 М NaOH в дистиллированной воде в количестве 0.1 г щелочи на 0.2 г ФП, затем добавляли раствор соли двухвалентного металла (CuSO4-5H2O и/или CuCb-2H2O) с концентрацией 0.01 моль/л. Через 30 минут целевой продукт осаждали ацетоном, промывали этиловым спиртом, центрифугировали и сушили при 40-50 °С под вакуумом.

Суммарная концентрация полисахарида и соли металла в изомолярной серии составляла 1*10-4моль/л. Молярные отношения [n]/[Cu] и/или ^n]/[Cu] варьировали от 50/1 до 1/20. В сериях растворов с постоянной концентрацией соли меди, равной 1 • 10-4 моль/л, концентрацию П и/или ФП изменяли от 0.25-10-4 до 110-2 моль/л. Ионную силу поддерживали постоянной, равной 0.1 моль/л (NaCl, «х.ч.»).

Изучение процесса сорбции ионов меди осуществляли в статических условиях из водных растворов сульфата и хлорида меди(П) при перемешивании и термостатировании (298 К). Для получения кинетических кривых сорбции в серию пробирок (V = 20 мл) помещали навески сорбента (m) по 0.1 г, заливали их 2 мл водного раствора соли меди(П) и выдерживали от 15 до 60 минут. Начальная концентрация (С0) ионов меди составляла 10-1 моль/л. Через каждые 15 минут раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нем текущую концентрацию ионов меди (Ст) методом йодометриче-ского титрования. Сорбционную емкость (Ат) сорбентов в каждый данный момент времени рассчитывали по формуле: Ах=(С0-Сх)-V/m.

Обсуждение результатов

Взаимодействие П и/или ФП с солями двухвалентной меди исследовали спектральными методами. Растворы солей CuSO4•5H2O и ^02 •2H2O имеют полосы поглощения в видимой области спектра с длиной волны 800 и 772 нм, соответственно. При добавлении П и/или ФП к раствору соли меди наблюдается возрастание интенсивности и сдвиг полосы поглощения меди (табл. 1). В случае взаимодействия биополимера с сульфатом меди происходит батохромный, а при использовании хлорида меди гипсохромный сдвиг максимума поглощения в видимой области спектра. Данные изменения в спектрах, согласно [2], могут быть объяснены образованием металлокомплексов.

Структура полученных соединений также была подтверждена данными ИК-спектроскопии (табл. 1). В ИК-спектрах металлокомплексов полисахаридных матриц наблюдается смещение максимума поглощения в области 3600-3100 см-1, соответствующего валентным колебаниям гидроксильных групп, в высокочастотную область на 60-69 см-1 относительно ИК-спектра пектина и в низкочастотную область на 1318 см-1 в случае ФП. Также происходит смещение максимумов поглощения валентных колебаний эфирной С-О связи пиранозного цикла в области 11401013 см-1 в низкочастотную область. Кроме того, исчезает ПП валентных колебаний карбонильной группы и появляется характерная ПП для карбоксиа-ниона в области 1600-1700 см-1. Полоса поглощения пиридинового кольца 1580 см-1 перекрывается с другими ПП, что может говорить об участии этого фрагмента в координации с металлом. Данный факт подтверждается увеличением устойчивости тройного ме-таллокомплекса. Это происходит, по-видимому, как в результате усиления кислых свойств карбоксильной группы в структуре никотиновой кислоты, связанной с полисахаридной матрицей, так и за счет ее структу-

рирующее-организующего воздействия на поверхность комплекса, способствующего дополнительному участию функциональных групп пиранозного кольца в хелатировании с Cu(П) [3].

Состав и константу устойчивости образующихся комплексов определяли методами изомоляр-ных серий и мольных отношений [4, 5]. Согласно полученным обоими методами результатам, полисахарид образует с металлом комплексы состава 2:1 (на два элементарных звена полимера приходится один катион меди).

Из графика зависимости [С]0/(Л-А) от 1/[М] по тангенсу угла наклона найдены константы устойчивости комплексов (табл. 2), где [С]0 - начальная концентрация полисахарида, [М] - концентрация металла, А и А о - оптические плотности растворов в присутствии и в отсутствии металла. Из данных таблицы видно, что тройные комплексы отличаются повышенной устойчивостью по сравнению с двойными. Повышение температуры приводит к уменьшению устойчивости продуктов реакции из-за возрастания диссоциации образовавшихся комплексов. Замена сульфат-иона на хлорид-ион несколько уменьшает устойчивость металлокомплексов, что, вероятно, связано с меньшим значением коэффициента активности сульфат-иона [6].

Термодинамические характеристики процесса показали, что комплексообразование биополимеров с металлами контролируется только энтальпийной составляющей (ЛЯ° < 0, < 0) (табл. 2). Природа полисахаридной матрицы и противоион металла не оказывают значительного влияния на термодинамические характеристики процесса.

Изучение сорбционных свойств пектина и фар-макофорсодержащего пектина по отношению к ^(0) в составе CuSO4•5H2O и CuQ2•2H2O позволило оценить влияние фармакофора и противоиона в соли меди(П) на процесс сорбции. Установлено, что модификация пектина фармакофором не влияет на время

Спектральные характеристики комплексов

Таблица 1

Соединение УФ-спектр, Хшах, нм, (200-330 нм), Н2О УФ-спектр, Хшах, нм, (330-900 нм), Н2О ИК спектр (V), см-1 Внешний вид

П

П-С^О^НЮ П-СиСМНЮ

П-НК

П-НК-С^О^НЮ П-БК-СиСМНЮ

210

265

265

266

805

680

787

797

3314 (ОН), 1730 (СООН), 1144-1024 (С-О) 3374 (ОН), 1609 (СОО-), 1143-1019 (С-О) 3383 (ОН),

1611 (СОО-), 1152-1020 (С-О)

3374 (ОН), 1720-1710 (СООН), 1580 (Ру), 1170-1033 (С-О) 3356 (ОН),

1612 (СОО-), 1142-1017 (С-О)

3361 (ОН), 1615 (СОО-), 1151-1019(С-О)

бежевый порошок

светло-голубой порошок

темно-зеленый порошок

бежевый порошок

зеленый порошок зеленый порошок

ISSN 1998-4812_Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №1_61

Константы устойчивости комплексов Таблица 2

| Комплекс 1 T, K | Дк-10-4, л моль-1 AH°298, кДж/моль | AS°298, Дж/мольК AG°298, кДж/моль |

273 0.12±0.02

П-С^О^НЮ 298 0.06±0.01 -21.4±0.1 -16.9±0.1 -16.3±0.1

333 0.03±0.01

273 20±0.2

П-НК-С^О^НЮ 298 10±0.2 -21.5±0.1 -24.2±0.1 -28.8±0.1

333 5±0.1

273 0.2±0.01

П-CuCk -2H2O 298 0.02±0.01 -29.8±0.1 -11.6±0.1 -17.5±0.1

333 0.01±0.01

273 6±0.2

П-НК- CuCl2 -2H2O 298 3±0.2 -25.8±0,1 -19.6±0,1 -31.7±0,1

333 1±0.05

Таблица 3

Сорбция Си(11) из растворов солей меди(П) пектином и фармакофорсодержащим пектином_

Условия

Биополимер Концентрация Си2+, моль/л Температура, °С рН а, %

П-CuSO4•5H2O 10-1 20 7-7.5 92.3

П-НК-CuSO4•5H2O 10-1 0 7-7.5 85.0

П-СиС12 ^2H2O 10-1 20 7-7.5 94.3

П-НК-СиС12 ^2H2O 10-1 20 7-7.5 96.5

достижения равновесия, но незначительно уменьшает сорбционную емкость, что обусловлено уменьшением количества активных центров в ФП. Замена С^045Н20 на СиС122Н20 приводит к повышению сорбционной емкости для П и/или ФП на 2-11% и сокращению времени достижения равновесия.

Данные по сорбции Си(11) из растворов ее солей П и ФП приведены в табл. 3.

Таким образом, модифицирование пектина никотиновой кислотой позволяет улучшить равновесно-кинетические характеристики происходящих процессов: сократить время достижения равновесия при сохранении высокой сорбционной емкости. Конкурентный механизм сорбции катионов меди и протонов проходит по одинаковой схеме с участием карбоксильных групп сорбентов в анионной форме с образованием на сорбционных центрах металло-комплексов с хелатной структурой.

Выводы

1. Установлено, что при взаимодействии полиса-харидных матриц с катионами меди происходит образование комплексных соединений, состава 2:1. Введение органической компоненты повышает устойчивость металлокомплексов, тогда как замена сульфат-иона на хлорид-ион уменьшает данный параметр.

2. Комплексообразование биополимеров с металлами контролируется только энтальпийной составляющей (ЛН° < 0, Л5° < 0). Природа полисахаридной матрицы и противоион металла не оказывают значительного влияния на термодинамические характеристики процесса.

3. Модификация пектина фармакофором не приводит к изменению времени достижения равновесия, но незначительно уменьшает сорбционную емкость. В случае использования хлорида меди сорб-ционная способность П и/или ФП выше на 2-11% и равновесие достигается быстрее.

4. Изменения ИК-спектров металлокомплексов указывают на то, что во взаимодействии П и/или ФП с медью участвуют как кислородсодержащие функциональные группы основной цепи полисахарида, так и заместители введенной в биополимер органической низкомолекулярной компоненты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хотимченко Ю. С., Ермак И. М., Бедняк А. Е., Хасина Э. И., Кропотов А. В., Коленченко Е. А., Сергущенко И. С., Хотимченко М. Ю., Ковалев В. В. Фармакология некрахмальных полисахаридов // Вестник ДВО РАН. 2005. №1. С. 72-82.

2. Куковинец О. С., Мударисова Р. Х., Абдуллин М. И., Саги-това А. Ф. Особенности комплексообразования яблочного пектина, модифицированного никотиновой кислотой с ионами меди(11) // Вестник Башкирского университета. 2015. Т. 20. №4. С. 1201-1205.

3. Куковинец О. С., Мударисова Р. Х., Володина В. П., Тарасова А. В., Мокина А. З., Абдуллин М. И. Комплексообра-зование яблочного пектина с некоторыми азот- и кислородсодержащими органическими фармакофорами // Химия природных соединений. 2014. №1. С. 48-51.

4. Бек М., Надьпал И. Исследование комплексообразования новейшими методами. М.: Мир. 1989. 415 с.

5. Булатов И. П., Калинкин М. И. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия. 1986. 432 с.

6. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии: Справ. Изд. 7-е изд., перепечатка с издания 1989 г. М.: ИД «Альянс». 2007. 448 с.

Поступила в редакцию 03.03.2016 г.

THE IMPACT OF THE NATURE OF COUNTERION ON PROCESSES OF COMPLEXATION OF NATIVE AND PHARMACOPHORE-CONTAINING

PECTIN WITH COPPER (II)

© O. S. Kukovinets1, R. Kh. Mudarisova2*, M. I. Abdullin1, A. F. Sagitova1, T. Y. Degtyareva1

1Bashkir State University 100 Mingazhev St., 450017 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

2Ufa Institute of Chemistry, RAS 71 Octyabrya Ave., 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 228 62 65.

*Email: mudarisova@anrb.ru

It is found that the nature of the counterion (SO42- or Cl-) has little influence on the process of complexation of pectin or pharmacophor-containing of pectin with copper (II). Constant of stability slightly reduced the replacement of sulfate-ion on chloride-ion. Thermodynamic characteristics of reactions of formation of complex compounds have been identified. Complexation of biopolymers with metals is controlled only by enthalpy part. Sorption properties of native and pharmacophor-containing pectin in relation to ions of copper (II) have been studied. Sorption capacity of native and pharmacophore-containing pectin with respect to copper ions is increased by 2-11% and equilibration time decreases. It is shown that the main influence is provided by introduction of nicotinic acid in polysaccharide matrix, which increases the stability constant for 100 (CuCh) - 150 (CuSO4) times as compared with native pectin. This is due to a change in the surface properties of the biopolymer with the introduction of nicotinic acid. In this way, the influence of the nature of the counterion on the kinetics and thermodynamics of distribution of copper ions (II) in the heterophase system (polysaccharide sorbent-water solution) has been determined.

Keywords: counterion, complexation, apple pectin, pharmacophore, copper, stability constants, sorption.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Khotimchenko Yu. S., Ermak I. M., Bednyak A. E., Khasina E. I., Kropotov A. V., Kolenchenko E. A., Sergushchenko I. S., Khotimchenko M. Yu., Kovalev V. V. Vestnik DVO RAN. 2005. No. 1. Pp. 72-82.

2. Kukovinets O. S., Mudarisova R. Kh., Abdullin M. I., Sagitova A. F. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2015. Vol. 20. No. 4. Pp. 12011205.

3. Kukovinets O. S., Mudarisova R. Kh., Volodina V. P., Tarasova A. V., Mokina A. Z., Abdullin M. I. Khimiya prirodnykh soedinenii. 2014. No. 1. Pp. 48-51.

4. Bek M., Nad'pal I. Issledovanie kompleksoobrazovaniya noveishimi metodami [The study of the complexation by the latest methods]. Moscow: Mir. 1989.

5. Bulatov I. P., Kalinkin M. I. Prakticheskoe rukovodstvo po fotometricheskim metodam analiza [Practical guide to photometric methods of analysis]. Leningrad: Khimiya. 1986.

6. Lur'e Yu. Yu. Spravochnik po analiticheskoi khimii: Sprav. Izd. [Handbook of analytical chemistry: Ref. Ed.] 7 ed., perepechatka s iz-daniya 1989 g. Moscow: ID «Al'yans». 2007.

Received 03.03.2016.