Исследование скорости и механизма твёрдофазного термического превращения L-α-аминокислот с карбоксильными, серу- и азотсодержащими заместителями

Васина, Янина Александровна

Исследование скорости и механизма твёрдофазного термического превращения L-α-аминокислот с карбоксильными, серу- и азотсодержащими заместителями тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Васина, Янина Александровна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Исследование скорости и механизма твёрдофазного термического превращения L-α-аминокислот с карбоксильными, серу- и азотсодержащими заместителями»

Автореферат диссертации на тему "Исследование скорости и механизма твёрдофазного термического превращения L-α-аминокислот с карбоксильными, серу- и азотсодержащими заместителями"

На правах рукописи

ВАСИНА ЯНИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Ь-а-АМИНОКИСЛОТ С КАРБОКСИЛЬНЫМИ, СЕРУ- И АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ЗАМЕСТИТЕЛЯМИ

02.00.04 - физическая химия

химические науки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискании учёной степени кандидата химических наук

3 1 0!(Т 2013

Нижний Новгород 0055361У1 2013

005536191

Работа выполнена на кафедре химии общетехнического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: Яблоков Вениамин Александрович

доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты:

Фомин Владимир Михайлович

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»

Кетков Сергей Юльевич

доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева» РАН, Нижний Новгород

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых» РАН, Нижний Новгород

Защита диссертации состоится » ¿у/^Я 2013 г. Ф часов

на заседании диссертационного совета Д 212.166.Ш по химическим наукам при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им Н. И. Лобачевского» по адресу 603950, г. Н. Новгород, пр. Гагарина, 23, кор.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Автореферат разослан «_» ______2013 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Работа посвящена изучению кинетики твердофазного термического превращения аминокислот ЫНчСЩГ^СООН с радикалом Я, в состав которого входят карбоксильные, серу- и азотсодержащие группы.

Аминокислоты участвуют в метаболических процессах животных и растительных организмов, являются строительным материалом в синтезе полипептидных цепей белков. Общее число синтетических или включенных в природные соединения аминокислот исчисляется несколькими сотнями, и их число всё время растёт. Одним из направлений исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и полимеров на основе аминокислот.

Известно, что стабильность и высокие потребительские качества широко используемых полимеров в быту и в промышленном производстве изделий из высокомолекулярных соединений имеют свою оборотную сторону. Они экологически опасны, не поддаются быстрому разрушению, оказавшись выброшенными в окружающую среду. В указанных обстоятельствах предпочтительными являются биополимеры, способные подвергаться эффективной биодеградации на безвредные для живой природы компоненты. Не меньшую ценность представляют биосовместимые сополимеры, полученные на основе аминокислот. Такие олигомеры и сополимеры могут использоваться в качестве средств доставки генных конструкций в клетки живого организма, изготовления биосовместимой керамики и во многих других областях практического применения.

Для осуществления синтеза олигомеров и сополимеров актуальным является исследование кинетических характеристик превращения аминокислот, сведения о которых практически отсутствуют, особенно в тех случаях, когда осуществляется твёрдофазное превращение аминокислот при высокой температуре. Указанное обстоятельство позволило нам сосредоточить внимание на исследовании кинетики твёрдофазного превращения Ь-а-аминокислот, изучить методами масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии состав продуктов реакции с целью выяснения вероятного механизма процесса.

Цель работы состояла в исследовании кинетики твердофазного термического превращения двенадцати Ь-а-аминокислот, а также в изучении возможности протекания в исследованных температурных областях поликонденсации Ь-а-аминокислот с образованием полимерных продуктов. Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать скорость термического превращения моноаминдикарбоновых кислот и их амидов, серусодержащих и гетероциклических аминокислот, диаминокарбоновых кислот;

• качественно оценить влияние радикалов Я, входящих в состав МН2СН(К)СООН на реакционную способность аминокислот;

• масс-спектрометрическим, ИК-спектроскопическим и времяпролетной MALDI-TOF MS методами определить состав продуктов реакции;

• на основании кинетических параметров и анализа продуктов реакции обосновать вероятный механизм твердофазного термического превращения аминокислот.

Объекты исследования В качестве объектов исследования выбраны L-a-аминокислоты NH2CH(R)COOH, содержащие в составе R радикала СООН - группу [аспарагиновая (Asp), глутаминовая кислота (Glu)], NH2CO -группу [аспарагин (Asn), глутамин(С1п)], аминогруппу [лизин (Lys), аргинин (Arg)], серу [метионин (Met), цистеин (Cys), цистин (Cys2)] и азотсодержащие гетероциклы [пролин (Pro), гистидин (His), триптофан (Тгр)].

Методы исследования Кинетические измерения проводились компенсационным методом в вакуумированной системе в статических условиях. ИК-спектроскопические, хромато-масс-спектрометрические измерения и времяпролетную MALDI-TOF MS применяли для определения состава продуктов термораспада.

Научная новизна и практическая ценность работы Впервые определены константы скорости и активационные параметры твердофазного термического превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH с карбоксильными, серу- и азотсодержащими радикалами R. Доказано, что по своей реакционной способности аминокислоты располагаются в ряд:

Тф < His < Met < Asn < Cys2 < Asp < Lys < Arg < Pro < Cys < Gin < Glu.

Получены прямые доказательства твердофазных превращений аминокислот до низкомолекулярных олигомеров с помощью методов: ИК-спектроскопии, хромато-масс-спектрометрии и метода MALDI MS.

Предложен вероятный механизм твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты. Установлено два температурных интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объёма. При 190 - 207 ПС реакция завершается образованием низкомолекулярной полиаспарагиновой кислоты и воды. В зоне температур 210 - 240 °С лимитирующим является процесс образования полисукцинимида в последовательном превращении аспарагиновая кислота — полиаспарагиновая кислота - полисукцинимид с выделением 2 моль воды на моль исходной аминокислоты.

Впервые предложен механизм твердофазной термической поликонденсации глутаминовой в полиглутаминовую кислоту в вакуумированной системе постоянного объема, непосредственно связанный со стадией образования лактама глутаминовой кислоты - 2-пирролидон-5-карбоновой кислоты.

Положения, выноснмые на защиту 1. Доказано, что твердофазное термическое превращение исследованных аминокислот до низкомолекулярных олигомеров подчиняется уравнению

реакции первого порядка. Определены активационные параметры. Наличие ->

компенсационного эффекта указывает на однотипный механизм (гетеролитическая поликонденсация) в лимитирующей стадии.

2. Доказано, что полиаспарагиновая кислота может быть синтезирована из аспарагиновой кислоты, минуя стадию получения полисукцинимида. Установлен механизм твердофазной поликонденсации аспарагиновой и глутаминовой кислот.

3. Обоснован вероятный механизм превращения ¿-а-аминокислот МН2СН(К)СООН с серу- и азотсодержащими радикалами на основании кинетических параметров и состава продуктов реакции.

Область прнменення результатов Результаты диссертационной работы могут быть использованы в областях науки и практики, связанных с разработкой методов синтеза полиаминокислот, используемых для получения биодеградируемых и биосовместимых сополимеров. Кроме того, они могут быть полезными при оценке вероятности появления токсичных продуктов при термической переработке пищевых продуктов для специалистов, занимающихся проблемами экологии, а также в учебном процессе для студентов, специализирующихся в области «Техносферной безопасности», «Экологии и природопользования».

Степень достоверности полученных результатов Достоверность полученных результатов исследований подтверждена апробацией работы, а также использованием современных физико-химических методов исследования.

Апробация работы Результаты работы представлены на: заочной научно-практической конференции «Естественные науки: актуальные вопросы и тенденции развития» (30 ноября 2011. Новосибирск. Россия); IX Международной дистационной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (30 декабря 2011. Москва. Россия); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (20.01.2012. Москва. Россия); II Конференции с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (23-27 апреля 2012. Москва. Россия); Международной заочной научно-практической конференции по биологии, химии, физике (8.06. 2012. Новосибирск. Россия); XIII Международной научно-практической конференции «Инновации в науке». (17.10.2012. Новосибирск. Россия); XI Международной конференции «Физикохимия олигомеров» (09-14.09.2013. Ярославль, Россия). Названия и фамилии авторов докладов приведены в списке публикаций.

Публикации По результатам проведённых исследований опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах и 7 тезисах докладов.

Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, научной новизне и методам исследования соответствует п. 7 «Макрокинетика, механизмы сложных химических процессов» и п. 10 «Связь реакционной способности реагентов с

их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта специальности 02.00.04 - физическая химия.

Личный вклад автора Кинетические исследования выполнены автором диссертационной работы самостоятельно. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура диссертации Диссертационная работа изложена на 129 страницах, состоит из введения, 3 глав и выводов. Диссертация иллюстрирована 77 рисунками и 11 таблицами. Списки цитируемой литературы включает 134 наименований.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, выбор объектов, цели и задачи исследования. В литературном обзоре (глава 1) анализируются литературные данные и обсуждаются свойства аминокислот, их структурные и термодинамические характеристики, некоторые особенности твердофазных процессов, а также процессы поликонденсации аминокислот, приводящие к образованию биодеградируемых полимеров. Вторая глава посвящена объектам и методам исследования. В третьей главе приводятся экспериментальные данные и обсуждаются результаты исследования.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ

Плавление кристаллических аминокислот сопровождается их разложением. Мы обратили внимание, что температура газовыделения летучих продуктов (Тга1) при нагревании аминокислот существенно ниже температуры, которая фиксируется как температура плавления (Тпл) вещества. Для количественного измерения скорости реакции фиксировали изменение давления (р) летучих компонентов от времени реакции (t) при температуре опыта в вакуумированной системе постоянного объёма.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ МОНОАМИНОДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

1.1. Аспарагиновая кислота

Исследованы скорость и механизм твердофазной термической поликонденсации L-Asp в вакуумированной системе. Специфика проведения поликонденсации отличалась от техники эксперимента, использовавшейся в предыдущих работах Y. Wang at al. (2003 г.), С.Д. Варфоломеева с сотрудниками (2008 г.), тем, что выделяющиеся летучие вещества оставались в зоне реакции и их можно было проанализировать.

Удобным для количественного измерения скорости разложения Asp по изменению давления летучих компонентов от времени / реакции оказался интервал температур 190 - 230 °С.

На рис. 1 представлены кривые зависимости давления летучих продуктов термического превращения Asp от времени реакции в интервале температур 190-207°С.

Рис. 1. Зависимость давления газообразных продуктов термического превращения Asp от времени при температурах: 1 - 190, 2 - 195, 3 - 200, 4 - 205, 5 - 207 "С

Анализ газообразных продуктов реакции показал, что в указанном интервале температур поли конденсация Asp сопровождается выделением паров воды и следов углекислого газа. Количество выделяющейся воды составляет 0.7 моль, а углекислого газа 0.03 моль на моль Asp. В ИК-спектре твердого продукта поликонденсации присутствуют полосы поглощения, относящиеся к валентным колебаниям групп: v(C=0) 1608 см"1, 1710 см"1, v(NH) 1530 см"1, характерные для полиаспарагиновой кислоты (PAsp) и отсутствуют полосы валентных колебаний имидной группы полисукцинимида PSI.

Такой же ИК-спектр наблюдается для олигопептида, полученного при непрерывном удалении парт в воды и углекислого газа из зоны реакции.

При более высоких температурах 210 - 230 °С на кривых зависимости давления летучих продуктов от времени реакции появляется излом, выделяющий на кривой два участка (рис. 2).

Р.кПа

Рис. 2. Зависимость давления газообразных продуктов термического превращения Asp от времени при температурах: 1 - 210, 2 - 215, 3 - 220, 4 - 230 "С

В этих условиях количество выделяющейся воды возрастает до 1.95 моль, углекислого газа до 0.13 моль на моль Asp. В ИК-спектре конечного продукта поликонденсации присутствуют характеристические полосы поглощения PSI, относящиеся к валентным колебаниям имидного кольца: v(C=0) 1672 см"1, 1700 см"1, 1705 см"1, v(CN) 1270 см"', 1393 см"1, 1727 см"1.

Количество выделяющейся воды в составе газообразных продуктов и данные ИК-спектроскопии указывают на образование PAsp в результате реакции поликонденсации Asp в интервале температур 190 - 207 °С. Образование небольшого количества углекислого газа происходит в результате декарбоксилирования некоторых звеньев полимерной цепи PAsp.

Начальный участок кривых термического превращения Asp при температурах 210-230 °С (рис. 2) соответствует поликонденсации, сопровождающейся образованием PAsp.

По кинетическим данным, снятым при температурах 190 - 207 "С (рис. 1) и по значениям р - t, относящимся к начальному участку кривых, снятых при 210 - 230 °С (рис. 2), были вычислены константы скорости к, реакции первого порядка поликонденсации Asp в PAsp (табл. 1).

Лишь на глубокой стадии поликонденсации при 210 - 230 ПС происходит образование PSI. Этому процессу соответствуют участки кривых в координатах р - t (рис. 2) после излома. По предельному давлению газообразных продуктов р, после завершения реакции при 210 - 230 °С рассчитаны эффективные константы скорости и активационные

параметры стадии превращения PAsp в PSI (табл. 1).

Таблица 1 Кинетические параметры термического превращения Asp

Реакция Т,°С -10\ мин"' Реакция Т,°С *2-10\ мин'1

поликонденсации превращения

Asp l*i PAsp £= 187 ± 12 кДж/моль 1п*0 = 44± 3 190 195 200 205 207 210 215 222 7 20 35 42 54 90 121 267 PAsp 1*2 PSI £=191 ±33 кДж/моль Into = 43 ± S 210 215 222 9 10 20

230 349 230 55

Аррениусовская зависимость констант скорости реакции образования РАвр (&,) от температуры в координатах 1п£| - 1/Т выполняется во всем диапазоне температур 190 - 230 °С.

Полученные нами кинетические параметры и ИК-спектроскопические измерения позволяют высказать предположение о вероятном механизме термического превращения Asp в интервале температур 190 - 230 С:

Asp PAsp psi

На первой стадии происходит поликонденсация Asp в PAsp. Скорость превращения PAsp в PSI на порядок ниже скорости образования PAsp из Asp (табл. 1), поэтому мы смогли раздельно определить эффективные константы скорости термического превращения двух последовательных стадий поликонденсации.

Реакция декарбоксилирования концевых групп PAsp вносит вклад в увеличение суммарного давления летучих веществ, поэтому константы скорости являются удельными скоростями двух параллельно протекающих процессов - реакции поликонденсации и декарбоксилирования на стадии образования как PAsp, так и PSI.

Результаты масс-спектрометрического анализа конечного продукта реакции методом времяпролетной MALDI MS свидетельствуют об образовании PSI при 210-230 °С. На полученном масс-спектре образца наблюдается несколько серий сигналов, отстоящих друг от друга на величину 97Да, соответствующих массе звена PSI, что позволяет предположить возможную природу концевых групп образовавшихся полимерных молекул. Из представленного в диссертации спектра сделан вывод, что значение молекулярной массы олигомера не превышает 4000 Да.

Таким образом, поликонденсация Asp не всегда завершается образованием PSI. Характер продукта поликонденсации зависит от температуры реакции. Можно подобрать такой температурный режим (например, ниже 200 °С), когда процесс поликонденсации завершится только образованием PAsp, причем в составе полимерной цепи будут содержаться пептидные звенья, образовавшиеся в результате декарбоксилирования.

1.2. Глутаминовая кислота

В отличие от аспарагиновой в глутаминовой кислоте (L-Glu) вторая карбоксильная группа отделена от a-углеродного атома не одной, а двумя метиленовыми группами. Такая структурная особенность приводит к существенному изменению химических свойств аминокислот. Первичным актом термического превращения кристаллической Glu является равновесная реакция образования 2-пирролидон-5-карбоновой или пироглутаминовой

кислоты (pyroGlu): Glu pyroGlu + Н20

Сравнительное изменение давления летучих компонентов, образующихся при нагревании Glu и pyroGlu при повышении температуры, представлено на рис. 3.

Рис.3. Зависимость

давления газообразных продуктов превращения Glu(l) и pyroGlu (2) от температуры

Т,'С

Циклическая pyroGlu проявляет большую термическую стабильность по сравнению с Glu. Понизив температуру твердофазного термического превращения Glu до 170-210 °С, можно полностью исключить терморазложение pyroGlu. Количественное превращение Glu в pyroGlu происходит при 175 °С, если непрерывно удалять образующуюся при циклизации воду при пониженном давлении.

На рис. 4 приведены кинетические кривые термического превращения Glu в вакуумированной системе в интервале температур 170-210 °С.

Р. кПа

Рис. 4. Зависимость давления летучих продуктов термического превращения Glu от времени при следующих температурах: 1-170,2-175,3-180,4 - 210 "С

t, мин

ИК- спектр твердого продукта термического превращения Glu, образующегося через 7 часов после начала реакции при 175 °С, свидетельствует об исчезновении полос поглощения исходной Glu и появлении полос поглощения, относящихся к валентным колебаниям амидной группы (3303, 1720, 1384, 1209, 1116, 1058 и 707 см"'), которые характерны для полиглутаминовой кислоты (PGlu).

Для количественной оценки твердофазного термического превращения Glu из кривых рис. 4 были рассчитаны эффективные константы скорости реакции первого порядка (к). По значениям констант скорости превращения

Glu были вычислены энергетические параметры процесса термической поликонденсации Glu в PGlu (табл. 2).

Таблица 2 Кинетические параметры термического превращения Glu

т, "с /МО1, мин 1 k-ч» 10\ мин ' Е, кДж/моль 1п к„

170 41

175 87

180 128 6109 148±7 37.2+6

185 233

190 315

210 866

220 1150

Энергия активации процесса оказалась равной 148 кДж/моль. Эта величина ниже энергии активации поликонденсации Asp в PAsp. Поэтому Glu демонстрирует более высокую реакционную способность по сравнению с Asp в поликонденсации.

На основании анализа продуктов реакции и кинетических измерений предложен механизм термического превращения Glu при 170-210 "С:

PCilu Glu pjroGlu

Общее количество воды (х), выделившейся в газовую фазу, соответствует глубине превращения исходной Glu. Квазиравновесное состояние, определяемое константами скорости к2 и к3, по мере развития процесса сдвигается в сторону Glu в результате необратимой реакции поликонденсации (А/). Выделившаяся при поликонденсации вода в свою очередь способствует смещению равновесия: Glu-«-^ pyroGlu + Н?0 влево до тех пор, пока последнее количество pyroGlu не превратится в Glu.

Количественное превращение Glu в PGlu означает, что в соответствии с приведенным выше механизмом смесь pyroGlu и Н20 должна при нагревании в закрытой вакуумированной системе привести к количественному превращению pyroGlu в PGlu. Действительно, расплав pyroGlu в контакте с парами воды при 175 °С реагирует с образованием кристаллического PGlu.

ИК-спектр полученных кристаллов соответствует характеристическим частотам валентных колебаний PGIu. Температура плавления олигомера 204 °С (литер, данные Т11л= 206 °С). Разложение его начинается при 209 °С (литер, данные Тра1Л.= 209,8 °С). Показано, что масс-спектр PGIu существенно отличается от масс-спектров Glu и pyroGlu. Отсутствие в спектрах масс, соответствующих осколкам pyroGlu, и присутствие в масс-спектрах ионов, относящихся к олигомерным фрагментам, образовавшимся при поли конденсации Glu, свидетельствует в пользу представленной выше схемы термического превращения Glu.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ АМИДОВ МОНОАМИНДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Аспарагин (L-Asn) и глутамин (L-Gln) относятся к амидам аспарагиновой (Asp) и глутаминовой (Glu) аминокислот. Изучение их термического превращения преследовало цель сравнения их реакционной способности с реакционной способностью Asp и Glu, а также определения возможности получения полимеров, схожих по составу с полимерами Asp и Glu.

Изучена скорость термического превращения Asn при 195-230 ПС и Gin при 160-220 °С. На рис. 5 и 6 приведены соответствующие кинетические кривые.

Рис. 5. Зависимость давления газообразных продуктов

превращения Аяп от времени в интервале температур: 1 - 205, 2 - 213, 3 - 220,4 - 230 "С

Рис. 6. Зависимость давления газообразных продуктов превращения Gin от времени в интервале температур: 1 - 170, 2 - 179, 3 - 190, 4 - 220 "С

80 100 t. M ни

Масс-спектрометрический анализ продуктов термического превращения Абп показал, что в газовой фазе образуются вода, аммиак и углекислый газ. Выделение воды свидетельствует в пользу поликонденсации Авп в полиаспарагин (РАзп).

Количество выделившейся воды зависит от длины цепи (п) олигомера PAsn. Биуретовая реакция дает положительный результат, подтверждающий образование олигопептида. Присутствие в газовой фазе ССЬ, вероятно, связано с реакцией декарбоксилирования исходной Asn. Гидролиз PAsn приводит к образованию PAsp. Твёрдый продукт, полученный при термическом превращении Asn при 230 °С, не дает биуретовой реакции. Предположительно, что это PSI, который получается дегидратацией PAsp, промежуточно образованной согласно схеме.

xNII,-CH2-C(0)NH2 +ХС02

Для Gin при 170 °С после окончания реакции газовая фаза содержала воду, углекислый газ и аммиак. Масс-спектрометрический анализ твердого продукта термического превращения Gin подтвердил образование олигомерных продуктов низкомолекулярного состава.

В табл. 3 приведены кинетические и активационные параметры термического превращения Asn и Gin.

Сравнивая величины к для Asn и Gin, можно констатировать, что также как и в случае Asp и Glu наличие дополнительной метиленовой группы у Gin приводит к ускорению процесса термического превращения аминокислоты примерно в 15 раз (сравните величины к при 230 °С) за счет понижения энергии активации со 124 до 104 кДж/моль при переходе от Asn к Gin.

Таблица 3 Кинетические и активационные параметры термического превращения

Asn и Gin

Asn Gin

т"с Í10' -i WIIH • 1 МНИ Е, кДж/ моль Inko fe tío' -i мин J-iwlO'. -1 МИН Е, кДж/ моль Ink,,

195 12 135 124±6 27,3±') 161 32 1880 104±7 25,5±8

205 19 170 69

213 23 179 79

220 33 190 347

230 135 220 866

Таким образом, при температурах 160 - 220 С, основным процессом термического превращения Asn и Gin является гетеролитическая поликонденсация с выделением воды и аммиака, что показано в вышеприведенных схемах реакции. Параллельно идет процесс декарбоксилирования, доля которого увеличивается с повышением температуры опыта.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СЕРУСОДУРЖАЩИХ АМИНОКИСЛОТ

СПОСОБНОСТИ

Кристаллы изучаемых аминокислот плавятся с разложением: 0,Ь-метионин (О,Ь-Ме0 при 281°С, Ь-цистеин (Ь-Сув) при 240 °С, Ь-цистин (Ь-Сувг) при 260 °С. Если проводить нагревание образцов в замкнутом вакуумированном объеме со скоростью 3 °С/мин, то газовыделение, указывающее на термическое превращение аминокислот, начинается уже при температурах 190 - 230 °С, то есть существенно ниже их температур плавления. На рис. 7 приведены кинетические кривые превращения В,Ь-Ме1, Ь-Сув и Ь-Сувг в координатах р - снятые при близких температурах.

КШа

Рис.7. Зависимость давления газообразных продуктов превращения: 1 - Mel (226 "С), 2 - Cys (225 "С), 3 - Cys2 (224 "С) от времени

Термическое превращение серусодержащих аминокислот подчиняется уравнению реакции первого порядка до глубины превращения 30-50%.

Температурная зависимость констант скорости реакции подчиняется уравнению Аррениуса к = ка-е~т. Кинетические и активационные параметры разложения серусодержащих аминокислот приведены в табл. 4

Таблица 4 Кинетические и активационные параметры превращения серусодержащих аминокислот

Аминокислота T, "C ¿H0\ мин"1 AvmlO'.Mnn"1 E, кДж/моль

D,L-Met 216 221 4 6

226 7 15,1 195+10 42,7+8.

231 16

238 22

L-Cys 194 198 25 53

201 85 1567 193+15 46.6±5

206 190

225 728

Cy%2 199 204 13 17

210 27 223 184±7 42,5±6

218 75

224 117

Константы скорости превращения серусодержащих аминокислот растут в ряду Met < Су:;: < Cys, (табл. 4) и отличаются в указанной последовательности на порядок. Кажущиеся энергии активации (£) лежат в пределах 184-195 кДж/моль, IgAo в интервале 42 - 47.

При термическом превращении Met образуется полимерная масса вещества, дающая положительную биуретовую реакцию на амидную группу в олигопептиде. В газовой фазе масс-спектрометрическим методом найдены С02, метилтиол CH3SH, а также следы H2S и (CH,)2S2; по остаточному давлению при комнатной температуре определено, что 50% газовой фазы составляет вода - продукт поликонденсации. Хромато-масс-спектрометрическим методом в конденсированной фазе обнаружены: 3-метилтио-1-пропиламин, метилтиол и 1-аминопропен-2. Вероятная схема термического превращения Met может быть представлена следующими параллельно и последовательно протекающими реакциями.

гЛгр

mHjCSCHiCHjCHjHHi ♦ mCOj

CHjSH + CH2=CHCHiNHi

Вода, метилтиол и С02 переходят из кристалла в газовую фазу и определяют в ней состав продуктов разложения Met. В отличие от гетеролитической поликонденсации I появление С02 и метилтиола является следствием гомолитического расщепления связей C-S и С-0 в кристалле (реакции 2 и 3).

Термическое превращение Cys и Cys2, также как и Met, сопровождается образованием олигомеров (положительная биуретовая реакция). Газовая фаза состоит наполовину из воды, а также H2S и С02 как для Cys, так и для Cys2. Рассчеты показали, что на моль Cys образуется примерно 2 моль летучих веществ (Н20 и H2S). Количества С02 в газовой фазе незначительны. В кристаллической структуре Cys происходит гетеролитический процесс поликонденсации и последующий гомолитический разрыв связи C-S в образующемся олигомере, приводящий к образованию H2S.

Механизм подтверждается образованием значительного количества H2S в газовой фазе. Связь C-N в процессе термораспада этих аминокислот не подвергается разрыву. Об этом свидетельствует отсутствие в продуктах NH>

Из литературных источников известна окислительно-восстановительная реакция взаимопревращения L-Cys = L-Cys2. Мы находим для этих аминокислот практически одинаковые продукты термопревращения, что свидетельствует о возможности протекания этой равновесной реакции в условиях нашего эксперимента.

Таким образом, формально скорость бругго-процесса превращения Met, Cys и Cys2 при небольших глубинах разложения исходных соединений (30-50%) можно рассматривать как «кооперативную» химическую реакцию поликонденсации первого порядка, протекающую в твердой фазе. Несмотря на близкие значения кажущихся энергий активации термопревращения Met, Cys и Cys2, соответственно равных 195, 193 и 184 кДж/моль, эффективные константы реакции при одной и той же температуре отличаются одна от другой примерно на порядок в ряду Met < Cys2< Cys. При температурах выше 200 С их превращение сопровождается образованием серусодержащих газообразных продуктов.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ С ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИМ РАДИКАЛОМ

Исследование термической стабильности аминокислот с гетероциклическим заместителем [триптофан (Тгр), гистидин (His) и пролин (Pro)], их возможное участие в процессах образования полимеров явилось причиной изучения нами их термического превращения.

Характер изменения давления (р) летучих продуктов разложения от температуры (Т) позволил определить интервал температур, удобный для количественного измерения скорости превращения этих аминокислот. Он составил 230 - 280 °С для L-Trp и L-His и 200 - 230 °С для L-Pro.

На рис. 8 и 9 приведены кинетические кривые разложения гетероциклических аминокислот Тгр и His, снятые в координатах давление (р) газообразных продуктов - время реакции (/).

Р, кПа

30 20 Н 10 о

100

150

Рис. 8. Зависимость давления газообразных продуктов превращения Тгр от времени реакции в интервале температур: 1 - 240, 2 - 251, 3 - 255, 4 - 270 "С

t, мин

Рис. 9. Зависимость давления газообразных проду ктов превращения His от времени реакции в интервале температу р: 1 - 240,2 - 251, 3 - 260,4 - 270 "С

t. мин

Р. кПа

Рис. 10. Зависимость давления газообразных продуктов превращения Pro от времени реакции в интервале температур: 1 - 210, 2 - 220,3 - 230 "С

Кривые превращения Pro носят иной характер (рис. 10). Эта аминокислота начинает превращаться при более низких температурах по сравнению с Тгр и His. Процесс сопровождается образованием циклического димера и воды. Количество выделившейся воды соответствует стехиометрии превращения Pro в димер. Скорость образования циклического димерного продукта настолько высока, что сразу же в газовую фазу выделяется стехиометрическое количество воды.

Параметры термического превращения аминокислот с гетероциклическим заместителем приведены в табл. 5. Как следует из этой таблицы, энергия активации термического превращения растет при переходе от Тгр к Pro, но скорость процесса при этом увеличивается. Скорость превращения Pro выше этого параметра для His почти на два порядка, скорости превращения His и Тгр различаются в 1,5 — 2 раза.

' Гетероциклический фрагмент Pro тесно соприкасается со своей кислотной группой, и в результате возникают возможности реализации процессов циклизации и расщепления близко расположенных активных групп. В случае Pro проявляет себя энтропийный фактор, и это обеспечивает Pro более высокие скорости термического превращения в ряду изученных аминокислот.

Таблица 5 Параметры термического превращения аминокислот с гетероциклическим заместителем

Аминокислота Т,°С *230-10\ Е„ In*,,

мин'1 мин"1 кДж/моль

Триптофан 240 13

f~\ 251 20

Н- 255 29 4,2 179±10 37,3±7

260 47

"tV- 270 124

Гистидин 230 9

0 240 17

250 44 8,7 190±6 40,7+8

fYi он 260 107

т-3 мнг 280 23

Пролин 205 28

О 207 110

210 126 770 212±11 50,3+10

220 204

V-NH 230 770

Масс-спектр жидких продуктов термического превращения Pro, полученных в течение 4 часов при 207 °С, подтвердил это. Масса 194 отвечает циклическому димеру, образованному путем отщепления двух молекул воды от двух определенным образом ориентированных молекул Pro. Присутствуют также продукты расщепления образующегося димера, такие 16

как пирролидин и СО, которые наблюдаются в масс-спектре исходного Pro. Ниже приведен вероятный механизм твердофазного термического превращения Pro.

С—!:0Н_

-TFfN

I 1

HQi

-2Н,0

АЛ,

NH + 2СО

По структуре Тф близок His, только его гетероциклический фрагмент более объемен, чем у His. В; His и Тф гетероциклическая фуппа отделена от основных участников процесса поликонденсации СН2 фуппой. Это нашло свое отражение в продуктах реакции. Масс-спектр исходного Тф и спектры продуктов термического превращения Тф,

соответствующие полученных при присутствуют поликонденсации

240 С в течение 5 часов, показали, что в продуктах осколки более высокомолекуляных продуктов Тф, а также индол (молекулярная масса 117) и 2-метилиндол (молекулярная масса 131). Последние являются продуктами расщепления связей С - С в заместителях И образующихся олигомеров.

2-метилиндол

Процесс термического превращения His аналогичен превращению Тф, так как строение His повторяет структуру Тф, но вместо индольного гетероцикла в His присутствует имидазольный.

В заключение этого раздела следует расположить исследованные аминокислоты с гетероциклическим заместителем в порядке увеличения их способности к термопревращению: Тф< His<Pro.

5. ТВЕРДОФАЗНОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ

ДИАМИНОКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

ПРЕВРАЩЕНИЕ

В качестве объектов исследования выбраны аргинин (Ь-А^) и лизин (Ь-Ьуэ). Определенный нами температурный интервал превращения этих

аминокислот 190 - 240 °С. На рис. 11, 12 приведены кинетические кривые твердофазного термического превращения Arg и Lys, снятые в координатах давление [р) — время реакции (/).

Рис. 11. Зависимость давления газообразных продуктов превращения Arg от времени реакции в интервале температур:

1 - 2(12, 2 - 206, 3 - 210, 4 - 225, 5 - 242 "С

t, мин

Рис. 12. Зависимость давления газообразных продуктси превращения Lys от времени реакции в интервале температур: 1- 190,2 - 195, 3 - 200, 4 - 210 °С

В табл. 6 приведены кинетические и активационные параметры превращения обеих аминокислот.

Таблица 6 Кинетические и активационные параметры термического превращения Arg и Lys

Аминокислота т, "С А-10\ мин' ituu-lO3, мин 1 Еа, кДж/моль In к„

Api инии 202 19,5

206 52

210 96 458 112±10 26±12

о HjN у' 225 165

242 610

О«

Личин /—NHj 190 195 3 9

нч/ 200 11 376 2.09±16 49±8

н^ Y 210 55

242 920

Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов термического превращения Arg, полученных при Т = 210 - 2:50 °С, показал присутствие

воды, углекислого газа и аммиака. Вода образуется в результате поликонденсации, которая реализуется при взаимодействии СОО" и NH,+ -соседних цвиттер - ионов Arg. В масс-спектрах наблюдаются сигналы пиков, относящихся к полиаргинину низкомолекулярного состава.

Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов термического превращения Lys, полученных при Т = 210 °С, показал присутствие воды и аммиака в газовой фазе. Для твердых продуктов превращения Lys наличие низкомолекулярных олигомеров подтверждается ИК-спектроскопическими и масс-спектрометрическими измерениями. Рассчитанные для данных частиц абсолютные молекулярные массы хорошо соотносятся с наблюдаемой серией сигналов в полученном масс-спектре образца методом времяпролетной MALDI MS: 242, 385, 513, 641 ДА. Результаты масс-спектрометрического анализа конечного продукта реакции свидетельствуют об образовании низкомолекулярного полизина при 210 - 230 °С.

Сравнение реакционной способности аминокислот H2NCH(R)COOH показывает, что объемные гетероциклы создают, вероятно, значительные стерические препятствия взаимодействию цвиттер-ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. В силу этого обстоятельства триптофан и гистидин проявляют высокую термическую стабильность по сравнению с другими аминокислотами изученного ряда:

Trp < His < Met < Asn < Cys2 < Asp < Lys < Arg < Pro < Cys < Gin < Glu Наименьшую термическую стабильность (высокую скорость реакции) в приведенном ряду проявляет глутаминовая кислота. Амиды Asn и Gin проявляют более высокую! термическую стабильность по сравнению с соответствующими аспарагиновой (Asp) и глутаминовой (Glu) кислотами, что свидетельствует о высоком электронодонорном эффекте H2NC(0)CH2- и H2NC(0)CH2CH2- групп по сравнению с электроноакцепторными свойствами Н00С(0)СН2- и Н00С(0)СН2СН2- групп.

Для всех аминокислот характерны реакции поликонденсации. В лимитирующей стадии процесса идёт образование олигомеров с выделением воды, по росту давления которой мы определяли константы скорости реакции. На основании наблюдаемого кинетического компенсационного эффекта можно утверждать, что в лимитирующей стадии процесса термического превращения аминокислот реализуются коллективные взаимодействия цвиттер-ионов в узлах кристаллической решетки аминокислоты. Коллективными являются элементарные акты взаимодействия положительно и отрицательно заряженных концов диполей цвиттер-ионов, сопровождающиеся формированием звеньев олигомерной цепи и выделением воды. Вклад в брутто-процесс вносят гемолитические радикальные реакции декарбоксилирования и дезаминирования, которые протекают с более высокой скоростью. Поэтому мы определяли эффективные константы скорости твёрдофазного термического превращения аминокислот.

Обнаружение компенсационного эффекта в случае исследованных нами аминокислот, различающихся лишь структурой заместителя R в составе цвиттер-иона +H3NCH(R)COO , указывает на однотипный механизм процесса, лимитирующей стадией которого является гетеролитическая поликонденсация.

ВЫВОДЫ

1. Впервые определены константы скорости и активационные параметры твердофазного термического превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH с карбоксильными, серу- и азотсодержащими радикалами R в интервале температур 160 - 280 °С. Методами ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии доказана поликонденсация аминокислот до низкомолекулярных олигомеров.

2. Установлено два температурных интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объема. При 190 - 207 °С реакция завершается образованием полиаспарагиновой кислоты и воды. При 210 - 250 °С лимитирующим является процесс образования полисукцинимида. Полиаспарагиновая кислота может быть синтезирована из аспарагиновой кислоты в одностадийном процессе, минуя стадию получения полисукцинимида.

3. Доказан механизм превращения глутаминовой кислоты в полиглутаминовую при участии равновесной стадии образования пироглутаминовой кислоты.

4. Наличие компенсационного эффекта в твердофазном термическом превращении исследованных аминокислот, различающихся структурой заместителя R в составе цвиттер-иона +H1NCH(R)COO , указывает на однотипный механизм (гетеролитическая поликонденсация) в лимитирующей стадии процесса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Яблоков В.А., Васина H.A., Зеляев И.А., Митрофанова C.B. Кинетика термического разложения серусодержащих аминокислот // Журнал общей химии, - 2009 - Т. 79 - №.6. - С. 969 - 973.

2. Яблоков В.А., Васина: Я.А., Гришин И.Д. Кинетика твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе.// Журнал общей химии, - 2013 - Т. 83 - №11. - С. 1850 - 1854.

3. Яблоков В .А., Васина Я.А., Зеляев И.А., Митрофанова C.B. Исследование реакционной способности метионина и его комплекса с хлоридом ртути. // Приволжский науч. жур. Изд. Н. Новгород: ННГАСУ, -2008 - № 1 - С.110-114.

4. Яблоков В.А., Васнна Я.А. Сравнительная кинетика термического разложения глутатиона, цисгеина и глицина // Приволжский науч. жур. Изд. Н. Новгород: ННГАСУ, -2012 - №4 - С.169 - 171.

5. Васина Я.А. Исследование реакционной способности метионина и его комплекса с хлоридом ртути. Труды заочной научно-практич. конф. «Естественные науки: аьггуальные вопросы и тенденции развития». Новосибирск. 30 ноября 2011г. С.107.

6. Васина Я.А. Кинетика термораспада аминокислот. Труды IX Междунар. дистанционной научно-практич. конф. «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», Москва, 30 декабря 2011 г. С.ЗЗ.

7. Васина Я.А. Кинетика термораспада аминокислот. Труды V Междунар. дистанционной научно-практич. конф. «Современное состояние естественных и технических наук», Москва, 20 января 2012 г. С.34.

8. Васина Я.А., Яблоков В. А. Сравнительная кинетика термического разложения глутатиона, цистеина и глицина. Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Инновации в науке». 17.10.2012. Новосибирск. Россия. Часть 1. С. 34.

9. Васнна Я.А. Кинетика термораспада некоторых природных соединений. Труды II Всероссийск. (с междун. участием) научн. конф. «Успехи синтеза и комплексообразования», Москва, 23-27 апреля 2012 г. С. 126.

10. Яблоков В. А., Васина Я.А., Кинетика твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе. Материалы XI Международной конференции «Физикохимия олигомеров». 09-14.09.2013. Ярославль. Россия. Часть 2. С. 108.

Подписано в печати_Формат 60x901/16 Бумага газетная. Печать трафаретная.

Объём 1 печ. л. Тираж 100 экз. 3£1каз № 326'

Отпечатано в полиграфическом центре ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Васина, Янина Александровна, Нижний Новгород

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет» Кафедра химии

На правах рукописи

04201365839 ВАСИНА ЯНИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Ь-а-АМИНОКИСЛОТ С КАРБОКСИЛЬНЫМИ, СЕРУ- И АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ

ЗАМЕСТИТЕЛЯМИ

02.00.04 - физическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: ЯБЛОКОВ ВЕНИАМИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

д.х.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ

НИЖНИЙ НОВГОРОД - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ТЕРМИНОВ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................................................4

Введение...........................................................................................................5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................................12

1.1 Природные аминокислоты. Строение.............................................13

1.2 Некоторые термодинамические характеристики, структура и конформации аминокислот...............................................................................17

1.3 Твердофазные термические превращения аминокислот...........20

1.4 Получение и применение аминокислот..........................................24

1.5 Биодеградируемые полимеры аминокислот..................................26

1.6 Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды.........................30

1.6.1 Аспарагиновая кислота................................................................30

1.6.2 Аспарагин......................................................................................32

1.6.3 Глутаминовая кислота..................................................................33

1.6.4 Глутамин........................................................................................35

1.7 Диаминомонокарбоновые кислоты.................................................36

1.7.1 Аргинин.......................................................................................36

1.7.2 Лизин...........................................................................................38

1.8 Серусодержащие аминокислоты.....................................................39

1.8.1 Метионин....................................................................................39

1.8.2 Цистеин.......................................................................................40

1.8.3 Цистин.........................................................................................42

1.8.4 Обмен серусодержащих аминокислот в организме...............42

1.9 а-Аминокислоты, содержащие гетероциклический фрагмент.....44

1.9.1 Триптофан...................................................................................44

1.9.2 Гистидин.....................................................................................45

1.9.3 Пролин.........................................................................................46

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯМ

2.1 Основные объекты исследования....................................................48

2.2 Методы исследования.......................................................................48

2.2.1 Статическая установка для разложения аминокислот...........48

2.2.2 Методика определения констант скорости термического превращения аминокислот............................................................................50

2.2.3 Хромато-масс-спектрометрический анализ газообразных и жидких продуктов реакции...........................................................................51

2.2.4 ИК-спектроскопия и времяпролетная МАЫЛ МБ для определения твердых продуктов термопревращения аминокислот.........53

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ ..................................................................................................................................56

3.1 Исследование скорости и механизма твердофазного термического превращения моноаминодикарбоновых кислот.....................57

3.1.1. Аспарагиновая кислота...............................................................57

3.1.2 Глутаминовая кислота...............................................................74

3.2 Исследование реакционной способности амидов моноаминдикарбоновых кислот.......................................................................83

3.3 Исследование реакционной способности серу со держащих аминокислот.......................................................................................................91

3.4 Исследование твердофазного термического превращения аминокислот с гетероциклическим радикалом..............................................97

3.5 Твердофазное термическое превращение диаминокарбоновых кислот ...........................................................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................113

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА...........................................................116

ВЫВОДЫ.....................................................................................................129

СПИСОК ТЕРМИНОВ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ

Asp - аспарагиновая кислота Asn - аспарагин Glu - глутаминовая кислота Gin - глутамин Cys - цистеин Cys2~ цистин Met - метионин Тгр -триптофан His - гистидин Pro - пролин Arg - аргинин Lys - лизин

PAsp - полиаспарагиновая кислота

PSI - полисукцинимид

PAsn - полиаспарагин

PGlu - полиглутаминовая кислота

PGln - полиглутамин

к — эффективная константа скорости реакции Еа — энергия активации In ко— предэкспонента ИК - инфракрасная спектроскопия

M ALDI MS - Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация M - молярная масса

Тгаз. ~~ температура газовыделения летучих продуктов Тпл - температура плавления Да - дальтон

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Работа посвящена изучению кинетики твердофазного термического превращения аминокислот К(КН2)СНСООН с радикалом Я, в состав которого входят карбоксильные, серу- и азотсодержащие группы.

Аминокислоты участвуют в метаболических процессах животных и растительных организмов [1-3], являются строительным материалом в синтезе полипептидных цепей белков. Общее число синтетических или включенных в природные соединения аминокислот исчисляется несколькими сотнями [4-6], и число их все время растет. Одним из направлений исследования аминокислот является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и сополимеров на основе аминокислот.

Известно, что стабильность и высокие потребительские качества широко используемых полимеров в быту и в промышленном производстве изделий из высокомолекулярных соединений имеет свою оборотную сторону. Они экологически опасны - не поддаются быстрому разрушению, оказавшись выброшенными в окружающую среду. В указанных обстоятельствах предпочтительными являются биополимеры, способные подвергаться эффективной биодеградации на безвредные для живой природы компоненты. Не меньшую ценность представляют биосовместимые сополимеры, полученные на основе аминокислот. Такие олигомеры и сополимеры могут использоваться в качестве средств доставки генных конструкций в клетки живого организма, изготовления биосовместимой керамики и во многих других областях практического применения.

при высокой температуре [9-10]. Указанное обстоятельство позволило нам сосредоточить внимание на исследовании кинетики твердофазного термического превращения Ь-а-аминокислот, изучить состав продуктов реакции методами хромато-масс-спектрометрии, времяпролетной МАЬБ1 МБ, ИК-спектроскопии с целью выяснения вероятного механизма реакции.

Цель работы состояла в исследовании кинетики твердофазного термического превращения двенадцати Ь-а-аминокислот, а также в изучении возможности протекания в исследованных температурных областях реакций поликонденсации Ь-а-аминокислот с образованием полимерных продуктов. Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• качественно оценить влияние радикалов Я, входящих в состав КН2СН(К)СООН на реакционную способность аминокислот;

• масс-спектрометрическим, ИК-спектроскопическим и времяпролетной МАЬ01 МБ методами определить состав продуктов реакции;

Объекты исследования В качестве объектов исследования выбраны Ь-а-аминокислоты, содержащие в составе Я радикала СООН - группу (аспарагиновая, глутаминовая кислота), ТМН2СО - группу (аспарагин, глутамин), аминогруппу (лизин, аргинин), серу (метионин, цистеин, цистин), и азотсодержащие гетероциклы (пролин, гистидин, триптофан).

Методы исследования Кинетические измерения проводились компенсационным методом в вакуумированной системе в статических условиях. Хромато-масс-спектрометрические измерения применяли для определения состава продуктов термопревращения. Для обнаружения

характеристических частот валентных колебаний твердых продуктов поликонденсации применяли ИК-спектроскопию. Анализ полимеров проводили методом времяпролетной MALDI MS.

Научная новизна и практическая значимость

1. Впервые оценена скорость твердофазного термического превращения аминокислот NH2CH(R)COOH с радикалом R, в состав которого входят карбоксильные, серу- и азотсодержащие группы. Доказано, что по своей реакционной способности в твердофазном термическом превращении исследованные аминокислоты располагаются в ряд:

Trp < His < Met < Asn < Cys2 < Asp < Lys < Arg < Pro < Су s < Gin < Glu.

2. Получены прямые доказательства твердофазных превращений аминокислот до низкомолекулярных олигомеров с помощью методов: ИК-спектроскопии, хромато-масс-спектрометрии и метода M ALDI MS.

3. Предложен вероятный механизм твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты. Установлено два температурных интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объёма. При 190 - 207 °С реакция завершается образованием низкомолекулярной полиаспарагиновой кислоты и воды. В зоне температур 210 -230 °С лимитирующим является процесс образования полисукцинимида в последовательном превращении аспарагиновая кислота -полиаспарагиновая кислота - полисукцинимид с выделением 2 моль воды на моль исходной аминокислоты.

4. Впервые предложен механизм твердофазной термической поликонденсации глутаминовой в полиглутаминовую кислоту в вакуумированной системе постоянного объема, непосредственно связанный со стадией образования лактама глутаминовой кислоты - 2-пирролидон-5-карбоновой кислоты.

Положения, выносимые на защиту

1. Доказано, что твердофазное термическое превращение исследованных аминокислот до низкомолекулярных олигомеров подчиняется уравнению реакции первого порядка. Определены активационные параметры. Наличие компенсационного эффекта указывает на однотипный механизм (гетеролитическая поликонденсация) в лимитирующей стадии.

2. Доказано, что полиаспарагиновая кислота может быть синтезирована из аспарагиновой кислоты, минуя стадию получения полисукцинимида. Установлен механизм твёрдофазной поликонденсации аспарагиновой и глутаминовой кислот.

3. Обоснован вероятный механизм превращения L-a-аминокислот NH2CH(R)COOH с серу- и азотсодержащими радикалами на основании кинетических параметров и состава продуктов реакции.

Область применения результатов Результаты диссертационной работы могут быть использованы в областях науки и практики, связанных с разработкой методов синтеза полиаминокислот, используемых для получения биодеградируемых и биосовместимых сополимеров. Для оценки вероятности появления токсичных продуктов при термической переработке пищевых продуктов. Для специалистов, занимающихся проблемами экологии. В учебном процессе для студентов, специализирующихся в области «Техносферной безопасности», «Экологии и природопользования».

Публикации автора:

1. Яблоков, В.А. Кинетика термического разложения серусодержащих аминокислот / В.А. Яблоков, Я.А. Васина, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Журнал общей химии. - 2009. - Т. 79, №.6. - С. 969 - 973.

2. Яблоков, В. А. Кинетика твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе / В.А. Яблоков, Я.А. Васина, И.Д. Гришин // Журнал общей химии. - 2013 - Т. 83, №11.-С. 1850-1854.

3. Яблоков, В.А. Исследование реакционной способности метионина и его комплекса с хлоридом ртути / В.А. Яблоков, Я.А. Васина, И.А. Зеляев, C.B. Митрофанова // Приволжский научный журнал. Изд. Н. Новгород: ННГАСУ. -2008 - № 1 _ с. 110 - 114.

4. В.А. Яблоков Сравнительная кинетика термического разложения глутатиона, цистеина и глицина / В.А. Яблоков, Я.А. Васина // Приволжский научный журнал. Изд. Н. Новгород: ННГАСУ. - 2012 - №4 - С. 169 - 171.

5. Васина, Я.А. Исследование реакционной способности метионина и его комплекса с хлоридом ртути / Я.А. Васина // Труды заочной научно-практической конференции «Естественные науки: актуальные вопросы и тенденции развития». Новосибирск. - 30 ноября 2011г. - С. 107.

6. Васина, Я.А. Кинетика термораспада аминокислот / Я.А. Васина // Труды IX Международной дистанционной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук». Москва. - 30 декабря 2011г. - С.ЗЗ.

7. Васина, Я.А. Кинетика термораспада аминокислот / Я.А. Васина // Труды V Междунар. дистанционной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук». Москва. - 20 января 2012г.-С.34.

8. Васина, Я.А. / Я.А. Васина // Кинетика термораспада некоторых природных соединений. Труды II Всероссийской (с международным участием) научной конференцц «Успехи синтеза и комплексообразования». Москва. - 23-27 апреля 2012 г. - С. 126.

9. Васина, Я.А. / Я.А. Васина, В.А. Яблоков // Сравнительная кинетика термического разложения глутатиона, цистеина и глицина. Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Инновации в науке». 17.10.2012. Новосибирск. - Россия. Часть 1. - С. 34.

10. Яблоков, В.А. / В.А. Яблоков, Я.А. Васина // Кинетика твердофазной термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в

вакуумированной системе. Материалы XI Международной конференции «Физикохимия олигомеров». 09-14.09.2013. Ярославль. - Россия. Часть 2. -С. 108 .

Степень достоверности полученных результатов Достоверность полученных результатов исследований подтверждена апробацией работы, а также использованием современных физико - химических методов исследования.

Работа выполнена на кафедре химии Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Синтез, исследование и применение органических и элементоорганических соединений».

химических процессов» и п. 10 «Связь реакционной способности реагентов с их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта специальности 02.00.04 - физическая химия.

Личный вклад автора Экспериментальные исследования выполнены автором диссертационной работы самостоятельно на кафедре химии Нижегородского архитектурно-строительного университета. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объём диссертации Диссертация изложена на 129 страницах, состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и списка литературы, включающей 134 наименований. Диссертация иллюстрирована 79 рисунками и 11 таблицами.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Микроорганизмы, растительный и животный мир на планете своим бесконечным разнообразием обязан уникальным молекулам белка. Белки выступают в качестве опорного структурообразующего полимера, построенного из 20 L-a-аминокислот. Это природные высокомолекулярные соединения обеспечивают все жизненные процессы любого организма. Белковых молекул в живой клетке во много раз больше, чем всех других (исключая воду). У большинства организмов белки составляют более половины их сухой массы. Разнообразие видов белков очень велико. Например, в клетке бактерии Escherichia coli содержится более трех тысяч различных белков.

Функции белков в �