Физико-химические процессы при неизопротермической сорбции ароматических и гетероциклических аминокислот анпонитами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На нравах рукописи

ХОХЛОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ НЕИНОТЕРМИЧЕСКОЙ СОРБЦИИ ЛРОМЛТПЧГ'ГГПл И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИIX АМИНОК11СЛОТ АНИОНИТЛМИ

Специальность 02.00,04-фкшчожая химия

А в ! о р е ф е р. а ! диесергапии на соискание ученой с шпени кандидата химических на\к

Воронеж 1997

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Воронежского государственного ун верситета.

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор СЕЛЕМЕНЕВ В.Ф. Научный консультант - кандидат химических наук, ст.н.с. ЗАГОРОДНИЙ А.А.

Официальные оппоненты -

доктор химических наук, профессор Котов В.В.;

доктор технических наук, профессор Перелыгин В.М.

Ведущая организация - Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева.

Защита состоится " " МАЯ_1997 г. в -Г5 час. на заседании диссертаци

онного совета Д 063.48.05 по химическим наукам при Воронежском государственном университете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская пл.,1, ВГУ, химический ф; культет, ауд. 459

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГУ. Автореферат разослан " ■{{ " АПРЕЛЯ_1997.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор химических наук,

профессор

В.Ф.СЕЛЕМЕНЕВ

актуальность проблемы. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом , с растворите-I и с фазой ионообменника различными способами , включающими одновременно 1ектростатические , гидрофобные и гидрофильные эффекты. Такое сочетание взаимо-1ствий , одни из которых имеют радиальный и неспецифический характер , а другие за-:ят от ориентации , создает в фазе ионообменника цслостные'систсмы, что может при-ппь к образованию фрагментов и слоев, которые изменяют свойства сорбента , моди-цируют его внутреннюю структуру. Известно, что на сорбцию аминокислот , а следованно, и на вышеуказанные процессы влияют рН среды, структура матрицы ионита, ха-стер его функциональных групп, изменение диэлектрических характеристик раствори-тя в процессе заполнения фазы ионита. В большинстве случаев изучались физико-мическис процессы сорбции аминокислот анионита.ми, насыщенными минеральными нами. Однако, в реальных условиях разделения цвиттерлитов наблюдается совместная збшгя двух и более аминокислот, результатом которой является переход ионообменни-т моно- в полияонную форму. Проистолягаке при этом процессы в системе высокоос-внын анионит-ароматическая аминокислота в литературе не описаны, но их знание яв-гтся крайне важным для разработки методов разделения смесей аминокислот. При их протекании возможны не только взаимодействия между функциональными уттпами аминокислоты и ионита (электростатическая составляющая взаимодействия) , и ион-дипольные взаимодействия между полярными группами сорбированных цвит-злнтов ( образование водородных и ван-дер-ваальсовских связей ) с участием молекул цы. Для количественной оценки этих взаимодействий необходимо знание термодина-¡ческих параметров процессов сорбции ( коэффициентов активности ионов в фазе ионо-менника, констант ионного обмена, свободной энергии сорбции).

Необходимо отметить, чго в ходе процесса сорбции происходит изменение кислотно-ковных свойств функциональных групп как сорбата, так и сорбента, характеризуемых личинами констант ионизации . Поэтому, изменяя константы ионизации аминокислот и нообменников при помощи внешних факторов . важнейшим из которых является тем-ратура, можно регулировать протекание сорбционкых процессов в исследуемых систе-

.x.

Роль температурных параметров, которые могут вносить определенный вклад в данные аимодействия , а следовательно, влиять на сорбционные процессы системе ионит-всда-[инокислота практически не изучена. Поэтому цель данной работы - исследование фи-ко-химнческих процессов, протекающих в системе аттогпгт-зода-аминокислота при зличных температурах н разработка на их оснозе ионообменных процессов выделе-¡я и разделения, осуществляемых без затрат вспомогательных реактивов или с суще-венно сниженным их количеством.

Работа выполнена по открытому плану на кафедре аналитической химии Воронежского сударственного университета в соответствии с координационными планами НИР АН Е> по проблеме "Хроматография" и теме 2.15.1!.4. "Разработка сорбционных способов ¡деления аминокислот и пептидов из микробиологического сырья и гидролизатов (1986-'90)"; по заказ-наряду Госкомитета по делам Высшей школы РФ "Физико-химические новы процессов взаимодействия биологически активных веществ с сорбентами "(1994-•96); по государственной программе РФ "Мембраны и мембранные процессы" в разделе Разработка новых комбинированных мембранно-сорбционных методов и других нетра-щионных методов очистки и концентрирования " и по теме "Разработка малоотходной амбранно-сорбционной технологии выделения индивидуальных аминокислот из их смен очистка и концентрирование различных амннокиспот'Х1996-1997)

Задачи работы:

1. Исследовать влияние температуры на процессы протолиза анионитов ароматических гетероциклических аминокислот с целью пргнозирования их свойств в ходе сорбции.

2. Определить термодинамические величины, характеризующие процессы в системе вь сокоосновный анионит - ароматическая аминокислота при различных температура (коэффициенты активности ионов в фазе ионообменника, термодинамические констант! и свободные энергии обмена) для количественного описания сорбционных процессов исследуемых системах.

3. Описать процессы, протекающие в ходе сорбции анионитами нескольких аминокисло при варьировании температуры.

4. Установить взаимосвязь между структурой аминокислот, их количеством и типом об разующихся ассоциатов аминокислот в фазе ионитов для различных температурных ре жимов.

5. Наметить пути практического использования температурных зависимостей равновес ных характеристик высокоосновных анионитов, ароматических и гетероциклически аминокислот для создания новых экологически чистых ионообменных процессов разде ления и выделения аминокислот.

Научная новизна.

1. На основании исследования влияния температуры на протолиз высокоосновных (АВ 17-2П, АВ-17-8) и низкоосновных (АН-31, АН-221, АН-251) анионитов , ароматически: (фенилаланин, тирозин) и гетероциклических (триптофан, гистидин) аминокислот уста новлено, что с ее увеличением данный процесс усиливается за счет одновременной дис социации как функциональных групп анионитов и аминокислот, так и за счет повышени диссоциации растворителя (воды). Показано антибатное влияние температуры на процес сы протолиза амино- и карбоксильных групп аминокислот за счет взаимного сопряжения по сравнению с подобными группами в монофункциональных соединениях.

2. Установлено влияние температуры на термодинамические параметры сорбции инди видуальных аминокислот анионитами (коэффициенты активности .свободные энергш сорбции),свидетельствующих о доминирующем вкладе ионного обмена при малых степе нях заполнения и о наличии ион-дипольных взаимодействий при больших степенях за полнения сорбента. Показано, что селективность сорбции однозарядных ионов амино кислот будет определяться изменением количества растворителя в фазе сорбента, а пр] поглощении полизарядных аминокислот доминирующим будет процесс их концентриро ваши! в ионообменнике , обусловленный разницей в зарядах обменивающихся ионов.

3. Устойчивая структура ассоциатов аминокислот обусловлена сочетанием ион-ионны; (связь между функциональными группами ионообменника и аминокислоты) , ион дипольными (образование водородных связей с участием молекул воды ) и диполь дипольных связей (взаимодействия между боковыми радикалами аминокислот). С увели чением температуры происходит изменение силы ион-дипольных и диполь-дипольны; взаимодействий, в то время как ионообменная составляющая меняется незначительно Впервые использованный фрактальный подход и метод граничного смачивания под тверждают механизм предложенных структурных изменений в фазе ионообменника пр1 сорбции в системе ионит-аминокислота. Показано, что на начальном этапе наблюдаете! образование зародыша фрактала в виде монослоя частиц аминокислоты в ионообменник! в фазе сорбента, затем происходит их структурная перестройка и дальнейший рост бе: изменения размерности (скейлинг)

4 Предложено термодинамическое описание процессов совместной сорбции нескольким

;шокислот (тирозин и триптофан) макропористым анионитом АВ-17-2П Показано ,что )бирующиеся ионы аминокислот взаимодействуют с фазой сорбента в виде ассоциатов юзин-триптофан. Результатом такого взаимодействия является нивелирование индиви-

шьных свойств сорбируемых аминокислот , проявляющееся в сближении термодина-ческих характеристик процессов сорбции каждой из аминокислот. В ходе сорбнии эисходит модификация поверхности сорбента тирозином с последущей сорбцией "на \ триптофана. Образование смешанных ассоциатов аминокислот обусловлено наличием лмодействий , подобных стэкинг-эффекту, основным из которых является ион-тольные взаимодействия между функциональными группами тирозина и триптофана. Практическая значимость.

лученные данные служат основой для создания принципиально новых отологических решений при выделении н разделении аминокислот из ферментаннон-х растворов, промывных и сточных вод пищевой и микробиологической промышлен-;ти, сельского хозяйства (положительное решение на авторское свидетельство N 13086'04(0247!0) от 2!.05.1992 "Способ безреагентного разделения смеси фештлалатш-и тирозина").

едложенные подходы к описанию сорбционных процессов позволяют прогнозировать ¡ультат сорбционных взаимодействий в системе ионит-аминокислота. Новый безреа-гтный способ разделения аминокислот, основанный на зависимости селективности по->щения анионитами от температуры применим для различных систем аминокислот гнилаланин-тирозин, тирозин-триптофан, гистидин-тирозин).

¡ультаты, представленные в работе, а также методы расчетов были использованы при ;тавлении методического пособия "Ионный обмен" (авторы-В.Ф.Селеменев,

О.Хохлов, Г.А.Чикин) к одноименному спецпрактикуму для студентов химического культета (Изд-во ВГУ, 1994 г.). На защиту выносятся:

Температурные зависимости процессов протолиза лнионитов различной структуры, зматических и гетероциклических аминокислот.

Новые эффекты межмолекулярных и ионных взаимодействий в процессах сорбции инокислот высскосновными анионитами при различных температурах с участием про-тодонорных и протоноакцепторных групп боковых радикалов цвиттерлитоз. Синергичеснн механизм образования гидратных структур смесей аминокислот в фазе пита за счет стэкинг-эффекта, решающий вклад в который вносят ион-дипольные вза-одействия боковых групп цвиттерлитов.

Физико-химическое обоснование и результаты нового способа безреагентного разде-шя смесей аминокислот, основанного на зависимости селективности их поглощения монетами от температуры и не требующего вспомогательных реактивов. Публикации.

о материалам диссертации опубликовано 15 работ. Имеется положительное решение о

даче авторского свидетельства. Апробация работы.

:зультаты работы доложены на Всесоюзной конференции "Применение хроматографии шщевой и микробиологической промышленности" (г.Геленджик, 1990), VII Всесоюз-й и VIII Всероссийской конференциях "Применение ионообменных материалов в про-гшленности и аналитической химии" (г.Воронеж, 1991,1996), 1-4 региональных конфе-зциях "Проблемы химии и химической технологии Центрального Черноземья РФ" ипецк,1993; Тамбов, 1994, 1996; Воронеж, 1995), 2 Международной научно-актичеекой конференции "Экология России" (Зеленая книга России Москва 1994). 2

Межгосударственной научно-практической конференции "Методы исследования, паспс тизации и переработки отходов" (г.Пенза, 1994), IV Международной научной конференц: "Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности" (г.Краснодар, 199' Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы окружающ среды" (г.Томск, 1995), Toxic Organic Compounds in the Environment "TOCOEN" (Cze Republic, 1993 and 1996), International Ecological Congress (Voronezh, 1996).

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, прило» ния. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 35 рисункс 17 таблиц и список литературы, включающий 182 наименования.

В первой главе работы приведен обзор и анализ имеющихся данных о процессе протекающих в системе ароматическая аминокислота-высокоосновный анионит и о вли нии температуры на процессы протолиза сорбентов, аминокислот и равновесие ионно обмена.

До настоящего времени были описаны лишь простые ионообменные системы, содерж щие одну аминокислоту и минеральный ион. Работы, описывающие обмен нескольк] ионов, неизвестны.

Влияние температуры на равновесие обмена на высокоосновных анионитах практ чески не изучено. Ранее были получены данные, свидетельствующие о значительном вс действии температуры на селективность поглощения минеральных ионов за счет ее вли ния на процессы ионизации сорбентов. В то же время систематических данных завис мости температурных эффектов от структуры анионитов и сорбируемых веществ практ чески нет.

Во второй главе представлены объекты и методы исследования, используемые в р боте. В связи с необходимостью изучить процессы сорбции ароматических амикокисл при различных рН и температуре, для исследования были выбраны сильноосновные м нефункциональные ионообменники гелевого (АВ-17-8) и макропористого (АВ-17-2П) т па, наиболее подходящие для этих целей по своим кислотно-основным и гигиенически свойствам. В качестве сорбатов были выбраны ароматические и гетероциклические ам нокислоты- фенилаланин, тирозин, триптофан и гистидин (табл.1)

Константы диссоциации аминокислот определяли методом ЭДС. По значениям, п лученным в ходе эксперимента, с помощью калибровочных графиков находили соотве ствующие значения рН и строили рабочие графики зависимости pH-lgC, которые обраб тывались на ЭВМ по методу наименьших квадратов. Экстраполяцией их на lgC=0 опр делялись значения рК для аминокислот. Для определения рК ионитов применяли мет< потенциометрического титрования по методу одной навески в статических условиях, к торый в ряде случае контролировался методом многих навесок. Для количественных ра четов результатов титрования

применялось уравнение Гендерсона-Хассельбаха. Кривые титрования полифункционал ных анионитов обсчитывались методом численного дифференцирования зависимое' pH=f(V), где V -объем добавленного титранта. Значение рН определялось из положен! максимумов функции. Сорбцию индивидуальных аминокислот и их смесей проводш динамическим способом. Содержание аминокислот в растворе определяли спектрофот метрически. При анализе смесей аминокислот пользовались уравнениями, опиа вающими влияние одной аминокислоты на аналитический сигнал другой.

Для изучения строения ионитов в разных ионных формах применялся метод ра тровой электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии. Исследования пров дились на приборах "Тесла-ВС-30" и "Specord-75IR" соответственно Разделение смес<

шокислот проводили в термостатируемой колонке, заполненной анионитом АВ-17-2П 'Н-форме.

В третьей главе излагаются результаты исследований констант ионизации аминокис-

ионитов и процессов сорбции исследуемых цвитгерлитов на анионитах при различие температурах.

Для описания процессов протолиза аминокислот в водных растворах целесообразно первом этапе рассмотреть влияние кислотности среды. Для этого представили возмож-е переходы в аминокислотах (а-фенилаланин, б-тирозин, триптофан) в виде следую-+ щей схемы: ,

А" А

ХдХ

а) А РК6 б) (1)

А А

где А, А±, А", А2" , А+ - нейтральная молекула, цвиггерион, однозарядный, двухза-щый анионы и катион аминокислоты соответственно.

Каждый переход, представленный на схеме, характеризуется определенной величий рК. Переходы /1/ и /2/ определяются константами протолиза карбоксильной и амино-■ттп соответственно. Переход /5/ катион-анион затруднен и осуществляется ступенчато зез цвиттерионную форму. Для фенилаланина подобные переходы Л/ и /2/ характери-отся значениями: рК] = 2,62; АО;= 14,69.' рКг = 9,30; ДБ; = 52,14. Переход/5/ мало-юятгн, поскольку величина рК5. характеризующая этот переход, составляет 11,92; :ргия Гиббса Д05= 66,83 кДж/моль. Повышение температуры приводит к усилению оцессов протолиза обеих функциональных групп, характеризуемых величинами рК| и ; (табл. 1).

Таблица 1. Физико-химические параметры процессов ионизации некоторых

аминокислот

Кмино- Функ. РК ДО, кДж/моль дн,. ТАБ,

сислота группа 293 К 313 К 333 К 293 К 313К 333 К кДж/ моль кДж/ моль

Глицин СООН 2.35 2.11 1.76 13.3 12.6 11.2 29.2 16.7

Ш2 9.60 8.40 8.01 54.1 50.3 51.0 78.4 26.5

Ренил- СООН 2.62 2.32 2.21 14.7 13.9 14.1 19.6 4.4

аланин лн2 9.30 8.22 7.19 52.1 49.2 45.8 100.8 32.9

СООН 2.25 2.05 1.94 12.6 12.3 12.4 14.8 2.4

'ирозин ш, 10.15 10.07 9.97 56.8 60.2 63.5 8.6 -5.2

Аг-ОН 9.15 8.98 8.83 51.4 53.7 56.2 15.3 -38.4

Трипто- СООН 2.41 2.33 2.30 13.5 14.0 14.7 14.22 3.3

фан мн2 9.42 9.37 9.34 52.8 56.1 59.5 3.00 -6.7

со 10.31 10.23 10.20 57.2 61.3 65.0 3.3 -6.1

СООН 1.80 1.53 1.46 10.1 9.2 9.3 16.3 6.7

Гисти- NH2 9.27 8.90 8.73 52.0 53.2 55.6 25.8 -27.8

дин N+H 5.94 5.88 5.81 33.3 35.2 37.0 6.0 -28.9 NH 10.93 10.88 10.82 61.2 65.1 68.9 5.26 -59.8

Наличие ароматического кольца в молекуле фенилаланина приводит к увеличени электронной плотности на атоме азота аминогруппы. Это облегчает их протонирование увеличением температуры. При рассмотрении протолиза аминокислот с протоноа] тивными группами в боковом радикале цикл частных состояний более сложен; цикл моя но представить аналогичным образом.

Установлено, что падение рК ионизации аминокислот в интервале температур от 25 до 313 К выражено более ярко, чем в интервале от 313 до 333 К (табл. 1). Показано, чт повышение температуры в общем случае ведет к увеличению констант протолиза как ка] боксильных, так и аминогрупп. Однако, температурный эффект более ярко проявляете для аминогрупп, причем степень проявления температурного фактора зависит от структ; ры бокового радикала. Увеличение констант ионизации при повышении температуры б; дет приводить к изменению областей существования каждой ионной формы аминокислс (рис. 1). Варьируя температуру, можно понижать или повышать содержание различны ионных форм аминокислот в растворе.

Рис. 1. Диаграмма равновесий в растворах фенилаланина: Т =293 К (1), Т=333 К (2).

Полученные зависимости рК = f(l/T) аппроксимируются прямыми . Из чего следует что для исследуемых аминокислот ДН и AS являются постоянными величинами в данно: интервале температур, отклонение не превышает 15%.

Необходимо отметить, что установленные закономерности подтверждают вышепри веденные рассуждения и наличии сопряжения между протонодонорным (СООН) и протс ноакцепторным (NH2) центрами аминокислот. Последнее приводит к тому, что энергети ческЪе состояние карбоксильной группы приблизительно одинаково для всех рассматри ваемых аминокислот и влияние температуры на их диссоциацию мало.

В процессе ионизации происходит не только протонирование или депротонирова ние функциональных групп аминокислоты, но и взаимодействие с растворителем-водой следствием чего является гидратация молекул аминокислот в водных растворах. Данно предположение подтверждается значениями TAS; для молекул с гидрофобными боковым! радикалами (фенилаланин) AS>0, что говорит о гидрофобной гидратации этих амино кислот, взаимодействие гидрофильного радикала с растворителем (тирозин, гистидин) ха растеризуется отрицательной величиной AS, свидетельствующей об их значительной гид ратации.

Следующим шагом было исследование протолиза анионитов при различных темпе ратурах. Представленные в табл.2 данные свидетельствуют о различной степени протони

I--1-. bfS-J-^--(.--i)—>——!---1--н-

1 2 3 4 5 6 7 8 3 10 11 12 13 14

1 2

1вания функциональных групп в высокоосновных и низкоосновных анионитах.С увели-нием температуры происходит уменьшение величины рК. Интересно отметить, что поденные зависимости рК=ф/Т) аппроксимируются прямыми, из чего следует, что знания АН и ТДЭ постоянны в рассматриваемом интервале температур, отклонение не пре-

шает 10%. __________________________ _ ____________________... _____ ____ _____

Исходя из полученных результатов, можно утверждать о сильной гидратации вто-[чных и третичных аминогрупп (ДБ<0). Ионогенные группы, принадлежащие гелевой тке анионпта АН-31, имеют возможности взаимодействовать с водой, изменять свою «фигурацию и гидратироваться при переходе в ионизированное состояние. Для макро-»ристых сорбентов характерна гидратация с положительным изменением величины ДБ, о связано с их более жесткой структурой, которая не допускает растяжения элементар-.1.x цепей ионитов при ионизации. Кроме того, можно предположить, что гидрофобные аимодействия в стиролдивинилбензольных матрицах АН-221 и АН-251 затрудняют дратацию поногепньтх групп и противоиснов.

Таблица 2. Значения параметров протонированпя анионитов

Ионит рК Ш, кДж/моль ДН, кДж/ моль ТДБ кДж/ моль

293 К 313 К 333 К 293 К 313К 333 к

1Н-31 -N11- 8.40 6.30 8.00 6.05 7.45 5.80 47.1 35.3 47.9 36.3 47.4 37.0 44.1 -3.4 -12.9

.Н-221-МН,| 6.52 " I =N11 ! 2.61 1 5.80 2.30 5.25 1 36.6 | о ° : л л ¿АО ! 1 34.8 13.8 33.5 ! 2.9 59.4 | 24.5 27.1 | 13.3

АН-251 ! ■(О4-' СН-З ! 4.77 4.48 4.10 . 26.8 26.9 26.1 1 ^ 31.2 | 4.5 1

1В-17-2П -1\+(СН3)3 1.73 1.68 1.64 9.19 10.1 11.0 4.30 -7.2

АВ-17-8-Ы+(СН3)з 1.71 1.68 1.60 10.09 10.06 10.70 2.87 -5.6

Аналогично низкоосновным аналогам, функциональные группы и матрица АВ-17-2П 1кже взаимодействуют с растворителем, причем это взаимодействие идет более интен-¡вно (большее значение ДБ).

При расчете рК в исследуемом температурном интервале было показано, что изменив этой величины не выходит за ошибку определения рК, составляющую 0,05 ед.рК. анный факт свидетельствует о том, что температура практически не оказывает влияния 1 процесс ионизации высокоосновных анионитов. Это утверждение полностью справед-!во и для гелевого аналога АВ-17-8.

Основываясь на полученных данных по протолизу ионитов и аминокислот при пличных температурах , можно утверждать, что использование высокоосновных анио-

нитов в процессах разделения подобных "сиротерм"-процессу практически невозможь из-за малого влияния температуры на величину их константы ионизации . Однако, учил вал ее значительное влияние на диссоциацию карбоксильных и особенно аминогрупп исседуемых аминокислотах можно ожидать изменения селективности поглощения сорб; тов ионообменниками . Данное явление было положено в основу создания методов разд ления смеси аминокислот.

С учетом данных по протолгау аминокислот и ионитов, можно предсказать и ош сать протекание сорбционных процессов в системе ионит-аминокислота при различны температурах. На первом этапе была изучена сорбция индивидуальных аминокислот в bi де анионов (рН=11,0) анионитом АВ-17-2П в ОН-форме в динамических условиях при 1 = 293 К и Т2 = 333 К.

На рис.2 представлены изотермы сорбции в системе аминокислота-анионит при 29 К. Изотерма сорбции фенилаланина имеет обычный вид выпуклой кривой, что свидетел! ствует о протекании лишь одного процесса ионного обмена. Для других аминокисло представленного ряда цвиттерлитов изотерма сорбции имеет сложный вид, что свид< тельствует о наличии нескольких процессов, протекающих в системе: ионного обмен: специфических взаимодействий сорбата с элементами матрицы смолы и сорбат сорбатных взаимодействий.

При расчете термодинамических параметров процесса ионного обмена наибольшуг трудность вызывает определение коэффициентов активности ионов в фазе ионообменни ка. Обмен аминокислоты на гидроксид-ион необходимо рассматривать как процесс, иа> щий с участием трех компонентов, одним из которых является растворитель.

Содержание растворителя и его активность в фазе анионитов по мере насыщения ор ганическим противоионом уменьшается. Причем, данный процесс усиливается с повыше нием температуры, что наиболее сильно сказывается на дегидратации фазы гелевоп анионита АВ-17-8 по сравнению с макропористым АВ-17-2П.

1.6 -

1.2-

0.8 J

0.4 Н

0.4 0.8 1.2 С * 10 моль/л 0.2 0.6 X

Рис. 2. Изотермы сорбции аминокислот Рис. 3. Зависимость влагопоглощения на анионите АВ-17-2П в ОН-форме при 0,2) и активности воды (Г, 2'), от степени температуре 293К; 1- фенилаланин, 2- заполнения анионитов АВ-17-2П (1, 1') и триптофан, 3- гистидин, 4- тирозин. АВ-17-8 (2, 2') фенилаланином.

Наряду с дегидратацией фазы сорбента происходит вытеснение ОН-ионов из фазы ионита, что обусловливает уменьшение его коэффициента активности. Изменение коэффициента активности аминокислот в ионите зависит не только от соотношения ттротиво-

онов в фазе сорбента, но и от содержания растворителя и его активности в анионите. ри рассмотрении обмена в системе минеральный ион (ОН)- органический ион минокислота) можно полагать, что вклады различных факторов ( собственно ионный □мен, концентрирование вещества в ионите , влияние растворителя ) в изменение коэф-ициента активности сорбата будут "независимыми" , т.е. на каждом этапе сорбции опре-елягощий вклад будет вносить один из них , при минимальном вкладе остальных. Поэтому величину можно рассматривать как совокупность трех термов: Inf +1п4 +ln f,v (2)

1

1п1Ха = -ZA -Хон ■ КАон~ ZA • J In КАон ' dXA (3)

х4

7= С?й dC0 In fp =ZA -=-9-=— (4)

-sr ¿1 'Li Т ЛПTT Lnri

— dW

In fw = ZA 'Xoh • -=— • In äw + ZA (Ww-W3)- In äw (5) dXA

1Ктивности фенилаланина (1,2) и ОН-ионов Г, 2') от степени заполнения анионитов \В-17-2П(1,Г) и АВ-17-8(2,2')

Рис. 5. Зависимость изменения энергии Гиббса процесса обмена от степени заполнения анионитов АВ-17-2П (1) и АВ-17-8 (2) аминокислотой.

Причем, при обмене равнозарядньтх ионов, второй терм (4) равен нулю. Тогда на ве-пчину коэффициента активности иона фенилаланина влияет собственно ионный обмен герм 3), и фактор, учитывающий влияние растворителя (терм 5). При степенях заполнена сорбента до =0,6Х решающий вклад в селективное поглощение иона аминокислоты казывает собственно ионный обмен. Представляет интерес, что влияние растворителя на збирательность при рассматриваемых степенях заполнения весьма ограничено, так как о значениям терма величины коэффициентов активности воды близки к 1. С увеличени-м степени заполнения ионитов аминокислотой пооисхолит вытеснение воды из 4азы

1_1

смолы, что уменьшает значение величины а следовательно, и коэффициента активности фенилаланина в ионитах. Причем, данный процесс вносит все более значительны! вклад в изменение селективности при поглощении однозарядных ионов.

Используя коэффициенты активности ионов, были рассчитаны величины дифференциальных энергий Гиббса, которые приведены на рис.5. Наблюдаемые увеличения величины Дв для гелевого анионита связаны со ступенчатым заполнением фазы ионообмен-ника ионами аминокислоты. При X > 0,6 наблюдается спад в абсолютных значениях ДО, так как органические ионы экранируют часть активных групп анионита. Для макропористого анионита АВ-17-2П низкие значения Дв по сравнению с гелевым АВ-17-8 при малых X свидетельствуют о предпочтительном заполнении плотных гелевых участков данногс ионита, экранирование активных групп в которых происходит раньше (по сравнению с гелевым аналогом) в связи с их большей плотностью. В последующем происходит обмен аминокислоты на поверхности макропор, что приводит к росту абсолютного значения энергии Гиббса после X > 0,4.

Установленная закономерность сохраняется и при повышенных температурах (333 К), причем резкого уменьшения коэффициента активности здесь не происходит, а наблюдается плавный спуск на кривых. Это свидетельствует о том, что механизм сорбции аминокислоты остается неизменным, а меняется лишь интенсивность взаимодействия в системе ионит-вода-аминокислота.

Следующим шагом явилось изучение взаимодействий между высокоосновным анио-нитом и аминокислотами, имеющими более сложное строение бокового радикала (тирозин, гистидин, триптофан) при различных температурах.

Рис. 6. Изменение коэффициентов активности сорбируемых ионов аминокислот в зависимости от состава ионита при 293 К (а) и 333 К (б). 1 - тирозин, 2 - триптофан, 3 - гистидин, 3' - расчет коэффициента активности проведен с учетом изменения активности воды.

При малых степенях заполнения ионный обмен 211-ОН" +А2'' ■> Лг-А2" +20Н" протекает в основном на гелевых участках смолы. Количество частиц аминокислоты в фазе сорбента возрастает (от 0,1 до 0,5 моль/кг воды) и увеличиваются их коэффициенты активности. В дальнейшем, процесс сорбции протекает в основном на макропорах, при этом происходит структурирование - упорядочивание расположения частиц А1 относительно друг друга и функциональных групп смолы, что вызывает уменьшение коэффициентов активности . Интересно отметить, что в смоле, находящейся в смешанной форме ОН -А2" (X

0,5; рис. 6), коэффициенты активности аминокислот выше, чем в смоле, находящейся в истой аминокислотной форме (полностью прошедшей ионный обмен, X = 1).

Это объясняется тем, что в ионите, находящемся в моноионной аминокислотной

орме, практически нет несвязанных частиц, которые были бы способны к дополнитель-ым взаимодействиям. С увеличением температуры количество сорбированного тирозина меньшается, а триптофана увеличивается. Причиной этого является изменение кислотно-сновных свойств функциональных групп боковых радикалов аминокислот. Общий вид олученных зависимостей аналогичен системе фенлаланин-высокосновный анионит . Следовательно, ход сорбцнонных процессов будет практически одинаковым , но изме-ится их интенсивность.

Необходимо отметить, что при описании ионообменных равновесий, т.е. процессов, траженных изотермами сорбции (образование и рост зародышей кристаллов ами-окислот, изменения их структуры в процессе роста и т.д.), можно применить два подхо-а: геометрический (теория фракталов) и термодинамический. В данной работе впервые редпрштята попытка пока на эмпирическом уровне применить теорию фракталов к опи-аниго процессов сорбции аминокислот ионитами.

Результаты эксперимента, представленные в виде изотерм сорбции, позволяют про-ледить изменение плотности числа сорбированных частиц по мере возрастания концент-ащш внешнего раствора. Для аминокислоты, имеющей минимальный боковой радикал фенилаланин), изотерма (рис. 2) не имеет перегибов, что свидетельствует об отсутствии ильных взаимодействий между анионами данной аминокислоты и матрицей ионита. В вязи с этим, фрактал фенилаланина при росте не испытывает стерических и энергетических затруднений (рис. 7).

Рис.7. Влияние площади поверхности 3, А" ' на количество сорбата в ионите /1й С; .мг-экв/г/ в зависимости от степени заполнения X аниони-та АВ-17-2П /а, б, в, г, д, е, ж, з - степень заполнения X равна 0,05; 0.1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 0,9 соответственно. 1-7 - глицин, лизин, глута-миновая кислота, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин /,

1.8 1.9 2.0 '93

X < 0.2 0.2<Х < 0,6 Х>0,6 Э=1,54±0,1 Б^ош 0=2..65±0,1 С усложнением бокового радикала на изотерме можно выделить три участка. Первый шлейный участок изотермы свидетельствует оо образовании монослоя частиц аминокислоты в фазе сорбента, причем с усложнением бокового радикала процесс сорбции являет-:я более селективным ( подъем на начальном участке изотермы). Данный слой молекул твиттсрлита , фиксированных на ионогенных группах анионита , является зародышем образующегося фрактала аминокислоты . Эта закономерность прослеживается как для ароматических , так и для гетероциклических аминокислот. Дальнейшее возрастание кон-

центрации внешнего раствора приводит к изменению вида изотерм. Причем, с усложнением бокового радикала перегиб изотерм для ароматических и гетероциклических аминокислот становится более выраженным. На данном участке происходит структурная перестройка образовавшегося фрактала и его дальнейший рост без изменения фрактальной размерности. Данное явление (скейлинг) характеризуется воспроизводством элементарного звена, причем его геометрические параметры увеличиваются, а размерность остается постоянной.

Последующее увеличение концентрации внешнего раствора приводит к росту количества тирозина, триптофана и гистидина фазе ионообменника. При этом наблюдается сверхэквивалентная сорбция тирозина и триптофана за счет возникновения водородных связей в системе сорбат-сорбат. Можно полагать, что образование сорбат-сорбатных комплексов в макропористом ионите в области больших концентраций будет сопровождаться заполнением объемных полостей и макропор. Следовательно, фракталы аминокислот имеют в рассматриваемом случае объемную структуру, хотя и не совсем однородную из-за флуктуаЦий в размерах макропор сорбента.

С увеличением температуры основные закономерности роста фракталов данных аминокислот будут, в основном, сохраняться. Индивидуальные особенности их формирования будут определяться, вероятно, изменением кислотно-основных свойств функциональных групп, а также количеством растворителя в фазе ионообменника.

Уменьшение содержания воды в ионитах может быть также объяснено с точки зрения "гидрофобного связывания" при взаимодействии боковых радикалов аминокислот. Неполярные боковые аминокислотные радикалы, такие, как бензил в фенилаланине, не обладают сродством к молекулам воды и поэтому стремятся выйти из контакта с нею, сблизиться друг с другом и образовать ряд областей "гидрофобного связывания". Закрепление анионов аминокислоты происходит за счет электростатического взаимодействия фиксированная группа-депротонированная карбоксильная группа, причем предпочтительнее ионообменная фиксация на ближайших функциональных группах одной полимерной цепи для реализации процесса "гидрофобного связывания" (рис. 8).

Рис.8. Механизм закрепления фенилаланин в фазе ионита. Очевидно, что рассматриваемые процессы могут реализоваться при достаточно высокой концентрации функциональных групп, что имеет место в гелевых участках смолы. Реализации в ионите структур, аналогичных полиаминокислотам, препятствуют стериче-ские затруднения, что и проявляется в виде неполного (рис. 2) использования емкости. При повышении температур возможна реализация дополнительных конформационных изменений в системе, что проявляется в большей степени заполнения ионита фенилала-нином.

1:1-Д;Е;1 33(0; 3356;

ЗШ; 5520 см"1.

В работе предпринята попытка количественно описать процесс взаимодействия в рехкомпонентной системе Тир - Тр - ОН (анионит АВ-17-2П). В рассматриваемой систе-[е возможно протекание следующих процессов:

2 Я- ОН" + Тир = 2 Л- ОН- - Тр2" 1*2- Тир2' + Тр2- ±

Я2- Тр"" + Тир"" —

: К2- Тир + 2 ОН"

Я2-Тр2" + 2 ОН" • Я2- Тр2- + Тир2'

: Я2 - Тир2" + Тр2"

н2о±

Н20

(6)

(7)

(8). (9)

(10)

Процессы ( 6) и (7 ) являются основными, так как обмен минерального иона на ор-анический более селективен, чем обмен органических ионов. Для учета неидеальности введения обменивающихся ионов и получения термодинамических характеристик провеса необходимо учитывать коэффициенты активности ионов в фазе сорбента. Расчет ко-ффициентов активности в трехкомпонентной системе ОН - Тир - Тр (анионит АВ-17-2П) ропзводплся по константам псевдобинарных обменов 211-ОН" +А2'* >И2- А2" -^ОН".

В процессе сорбции происходит перераспределение растворителя между фазой сор-ента и внешнего раствора. Это вызывает изменение активности воды внутри ионита. Од-ако, в рассматриваемой системе при большом количестве воды на начальной стадии роцесса сорбции (1,62 г Н20/г а.с.с.) изменение его в ходе сорбции незначительно: вы-есняется лишь 6 % воды от начального ее содержания, т.е. состояние ионита близко к редельно набухшему, поэтому можно предположить, что активность воды в фазе сорбен-а практически не изменяется. Исходя из вышеизложенного, можно предполагать, что асчет коэффициентов активности ионов в фазе сорбента можно вести без учета перерас-ределения растворителя, приняв его активность постоянной.

Коэффициенты активности всех ионов имеют большие величины (рис. 9). На вели-ину коэффициента активности влияют два процесса: 1 концентрирование веществ?, в фз-е ионита, что приводит к возрастанию коэффициентов активности; 2)возможнссть обра-ования ассоциатов, что ведет к снижению величины коэффициента активности. Однако, ревалирование первой из этих причин объясняет полученные значения коэффициентов ктивности. Кроме того, сложные органические объекты, к которым относятся рассматри-аемые аминокислоты, особенно их ассопиаты, способны к многоцентровым ззаимодей твиям, что приводит к большей их селективности.

-ДС кДж

0.1 0 2 0 3 0.4 0 5 0.6 X

Рис. 9. Зависимость коэффициентов активности обменивающихся ионов от состава анионита АВ-17-2П: 1-Тр2", 2-Тир2", 3-ОН".

0.2 0.3 0.4 X Рис. 10. Изменение энергии Гиббса при сорбции смеси тирозин-триптофан в зависимости от состава ионита:АВ-17-2П 1 - Тр2", 2 - Тир2"

2

Используя коэффициенты активности ионов в растворе и сорбенте, рассчитаны тер модинамические константы и свободная энергия процесса сорбции (рис. 10). Зависимост1 коэффициентов активности от степени заполнения представлены на рис.9. Характер из менения коэффициентов активности от степени заполнения всех ионов одинаков. Пред ставленные зависимости можно интерпретировать аналогично двухкомпонентной систе ме. 'Одинаковый ход зависимости £ может свидетельствовать об идентичности ме ханизмов сорбции.

Можно утверждать, что при сорбции смеси аминокислот суммарный эффект процеС' сов (6) и (9) больше, чем процессов (7) и (8), что обусловливает большее количество сорбированного тирозина, чем триптофана. При рассмотрении одновременной сорбци* нескольких органических ионов , в отличие от системы " неорганический ион - аминокислота " необходимо учитывать взаимное влияние сорбируемых ионов аминокислот . Полученные данные (табл. 3) свидетельствуют о сильном взаимном влиянии сорбирующихся ионов тирозина и триптофана, т.е. в данной системе наблюдается явление "синергизма"-усиление процессов сорбции одной из аминокислот (тирозин) за счет другой (триптофан).

Таблица 3. Вклад различных термов в величину коэффициента

активности обменивающихся ионов

Ионный обмен ОН' + Тир2" Ионный обмен ОН' + Тр2' Концентрационный член

х21пЙ.?-|1пЙ.^с1х2 fdC0 J cz

OH'(f! 1.413 1.711 1.210 2.477 3.483 3.899 1.332 1.336 1.329 1.858 1.870 2.464 2.34 2.13 2.17 2.22 2.24 2.24

Собственно ионный обмен ОН" + Тир2' Влияние третьего иона СТр»") Концентрационный член

-(1 - х2) 1п -1пЙ?с1х2 х31пЙ?-/1пЙ?с1хз 'it

Тир2' (23 4.311 3.785 2.468 3.516 4.543 5.011 1.332 1.336 1.329 1.858 1.870 2.500 2.34 2.13 2.17 2.22 2.24 2.24

Собственно ионный обмен ОН" + Тр2' Влияние третьего иона (Т ир2") Концентрационный член

-(1-х3)1пЙ? -~/1пЙ? с1х3 х21п Щ- _[1пЙ?с1х2 f dC0 J cz

' 3.578 0.413 2.34

_16_

3.274 1.678 2.13

Тр2" (3) 3.101 1.270 2.17

2.722 0.843 2.22

2.920 0.757 2.24

2.415 0.561 2.24

Используя коэффициенты активности ионов в растворе и сорбенте, рассчитаны тер-:одинамические константы и совбодная энергия процесса сорбции (рис. 10).

Необходимо отметить, что эти величины близки для тирозина и триптофана, что го-орит о том, что а смеси аминокислот происходит нивелирование индивидуальных осо-енностей цвиттерлитов за счет значительного взаимного влияния.

Проведенный анализ спектрограмм позволил представить схемы взаимодействия минокислот с ионообменником с учетом воды в фазе ионита. С увеличением температу-ы на ИК-спектрах образцов ионшов, насыщенных аминокислотами, наблюдается увели-ение интенсивности пиков и их смещение в область меньших волновых чисел, что сви-.етельствуст об упрочнении связей а ассоциагах аминокислоты. С Обличением темпера-уры наблюдается разрыхление структуры воды, что приводит к увеличению "свободных вязей". Установлено, что наибольший вклад при образовании комплексов аминокислот в )азе сорбента играет ассоциация по карбоксильным группам (наибольшее смещение ), в о время как все остальные взаимодействия являются приблизительно равноценными.

Таблица 4. Некоторые параметры связей в системе "анионит АВ-17-2П в

триптофановой форме-тирозин"

Связь т V Ду Ен -АН Кц - '.Кои К он Лгон

к см"' см" кДж/ моль кДж/ моль см"" см': А А

(СН,;ь Н".. , 293 3611 64 4.55 10.84 0.60 12.4 2.83 0.003

Н;0. . .СОО" 333 3620 55 3.91 10.05 0.51 12.4 2.83 0.003

293 3343 332 23.60 24.69 3.11 10.2 2.76 0.018

333 3367 308 33.27 29.32 4.38 9.10 2.73 0.025

АгО". . . Н-ОН . 293 ' - - - -

.. К7СН,)-, 333 3207 468 79.69 45.68 10.63 3.71 2.58 0.06

СОО'. .. Н-ОН 293 2539 1136 31.71 45.38 10.49 3.83 2.59 0.059

333 2554 1121 31.35 28.62 4.17 9.28 2.74 0.059

293 3229 446 26.66 28.46 4.13 9.32 2.74 0.024

333 3234 441 26.16 26.24 3.51 9.85 2.75 0.023

N42 . .. ОН2 293 3300 375 21.40 26.00 3.44 9.91 2.76 0.020

333 3307 368 20.97 23.51 2.82 10.5 2.77 0.016

293 3374 301 19.34 23.28 2.76 10.6 2.77 0.016

-мн... он2 333 3380 295 18.34 22.35 2.54 10.7 2.78 0.014

Н;0 . . . Н20 293 3403 272 21.90 21.77. 2.41 10.8 2.78 0.014

333 3417 258 21.39 23.79 2.88 10.4 2.77 0.016

Рассчитаны некоторые параметры водородных мостиков в системе сорбат-сорбент. Анализ полученных данных (табл. 4) показывает, что величина смещения зависит не олько от природы донора и акцептора протона, расстояния между ними, длины кова-[ентных связей, но и от температуры. Поскольку с увеличением температуры количество юды, участвующей в образовании связей, уменьшается, а степень ионизации функцио-

нальных групп ионита и аминокислот увеличивается, то происходит перераспределение большего заряда на меньшее количество связей. За счет этого происходит увеличение плотности заряда, приходящейся на каждую связь. Следствием этого и является усиление силы связи с ростом температуры в вышеупомянутых системах. Учитывая количество воды, находящейся в сорбенте, можно предположить следующую схему взаимодействия тирозина и триптофана с анионитом АВ-17-2П (рис. 11).

Можно предполагать, что процесс взаимодействия в трехкомпонентной системе будет обусловлен как электростатическим взаимодействием между функциональными группами смолы и аминокислоты, так и водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Следовательно, можно утверждать, что селективность поглощения ароматических аминокислот определяется, главным образом, строением их бокового радикала, способного к проявлению как ион-ионных (ионообменная составляющая процесса), так и ион-дипольных взаимодействий (необменная составляющая процесса сорбции). Данное многообразие взаимодействий носит название "стэкинг"-эффекта и будет определяться частичным наложением взаимодействий между ароматическими и гетероциклическими ядрами исследуемых аминокислот , их карбоксильными и аминогруппами. Данные взаимодействия подтверждаются ИК-спектроскопии.

Рис. 11. Схема взаимодействия ассоциата аминокислот с ионообменником.

,гнг си -¿^"Л-ггн X" Мг*

7 к

^тк^ Г "уА'^1 " ;<

н м

..Четвертая глава посвящена разработке метода безреагентного разделения смесей ароматических аминокислот на высокоосновных анионитах при различных температурах .

Колоночный процесс проводят на ионите в термостатируемой колонне, через которую непрерывно пропускают рабочий раствор смеси аминокислот, периодически изменяя температурный режим. Значения температуры различаются не менее чем на 20'С и лежат в интервале, ограниченном снизу температурой замерзания раствора, сверху температурой разложения компонентов. Сорбент насыщают аминокислотами из раствора, содержащего их смесь, при первом значении температуры (Т]), затем продолжают пропускание того же раствора при втором значении температуры (Т2) и элюат обогащается одной или несколькими из присутствующих в растворе аминокислот. После этого процесс повторяют, пропуская раствор при втором значении температуры. В результате, на выходе получают две фракции, имеющие различное соотношение объемов концентраций аминокислот, причем, варьируя соотношение объемов собранным при различных температурах фракций, достигается увеличение степени очистки одного из компонентов Процесс может быть органи-

юван как одно-, так и многоступенчато, причем в качестве различных ступеней мо-уг быть использованы как другие колонки, так одна и та же колонка.

Сорбция рассматриваемых аминокислот на макропористом анионите характеризуется большими константами обмена и коэффициентами диффузии, в результате ¡его достигаются большие значения эффективной скорости концентрирования.

С увеличением температуры полученная зависимость для исследуемых ионитов юхраняется, кинетическая составляющая увеличивается для макропористого сорбента сильнее, чем для гелевого, хотя с ростом температуры происходит обращение се-тектив'ности сорбции. Можно утверждать, что первый будет вносить больший вклад 5 скорость концентрирования, а, следовательно, и в эффективность разделения.

Технологическая схема, приведенная на рис. 12, является принципиальной. В зависимости от того, какие аминокислоты предполагается разделять и каковы требо-зания к продуктам, возможны схемы с различным количеством ступеней, различным эбъемом собираемых фракций, различными составами выходящих из колонн потоков. Следует отметить, что нет принципиальных ограничений для увеличения числа /гупеней. Следовательно, нет ограничений для увеличения степени концешрирова-и1я и очистки.

Наряду с экономичностью важным критерием, который необходимо учитывать три разработке методов разделения, является экологичность. Применительно к про-дессу выделения и разделения аминокислот, приняв за целевую аминокислоту цвит-герлит с большей концентрацией, а за примесь - с меньшей, можно рассчитать количество циклов разделения, необходимых для понижения концентрации примеси в змеей до уровня ПДК. Тогда

п - V (1!)

£ ПДК,

:де С, - исходное количество вещества, С,-^ - масса вещества оставшегося в растворе в каждом последующем цикле разделения. Очистку проводят до тех пор, пока не будет ^,+1 <ПДК. Проиллюстрируем сказанное выше на примере разделения двух близких то свойствам аминокислот - фенилаланина и тирозина. Выбранное соотношение 1:2 в модельном растворе приблизительно равно их соотношению в ферментационных и <ультуральных смесях. Выбрав для удобства расчетов за основной продукт фенила-ташш, а за примесь тирозин и приняв ПДКтир = 10 •4 моль/л, мы имеем: в течение I-~о цикла концентрация тирозина уменьшается в 1.6 раза, т.е Сисхтир = 0,4 г/л = 2,2-Ю-3 моль/л ; Сисхфен = 1 г/л - 6,МО"3 моль/л. В течение 1-го цикла концентрация тирозина уменьшается в 1,6 раза, т.е Ск: = 1,4 10"3 моль/л. За 2 и последующие никлы его концентрация уменьшается приблизительно в 1,4 раза: С+2 = 9Т0"4 моль/л ; С|Тз = 7-Ю"4 моль/л; См = 5Т0-4 моль/л и т.д. (рис. 13). Таким образом, чтобы достичь уровня ПДК при отделении тирозина от фенилаланина, необходимо провести 6 циклов разделения. Аналогичным образом снижается количество циклов, необходимых для разделения по другим примерам и для других аминокислот . Важно отметить, что вышеуказанные рассуждения относятся лишь к безреагентным методам разделения веществ, основанным на температурных эффектах, поскольку они не учитывают изменения количеств вспомогательных реагентов, необходимых для прове-тсния классических ионообменных разделения. Отсутствие этих реагентов является эчень важным достоинством при экологической оценке методов безреагентного раз-целения.

с.«/- I

м

0.5

га'

-I К

■">• и

i м-

V—-х

II--Г _' - _I .-1— ■ ■ ........ . -

. я.5 о

^^' ' ' ''

Рис. 12.Принципиальная технологическая схема процесса безреагентиого разделения смесей аминокислот (на примере разделения тирозина (пунктир) и фенилаланина (сплошная линия)).

ВЫВОДЫ

1 .Установлена зависимость ионизации высокоосновных (АВ-17-2П, АВ-17-8) и низкоосновных (АН-31, АН-221, АН-251) анионитов от типа функциональных групп и температуры. Показано, что процесс протолиза протекает в следующей последовательности: в первую очередь ему подвергаются четвертичные и третичные амины, затем - вторичные амины и азот пиридинового кольца, последними - первичные амины. Установлено, что данный процесс имеет ярко выраженный энтальпийный характер. В процессе ионизации высокоосновных анионитов доминирующим является взаимодействие функциональных групп сорбента с растворителем, а не процесс про-тонирования, что подтверждается значениями энтропии и энтальпии процесса. В случае низкоосновных ионообменников основным является процесс присоединения протона при малом взаимодействии с растворителем. С увеличением температуры термодинамические характеристики протолиза остаются постоянными, что свидетельствует о неизменности механизмов протонирования исследуемых ионитов. 2. Показано, что в процессе ионизации цвиттерлитов происходит изменение гидрат-ных структур молекул аминокислот в водных растворах. Данное предположение подтверждается значениями энтропии гидратации. Для молекул с неполярными боковыми радикалами (фенилаланин) Д8>0 , что говорит о гидрофобной гидратации. Взаимодействие гидрофильного радикала с растворителем (тирозин, гистидин, триптофан) характеризуется отрицательной величиной энтропии , свидетельствующей об их значительном взаимодействии с растворителем. С повышением температуры процесс ионизации аминокислот по всем функциональным группам усиливается. Особенно ярко влияние температуры проявляется в случае «^аминогрупп, что объясняется повышением их основности. Для карбоксильных групп это влияние не столь

У.'

го

га

го

го"

!

—i

ичительно из-за малого сопряжения между а-СОО и a-NHî группами при данях условиях.

3. Произведено термодинамическое описание процессов в системе аминокисло-i-вода-анионит при различных температурах. Рассчитаны коффициенты активно-и аминокислот в фазе сорбента и свободные энергии процессов сорбции. Установке, что селективность сорбции однозарядных аминокислот (фенилаланин) будет гределяться изменением количества растворителя в фазе сорбента, а прн поглоще-т полизарядных аминокислот доминирующим будет процесс их концентрирова-ш в ионообменнике , обусловленный разницей в зарядах обменивающихся ионов.

Предложен механизм образования аминокислотных ассоциатов в фазе ионооб-гиников АВ-17-2П и АВ-17-8 при реакциях ионного обмена. Устойчивая структура эдобных ассоциатов обусловлена сочетанием ион-ионных (связь между функцио-ыьными группами ионообменника и аминокислоты) . ион-дипольными 'бразование водородных связей с участием молекул воды ) и диполь-дипольных свя-;й (взаимодействия между боковыми радикалами аминокислот). Наличие таких гаимодействий подтверждается данными электронной микроскопии и инфракрас-эй спектроскопии.

Установлено, что с повышением температуры наблюдается усиление связей в эдно-аминокислотных ассоциатах за счет перераспределения плотности зарядов ежду ионами сорбата, молекулами растворителя и функциональными группами зрбента. Наиболее ярко это влияние проявляется для связей , образующихся за счет эн-дипольных взаимодействий (взаимодействия СОО- . . .НгО между карбоксиль-ой группой аминокислоты и водой , =N~... Н2О - между атомами азота в боковом адикале гистидина , -0\ . .НгО- между фенолятной группировкой тирозина и водой, лияние температуры на ион-ионные взаимодействия между иокогенными группами «инокислоты и акионита (СОО-. . .К+(СНз)з менее выражено. С увеличением тем-гратуры в системе триптофан-анионит наблюдается ослабление связей между азо-эм имидазольного ядра , а-СОО- и функциональной группой ионообменника . а лкже между непротонированными а- аминогруппами. Предложен механизм , объ-:няющий перераспределение растворителя в ходе сорбционных процессов механизм граничного смачивания) за слет взаимодействий между боковыми радиолами аминокислот.

Впервые использованный фрактальный подход и метод граничного смачива-ия подтверждают механизм предложенных структурных изменений в фазе ионооб-енника при сорбции в системе ионит-аминокислота. Показано, что на начальном гапе наблюдается образование зародыша фрактала в виде монослоя частиц амино-ислоты в ионообменнике в фазе сорбента, затем происходит их структурная пере-гройка и дальнейший рост без изменения размерности (скейлинг).

4. Предложено термодинамическое описание процессов сорбции нескольких минокислот (тирозин и триптофан) макропористым анионитом АВ-17-2П Рассчи-?.ны коэффициенты активности обменивающихся ионов и_свободные энергии этого роцесса. Установлено, что на начальном этапе сорбции (Х<0.3) основным процес-эм, влияющим на селективность поглощения является дегидратация фазы сорбента, [ри больших степенях заполнения превалирующим будет концентрирование амино-ислот в фазе сорбента из-за разности в зарядах обменивающихся ионов (ОН- амино-ислота). В этом случае роль воды при образовании таких комплексов незначительна з-за малого изменения ее активности в процессе сорбции аминокислот. Показано 1то сорбирующиеся ионы аминокислот взаимодействуют с фазой сорбента в виде имера тирозин-триптофан, который сорбируется как один ион . Результатом такого заимодействия является нивелирование индивидуальных свойств сорбируемых ами-

нокислот , проявляющееся в сближении термодинамических характеристик процес сов сорбции каждой из аминокислот. В ходе сорбции происходит модификация по верхности сорбента тирозином с последущей сорбцией на ней триптофана. Образо вание смешанных ассоциатов аминокислот обусловлена наличием взаимодействий подобных стэкинг-эффекту, основным из которых является йон-дипольные взаимо действия между функциональными группами тирозина и триптофана.

5. Разработаны принципы метода безреагентного разделения смесей аминокис лот на ионитах в различных температурных условиях без использования вспомога тельных реактивов. Они основаны на изменении равновесных и кинетических харак теристик процессов сорбции ароматических и гетероциклических аминокислот высо коосновными анионитами при варьировании температуры (увеличение констант об мена для систем фенилаланин -анионит , гистидин - анионит и их уменьшение дш тирозина и триптофана) за счет изменения силы связей в системах. Обоснован выбо{ ионита и температурных режимов для проведения процессов разделения аминокис лот. Показано, что для разделения исследуемых аминокислот наиболее перспектив ным является использование макропористого сорбента из-за достижения более высо ких значений скоростей концентрирования, по сравнению с гелевым аналогом. Н< примере разделения смесей аминокислот показаны

преимущества метода, позволяющего за несколько циклов полностью разделить целевые продукты без использования вспомогательных реагентов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Селеменев В.Ф., Загородний A.A., Паршина Т.А., Ловчиновская Е.В., Хохлов В.Ю., Папанова И.В. Сорбция фенилаланина и тирозина на высокоосновных ио нитах//Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции "Применение ионообменны? материалов в промышленности и аналитической химии". Воронеж. 1991.-С.385-386.

2. Селеменев В.Ф., Хохлов В.Ю., Загородний А,А., Стукалов О.И., Тихомиро! B.C., Матвеева М.В. Ионообменные равновесия в системе фенилаланин - высокоос-иовный анионит//Журн.физич.химии,- 1993.-T.67,N6. - С.1214-1217.

3. Selemenev V.F., Mokshina N.Ya., Hokhlov V.Yu., Kotova D.L. The selection o: Phenylalanin and tyrosine from aqueous Solution by the methods of extraction anc sorption//Toxic Organic Compounds in the Environment.-Znojmo, Czech Republic,1993.-P.309.

4. Селеменев В.Ф., Котова Д.Л., Антаканова Л.Б., Хохлов В.Ю., Никифоруь И.В. Особенности гидратации сульфокатионита КУ-2 при сорбции аминокис-лот//Журн.физич.химии.-1994.-Т.68, N8.-C. 1512-1514.

,5. Селеменев В.Ф., Хохлов В,Ю., Коренман Н.Я., Ловчиновская Е.В. Спектро-фо-тометрическое определение фенилаланина и ирозина//Журн.аналит.химии.-1994,-Т.49, N4.-C.446-447.

6. Селеменев В.Ф., Ковалева Т.А., Хохлов В.Ю., Чикин Г.А., Котова Д.Л. Использование отработавших ионитов для иммобилизации ферментов и в качеств! комплекси-тов//Тезисы докладов П Международного научно-практического кон грссса "Экология России", IV (Зеленая книга России). М.,1994.-С.67.

7. Хохлов В.Ю., Селеменев В.Ф., Орос Г.Ю.Фрактальный подход к описанию взаимодействия аминокислот с неионогенными сорбентами/УТезисы докладов II Региональной научно-технической конференции "Проблемы химии и химической технологии". Тамбов,-1994.-С.41 -42.

8. Орос Г.Ю., Селеменев В.Ф., Хохлов В.Ю. Сорбция нуклеиновых кислот ш нсионогенных сорбентах: взаимодействие фракталов с фракталами/Лам же.-С.46.

9. Загородний А.А., Хохлов В.Ю., Селеменев В.Ф., Моисеева И.В. Влияние тем-ературы на протонирование низкоосновных анионитов // Журн. физич.химии.-995.-T.69,N4.-C.661-663.

10. Хохлов В.Ю., Селеменев В.Ф., Загородний А.А., Моисеева И.В. Механизм негоциации карбоксильных катионитов//Журн.физич.химии.-1995. -Т.69, N12,-.2138-2141.

11. Селеменев В.Ф., Хохлов В.Ю., Загородний А.А., Бойко О.Н. Способ безреа-знтного ионообменного разделения тирозина и фенила.танина на высокоосиовном нионите АВ-17-2П//Тезисы докладов III Региональной конференции "Проблемы имии и химической технологии". Воронеж,- 1995:С.196-197.

12. Селеменев В.Ф., Матвеева Т.В., Чикин Г.А., Устиновский В.А., Хохлов В.Ю. [орометрический анализ ионообменников, насыщенных аминокислота-и//Журн.фнзич.химии.-1996.-Т.70, N2.-С. 370-373,

13. Selemenev V.F., Mokshina N.Ya., Hokhlov V.Yu., Kotova D.L. The Dectrophotometrical determination of aromatic amino acids in water solutions//Abstracts 'hird International symposium TOCOEN-96. Luhacovice, Czech Republic. 1995.-P.269-

14. Хохлов В.Ю., Бойко O.H., Селеменев В.Ф. Ионообменные равновесия в сис-еме триптофан-тирозин-высокоосновный анионит АВ-17-2П//Тезисы 8 Всероссий-кой конференции "Физико-химические основы и практичекое применение ионооб-енных процессов". Воронеж. 1996.-С.45-46.

15. Selemenev V.F., Khokhlov V.YU., Oros G.Yu., Mokshina N.Ya. The sorptional lethod for extraction and determination of amino acids in water environments//Abstracts iternational Ecological Congress. Voronezh..-P.56-57.

70.

аз tOS от ¿Ó'. 3 1997 г. Tup. jQQ зкз. Лаборатория оперативнпП ппптрафин ЯГУ