Количественная спектроскопия ЯМР 2H, 13C и 17O в изучении изотопного состава воды и её структурных особенностей в растворах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

БИСИКАЛО Артем Леонидович

Количественная спектроскопия ЯМР 2Н, 13С и пО в изучении изотопного состава воды и её структурных особенностей в растворах

02.00.04 — физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 3 ДЕК 2012

Иркутск - 2012

005057150

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Кушнарев Дмитрий Филиппович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Кривдин Леонид Борисович (Иркутский институт химии им. Фаворского СО РАН, зам. директора по науке)

доктор химических наук, профессор Воронов Владимир Кириллович (Национальный исследовательский

Иркутский государственный технический университет, профессор)

Ведущая организация:

Российский университет дружбы народов

Защита состоится «26» декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.074.03 при Иркутском государственном университете по адресу: г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический факультет ИГУ, ауд. 430.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного университета, с авторефератом - на сайте ИГУ http://www.isu.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1, ИГУ, химический факультет.

Автореферат разослан «23» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Л.Б. Белых

Общая характеристика работы Актуальность темы. Физико-химические свойства водных растворов, в отличие от газов и твердого тела, определяются перераспределением молекул воды между ионами и молекулами неэлектролитов. Трансляционная подвижность молекул и её зависимость от параметров состояния молекулярной системы отражается в особенностях межмолекулярных взаимодействий и структуры жидкофазных систем. Все это определяет термодинамическое состояние бинарных и многокомпонентных систем и проявляется в растворах средних и высоких концентраций. Обнаружено, что физико-химические свойства водных систем имеют целый ряд особенностей, в отличие от большинства органических растворителей. Они связаны со структурированностью воды, которая в свою очередь зависит от свойств растворенных ионов (заряда, ионного радиуса, электронного строения и др.). Особенности растворения обнаруживаются в содержании минорных изотопов дейтерия (2Н или О) и его влиянии на структурированность водной матрицы.

Отдельный аспект этой проблемы связан с механизмом участия 2Н в образовании ассоциатов в воде с переменным изотопным составом, что позволяет дифференцировать упорядоченность микрокластеров различного размера.

Наиболее информативным методом изучения количественного распределения изотопов, формирующих водную матрицу, является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - метод измерения интегрального и дифференциального содержания минорных стабильных изотопов во фрагментах органических молекул. Метод позволяет получить исчерпывающую информацию о распределении дейтерия по структурно неэквивалентным положениям в молекуле, позволяя сформировать их «Н/В-изотопный портрет». В большинстве случаев механизм формирования характеристичного изотопного состава молекулы, позволяющего различать органические соединения синтетического и природного происхождения, не рассматривается вовсе, или носит формальный характер. Используются уже известные варианты механизмов реакции, не учитывающих природное обогащение образцов изотопом 2Н в воде, содержание которого варьируется в широких пределах. Часто не принимается во внимание влияние среды на формирование конечного продукта реакции. Изучение количественных закономерностей, управляющих процессом распределения природной метки дейтерия, позволяет не только развивать теоретические представления о механизме химических реакций, но и совершенствовать методы аутентификации и дифференциации биохимической продукции.

Цель настоящей работы включала изучение механизмов структурообразования воды и характера распределения изотопа 2Н в водных растворах и биохимических реакциях методом количественной спектроскопии ЯМР на ядрах 2Н, 13С и 170. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка методики получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая последовательный цикл «кристаллизация—плавление» и изучение степени влияния изотопомерного состава воды на структурные особенности водной матрицы.

2. Установление влияния катионов щелочных металлов 01а+, К+ и 1л+) и органических молекул с гидрофобными свойствами (тетраадкндаммониевые соли) на структуру водной матрицы.

3. Изучение характера распределения гН в растительных тканях, представляющих среду для протекания биохимических реакций и установление влияния дейтерозамещенности воды

на обменные процессы в многокомпонентных системах природного происхождения (гуминовые вещества).

4. Исследование металлокомплексных соединений на основе переходных металлов и углеводных лигандов (синтез, определение состава и свойств, оценка биологической активности).

5. Изучение влияния изотопомерного состава воды при гликолизе О-глюкочы на фрагментное распределение дейтерия в глицерине (как маркера распределения 2Н в природных и синтетических соединениях).

Научная новизна и практическая значимость работы:

модифицирована методика измерения содержания дейтерия в воде, водно-органических и органических растворах методом спектроскопии ЯМР (свидетельство об аттестации № 224.01.17.011/2006, регистрационный код МВИ по федеральному реестру ФР.1.31.1999.00073);

впервые рассмотрена взаимосвязь и установлена роль обменных процессов с участием изотопа 2Н на структурные особенности воды в растительных тканях, многокомпонентных системах природного происхождения и в процессах, основанных на разности температур плавления протиевой и дейтеро воды;

установлена дискриминирующая роль органического компонента (темплата) в формировании структуры гелей при фиксированном выборе параметров проведения синтеза, на основе растворов тетраалкиламмониевых (Те1А1кЛм) солей с различной длиной алифатической цепи;

обнаружено, что катионы натрия и лития обладают структурирующими свойствами, а калий — бинарными. В зависимости от его концентрации в растворе он структурирует или разупорядочивает водную матрицу;

на основании установленных процессов обмена 2Н с гидроксильными группами многоатомных спиртов, как фрагментов гуминовых веществ почв, синтезирована и исследована структура металлокомплексного соединения на основе переходных металлов и органических лигандов;

предложена методика оценки ростовой активности гуминовых кислот по способности подавления кислородного максимума в адсорбционной полярографии; для изотопной характеристики исходных углеводов при производстве этанолсодержащей продукции предложено использовать глицерин, как побочный продукт биоконверсии глюкозы. Определена роль воды, как растворителя и донора протонов, при формировании молекулы углеводорода;

полученные в диссертационной работе результаты позволяют существенно изменить представления о влиянии воды с пониженным содержанием 2Н на жизнеспособность клеток и микроорганизмов, физиологические механизмы регуляции водно-сырьевого баланса, мембранный транспорт и структурно-динамические свойства водных растворов. Информативность изотопного профиля молекулы обеспечивает возможность широкого применения спектроскопии ЯМР для детализации теоретических представлений о механизме химических реакциях, протекающих в водных средах, в решении вопросов подлинности продукции (происхождение, способ переработки сырья и т.д.) в самых различных технологиях химической и пищевой промышленности.

На защиту выносятся:

1. Методика получения обедненной дейтерием воды, включающая последовательный цикл «кристаллизация-плавление», определение содержания дейтерия (D/H) и скорости релаксации ядер кислорода (ÀV1/2 О) воды.

2. Исследование влияния воды с переменным изотопным составом на содержание 2Н в растительных тканях и многокомпонентных системах природного происхождения (гуминовые вещества).

3. Структурные особенности водных систем электролитов и катионов, обладающих гидрофобными свойствами (тетраалкиламмоний).

4. Оценка термодинамических параметров воды в водных растворах диамагнитных солей.

5. Изотопная идентификация углеводов при использовании продуктов ферментативных превращений и установление количественных соотношений перераспределения дейтерия углевода в продукты его биоконверсии (глицерин).

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментов, интерпретации и обсуждении полученных результатов, подготовке материалов к публикации. В большинстве опубликованных работ вклад автора является определяющим.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались на региональных, Всероссийских и Международных конференциях: Ежегодной научно-теоретической конференции аспирантов и студентов (Иркутск, 2008); Proceedings of 3 international symposium in chemistry «Chemistry and Food Safety-2008» (Mongolia, 2008); II международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2008); V Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Уфа, 2008); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы судебных экспертиз» (Иркутск, 2009); международной научной конференции по аналитической химии и экологии (Республика Казахстан, г. Алма-Аты, 2010); V Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере» (Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии» (Казань, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ: 4 статьи, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и 11 тезисов докладов на международных и россискийх конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, экспериментальной части и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 144 страницы печатного текста, в том числе 53 рисунков, 14 таблиц, 4 схем и списка цитируемой литературы из 195 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во ВВЕДЕНИИ обоснованы выбор и актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту (схема 1).

Схема 1

В ГЛАВЕ I обобщены литературные данные по изотопному составу воды и роли дейтерия и воды с его переменным составом на протекание биохимических реакций. Вода -растворитель и донор атомов водорода в биохимических реакциях. Рассмотрены ее основные структурные модели и методы, позволяющие их установить. Обоснована возможность использования релаксационных характеристик ядер структурообразующего элемента 170 воды в количественной спектроскопии ЯМР. Ширина сигнала кислорода на полувысоте в спектре ЯМР 170 воды позволяет оценить изменение ее состояния (степени структурированности), в зависимости от природы и концентрации растворенных

неорганических солей и их участия в обменных процессах. Рассмотрены возможности применения метода количественной спектроскопии ЯМР 2Н в анализе распределения природного дейтерия в органических соединениях, для решения ряда практических задач прикладной химии, в частности, дифференциации веществ природного и синтетического происхождения, вследствие нестатического распределения 2Н по структурно неэквивалентным фрагментам молекул.

В ГЛАВЕ II на основе различия температур плавления молекул D20 (3.80С) и НгО (0°С), в нормальных условиях и при постоянном значении pH (7±0.1), установлено изменение содержания дейтерия в воде в последовательном цикле процесса «кристаллизация-плавление». Изучены сопутствующие изменения структурных особенностей воды -образование и разрушение ассоциатов.

Релаксационные характеристики ядер "О получены на основе экспериментов в условиях многоимпульсной

последовательности Карра-Перселла-

Мейбоума-Гилла и ширины линий на полувысоте Гауссовой формы сигнала поглощения в спектрах ЯМР |70. Измерено содержание дейтерия (D/H) и ширина сигналов на полувысоте (Avi/2 О), характеризующая скорость спин-спиновой релаксации, а, следовательно, изменение структурированности воды. Обнаружено, что повышение температуры понижает значение ширины линии в спектре ЯМР 170 до 18Гц. (рис. 1), ввиду значительного увеличения времени спин-спиновой релаксации, за счет разрушения структуры воды.

Предложена схема получения обедненной дейтерием воды, включающая последовательный цикл «кристаллизация-плавление» (схема 2).

полувысоте от температуры

Схема 2

Образец ] -исходная вода

Схема получения обедненной дейтерием воды

Образец 2 - вода, после удаления тонкого слоя льда

Образец 3 ■ рассол

Образец 4 - вода, после удаления крупных частиц льда

Образец 5 - вода, после удаления мелкозернистого льда

Для установления закономерностей изменения структуры воды и содержания изотопа 2Н в процессе ее обеднения изотопом дейтерия, методом спектроскопии ЯМР проведен анализ образцов, отобранных на каждой стадии удаления тяжелой воды.

Измерение содержания дейтерия в воде и водных растворах проведено в соответствии с модифицированной нами методикой измерения содержания дейтерия в воде, водно-органических и органических растворах,

Различия в изменении значений Ду1/2170 обусловлены изменением температуры и распределением изотопа 2Н между фазами, что влияет на структуру водной матрицы.

Впервые проведен анализ образцов, приготовленных на основании воды с содержанием дейтерия в диапазоне 10 600 - 0.02 ррт. На рисунке 2 представлены зависимости содержания дейтерия в образцах воды и их релаксационные характеристики.

Образец

t 136.4 pjiiit ■ 2S2 ppm —ЮбООррш]

Образец

Рис. 2. Изменение содержания изотопа 2Н и AV[/2I70, в процессе «кристаллизация-плавление», с различным исходным содержанием дейтерия в воде

Для образцов с исходным содержанием 2Н 10600 ррш наблюдается понижение содержания дейтерия в воде на 7.5%.

Для образцов 1—5 (схема 2), по мере удаления ассоциатов, содержащих избыточное значение изотопомера HOD, обнаружено повышение Avi/2170, при уменьшении D/H (рис. 2). По развиваемым нами представлениям, кластерообразованию, т.е. увеличению значения Душ"0, способствуют не только процессы упорядочивания молекул воды, происходящие при кристаллизации, но и присутствие растворенного дейтерия, участие которого заключается в образовании объемной сетки, составленной из цепочек молекул HOD.

Для установления взаимосвязи изотопных и структурных характеристик воды нами впервые проведен анализ образцов, полученных в цикле «кристаллизация-плавление» с низким исходным содержанием дейтерия: 0.02ррт, 0.05ррт и 13ррт.

Образцы, выделенные в цикле процесса «кристаллизация-плавление» из воды с исходным содержанием дейтерия 0.02 ррт, 0.5 ррт и 13 ррт (рис. 3) характеризуются сложной волнообразной зависимостью с выраженными максимумами

Рис. 3. Изменение параметра Дут'70 с исходным содержанием 2Н в воде - 0.02, 0.5 и 13 ррт, в процессе «кристаллизация—плавление»

для отдельных стадий. Эти закономерности отличаются от рассмотренных ранее (рис. 2), где наблюдается структурирование воды в процессе ее обеднения дейтерием. В случае с заниженным исходным содержанием дейтерия в образцах воды регистрируется неустойчивое состояние водной основы. Оно может возникать в тонких слоях, образованных специфическими кластерами, перестраивающимися в процессе теплового движения молекул.

Отмеченные закономерности (рис. 2.) изменения Д\'1Д|70 и D/H обнаружены для образцов минерализованной воды (концентрация солей = 2 г/л, табл. 1).

Таблица 1

Образец* ДУ1д170,Гц D/Н, ррт

Вода (исходная) 50.6±0.7 136±4.1

1 56.3±0.8 108±3.2

2 56.8±0.8 109±3.2

3 54.0±0.8 114±3.3

* 1-3 - результаты трех параллельных экспериментов для

конечного продукта

обедненного дейтерием.

Минерализованная вода содержит соли, внедрение ионов которых в структуру водной матрицы изменяет степень упорядоченности системы. Для образцов 1-3 в конечных продуктах цикла «кристаллизация-плавление» (табл. 1) наблюдается незначительное уширение сигнала |70, характеризующее упрочнение структуры воды. Значение Душ О возросло на 3-6 Гц, по отношению к исходной минерализованной воде. Такое изменение скорости релаксации значительно ниже, чем наблюдалось ранее для дистиллированной воды (рис. 2), что может быть обусловлено взаимно компенсирующим эффектом влияния положительно заряженных однозарядных ионов, влияние которых на водную матрицу будет рассмотрено ниже.

Установлено, что существует взаимосвязь структурированности воды и содержания в ней дейтерия. Наблюдаются два максимума (30 ррт и 90 ррт). Методом биотестирования установлено, что существуют соответствующие максимумы в зависимости прироста биомассы семян овса от содержания дейтерия в воде, использованной для полива. Их значения находятся в диапазоне 40 ррт и 100 ррт, тем самым можно предположить существование взаимосвязи прироста биомассы семян, величины Дут'70 и содержания дейтерия в воде.

Изучено влияние воды с переменным изотопным составом на содержание "Н в растительных тканях (семенах гороха). В нормальных условиях и при стрессовых воздействиях (термическая обработка при Т = 75 °С) семена гороха поглощают воду в различных количествах, в зависимости от ее изотопного состава. Снижение в воде количества изотопа дейтерия положительно сказывается на физиологическую активность организмов.

D/Н, ррт

[—♦—В обычны* УСЛОВИИ в cipSCCOEOM С1ХЛЧЯНИИ [

Рис. 4. Насыщение водой (в % от сухой массы) с разным содержанием дейтерия семян гороха в различных условиях

Проведены исследования изотопного обмена в растительных тканях гороха после его насыщения в воде с различным содержанием дейтерия (13 — 1200 ррш). Семена гороха в обычных условиях поглощают преимущественно молекулы воды без дейтерия (с наименьшим содержанием). При увеличении концентрации дейтерия в воде, степень насыщения уменьшается (рис. 4). После температурного воздействия больше поглощается вода с повышенным содержанием дейтерия.

В таблице 2 представлены результаты по содержанию дейтерия в воде поглощенной и выделенной из семян гороха при различных условиях.

Таблица 2

Содержания дейтерия в воде, выделенной из семян гороха при различных условиях

Содержание дейтерия в исходной воде, ррга Содержание дейтерия в воде, выделенной из гороха, ррш

Нормальные условия Стрессовое состояние

13 29.0±0.9 24.0±0.7

60 69.3±2.1 57.0±1.7

100 99.1±3.0 90.1±2.7

Контроль (136.4) 133.0±4.0 137.1±4.1

280 215.2±6.5 238.3±7.1

700 625.0±10.8 635.0±10.9

1200 993.3±13.8 1074.1±15.2

Результаты получены совместно с д олг , проф. Д.И. Стомом

Установлено, что вода, выделенная из семян гороха после предварительной термической обработки, содержит меньше дейтерия, чем из семян гороха в нормальных условиях, при исходном содержании дейтерия в диапазоне 13-136 ррш. При содержании дейтерия свыше 136 ррш зависимости обратные. Для воды с содержанием дейтерия в 1200 ррш наблюдается накопление дейтерия в образцах.

В ГЛАВЕ III рассмотрен характер изменения содержания 2Н в многокомпонентных системах природного происхождения «ПС-НгО—NaOH». Гуминовые кислоты (ГК) -продукты химической модификации растительного сырья (углеводов, белков и лигнина), составляющие до 80% органического вещества почв, природных вод и твердых горючих ископаемых.

Степень замещения «подвижного» водорода *Н ГК на дейтерий растворителя (обогащенная дейтерием вода) может служить качественной мерой её активности, как за счёт фрагментов склонных к обменным процессам, так и наличием реакционных парамагнитных центров. Рассмотрена возможность оценки одной из видов активности ГК — ростовой, выделенных из бурых углей различной степени метаморфизма, методом количественной спектроскопии ЯМР 2Н.

Для определения содержания дейтерия в изучаемых образцах использовался метод градуировочного графика. В качестве стандартных образцов использована вода с известным содержанием дейтерия (табл. 3). Для сравнения, приведены значения изменения содержания дейтерия в растворах дигидрокверцетина и танина, моделирующих отдельные фрагменты ГК.

Таблица 3

Результаты измерения содержания дейтерия в растворах ГК

Содержание 'Н в Содержание ^Н в Д2Н*

ГК исходном растворе растворе ГК,

ЫаОН, ррт ррт

Загустайское м/р 136.4±4.1 115.8±3.5 20.6

Б-3 127.5±3.8 8.9

Щеткинское м/р 134.5±4.0 1.9

Б-2 127.0±3.8 9.4

Глинкинское м/р 130.0±3.9 6.4

Загустайское м/р 1263.0±17.9 1204.3±16.1 58.7

Б-3 1199.3±16,0 63.7

Щеткинское м/р 1228.3±16.8 34.7

Б-2 1253.5±17.6 9.5

Глинкиское м/р 1247.2±17.4 15.8

Дигидрокверцетин 136.4±4.1 128.1±3.8 8.3

Танин 128.9±3.8 7.5

*Д2Н — изменение содержания дейтерия I Образны Б-2 и Б-3 выделены из бурых углей Тальбулагского и Увдугхудагского

месторождения (Респ. Монголия).

Анализ изменения содержания 2Н в растворах ГК показал, что для всех образцов наблюдается

уменьшите количества дейтерия, по сравнению с исходным раствором. Возможно, это обусловлено включением изотопа 2Н в сферу влияния парамагнитных центров, количество которых существенно возрастает при растворении в щелочной среде (рН=10). Линейной зависимости Д Н с активностью не обнаружено.

Активность ГК проследить, анализируя контуров спектральных характеризующую

распределения 2Н между обменными и парамагнитными центрами. В перспективе, возможно, оценивать ростовую активность ГК без

Рис. 5. Спектр ЯМР 2Н раствора ГК Б-3 в NaOH (D/H =136.4 ppm)

шШ

М'

ШI

к

№

оди

ростовой

можно форму линий, степень

Рис. 6. Спектр ЯМР 2Н раствора ГК Б-2 в ЫаОН ф/Н = 136.4 ррт)

проведетя трудоемких полевых испытаний. На рис. 5 и 6 представлены спектры ЯМР 2Н ГК в растворе ЫаОН, со стандартным содержанием дейтерия (136.4 ррт).

' " Анализ типичных спектров ЯМР 13 С ГК различного происхождения в диапазоне ХС 0-240 ррт обнаруживает сигналы, соответствующие углеводному (полисахаридному) фрагменту в диапазоне 65-110 ррт. Оценка ростовой активности, проводимая на основе количественных спектров ЯМР 13С, также включает анализ этого фрагмента. Можно считать, что обменные процессы с участием воды различной степени обогащения, позволяют выявить существенную роль гидроксильных групп углеводных фрагментов, обеспечивающих обменный процесс, для ГК из углей низкой степени метаморфизма, следовательно, различные виды активности.

Проведены исследования на основе отдельного фрагмента полисахаридов - глюкозы в реакциях синтеза металлоорганических комплексов, используя воду со стандартным содержанием дейтерия (136,4 ррт).

Синтез металлокомплексного соединения осуществлен на основе переходных металлов и углеводных лигандов в буферном растворе (КН2Р04, №2НР04 и Н20), с последующей регистрацией спектров ЯМР 13С и изучением продуктов синтеза методом адсорбционной полярографии (вольтамперометрия), для установления степени активности. На рисунке 7 представлены спектры ЯМР 13С, отражающие превращения углеводородного скелета молекулы глюкозы (А) и осадка (Б).

А Б

к_Л

Рис. 7. Спектры ЯМР 13С продуктов превращения глюкозы, после термической обработки исходной смеси (А) и осадка (Б), в условиях оГ1"-резонанса

Спектр (рис. 7-Б) значительно уширен, что свидетельствует о прошедшей реакции конденсации глюкозы, с образованием соединения, в состав которого входит парамагнитный комплексообразователь - Ре2+. Это приводит к появлению парамагнитных центров, обеспечивающих координацию отдельных молекул глюкозы, приводящих к существенному уширению всех сигналов в спектре ЯМР 13С, за счет образования металлокомплексного соединения - глюкомоса. Значения химических сдвигов (ХС) в спектре ЯМР13С глюкомоса, с учетом ширины линии и частичного перекрывания сигналов, полностью соответствуют ХС исходной глюкозы, как и соотношение интегральных интенсивностей сигналов в этом диапазоне спектра.

Глюкомос, как следует из анализа характера распределения спектральной плотности, формы линии и значений времени спин-спиновой релаксации, может быть представлен многоядерным комплексом замкнутых кольцевых структур, внутри которых расположены центральные атомы переходных металлов.

—до кипения — 15 мин.

-45 (V

Разработанный подход к оценке ростовой активности ГК по способности подавления кислородного максимума в адсорбционной полярографии использован впервые для

глюкомоса, из-за близости ряда физико-химических свойств с ГК. На рисунке 8 представлена зависимость подавления кислородного максимума растворенным синтезированным продуктом при различном времени термической обработки. Синтезированный глюкомос вызывает эффект подавления

кислородного максимума при добавлении значительно меньших объемов, чем ГК. Это определяет более высокую эффективность влияния на ростовую

—60 мин —90 мин.

-120 мин

-150 мин — 180 мин

О 0.2 0.4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 Объемдобэвленного глюкомвеа, мл

Рис. 8. Подавление кислородного максимума

глюкомосом при различной продолжительности термической обработки

активность полученного препарата, относительно товарных ГК.

Полученные

Время спиртового брожения

Рис. 9. Зависимость количества образовавшегося этилового спирта в мл. от времени брожения глюкозы

глюкозы наблюдается на пятые сутки процесса.

препараты, на основе солей отдельных ионов металлов (Ре3+, Со2+, Си2+ и Мп2+), применили для оценки влияния на реакцию спиртового брожения глюкозы, в присутствии дрожжей вассИаготусез сегеу|81ае. Как видно из рисунка 9, выход этилового спирта остается постоянным для проб с добавлением биомосов на основе ионов различных металлов, при явном ускорение реакции на начальных этапах процесса биоконверсии глюкозы. Максимум ускорения реакции брожения

В ГЛАВЕ IV представлены результаты измерений скорости релаксации ядер кислорода ^ш,70) для систем «Катион Анион - Н20». Влияние катионов щелочных металлов, рассмотрено на основе развиваемых нами подходов, учитывающих взаимное влияние скорости релаксации и температуры на структуру воды.

Монотонное возрастание скорости релаксации (до160 Гц) для систем «КаС1 - Н20» в диапазоне концентраций 10"3-4 моль/дм3 позволяет сделать предположение о формировании единой гидратной оболочки (Рис. 10).

Структура гидратной сферы Ыа+ образована сеткой водородных^ связей, представляющие собой сферы, расположенные на разных расстояниях от иона и более прочные, чем в исходной воде. С увеличением расстояния от катиона его влияние на молекулы воды постепенно ослабевает. На поверхности кластера водородные связи не разрываются, а представляют собой границу коллективных взаимодействий молекул воды с многочастичным обменом.

Рис. 10. Зависимость Лу1/2170 от концентрации МаС1 и сферический кластер Ыа+с

молекулами воды

Для системы «КС1-Н20» в диапазоне концентраций 10"3-5 моль/дм3, получены три

ярко выраженных максимума (рис. 11). Достижение устойчивой структуры и появление трех максимумов наблюдается через 10 суток после приготовления растворов.

Возрастание скорости спин спиновой релаксации, соответствующее максимумам на кривой, связано с появлением кластеров и изменением структуры воды, формируемых ионом К+.

Наличие максимумов соответствует структурированной воде, которая представлена не концентрическими сферами, как в системе с натрием, а системой микроглобул, где калий находится в межглобульном пространстве. При деструктурировании водной матрицы (уменьшении скорости релаксации) происходит разрушение микроглубул до стохастического распределения молекул воды, вокруг иона калия (рис.12).

1

Рис. 11. Зависимость Ду1/2170 от концентрации КС1 в растворе

> > Г ч

Л Г !

и-----V.

Рис. 12. Формирование микроглобул иона К+ с молекулами воды

В диапазоне концентраций Ю~3-13 моль/дм3 для системы «ГлС1 - Н20» наблюдается значительное увеличение скорости релаксации (до 320Гц), что говорит о формировании

гидратной оболочки (рис. 13), более структурированной по сравнению с гидратными сферами иона натрия.

Рис. 13. Зависимость Ду,/г170 от концентрации ЫС1 и сферический кластер 1л' с молекулами

воды

350 300 250 200 150 100 50

2 4 6 8 10 12 14 с(1лС1), моль/л

Катион и формирует гидратные сферы, более прочные и сжатые, по сравнению с ионом 1Ма+, а наличие максимума может свидетельствовать о появлении микроглубул (рис. 13). Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о формировании плотной гидратной оболочки вокруг катиона 1л+, для разрушения которой недостаточно энергии калиевого канала, что подтверждает наличие катиона лития в межклеточном пространстве.

Органические растворители, содержащие гетероатомы с неподеленными электронными парами и я-связи, изменяют строение водной матрицы. Они были предложены как микрозонды (ацетон, ацетонитрил) на качественном уровне оценки изменения структуры, тем самым, подтверждая или опровергая предложенные модели.

Стабилизирующее структуру растворов действие ацетона проявляется в том, что внедряясь в межглобульное пространство, он образует дополнительную сетку Н-связей с ближайшими молекулами воды, а также взаимодействует с катионом, что определенным образом изменяет упорядоченность во всем объеме раствора. Это должно приводить к дополнительному увеличению скорости релаксации ядер 170 в растворах «вода-электролит».

Добавление в систему «КС1 -Н20» ацетона объемом 1 мл приводит к практически полному исчезновению максимумов. Это свидетельствует о потери бинарности свойств ионов калия. Происходит разрушение микроглобул до стохастического распределения молекул воды (рис. 14), вследствие оказываемого влияния на структуру воды присутствие ацетона, как микрозонда.

Для растворов 1ЛС1 и ШО, с добавлением ацетона, наблюдается увеличение скорости релаксации во всем диапазоне концентраций.

Рис. 14. Зависимость ДУ1д170 от концентрации КС1 и количеств добавки ацетона (мл)

пп

я

и

100

90

<1

80

с(КС1), моль/л

Тетраалкиламмониевые катионы, в отличие от катионов металлов, не образуют донорно-акцепторных связей с молекулами растворителя.

Положительный заряд локализован в них на находящемся в центре атоме азота, окруженном инертными

углеводородными группами. Вследствие больших радиусов и симметричной формы эти катионы могут служить модельными системами для проверки адекватности предложенных моделей ассоциации. При вариации длины алкильного радикала и концентрации, обнаружено, что структурирующая способность увеличивается в последовательности: Е1 < Ме < п-Рг < п-Ви (рис. 15), нарушающей классическую, основанную на стерических и индукционных эффектах заместителей последовательность изменений значений химических сдвигов.

Особое положение занимает радикал ЕЬ Проведенный нами анализ широких классов гетероатомных линейных, разветвленных и циклических углеводородов позволил выявить взаимосвязь этого необычного поведения с проявлением у-эффекта терминальной СНз-группы углеводородной цепочки, особенность которого заключается во включении в последовательность передачи индукционного эффекта центрального атома (рис. 16).

Электронная плотность на атоме углерода, связанном с атомом азота, максимальна в тетраэтиламмонийном катионе, по сравнению с остальными рассмотренными четвертичными аммониевыми катионами. Химический сдвиг ЬС, рассмотренного атома углерода в ряду этих соединений находится в самом сильном поле (52 м.д.), тогда как в Ме, Рг и Ви катионе имеет значение 56, 60 и 58 м.д.

Проявление обнаруженного электронного эффекта в тетраэтиламмонийном катионе, предопределяет многообразие формируемых этим темплатом типов цеолитов таких как: г$М-5, 2БМ-12, 28М-25, Ве1а-цеолит, мордернит и др. и катализаторов на их основе. Тогда как темплат ТМеАш способствует формированию структуры преимущественно 2БМ-4 цеолита, ТРгАш - ТВиАш - 28М-11.

Рис. 15. Зависимость Ду1/2170 от концентрации тетраалкиламмонийного катиона (темплата)

сн:.

сн3—снг—снГ <?Нг -\н;.

сн, Си.

] СН,—СНг—СН,—-СН,—№—сЙ,—4^12—й^г——¿Н3

Г

Рис. 16. Электронные эффекты четвертичных аммониевых солей

Рис. 17. Модель структурирования водной матрицы четвертичными аммониевыми солями

Нами предложена модель структурирования водной матрицы (рис. 17) четвертичными аммониевыми солями. Упрочнение водородных связей воды происходит за счет эффекта

гидрофобизации молекул воды

неполярными алкильными радикалами. Происходит образование молекулами воды микроглобул, в которых тетраалкиламмониевый катион,

ориентирует молекулы воды

неподеленными парами электронов атома кислорода воды внутрь сферы. Углеводородные радикалы при этом создают «эффект препятствия» для подвижности молекул воды,

гидрофобизируя поверхность глобулы (рис. 17), что не исключает наличие одно-и многочастичного обмена между молекулами в глобуле и над ее гидрофобизированной поверхностью.

Для доказательства глобулярного строения водной матрицы нами проведен

эксперимент на примере систем: «вода-ТЕ1АтВг» и «вода-ТРгАтВг» (рис. 18). Использованы ЗМ растворы солей с применением добавок ацетона, как «индикатора», внедряющегося в дефекты структуры водной матрицы. Происходит замещение дефектных Н-связей вода-вода на связи вода-ацетон.

Обнаружен максимальный

стабилизационный эффект добавок ацетона для чистой воды, менее всего организованной из трех образцов, где проявляется чисто «дефектный» механизм структурирования, характерный для ацетона. В меньшей степени (=70 Гц) эффект стабилизации проявился в системе «вода-ТЕ1АтВг», за счет усиления гидрофобизации поверхности глобул, организованных тетраэтиламмониевым катионом. Стабилизирующего действия молекул ацетона не обнаружено в системе «вода - ТРгАшВг». Возможно, это связано со сравнительно большим размером пропильного радикала. Таким образом, эффект стабилизации в данной системе наименьший. Водная матрица организована наиболее эффективно и у молекул ацетона не хватает возможностей для инициирования структурных изменений.

Наблюдаемая эволюция формы сигнала ядер 170 в бинарных системах позволяет найти основания для интерпретации результатов межмолекулярного взаимодействия в водном растворе как глобулярного, так и радиального построения водной матрицы.

Роль противоиона в тетраалкиламмониевых солях проявляется в сохранении последовательности изменения скорости релаксации при переходе СГ > Вг > I .

V (ацетона), мл.

Рис. 18. Зависимость полуширины линии сигнала 170 от объема добавленного ацетона

В системе «вода - ароматический углеводород» с донорно-акцепторными заместителями (анилин, нитробензол) на основании закономерностей изменения Дл'1/2170 предположен «эстафетный» механизм стабилизации водной матрицы, при котором происходит синхронный перенос двух протонов без нарушения структуры раствора (анилин) и «глобулярный» механизм стабилизации водной матрицы, с образованием глобул сложного сетчатого строения (нитробензол).

На основе закономерности изменения ХС в зависимости от температуры проведена оценка термодинамических параметров (изменение энтальпии и энтропии) воды в водных растворах диамагнитных солей (табл. 4).

Таблица■

Значения термодинамических величин процесса «структурирования» молекул воды в

' ~ -'ШАшОИ»

Объект исследования ДН, кДж/моль А5, Дж/моль»К

«вода - ТЕ1АшВг» -7.48 -9.46

«вода - ТЕ1АтОН» -5.04 -8.38

Процесс «структурирования» молекул воды в системах «вода - ТЕ1АтВг», «вода - ТЕ1АтОН» сопровождается тепловыми эффектами выигрыша энергии (АН = -7.48 кДж/моль и АН = -5.04 кДж/моль соответственно, табл. 4). Энтропия рассматриваемого процесса также имеет отрицательный знак, причем для системы «вода -ТЕ1АшВг» абсолютная величина её несколько превышает таковую для системы «вода -ТЕ1АтОН», что, вероятно, связано с ролью противоиона в организации водной матрицы. Отрицательные значения энтропии (табл. 4) обусловлены не взаимодействием меяоду молекулами воды и тетраалкиламмонийными катионами, а коллективными изменениями структуры воды в сторону большей её упорядоченности.

В ГЛАВЕ V рассмотрен процесс биоконверсии глюкозы в тяжелой воде. Исследован вклад изотопов воды при формировании молекулы глицерина при сбраживании Б-глюкозы. Вода играет важную роль в биохимических процессах, выступая в них не только в роли растворителя, но и донора атомов водорода и дейтерия. Методом количественной спектроскопии ЯМР |3С изучено внутримолекулярное распределение дейтерия в глицерине, полученном при биоконверсии О- и 0-[1-,3С] глюкозы (I и II, соответственно) в тяжелой воде в присутствии БассЬаготусев сегеу1з1ае. На рисунке 19 представлен количественный спектр ЯМР ЬС метиленовой группы [1-13С]-глицерина с подспектрами, полученными методом спинового эха.

64.2 63.8 63. 4 63. О 62 .

62.2 ррш

Рис. 19. Спектр ЯМР 13С метиленовой группы [1-13С]-глицерина, полученный с использованием импульсной последовательности «спинового эха»

В результате детального анализа и оценки интегральных интенсивностей сигналов рассчитан изотопомерный состав глицерина, в % (табл. 5).

Таблица 5

Изотопомерный состав глицерина, полученного при сбраживании О-глюкозы в 2Н20 в _присутствии 5асс1шготусез сегеу151ае, %.__

Глюкоза

11

Фрагмент глицерина

Метиленовые группы

42,4

64,9

28,1

29.9

29,5

5,2

Хс1*

0.87

0,40

Метиловая группа

¿0

34

31

66

69

16*

0.66

0,69

*Хс1 - суммарное содержание дейтерия во фрагменте (г-ат), определяемое как 1^/100. где 1 - число этомов дейтерий.

Сопоставление полученных результатов для обычной и меченой глюкозы позволяет установить фрагментное распределение дейтерия в глицерине, образующемся при биоконверсии О-глюкозы в тяжелой воде. Проведенные расчеты на базе полученных результатов показали, что в процессе трансформации О-глюкозы в глицерин в С Н2 и С"Н2 группы последнего из воды переходит 0.2 и 1.54 г-ат дейтерия, соответственно. В метановой группе содержание дейтерия составляет 0.66-0.69 г-ат.

Механизм появления дейтерия воды в молекуле глицерина обсужден в рамках общепринятой схемы биоконверсии углеводов. В частности, показано, что формирование метиленовых групп глицерина происходит из различных источников. Для атомов водорода С'Н2 группы глицерина в основном, а в присутствии изотопомера воды <1, полностью, таковым является углевод. С3Н2 группа формируется в результате водородного обмена

молекул глюкозы с водой на стадии динамического равновесия между фосфатами диоксиацетона и Б-глицеральдегида. В метановое положение дейтерий попадает из С3Н2 группы при участии НАД, причем степень его переноса (Кп) определяется содержанием изотопомерной формы последней. Дня с!, она колеблется в пределах 0.25-0.32.

Известно, что фрагментное распределение природного дейтерия в углеводах может меняться в широких пределах в зависимости от их происхождения. Прямое определение такого дейтерия в углеводах представляет сложную задачу, поэтому для изотопной характеристики предлагается использовать продукт их сбраживания - глицерин. Поскольку вода также участвует в образовании последнего, ясно, что информативность этого подхода будет более полной и точной при условии дифференциации молекул, источником дейтерия для которых является сам углевод. В условиях природного содержания дейтерия, когда все молекулы представлены исключительно изотопомером (¡1, изотопный состав С'П2 группы глицерина полностью определяется дейтерием углевода и может служить изотопной характеристикой последнего. В спектре ЯМР 2Н глицерина идентифицируются сигналы, соответствующие суммарному количеству дейтерия обеих метиленовых групп 01+3 и один сигнал метановой группы О2. Поскольку содержание дейтерия во второй метиленовой и в метановой группах связаны определенной пропорцией (Кп), анализ спектра позволяет рассчитать количество дейтерия, перешедшего в глицерин из глюкозы по уравнению

О1 = о1+3 - о2/кп.

Естественно, доля дейтерия, переносимого от метиленовой в метановую группу (К„) может меняться в зависимости от условий сбраживания, однако, проведение серии калибровочных экспериментов в строго стандартизированных условиях позволит установить границы его применения.

Выводы

1. Разработана методика получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая последовательный цикл «кристаллизация-плавление». Изучено влияние изотопного состава воды на структурные особенности водной матрицы.

2. Модифицирована методика измерения содержания дейтерия в воде, водно-органических и оргашиеских растворах методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

3. Установлено, что катионы натрия и лития являются структурообразующими элементами, а катион калия обладает бинарными свойствами в водных растворах. В зависимости от его концентрации в растворе он структурирует или разупорядочивает водную матрицу.

4. Предложен механизм структурирования водной матрицы четвертичными аммониевыми солями с упрочнением водородных связей за счет эффекта гидрофобизации молекул воды неполярными алкильными радикалами.

5. Оценены термодинамические параметры воды в водных растворах диамагнитных солей.

6. Обнаружено, что растительные ткани семян при инкубации в воде с различным содержанием дейтерия интенсивно поглощают легкую воду, а в стрессовом состоянии -тяжелую; потери влаги семенами в стрессовом состоянии минимальны для легкой, а в нормальных условиях — тяжелой воды.

7. Выявлены возможности оценки физиологической активности гуминовых кислот методом ЯМР 2Н, анализируя форму контуров спектральных линий, характеризующую обменные процессы и степень распределения 2Н по активным центрам. Это позволит оценивать ростовую активность гуминовых кислот без проведения трудоемких полевых испытаний.

8. Впервые синтезирован биологически активный комплекс (глюкомос) на основе различных переходных металлов и органических лигандов - глюкозы (использована вода со стандартным значением содержания дейтерия 136.4 ррш). Оптимизировано время термического и УФ воздействия для достижения максимального выхода продукта.

9. Изучено распределение дейтерия в глицерине, полученного при сбраживании £)_ и [1-13С]-0-глюкозы в тяжелой воде в присутствии КассЬагошусея ссге\ч51ае. Установлено, что комплектование водородной периферии двух метиленовых групп глицерина осуществляется из различных источников: одна формируется преимущественно за счет атомов водорода субстрата, вторая - полностью атомами водорода среды.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Биоконверсия D-глюкозы в тяжелой воде. Влияние изотопомерного состава воды на фрагментное распределение дейтерия в этаноле / А. Г. Сахабутдинов, A. JI. Бисикало, Д. Ф. Кушнарев, A.B. Рохин, Н.В. Кулагина // Журнал прикладной химии. - 2010. - Т, 83, вып. 11. — С. 1928-1930 (из списка журналов, рекомендованных ВАК).

2. Гликолиз D-глюкозы в тяжелой воде: роль промежуточных стадий при формировании изотопного строения этанола / А. Г. Сахабутдинов, A. JI. Бисикало, Д. Ф. Кушнарев, Н. В. Кулагина // Журнал прикладной химии. - 2011. - Т. 84, вып. 6. - С. 979-982 (из списка журналов, рекомендованных ВАК).

3. Биоконверсия глюкозы в тяжелой воде. Вклад атомов дейтерия воды в формирование изотопного состава глицерина / А. Г. Сахабутдинов, А. Л. Бисикало, Д. Ф. Кушнарев, Н. В. Кулагина // Журнал прикладной химии. - 2012. - Т. 85, вып. 6. - С. 953-959 (из списка журналов, рекомендованных ВАК).

4. Бисикало, А. Л. Синтез, состав и свойства биомосов / А. Л. Бисикало // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Научный журнат. - 2011. - Вып. 1. - С. 37-42.

5. Aprelkova, N. F. Estimation of the physiological activity of humic substances using polarography and 13C NMR methods / N. F. Aprelkova, A. L. Bisikalo, N. S. Matvievskaya // Chemistry and Food Safety-2008 : proceeding of 3rd internat, symposium in ehem., 2-4 oct. 2008 y. -Mongolia, 2008.-P. 126.

6. Апрелкова, Н.Ф. Изучение состава и свойств гуминовых веществ методом полярографии и количественной спектроскопии ЯMP 13С / Н. Ф. Апрелкова, А. Л. Бисикало, Н. С. Матвиевская // Аналитика и аналитики : материалы II междунар. форума, 22-26 сент. 2008 г. - Воронеж, 2008. - С. 564.

7. Бисикало, А. Л. Синтез, состав и свойства биомосов / А. Л. Бисикало // Вестник Ирк. универ. : материалы ежегод. науч.-теорет. конф. аспирантов и студентов. - Иркутск, 2008. -С. 392.

8. Апрелкова, Н. Ф. Количественная спектроскопия ядерного магнитного резонанса гуминовых веществ: методология и методики исследования состава и строения / Н. Ф. Апрелкова, Н. С. Матвиевская, А. Л. Бисикало // Химия и технология растительных веществ : материалы V Всерос. науч. конф., 8-12 июня 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 73.

9. Кушнарев, Д. Ф. Определение подлинности спиртов и спиртосодержащих жидкостей методом количественной спектроскопии ЯМР / Д. Ф. Кушнарев, А. В. Рохин, А, Л. Бисикало // Актуальные вопросы судебных экспертиз : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 22-23 апр. 2009 г. - Иркутск, 2009. - С. 131-137.

10. Лапина, С. А. Адсорбционная полярография в определении молекулярных масс гуминовых веществ углей различного генезиса / С. А. Лапина, А. Л. Бисикало, Н. Ф. Апрелкова // Материалы Междунар. науч. конф. по аналит. химии и экологии, 6-8 окт. 2010 г. -Алматы, 2010. -С. 137.

11. Апрелкова, Н. Ф. Особенности адсорбционной полярографии в изучении свойств и активности гуминовых веществ / Н. Ф. Апрелкова, А. Л. Бисикало, С. А. Лапина // Гуминовые вещества в биосфере : материалы V Всерос. конф., 1-4 марта 2010 г. - СПб., 2010.-С. 108-111.

12. Бисикало, А. Л. Количественная спектроскопия ЯМР 2Н гуминовых веществ в растворах с различным содержанием дейтерия / А. Л. Бисикало, М. Ю. Кондакова,

Д. Ф. Кушнарев // Гуминовые вещества в биосфере : материалы V Всерос. конф., 1-4 марта 2010 г.-СПб., 2010.-С. 112-114.

13. Структурные особенности водной матрицы «Гуминовое вещество-Н20-углевод» из спектров ЯМР 13С, пО / М. Ю. Кондакова, А. Л. Бисикало, А. С. Богданова, Д. И Стом // Гуминовые вещества в биосфере : материалы V Всерос. конф., марта 2010 г. - СПб., 2010.-С. 152-154.

14. Бисикало, А. Л. Биоконверсия Б-глкжозы в тяжелой воде. Влияние изотопомерного состава воды на фрагментов распределение дейтерия в этаноле I А. Л. Бисикало, А. Г. Сахабутдинов, Д. Ф. Кушнарев // Актуальные проблемы органической химии : материалы Всерос. конф. с элементами науч. шк. для молодежи, 6-8 окт. 2010 г. - Казань, 2010.-С. 146.

15. Адсорбционная полярография и активность гуминовых веществ / Н. Ф. Апрелкова, С. А. Лапина, Д. Ф. Кушнарев, А. Л. Бисикало II Теория и практика электроаналитической химии : материалы симп., 13-17 сент. 2010 г. - Томск, 2010. - С. 83-84.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность д-ру хим. наук, с.н.с. А. Г. Сахабутдинову, д-ру хим. наук А. В. Рохину за помощь в планировании и проведении экспериментов и обсуждении результатов, а также д-ру биол. каук, профессору Д. И. Стому за предоставленные образцы для проведения опытов.

Научное издание

Бисикало Артем Леонидович Количественная спектроскопия ЯМР 2Н, 13С и пО в изучении изотопного состава воды и её структурных особенностей в растворах

Подписано в печать 20.11.2012. Формат 60x90 1/16 Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 68

Издательство ИГУ 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 36; тел. (3952) 24-14-36

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Изотопный состав воды.

1.2 Формирование изотопного состава воды и органических молекул.

1.3 Основные модели структуры воды.

1.4 Строение и структура растворов.

ГЛАВА II Изотопный состав и структурные особенности воды и водных растворов.

2.1 Характер изменения изотопного состава и структурных особенностей воды с обедненным содержанием Н.

2.2 Определение содержания Н и структурных параметров воды в условиях «кристаллизация-плавление».

2.3 Изотопный состав и структурные особенности воды атмосферных осадков и природных ледяных образований (сталактитах).

2.4 Влияние воды с переменным изотопным составом на содержание Н в растительных тканях.

ГЛАВА III Влияния дейтерозамещенности воды на обменные

3.1 процессы в многокомпонентных системах природного происхождения.

3.2 Синтез и исследование методом ЯМР металлокомплексных соединений на основе глюкозы.

ГЛАВА IV Количественная спектроскопия системы

Катион Анион - Н20».

4.1.1 Структурные особенности системы «№С1 - Н20».

4.1.2 Структурные особенности систем «КС1 - Н20».

4.1.3 Структурные особенности системы «1ЛС1 - Н20».

4.2 Влияние органических соединений, как микрозондов на структуру водной матрицы «Катион Анион - Н20».

4.3 Гидратообразование в системе «соли с катионами: Ме4М+, Е14К+, Рг4>Г, пВи^-НгО».

4.4 Оценка термодинамических параметров (изменение энтальпии и энтропии) воды в водных растворах диамагнитных солей.

4.5 Структурные особенности системы «вода-ароматический углеводород с азотсодержащим заместителем (анилин, нитробензол)».

ГЛАВА V Биоконверсия глюкозы в тяжелой воде. Вклад атомов дейтерия воды в формирование изотопного состава глицерина.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ВЫВОДЫ.

Элементы, входящие в состав органических веществ содержат стабильные изотопы, соотношение которых специфично. Изотопы, определяющие характеристичный изотопный профиль молекулы, составляют незначительную часть от общего содержания основного элемента.

Наиболее информативными методами в изучении распределения изотопов являются спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах 2Н, 13С, 15N, 170 и 33S и масс-спектрометрия изотопных отношений -IRMS (Isotope Ratio Mass-Spectrometry). Это методы измерения дифференциального и интегрального содержания минорных и стабильных изотопов в фрагментах органических молекул.

При изотопном анализе водорода, спектроскопия ЯМР открывает возможность не только определения общего содержания дейтерия в молекулах, но и дает исчерпывающую информацию о его распределении по структурно неэквивалентным положениям, позволяя получить их «I-I/D-изотопный портрет». Это осуществляется путем прямого наблюдения резонанса ядер 2Н на природном или обогащенном содержании или из спектров ЯМР 13С за счет наблюдения спин-спинового взаимодействия

1Ч 9

С- Н и изотопного сдвига, при существенном введении атомов дейтерия в углеводородный фрагмент. Уступая в чувствительности IRMS, спектроскопия ЯМР существенно превосходит возможности изотопной масс-спектрометрии при фрагментном анализе, т.к. не требует трудоемких и сложных реакций последовательной селективной фрагментации молекул.

Чувствительность спектроскопии ЯМР на ядрах изотопа дейтерия

2 1 ( Н или D) почти на шесть порядков меньше по отношению к ЯМР Н и два

13 порядка меньше по отношению к ЯМР С. В реальных экспериментах чувствительность метода оказывается еще более низкой. Это предопределяет преимущество применения спектроскопии ЯМР 13С в количественном варианте для идентификации и количественного определения содержания изотопомеров с дейтерием.

Сочетание таких факторов, как естественная распространенность, магнитная активность минорных изотопов, возможность количественной оценки их фрагментиого распределения, информативность изотопного профиля молекулы обеспечивает возможность широкого применения спектроскопии ЯМР в решении вопросов идентификации продукции (происхождение, способ переработки и т.д.) в различных технологиях химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

В большинстве случаев механизм формирования характеристичного изотопного состава молекулы, позволяющего различать органические соединения синтетического и природного происхождения, не рассматривается вовсе, или носит формальный характер. Используются уже известные варианты механизмов реакции, не учитывающих природное обогащение образцов изотопом "Н в воде, содержание которого варьируется в широких пределах [1]. Ile принимается во внимание влияние среды на формирование конечного продукта реакции. Изучение количественных закономерностей, управляющих процессом распределения природной метки, позволяет не только детализировать теоретические представления о механизме химических реакциях, протекающих в водных и водно-органических средах, но и совершенствовать методы аутентификации и дифференциации биохимической продукции.

На сегодняшний день состояние этой проблемы рассматривается с двух позиций. С одной стороны, в работах с естественным обогащением образцов констатируется факт нестатистического распределения минорного изотопа в молекуле органического вещества [2, 3]. С другой, в работах с использованием изотопных меток среды или субстрата изучен механизм формирования этой молекулы [4-10]. В последнем случае проявление изотопных эффектов не позволяет применить знания о механизме реакции к интерпретации природного распределения изотопа. В свою очередь, попытки изучить механизм той или иной реакции па природном обогащении реагентов в водной среде дают неоднозначные результаты, вследствие статистически неконтролируемого наложения соизмеримых по величине изотопсодержащих фрагментов, принадлежащих изотопомерам в различных количественных соотношениях, даже для такого простейшего соединения как вода. В обоих случаях не рассматривается вопрос, каким образом наличие природного или обогащенного дейтерием реагента вносит свой вклад в химическую реакцию. Считается, что содержание дейтерия, которое изменяется в достаточно широких пределах [1], не влияет на энергетику химического процесса на макромолекулярном уровне. При этом не учитывается значимость влияния изотопомеров среды с различным содержанием дейтерия на различных стадиях процесса, где роль трансляции атомов дейтерия из различных положений молекулы определяет лимитирующую стадию процесса на микромолекуляриом уровне.

Большинство биохимических реакций происходит с участием л природной и техногенной воды, с различной степенью обогащенности Н в диапазоне: 90-160 ррт, как источника образования микрогетерогенных кластеров [11]. Влияние изменения структуры воды и содержания изотопа ~Н при обеднении или обогащении её дейтерием практически не изучен, поэтому необходимо учитывать взаимное влияние изменения структуры воды и водных растворов, как непосредственных участников химических превращений с различным содержанием дейтерия [12-14].

В блок-схеме изложены основные положения и объекты исследования, освещенные в диссертационной работе.

Цель настоящей работы включала изучение механизмов структурообразования воды и характера распределения изотопа Н в водных растворах и биохимических реакциях методом количественной

2 13 17 спектроскопии ЯМР на ядрах Н, Си О.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- разработка методики получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая , последовательный цикл «кристаллизация-плавление» и изучение степени влияния изотопомерного состава воды на структурные особенности водной матрицы;

- установление влияния катионов щелочных металлов К+ и 1л+) и органических молекул с гидрофобными свойствами (тетраалкиламмониевые соли) на структуру водной матрицы;

- изучение характера распределения 2Н в растительных тканях, представляющих среду для протекания биохимических реакций и установление влияния дейтерозамещенности воды на обменные процессы в многокомпонентных системах природного происхождения (гуминовые вещества);

- исследование металлокомплексных соединений на основе переходных металлов и углеводных лигандов, включающее синтез, определение состава и свойств, оценка биологической активности;

- изучение влияния изотопомерного состава воды при гликолизе Б-глюкозы на фрагментное распределение дейтерия в глицерине, как маркера распределения 2Ы в природных и синтетических соединениях.

122 Выводы

1. Разработана методика получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая последовательный цикл «кристаллизация-плавление». Изучено влияние изотопного состава воды на структурные особенности водной матрицы.

2. Модифицирована методика измерения содержания дейтерия в воде, водно-органических и органических растворах методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

3. Установлено, что катионы натрия и лития являются структурообразующими элементами, а катион калия обладает бинарными свойствами в водных растворах. В зависимости от его концентрации в растворе он структурирует или разупорядочивает водную матрицу.

4. Предложен механизм структурирования водной матрицы четвертичными аммониевыми солями с упрочнением водородных связей за счет эффекта гидрофобизации молекул воды неполярными алкильными радикалами.

5. Оценены термодинамические параметры воды в водных растворах диамагнитных солей.

6. Обнаружено, что растительные ткани семян при инкубации в воде с различным содержанием дейтерия интенсивно поглощают легкую воду, а в стрессовом состоянии - тяжелую; потери влаги семенами в стрессовом состоянии минимальны для легкой, а в нормальных условиях - тяжелой воды.

7. Выявлены возможности оценки физиологической активности гуминовых кислот методом ЯМР ~Н, анализируя форму контуров спектральных линий, характеризующую обменные процессы и степень распределения "И по активным центрам. Это позволит оценивать ростовую активность гуминовых кислот без проведения трудоемких полевых испытаний.

В. Впервые синтезирован биологически активный комплекс (глюкомос) на основе различных переходных металлов и органических лигандов - глюкозы (использована вода со стандартным значением содержания дейтерия 136.4 ррт). Оптимизировано время термического и УФ воздействия для достижения максимального выхода продукта.

9. Изучено распределение дейтерия в глицерине, полученного при 1 сбраживании Б- и [1- С]-0-глюкозы в тяжелой воде в присутствии 8ассЬагошусез сегеу181ае. Установлено, что комплектование водородной периферии двух метиленовых групп глицерина осуществляется из различных источников: одна формируется преимущественно за счет атомов водорода субстрата, вторая - полностью атомами водорода среды.

1. Ветштейн В.Е. Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР / В.Е. Ветштейн,- Д.: «Недра», 1982. 214 с.

2. Martin G.J. Identification of the origin of natural alcohols by natural abundance hydrogen-2 nuclear magnetic resonance / G.J. Martin, M.L. Martin, F. Mabon // Analytical Chemistry. 1982. - V. 54 (13). - P. 2380-2382

3. Pionnier S. Application of "H NMR to the study of natural site-specific hydrogen isotope transfer among substrate, medium, and glycerol in glucose fermentation with yeast. / S. Pionnier, B.L. Zhang // J. Anal. Biochem. 2002. V. 307.-P. 138-146.1.'X

4. Gilbert A. Accurate Quantitative Isotopic С NMR Spectroscopy for the Determination of the Intramolecular Distribution of С in Glucose at Natural Abundance / A.Gilbert, V. Silvestre, R.J. Robins // J. Anal. Chem. 2009. V. 81.-P. 8978-8985.1

5. Botosoa E. Unexpected fractionation in site-specific 13C isotopic distribution detected by quantitative 13C NMR at natural abundance / E. Botosoa, E. Caytan, V. Silvestre // J. Amer. Chem. Soc. 2008. V. 130. - P. 414-415.

6. Fang X. Alkyl and other major stucrures in 13C-labeled glucose-glicine melanoidins identified by solid-state NMR / X. Fang, K. Schmidt-Rohr // J. Agric. Food Chem. 2011. V. 59 -P. 481-490.

7. Rossmann A. Evidence for a nonstatistical carbon isotope distribution in natural glucose / A. Rossmann, M. Butzenlechner, H.L. Schmidt // J. Plant Physiol. 1991.-P. 609-614.

8. Гончарук B.B. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды / В.В. Гончарук, В.II. Смирнов, А.В. Сыроешкин и др. // Химия и технология воды. 2007. - Т. 29. №1. С. 3-17.

9. Сишоков В.В. Структура одноатомпых жидкостей воды и водных растворов электролитов / В.В. Синюков // М.: «Наука», 1976. 256 с.

10. Федотов М.А. Ядерный магнитный резонанс в неорганической и координационной химии. Растворы и жидкость / М.А. Федотов //— М.: Физматлит. 2009. 384 с.

11. Barnes В. Modeling the isotope enrichment of leaf water / B. Barnes // J. Mathematical Biolog. -2004. V. 48. - P. 672-702.

12. Masud Z. Stable Isotope Characterization of Milk Components and Whey Ethanol / Z. Masud. J. Agric. and Food, chem.// - 1994. V. 47. - P. 46934699.

13. Никоноров A.M. Стабильные изотопы в гидрохимии / А. М. Никоноров, Ю. А. Федоров.// Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 246 с.

14. Рознятовский В.А. Количественная спектроскопия ЯМР Н. Сообщение

15. Термодинамические H/D изотопные эффекты в молекулах N,N-диметилформамида и циклопентадиена / В.А Рознятовский, С.М. Гердов, Ю.К. Гришин и др. // Изв. Ан. сер. Хим. - 2003. - №3. С. 530.

16. Гердов С.М. Количественная спектроскопия ЯМР Н. Сообщение 2. H/D изотопные портреты циклических мопотерпенов и дискриминация их биосинтетических путей. / С.М. Гердов, Ю.К. Гришин, В.А Рознятовский и др. // Изв. Ан. сер. Хим. 2005. - №5. С. 1222. 1

17. Резников А.А. Методы анализа природных вод / А.А. Резников, Е.П. Муликовская, И.Ю. Соколов // 3-е изд. - М.: Недра. - 1970. - 488 с.

18. Bild W. Research concerning the radioprotective and immunostimulating effects of deuterium-depleted water / W. Bild // J. Physiol. 1999.-V. 36.-P. 205-218.

19. Somluai G. Naturally accruing deuterium is essential for the normal growth rate of cells / G. Somluai // Feb Lett. 1993. - P. 1-4.

20. Антошина E.E. Исследование медико-биологических свойств воды с измененным изотопным составом / Е.Е.Антошина, B.C. Турусов // Отчет института Канцерогенеза Рос. онк-ого науч. центра им. Н.Н. Блохина РАМН. М., 2002. - С. 134-139.

21. Martin G.J. Deuterium labeling at the natural abundance level as studied by high field quantitative 2H-NMR. / G.J.Martin, M.L. Martin // Tetrahedron Lett.2.- 1981.-P. 3525-3528.

22. Martin M.L. NMR Basic Principles and Progress / M.L. Martin, G.L. Martin, P.Diehl et al. //Berlin: Springer. 1990. -V. 23. P. 1-61.

23. Caytan E. Accurate Quantitative 13C NMR Spectroscopy: Repeatability over Time of Site-Specific 13C Isotope Ratio Determination / E. Caytan, E. P. Botosoa, S. Virginie et al. // J. Anal. Chem. 2007. V.79. - P. 8266-8269.

24. Thomas F. Improved Characterization of the Botanical Origin of Sugar by Carbon-13 SNIF-NMR Applied to Ethanol / F. Thomas, C. Randet, A. Gilbert et al. // J. Agric. Food Chem. 2010. - V. 58. - P. 11580-11585.

25. Ogrinc N. Characterization of Commercial Slovenian and Cypriot Fruit Juices Using Stable Isotopes / N. Ogrinc, K. Bat, T. Golob et al. // J. Agric. Food Chem. 2009 V. 57 - P. 6764-6769.

26. Danho D. Deuterium, carbon and nitrogen isotopic analysis of natural and synthetic caffeines. Authentication of coffees and coffee extracts / D. Danho, N. Naulet, G.J. Martin // Analusis. 1992. - V.20 (3). - P. 179-184.

27. Martin G.J. Recent advances in site-specific natural isotope fractionation studied by nuclear magnetic resonance / G.J. Martin // Isotopes in Environmental and Health Studies. 1998. - V.34 (3). - P. 233-243.

28. Son II. 'i-I Nuclear Magnetic Resonance-Based Metabolomic Characterization of Wines by Grape Varieties and Production Areas / II. Son, K. M. Kim, F. V. Berg et al. // J. Agric. Food Chem. 2008. - V. 56 - P. 8007-8016.

29. Hermann A. Determination of D/H isotope ratio in acetic acid from vinegars and pickled products by "II-NMR-spectroscopy / A. Hermann // Research and Technology. 2002. - V. 212 (6). - P. 683-686.

30. Buddrus S. Study of the origin of triglycerides and glycerols from diverse sources by 2Ii-SNIF-NMR and 13C-IRMS / S. Buddrus, B.L. Zhang, G.J. Martin // Isotopes in Environmental and Health Studies. 1998 - V.34 (2). -P.53.

31. Zhang B.L. Characterization of Glicerol from Different Origins by H and 13C NMR Studies of Site-Specific Natural Isotope Fractionation / B.L. Zhang, S. Buddrus, M. Trierweiler, et al // J. of Agric. and Food Chem. 1998. - V.46. -P. 1374-1380.

32. Hermann A. Determination of site specific D/H isotope ratios in glycerol of different origins by NMR-spectroscopy / A. Hermann // Z. Lebensm. -Unters. Forsch. 1999. - V.208. - P. 194-197.

33. Martin G. Authentication of natural flavors using SNIF NMR new developments on mustard oil and saffron / G. Martin, G. Remaud, G.J. Martin // Developments in Food Science. - 1995. - V. 37A. - P. 355-378.

34. Fronza G. Natural abundance H nuclear magnetic resonance study of the origin of raspberry ketone / G. Fronza, C. Fuganti, C. Guillou et al. Renero // J. of Agric. and Food Chem. 1998. - V.46 (1). - P. 248-254.

35. Fuganti C. SNIF NMR and IRMS study of raspberry ketone / C. Fuganti, G.

36. Fronza, D. Joulain et al // Isotopes in Environmental and Health Studies.i1998. V.34 (2). - P. 54.

37. Martin G.J. Deuterium NMR characterization of anetholes. Factorial analysis of specific isotope ratios / G.J. Martin, P. Janvier, F. Mabon // Analusis. -1985.-V. 13 (6).-P. 267-274.

38. Clayton T.A. Pharmaco-metabonomic phenotyping and personalized drug treatment / T.A. Clayton, J.C. Lindon, O. Cloarec et al // Nature. 2006. - V. 440.-P. 1073-1077.

39. Coen M. The mechanism of galactosamine toxicity revisited; A metabonomic study / M. Coen, Y.S. Hong, T.A. Clayton et al // J. Proteome Res. 2007. -V. 6.-P. 2711-2719.

40. Pereira G. E. 'il NMR metabolite fingerprints of grape berry: Comparison of vintage and soil effects in Bordeaux grapevine growing areas / G.E. Pereira, J.

41. P. Gaudillere, C. Van Leeuwen et al // Anal. Chim. Acta. 2006. - V. 563. -P. 346-352.

42. Pereira G. E. 'l-I-NMR metabolic profiling of wines from three cultivars, three soil types and two contrasting vintages / G. E. Pereira, J. P. Gaudillere, C. Van Leeuwen et al//J. Int. Sci. Vigne Vin. 2007. - V 41. -P. 103-109.

43. O'Leary M. H. In Stable Isotopes and Plant Water-Relations / M. H. O'Leary, J.R. Ehleringer, A.E. Hall et al Academic Press: San Diego, CA. 1993. - P. 1263-1289.

44. Gonzalez J. Authentication of lemon juice and concentrates by a combined multi-isotope approach using SNIF-NMR and IRMS / J. Gonzalez, E. Jamin, G. Remaud et al // J. Agric. Food Chem. 1998. - V. 46. - P. 2200-2205.

45. Ogrinc N. The application of NMR and MS methods for detection of adulteration of wine, fruit juices, and olive oil. / N. Ogrinc, I. J. Kosir, J. E. Spangenberg et al // J. Anal. Bioanal. Chem. 2003. - V. 376. - P. 424-430.

46. Calderone, G. Analysis of isotopic ratios for the detection of illegal watering of beverages / G. Calderone, C. Guillou // J. Food Chem. 2008. - V. 106. - P. 1399-1405.51. http://www.eoma.aoac.org (accessed September 2010).1.-I

47. Remaud G. Quantitative C NMR spectrometry as a new tool for site-specific isotopic fractionation studies / G. Remaud, A. Gilbert, V. Sivestre et al // Isotopes Congress, Romania. 2009. - V. 15. - P. 256-267.

48. Kudor S. Cluster size dependence of the H/D exchange reaction rate constant for protonated water clusters H+ (H20)n (n=2 11) / S. Kudor, S. Yamaguchi, Y. Okada // Chem. Phys. Letters. - 2002. - N. 359. - P. 480-485.

49. Nichols M. A. Kinetic and Mechanistic Studies of the Deuterium Exchange in Classical Keto-Enol Tautomeric Equilibrium Reactions / M.A. Nichols, M.J. Waner // J. Chem. Educ. 2010. - V.87 (9). - P. 952-955.

50. Гердов С. М. Количественная спектроскопия ЯМР на природном содержании 2Н. Новые методики и приложения / С.М. Гердов // канд. дис. М.,МГУ. 2006.-С. 1-146.

51. Suzuki К. Isotope effec t of proton and deuterium adsorption si te zeolite-templates carbon using part integlal molecular dynamics / K. Suzuki, M. Tachikowa, II. Ogava and et all // Teoh. Chem. Acc. 2011. - N.130. - P. 1039-1042.

52. Bushuev Y.G. The structural Directing role of water and hydroxyl groups in the synthesis of Beta zeolite polymorhs / Y.G. Bushuev, G. Sastre, J. Vicente de Julian-Ortiz // J. Phys. Chem. 2010. - V. 114. - P. 345-356.

53. Totland C. Water structure and dynamics at a silica surface: pake doublets in III NMR spectra / C. Totland // Langmuir, published march. 2011. - P. 4690-4699.

54. Bushuev Y.G. Atomistic simulation of water and organic templates occluded during the synthesis of zeolites / Y.G. Bushuev, G. J. Sastre // J. Microporous and mesoporous materials. 2010. - V. 129 - P. 42-53.

55. Martin G.J. Site-specific natural isotope fractionation of hydrogen in plant products studied by nuclear magnetic resonance / G.J. Martin, M.L. Martin, B.L. Zhang // Plant, Cell and Environment. 1992. - V. 15(9). - P. 10371050.

56. Jamin E. Multi-element and multi-site isotopic analysis of nicotine from tobacco leaves / E. Jamin, N. Naulet, G.J. Martin // Plant, Cell and Environment. 1997. - V.20 (15). - P. 589-599.

57. Aursand M. Characterization of farmed and wild salmon (Salmo salar) by a combined use of compositional and isotopic analyses / M. Aursand, F. Mabon, G.J. Martin // J. of the American Oil Chemists Society 2000. - V.77 (6). - P. 659-666.

58. Зякуп A.M. Использование отношений распространенностей изотопов13 I''

59. С и "С для характеристики происхождения этилового спирта / A.M.

60. Зякун, В.Н. Захарченко, А.И. Кудрявцева и др // Прикладная биохимия и микробиология. 2000. - Т.36 (1). - С. 17-20.

61. Sehleucher J. Intramolecular deuterium distributions link biochemistry, physiology and climate research / J. Schleucher // Isotopes in Environmental and Health Studies. 1999. - V.35 (4). - P. 281-282.

62. Martin G.J. Deuterium Transfer in the Bioconversion of Glucose to the Natural Abundance Level / G.J. Martin, B.L. Zhang, N. Naulet et al // J. of the American Chemical Society. 1986.-V. 108.-P. 5116-5122.

63. Martin M.L. A site-specific and multielement isotopic approach to origin interference of sugars in food and beverages / M.L. Martin, G.J. Martin, C. Guillou // Mikrochimica Acta. 1991. -V. 2 (1-6). - P. 81-91.

64. Zhang B.L. Comparison of the isotopic characteristics of legume constituents characterization of lentils / B.L. Zhang, L. Emeriau, G.J. Martin // Sciences des Aliments. 1991. - V. 11 (2). - P. 291 -304.

65. Fauhl C. Oenological Influences on the D/H Ratios of Wine Ethanol / C. Fauhl, R. Wittkowski // J. Agric. Food Chem. 2000. - V. 48. - P. 3979-3984.

66. Zhang B.L. Hydrogen Isotopic Profile in the Characterization of Sugars. Influence of the Metabolic pathway / B.L. Zhang, I. Billault, X. Li et al. // J. Argic. Food Chem.-2002.-V. 50.-P. 1574-1580.

67. Zhang B.L. Site-Specific Hydrogen Isotope Fractionation in the Biosynthesis of Glicerol / B.L. Zhang, S. Buddrus, M.L. Martin // J. Bioor. Chem. 2000. -V. 28.-P. 1-15.

68. Rossmann A. Multielementstable isotopic ratio analysis of glycerol to determine its originin wine / A. Rossmann, H.L. Schmidt, A. Hermann et al // Unters. Forsch. 1998. - A. 207. - P. 237-243.

69. Weber D. 13C-Pattern of Natural Glycerol: Origin and Practical Importance / D. Weber, H. Kexel, II. L. Schidt. // J. of Agric. and Food Chem. 1997. -V.45 - P. 2042-2046.

70. Курант P.A Структура жидкой воды / P.A. Курант, Б.Дж. Рэй, Р.А. Хорн //ЖСХ.- 1972.-Т. 13, №4.-С. 581-586.

71. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина // М.: Изд-во МГУ. 1987. - 172 с.

72. Эйзенберг Д. Структура и свойства воды / Д. Эйзенберг, В. Кауцман // Пер. с англ. под ред. В.В. Богородского. Л.: Гидрометеоиздат. - 1975. -280 с.

73. Bernal J.D. Water structure / J.D. Bernal, R.H Fowler // J. Chem. Phys. -1933.-Nl.-P. 515.

74. Бернал Д. Роль воды в кристаллических веществах / Д. Бернал / Усп. Химии. 1956. - Т.25. - С. 643-661.

75. Magat М. Recherches sur le spectra Raman et la constitution de leau liquide / M. Magat//J. Ann. Phys. 1936.-N.l 1(6).-P. 108-193.

76. Bjerrum N. The structure and properties of ice / N. Bjerrum // Chem. And Ind. 1952 - V.4. - P. 364-368.

77. Глебов A.H. Структурно-динамические свойства водных растворов электролитов / A.H. Глебов, А.Р. Буданов // Соросовский образовательный журнал. 1996. - № 9. - С. 72-78.

78. Дебай П. / Теория электрических свойств молекул. / П. Дебай, Г. Зак М // Л.: ОНТИ. 1936. - С. 69-78.

79. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник / Под ред. Г.П. Беспамятнова, Ю.А. Кротова. Л.: Химия. - 1985.-235 с.

80. Гороновский И.Г. Краткий справочник по химии / И.Г. Гороновский // Киев: изд-во "Наукова Думка". 1984. - 101 с.

81. Кнунянц И. J1. Химическая энциклопедия / И. J1. Кнунянц // БСЭ. 5-е изд. -М., 1988 -С. 564-567.

82. Бандман A.JI. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводиые углеводородов. Справочное издание / A.JI. Бандман // Л.: Химия. 1990. - 256 с.

83. Корсунский В.И. Качественный анализ функций распределения воды на основе модели непрерывной случайной тетраэдрической координированной сетки / В.И. Корсунский, Ю.И. Наберухин // ЖСХ. -1982. Т.23, №3. - С. 93-100.

84. Л. Поллинг / Природа химической связи / Л. Поллинг // М., Госхимиздат. 1947. 84 с.

85. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов / О.Я.Самойлов // М.: Изд-во АН СССР. 1957. - 180 с.

86. Маленков Г.Г. Структура воды / Маленков Г.Г. // В кн. Физическая химия: современные проблемы. -М. 1984. - С. 41-76.

87. Sceats M.G. The water-water pair potential near the hydrogen bonded equilibrium configuration / M.G. Sceats, S.A. Rice // J. Chem. Phys. 1980. -V. 72, N. 5.-P. 3236-3262.

88. Горбунов Б.З. О концентрации мономеров в жидкой фазе. Критический обзор спектроскопических результатов. / Б.З. Горбунов, Ю.И. Наберухин // ЖСХ. 1975. - Т. 16, №4. - С. 703-722.

89. Ефимов Ю.Я. Основание непрерывной модели строения жидкой воды посредством анализа температурной зависимости колебательныхспектров / Ю.Я. Ефимов, Ю.И. Наберухин // ЖСХ. 1980. - Т. 21, №3. -С. 96-105.

90. Лаврик II.JT. Исследование структуры водных растворов неэлектролитов методами колебательной спектроскопии. Спектры комбинационного рассеяния / Н.Л. Лаврик, Ю.И.Наберухин // ЖСХ. 1976. - Т. 17, №3. -С. 466-472.

91. Наберухин Ю.И. Что такое структура жидкости? / Ю.И. Наберухин // ЖСХ. 1981. - Т. 22, № 6 - С. 62-80.

92. Рипмеестер Д.А. Вклад спектроскопии ЯМР в исследование клатратов / Дж.А. Рипмеестер, К.И. Ратклиф // ЖСХ. 1999. - Т. 40, №5. - С.809-820.

93. Endom L. A Microdynamic model of electrolyte solutions as derived from nuclear magnetic relaxation and self-diffiision data / L. Endom, H.G. Hertz, B. Thul et al // J. Physic. Chem. 1967. - V. 71. - P. 1008- 1011.

94. Чижик В.И. Степень диссоциации электролитов в водных растворах по данным ЯМР-релаксации / В.И. Чижик, В.В. Матвеев, В.И. Михайлов // ЖФХ. 1998. - Т. 72, №4. - С. 667-671.

95. Omta A.W. Influence of ions on the hydrogen-bond structure in liquid water / A.W. Omta, M.F. Kropman, S. Woutersen // J. of Chem. Phys. 2003. -V. 119, N.23. - P. 12457-12461.

96. ChizhikV.I. NMR relaxation an d microstructure of aq ueous elec trolyte solution / V.I.Chizhik // Molecular Physics. 1997. - V. 90, N.4. - P. 653-656.

97. Козлов Г.А. Определение вязкости воды импульсным методом ЯМР / Г.А. Козлов//ЖКХ.- 1985.-Т. 47(10). -С. 1184-1186.

98. Мельниченко Н.А. Числа гидратации основных ионов морской воды по данным импульсного метода ЯМР на протонах / Мельниченко Н.А. // ЖСХ. 2007. - Т. 48, №3. - С.524-529.

99. Ishibara Y. Dynamics of hydration of alcohols and diols in aqueous solutions / Y. Ishibara, S. Okouchi, H. Uedaira // J. Chem.Soc., Faraday Trams. 1997.-V.93.-P. 3337-3342.1 "7 1

100. Mizuno К. "О- and H-NMR studies of the water structure in binary aqueous mixtures of halogenated organic compounds / K. Mizuno, K. Oda, Y. Shindo//J. Phys. Chem.- 1996.-V. 100.- P. 10310-10315.

101. Chellgren B. W. Effect of H20 and D20 on polyproline II helical structure / W.B. Chellgren, T.P. Creamer // J. Am. Chem. Soc. 2004. - V. 126. - P. 14734-14735.

102. Denisov V.P. Thermal denaturation of ribonuclease a characterized by water 170 and 2H magnetic relaxation dispersion / V.P. Denisov, B. Halle // J. Biochem. 1998. - V. 37. - P. 9595-9604.

103. Prasad B. Enrichment of H2 О from tap water, characterization of the17enriched water, and properties of several O-labeled compounds / B.Prasad, A.R. Lewis, E. Plettner // J. Anal. Chem. -2011. V. 83. - P. 231-239.17

104. Окроян Г.Р. Спин-спиновая релаксация ядер О в спектрах ЯМР водных кластеров Na+ и К+ / Г.Р. Окроян, Д.Ф. Кушпарев, Г.А. Калабин // ЖСХ. 2002. - Т. 43, №2. - С.260-261.

105. Окроян Г.Р. Спин-спиновая релаксация водных кластеров Na+ и К+ по17 ^данным спектроскопии

106. ЯМР "О / Г.Р. Окроян, Д.Ф. Кушнарев, Г.А. Калабин // ЖФХ. 2002. - Т. 76, №10. - С. 1886-1888.

107. Mann В.Е NMR and Periodical table / В.Е. Mann, R.K. Harris // L.: Academic Press. 1984. - P. 245.

108. Rabideau S.W. Oxygen-17 NMR linewidths as influenced by proton exchange in water methods // S.W. Rabideau, H.G. Hecht // J. Chem. Phys. -1967. V. 47, № 2. - P. 544-546.

109. Hertz H.G. The effect of added salts on the proton exchange rate of water as studied by 170 NMR / H.G. Hertz, H. Versmold, C. Yoon // Ber. Bunsenges Phys. Chem. 1983,- V. 87.-P. 577-582.17

110. Luz Z. Water О nuclear magnetic resonance shift in aqueous solutions of 1:1 electrolytes / Z. Luz, G. Yagel // J. Phys. Chem. 1966. - V. 70, № 2. - P. 554-561.

111. Belton P.S. Multinuclear NMR studies of water in solutions of simple carbohydrates. II. Oxygen-17 relaxation / P.S. Belton, S.G. Ring, R.L. Botham et al.//Molecular Physics. 1991.-V. 72, №5.-P. 1123-1134.

112. Мищенко К. П. Термодинамика и строение водных и неводных растворов электролитов / К.П. Мищенко, Г.М. Полторацкий // Л.: Химия,1976.-258 с.

113. Крестов Г.А. От кристалла к раствору / Г.А. Крестов // JL: Химия,1977.-230 с.

114. Засыпкин С.А. Структурные и динамические исследования водных кластеров Na+ и К+ / С.А. Засыпкин, М.Н. Родникова, Г.Г. Маленков // ЖСХ.- 1993.-Т. 34, №2.-С. 96-103.

115. Бушуев Ю.Г. Структурные особенности сеток водородных связей воды. ЗЭ-модель / Ю.Г. Бушуев, А.К.Лященко // ЖФХ. 1995. -Т. 69, № 1,-С. 38-43.

116. Афанасьев В.Н. Состояние воды в гидратных сферах иодида калия / В.Н. Афанасьев, С.Ю. Тихомиров // ЖСХ. 2003. - Т. 44, № 6. - С. 10711077.

117. Зенин С.В. Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса / С.В. Зенин // Докл. АН. 1993. - Т. 332, № 3 - С. 328-329.

118. Hulthe G. Water clusters studied by electrospray mass spectrometry / G. Hulthe, G. Stenhagen, O. Wennerstrom, C.H. Ottosson // J. of chromatography 1997. - V. 777.-P. 155-165.

119. Gregoire G. Is NaJ soluble in water clusters? / G. Gregoire, M. Mons, C. Dedonder- Lardeux, C. Jouvet // Eur. Phys. J. 1998. - D 1. - P. 5-7.

120. Бродская E.Ii. Исследования методом молекулярной динамики спонтанной поверхностной поляризации воды / Е.Н. Бродская, В.В. Захаров // ЖФХ. 1995. - Т. 69, № 6. - С. 1039-1042.

121. Наберухин Ю.И. Проблемы построения количественной модели строения / Ю.И. Наберухин // ЖСХ. 1984. - Т. 25, № 2. - С. 60-73.

122. Опарин Р.Д. Взаимосвязь структурного состояния воды и характера гидратации ионов в концентрированных водных растворах 1:1 электролитов в экстремальных условиях / Р.Д.Опарин, М.В. Федотова, В.Н. Тростин // ЖСХ. 2002. - Т. 43, № 3. - С. 504-510.

123. Кротенко В.Т Нейтронные исследования самодиффузии молекул воды в растворах электролитов / В.Т. Кротенко, А.К. Дорош, П.Г.Иваницкий и др. // ЖСХ. 1992. - Т. 33, № 2. - С. 72-75.

124. Потапов А.А. Диэлектрические свойства водных растворов аммиака / А.А. Потапов, И.Ю. Пархоменко // ЖФХ. 1996. - Т. 70, № 11. - С. 19751979.

125. Зубарева Г.М. Влияние микроколичеств плазмы крови на дисперсию ИК-спекгра воды / Г.М.Зубарева, Г.Е. Бордина, В.М.Микин и др. // Тверь: Изд-во Твер. гос. ун-та. 1998. - 89 с.

126. Vinaykin M. Vibrational sum frequency spectrum of the bend at the air/water interface / M. Vinaykin, A.V. Benderskii // J. Phys. Chem. Lett. -2012.-P. 3348-3352.

127. Gregoire G. Is NaJ soluble in water clusters? / G. Gregoire, M. Mons, C. Dedonder- Lardeux, C. Jouvet // Eur. Phys. J. 1998. - D 1. - P. 5-7.

128. Стехип А.А. / Структурированная вода: нелинейные эффекты / А.А. Стехин, Г.В. Яковлева // М.: Издательство ЖИ, 2008. 320 с.

129. Синяк Ю.Е. Влияние воды с пониженным содержанием дейтерия на культивирование высших растений. Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях / Ю.Е.

130. Синяк, M.А. Левипских, B.B. Гайдадымов и др. // Материалы Рос. конф. М. 2000. - Т.2 - С.90.

131. Sutton R. Molecular Structure in Soil Humic Substances: The New View / R. Sutton, G. Sposito // Environmental science and technology. V. 39, N.23. -2005.-P. 9009-9015.

132. Burdon J. Are the traditional concepts of the structures of humic substances realistic? / J. Burdon // Soil Sei. 2001. -V. 166 . P. 752-769.

133. Hayes M. H. Humic substances: Considerations of compositions, aspects of structure, and environmental influences / M.H. Hayes, С. E. Clapp // Soil Sei. -2001.-V. 166.-P. 723-737.

134. Гречищева H.IO. Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты / Н.Ю. Гречищева // Диссертация, МГУ. 2000. - С. 5-14.

135. Орлов Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов // М. : МГУ. 1992. - Р. 3-27.

136. Орлов Д.С. Свойства и функции гуминовых веществ / Д.С. Орлов // Гумиповые вещества в биосфере. 1993. -№ 4. - С. 16-26.

137. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв / Д.С. Орлов // М.: МГУ. 1974. -Р. 2-14.

138. Калабин Г.А. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки / Г.А. Калабин, JI.B. Каницкая, Д.Ф. Кушнарев. М. «Химия», 2000. - 407 с.

139. Дашициренова А.И. Влияние гуматов окисленных бурых углей на процесс спиртового брожения / А.И. Дашициренова, Г.А. Калабин, Д.Ф Кушнарев и др. // Вести. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экол. и безопас. жизнедеят. 2005.-N 1.-С. 167-172

140. Schnitzer M.A. lifetime perspective on the chemistry of soil organic matter / M.A. Schnitzer // Adv. Agron. 2000. - V. 68. - P. 1-58.

141. Dong J. Fundamentals of Wet Oxidation of Bayer-Process Liquor: Reactivity of Malonates / J. Dong, G. Power, J. Loh et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. - V. 49. P. 5347-5352.

142. Shirzadi A. Application of saturation transfer double difference NMR to elucidate the mechanistic interactions of pesticides with humic acid / A. Shirzadi, M. J.Simpson, Y. Xu et al // Environ. Sei. Technol. 2008. V. 42. -P. 1084-1090.1 11

143. Shirzadi A. NMR H and С analysis to education of Humic substances / A. Shirzadi, M. J.Simpson, Y. Xu et al // Environ. Sei. Technol. 2009. V. 43. -P. 1197-1201.

144. Kelleher B.P. Humic substances in soils: Are they really chemically distinct / B.P. Kelleher, A.J. Simpson // Environ. Sei. Technol. 2006. - V.40. P. 4605-4611.

145. Simpso A.J . Unraveling the Structural Components of Soil Humin by Use of Solution-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy / A.J . Simpso, G.X. Song, E.S. Mith et al. // Environ. Sei. Technol. 2007. - V.41. - P. 876883.

146. Shirzadi A. Application of Saturation Transfer Double Difference NMR to Elucidate the Mechanistic Interactions of Pesticides with Humic Acid / A. Shirzadi, M.J. Simpson, Y. Gxu et al. // Environ. Sei. Technol. 2008. - V.42. -P. 1084-1090.

147. Simpson M.J. Nuclear magnetic resonance based investigations of contaminant interactions with soil organic matter / M.J. Simpson // Soil Sei. Soc. Am. J. 2006. - Y.70. - P. 995-1004.

148. Горовая А.И. Роль физиологически активных гуминовых кислот в адаптации растений к действию ионизирующей радиации и пестицидов / Горовая А.И. // Гуминовые кислоты в биосфере. М: наука. - 1993. - С. 144-149.

149. Александрова И. В. / О физиологической активности органических веществ специфической и индивидуальной природы / Александрова И. В. // Почвоведение. 1983. - № 11. - С. 22-31.

150. Родэ В.В. Стимуляторы роста растений из бурых углей / В.В. Родэ // Гумиповые кислоты в биосфере. -М: наука. 1993. - С.162-166.

151. Лозановская H.H. Влияние углегуминовых удобрений на свойства и продуктивность орошаемых черноземов / И.Н. Лозановская, И.А. Луганская, C.B. Гниненко // Почвоведение №4. - С. 117-121.

152. Христева Л.А. Действие физиологически активных гуминовых кислот на растения при неблагоприятных внешних условиях. Гуминовые удобрения. Теория и практика их применения / Христева Л.А. // Днепропетровск. 1973. - Т4. - С.5-23.

153. Новикова Л.Н. Состав гуминовых веществ окисленного бурого угля Монголии / Л.Н. Новикова, Р. Эрдэнэчимэг, Б. Вакульская Т.И. и др. // Химия твердого топлива. 2010. -№ 2. - С. 14-24.

154. Зенкевич И.Г. О причинах и устранении певоспроизводимости констант диссоциации кверцетипа / И.Г. Зенкевич, C.B. Гущина// Успехи современного естествознания. 2009. - №9. - С. 124-145.

155. Wershaw R.L. Techniques, problems and solutions / R.L Wershaw, M.A. Mikita // Lewis Publishers. Inc. 2004. - 236 p.

156. Byambagar B. Interrelation between the fragment composition of humic acids and their physiological activity / B. Byambagar, D.F Kushnarev, Т.Е. Fedorova // Химия твердого топлива. 2003.-№1. С. 8-85.

157. Бескровный A.M. Вещества биомосы и перспективы их применения / A.M. Бескровный, В.Т. Зайцев, Д.Е. Пекарский // Экспериментальные исследования. Саранск. 1976. - С. 162-166.

158. Бескровный A.M. Биологически активные искусственные гумипоподобные соединения / A.M. Бескровный,: И.П. Котляренко, O.A. Сукачева // Материалы науч. докл. высшей школы: Биол. науки. -1979. -№3.-С. 85-88

159. Бескровный A.M. Гуминов ые и гуминоподобные металлокомплексы (бномосы) / A.M. Бескровный, И.П. Котляренко // Материалы науч.-техн. конф. 31 марта 1 апр. 1981 г.-Тюмень, 1981. -31с.

160. Диуретическая активность биомосов. URL http://www.biomos.com/biomos/test/diuretic.html (дата обращения: 25.01.2009).

161. Бисикало A.JI / Синтез, состав и свойства биомосов / Бисикало A.JI // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Научный журнал. -2011.-Вып. 1.-С. 37-42.

162. Безуглый В.Д. Полярография в химии и технологии полимеров. / Безуглый В.Д. // М.: Химия. 1989. - С. 1-196.

163. Мельниченко H.A. Числа гидратации основных ионов морской воды по данным импульсного метода ЯМР на протонах / H.A. Мельниченко // ЖСХ. 2007. - Т. 48, № 3. - С. 524-529.

164. Мельниченко H.A. Температурная зависимость скорости ЯМР релаксации в некоторых водных растворах электролитов полумолярной концентрации / H.A. Мельниченко, A.B. Бажанов, A.C. Куприянов // ЖСХ. 2003. - Т. 44, № 3. - С. 446-453.

165. Тытик Д.Л. Молекулярные процессы в водном кластере / Д.Л. Тытик // ЖСХ. 2003. - Т.48, №5. - С. 921-925.

166. Иванова П.Н. Физиологические механизмы регуляции водно-солевого баланса у животных и человека / П.Н. Иванова // Соросовский образовательный журнал. 1996. -№ 10. - С. 4-12

167. Borodin О. Polarizable and nonpolarizable potentials for K+ cations in water. / O. Borodin, R.L. Bell, Y. Li et al. // Chem. Phys. Letters. 2001. - V. 336.-P. 292-302.

168. Горбунов Б.З. Исследование особенностей строения растворов вода -ацетон методом ИК спектроскопии / Б.З. Горбунов, Наберухин Ю.И. // ЖСХ, - 1974,-Т. 15, №1,-С. 8-13.

169. Мишустин А.И. Ассоциация тетраалкиламмониевых солей в полярных апротонных растворителях / А. И. Мишустин // ЖФХ. 1997. -Т.71, №6. - С. 1023-1029.

170. Родникова М.Н. Механизм гидратации тетраметиламмониевого иона / M.I-I. Родникова, А. Гайгер, С.А. Засыпкин // ЖНХ. 2001. - Т.46, №2. -С. 352-356.1 "7

171. Belavicius V. Temperature dependence of 1H and О NMR shifts of water: entropy effect / V. Belavicius, К Aidas // Applied magnetic resonanse. 2007. -V. 32. -P. 363-376.

172. Ancian B. Molecular interaction and reorientational motion of neat acetone in the liquid state. I70 NMR chemical shifts and linewidths at variable temperature / B. Ancian, B. Tiffon, J.E. Dubois // Chem. Phys. 1983. - V. 4. -P. 171-177.

173. Зенин C.B. Определение термодинамических характеристик внутримолекулярного комплексообразования из данных ядерного магнитного резонанса / С.В. Зенин, Г.В. Сергеев // Журнал физической химии. 1974. - Т.48. - С. 838-841.

174. Кустов А.В. Термодинамические свойства водных растворов тетраалкиламмониевых солей. Зависимость эффекта гидрофобной гидратации от размера катиона / А.В. Кустов // Журнал неорганической химии. 2009. - Т.54. №2. - С. 368-373.

175. Долгополова А.В. Появление межмолекулярных взаимодействий в спектрах ЯМР 170 систем «Вода-углеводород» / А.В. Долгополова // Канд. диссертация, ИГУ. 2000. - 133с

176. Luz Z. Water 170 nuclear magnetic resonance shift in aqueous solutions of 1:1 electrolytes / Z. Luz, G. Yagel // J. Physical Chemistry 1966. - V. 70, № 2.-P. 554-561.

177. Наберухин Ю.И., Рогов B.A. Строение водных растворов неэлектролитов // Успехи химии. 1971. - Т. 60, № 3. - С. 369-380.

178. Юхневич Г.В. Структура сольватов протона в растворах и их колебательные спектры / Г.ВЛОхневич, Г.В.Тараканова, В.Д.Майоров // Успехи химии. 1995. - Т.64, №10. - С. 963-972.

179. Стеипикова М.Ф. Термодинамика и строение неводных растворов электролитов. X. Термохимия и структура растворов NaJ в смешанном растворителе ацетонитрил-вода при 25°С / М.Ф.Стенникова, Г.М.Полторацкий, К.П.Мищенко // Успехи химии.' 1970. - 143с.

180. Saur W.K. Deuterium Isotope Effects in the Fermentation of Hexoses to Ethanol by Saccharomyces cerevisiae. Hydrogen Exchange in the Glycolytic Pathway / W.K. Saur, H.L. Crespi, E.A. Halevi et al. // J. Biochemistry. -1968. V.7 (10). - P. 3529-3536.

181. Кулагина H.B. Формирование изотопного состава водородсодержащих фрагментов этанола в реакциях химического и биохимического синтеза / Н.В. Кулагина // Автореф. канд. дис. Иркутск, ИГУ. 2004. - 28с.

182. Lehninger A. L. Principles of Biochemistry Second Edition / A.L. Lehninger, D.L. Nelson // NY. 10003. 1993. - 1014 p.

183. Malaisse W.J. Phosphoglucoisomerase-catalyzed interconversion of hexose phosphates: isotopic discrimination between hydrogen and deuterium / W.J. Malaisse, F. Malaisse-Lagae, V. Liemans et al. // Mol. Cell. Biochem. 1990. V. 93.-P. 153-165.

184. Rose I.A. Intramolecular Hydrogen Transfer in the Phosphoglucose Isomerase Reaction / I.A. Rose, E.L. O'Connel // J. of Biological Chemistry. -1961. V.236 (12). - P.3086-3092.

185. Батунер JI.M. Математические методы в химической технике / JIM. Батунер, М.Е. Позин. //- М.: Химия, 1968. 585с.