Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение

Королев, Кирилл Георгиевич

Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.21 ВАК РФ

Королев, Кирилл Георгиевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение»

Автореферат диссертации на тему "Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение"

На правах рукописи

Королев Кирилл Георгиевич

МЕХАНОХИМИЯ КАРБОКСИЛ- И ГИДРОКСИЛЗАМЕЩЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

02.00.21 - химия твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск 2005

Работа выполнена в

Институт химии твердого 1ела и механохимии Сибирского о ( деления Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор химических наук.

профессор

Ломовский Олег Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор

Юхин Юрий Михайлович

кандидат химических наук Коневец Дмитрий Александрович

Ведущая организация: Институт кат ализа им Г.К Борескова СО РАН

(Новосибирск)

Защита диссертации состоится «15» июня 2005 юда в ¡0-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003 044 01 в ИнституI е химии твердого тела и механохимии СО РАН, 630128, Новосибирск, ул Кутателадзе, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии твердою тела и механохимии СО РАН.

Автореферат разослан «5» мая 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук

А/мм

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкие возможности препаративной механохимии проиллюстрированы множеством примеров - синтезом тугоплавких веществ, интерметаллидов, неорганических и органических соединений, молекулярных комплексов, лекарственных препаратов, композиционных материалов. Успехи фундаментальных исследований в области химии твердого тела обозначили преимущества и обосновали целесообразность использования механохимических методов в химической технологии, фармацевтической и пищевой промышленности. В ряде случаев применение механохимии позволяет получить продукты в метастабильном состоянии, которое трудно или невозможно достигнуть, используя традиционные методы, исключить использование водных и органических растворителей, уменьшить число стадий в технологическом процессе, упростить процедуры выделения и очистки целевых компонентов [1,2].

К настоящему времени накоплен значительный объем данных, охватывающий важнейшие направления фундаментальных исследований, с которыми связывают развитие механохимии. Одним из направлений развития механохимии, безусловно представляющим и научный, и практический интерес, является рассмотрение процессов молекулярного перемешивания и химического взаимодействия, протекающих с участием органических твердых тел.

Приложения твердофазных механохимических технологий не ограничиваются материаловедческими задачами - их возможности гораздо шире. Среди основных достижений отмечают: селективный синтез органических веществ, получение стабилизированных форм метастабильных полиморфных модификаций молекулярных кристаллов, приготовление быстрорастворимых форм лекарственных и других биологически активных веществ, интенсификацию процессов переработки природного и техногенного органического сырья.

Кислотно-основные превращения и донорно-акцепторные взаимодействия -одни из самых распространенных и, вместе с тем, простых в экспериментальном осуществлении аипов механохимических реакций органических соединений. Подобного рода превращения особенно характерны для карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений.

Вещества с такой функциональной природой широко распространены в животном и растительном мире и во многих случаях обладают биологической активностью. В отличных от своего происхождения системах эти соединения иногда проявляют выраженную специфическую активность.

Таким образом, изучение механохимических превращений карбоксил-и гидроксилзамещенных органических соединений представляется актуальным как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Целью данной работы является экспериментальное изучение механохимических реакций, протекающих с образованием водорастворимых форм карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений, и выявление возможности использования этих реакций в химической технологии для получения биологически активны:* ^^'ЭДЭДЩ^^ЩУ^Ч для выделения

биологически активных веществ из растчтельгвдвддаод^д |

} ;

№№

В работе поставлены следующие задачи:

• Изучение механохимических превращений, протекающих с образованием водорастворимых солевых форм тритерпеновых кислот и дихлоризоциануровой кислоты;

• Выявление физико-химических последствий механической активации гетерогенных систем, содержащих фитостерины (фитоэкдистероиды) и простые углеводы;

• Изучение катализируемых кислотами механохимических реакций простых углеводов;

• Использование изученных механохимических реакций для создания новых методов получения биологически активных препаратов;

• Определение эффективности применения этих препаратов в качестве регуляторов роста и развития растений и животных в сельском хозяйстве.

Научная новизна:

• Определены условия механохимического получения водорастворимых солей тритерпеновых кислот. Показано, чго механохимическая обработка смеси растительног о сырья и твердого основания позволяет получать дисперсные системы, приведение которых в контакт с водой сопровождается образованием водорастворимых солей тритерпеновых кислот.

• Изучен процесс получения водорастворимых форм фитостеринов, который протекает при механохимической обработке последних в системах, содержащих простые углеводы, в частности сахарозу. Показано, что наблюдаемый эффект может быть объяснен образованием на стадии механической обработки молекулярных комплексов или твердых растворов с герин-сахароза.

• Впервые осуществлен механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты (ДХЦК) из изоциануровой (ИЦК) и трихлоризоциануровой кислот (ТХЦК). Показано, что механическая обработка смеси ТХЦК, ИЦК и твердых NaOH или К2С03 является эффективным методом активации твердофазного синтеза водорастворимых солей ДХЦК.

• Установлено, что твердая органическая кислота или твердый неорганический амфолит (ЫаНСОз) являются эффективными катализаторами твердофазной аномеризации D-глтокозы. Впервые показано, что механическая обработка D-глюкозы в присутствии твердой органической кислоты приводит к продуктам димеризации. Механическая обработка сахарозы в присутствии твердой органической кислоты сопровождается образованием продуктов инверсии (глюкозы и фруктозы). Образующиеся моносахариды вовлекаются в процессы аномеризации и реверсии.

Практическая значимость. Изученные механохимические реакции карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений с твердыми щелочами и углеводами интересны в плане приготовления биологически активных препаратов. Разработаны и оптимизированы способы повышения биологической доступности биологически активных тритерпеновых кислот {Abies sibirica Ledb.), фитоэкдистероидов (Serratala coronata L.) и фитостеринов (Panicum miliaceum L.).

На примере тритерпеновых кислот, фигоэкдистероидов и фитостеринов показано, чго солюбилизация труднорастворимых органических соединений может быть проведена механохимически in situ, то есть в матрице сырья. Получаемый механохимической обработкой продукт обладает теми же свойствами, что и продукты традиционных экстракционных технологий. Безусловным преимуществом механохимического метода является сокращение числа стадий, необходимых для придания продукту желаемых свойств, и простота организации производства.

На защиту выносятся:

• Механохимическое взаимодействие суммы тритерпеновых кислот Abies sibirica Ledb. с твердыми щелочными реагентами, приводящее к образованию водорастворимых солей;

• Механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты, механическая активация твердофазного синтеза калиевой и натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты;

• Механическая активация экстракции фитоэкдистероидов Serraiula coronata L. из растительного сырья;

• Образование водорастворимых форм фитостеринов Panicum miliaceum L. при механохимическом взаимодействии последних с простыми углеводами;

• Механохимические превращения простых углеводов - £>-ппокозы и сахарозы: аномеризация кристаллических аномеров D-глюкозы, реверсия D-глюкозы и взаимодействие сахарозы с твердой органической кислотой;

• Основанные на изученных процессах способы получения биологически активных препаратов и эффективность применения этих препаратов в качестве регуляторов роста и развития растений и животных в сельском хозяйстве.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях: 7-ом Российско-корейском симпозиуме по науке и технологии (Ульсан, Корея, 2003), Международной конференции «Механохимический синтез и спекание» (Новосибирск, Россия, 2004), 2-ой Конференции «Фундаментальная наука в интересах развития химической и химико-фармацевтической промышленности» (Пермь, Россия, 2004), Научном семинаре СО РАН - компания Шлюмберже, «Химические аспекты нефтедобычи» (Новосибирск, Россия, 2004).

Публикации. По теме работы опубликовано 4 статьи в журналах, 5 работ в трудах и тезисах конференций и защищено 3 патента.

Личный вклад соискателя заключается в участии в постановке задачи, проведении экспериментов и обсуждении результатов. Приведенные в диссертации результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Биологические эксперименты проведены совместно со специалистами Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института животноводства СО РАСХН, Сибирского научно-исследовательского института кормов СО РАСХН и ЗАО «Коченевская птицефабрика».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 160 наименований. Работа изложена на 147 страницах, включая 22 рисунка, 8 таблиц и 6 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы

Обор литературы состоит из четырех разделов, в которых рассмотрены: специфика протекания органических реакций в твердом состоянии; физико-химические последствия механической активации органических веществ; механохимическая нейтрализация органических кислот и ее технологические приложения; механохимическое приготовление дисперсных систем на основе карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений; технологические приложения механической активации растительного и природного сырья; краткая характеристика соединений, выбранных в качестве объектов исследования.

Обзор литературы показывает, что применение механохимических подходов в химической технологии имеет перспективы, поскольку позволяет проводить некоторые процессы доступными и экологически чистыми методами без использования дополнительных химических реагентов и растворителей. Механохимические методы могут быть использованы для выделения биологически активных веществ, приготовления их водорастворимых форм, а также в получении биологически активных препаратов из невостребованного сырья.

В третьем разделе обзора формулируются основные принципы применения механохимических реакций в химической технологии, преимущественно в переработке природного органического сырья и получении органических дисперсных систем, обладающих выраженной биологической активностью. Роль механохимической обработки заключается в увеличении эффективной поверхности контакта между компонентами дисперсных систем, уменьшении диффузионных затруднений за счет нарушения морфологии сырья и создании условий для эффективного протекания химического превращения целевых веществ в формы, наиболее растворимые в воде или другом подходящем растворителе. Механохимическая обработка может использоваться для получения из растительного сырья органических механокомгхозитов, из которых целевые биологически активные соединения могут извлекаться селективно с предельным выходом, который обычно достигается путем длительной непрерывной экстракции.

Очень часто биологическая активность целевых соединений настолько выражена, что применение препаратов, изготовленных на их основе, требует разбавления. В этом случае проводить выделение индивидуальных компонентов из растительного сырья становится не обязательным наиболее эффекшвным с экономической точки зрения представляется непосредственное использование продуктов механохимической обработки в качестве готовой формы биологически активного препарата. Присутствие в продукте биологически доступных (водорастворимых) форм целевых веществ является необходимым условием успешной реализации такого подхода.

В заключении главы на основании анализа данных литературы определены цель и задачи исследований, а также обозначена практическая ценность ожидаемых результатов. Экспериментальная часть

В первом разделе экспериментальной части приводятся характеристики реагентов, материалов и методов физико-химического анализа, использованных в работе. Свойства исходных материалов и продуктов мехаиохимических превращений охарактеризованы с помощью современных инструментальных методов: рентгенофазовый анализ (РФА); высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ); газо-жидкостная хроматография (ГЖХ); хроматография, комбинированная с масс-спектрометрией (МС-ВЭЖХ и МС-ГЖХ); потенциометрическое и кондуктометрическое титрование; ИК-спектроскопия; измерение электропроводности твердых образцов; дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК); оптическая микроскопия, комбинированная со спектроскопией в видимой и УФ-области и др.

Во втором разделе рассмотрены методики механохимической обработки и проведения химических реакций. Для постановки модельных экспериментов и получения опытных образцов использовали дискретные активаторы: «Spex Mill 8000» (США), АГО-2 и АПФ (ИХТТМ СО РАН, Россия). Вибромельница «Spex Mill 8000» использовалась для проведения экспериментов по изучению кинетических особенностей протекания мехаиохимических реакций. Механическая активация в АГО-2 и АПФ осуществлялась в условиях адекватных проточному режиму полупромышленных активаторов ЦЭМ и использовалась для получения опытных образцов. Укрупненные партии (до 50 кг) и опыгно-промышленные образцы (более 500 кг) приготавливали в проточных активаторах ВЦМ-10 и ЦЭМ-20.

В третьем разделе описаны процедуры, использованные при физико-химическом анализе исходного сырья и продуктов механохимической обработки.

Механохимические реакции органических кислот

В первом разделе данной главы рассматривается механохимическое взаимодействие суммы тритерпеновых кислот Abies sibirica Ledb. с твердыми щелочами в инертной матрице. В качестве инертного разбавителя использовали КВг, который вводили в состав модельных систем для предотвращения слипания частиц, происходящего в результате выделения воды. Данные ИК-спектроскопии свидетельствуют в пользу того, что механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот с NaHC03 и Na2C03 протекает с образованием солевых форм и может быть описано уравнением 1.

Характерными для ИК-спектров исходной суммы тритерпеновых кислот являются полосы поглощения, см'1: 1700 v(C=0) димеры сс,р-ненасыщенных RC02H, 1745-1750 циклогексаноновый фрагмент, плечо 1783-1765 v(C=0) у-оксилактоны. Механохимическое взаимодействие кислот с NaHCO, и Ыа2СОз приводит к изменению отношений интенсивностей полос поглощения групп С=0, принадлежащих различным структурным фрагментам (1800-1700 см'1). В ходе активации порошковых смесей наблюдается расход NaHC03 и №2СОз, о чем свидетельствует уменьшение относительных интенсивностей поглощения ионов НСОэ" и С032", соответственно, см'1: 1396, 1617 и 1447 [3]. Заметному протеканию механохимической реакции предшествует разрушение системы водородных связей, в результате чего в ИК-спектрах наблюдаются изменения в области валентных колебаний ОН.

Наиболее эффективно механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот протекает с избытком Na2C03- Образование солевых форм отмечается уже на 4-8 минуте активации. В ИК-спектрах присутствуют полосы поглощения см'1: vas С=0 (COONa) 1636, vs С=0 (COONa) 1387 [3]. Конечным продуктом механической активации тритерпеновых кислот с карбонатом и гидрокарбонатом натрия является механокомпозит с развитой границей раздела фаз, на которой и протекает механохимическая нейтрализация кислот.

Наряду с данными ИК-спектроскопии, в пользу образования солевых форм свидетельствуют результаты изучения механокомпозитов с помощью оптической микроскопии, комбинированной со спектроскопией в видимой и УФ областях. На рисунке 1 представлены микрофотографии смесей тритерпеновых кислот с твердым Na2C03 в инертной матрице. После мягкой механической обработки в «Spex Mill 8000» в течение 18-20 мин происходит существенное изменение картины люминесценции.

Q ^^ Q ^^

400 нкм -

Рис. 1. Микрофотографии смеси тритерпеновых кислот с Na2003 - растертой в агатовой ступке (7,2) н после механической обработки (3, 4).

Наблюдаемые на микрофотографиях изменения связаны с нарушением исходной и формированием качественно новой морфологии. Так, происходит уменьшение размера частиц дисперсной системы и равномерное распределение ее компонентов относительно друг друга. Исчезновение крупных участков с красной люминесценцией свидетельствует в пользу протекания в данной системе химических процессов.

Согласно данным ВЭЖХ механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот с NaOH носит глубокий необратимый характер (рис. 2). Вероятно, механохимическое взаимодействие кислот со щелочью протекает аналогично

известному процессу деградации 23-оксо-24-енового фрагмента и приводит к соответствующим норкетонам [4]. В дальнейшем для приготовления дисперсных систем на основе растительного сырья использовали >1аНСОз или N82003.

Во втором разделе главы рассматривается качественный и количественный состав водорастворимой части тритерпеновых кислот в механокомпозитах, полученных из растительного сырья. Установлено, что в результате механохимической обработки растительного сырья содержащиеся в нем тритерпеновые кислоты не подвергаются деградации. Согласно ВЭЖХ смесь выделенных веществ идентична сумме тритерпеновых кислот, полученных по известному экстракционному методу. Применение предварительной механохимической обработки в данном случае позволило существенно повысить выход тритерпеновых кислот - с 2.8 % до 4.7% (в пересчете на сухое растительное сырье).

Механокомпозит, содержащий растительное сырье, абразив и ШгСО?, и идентичную ему опытную партию получили в условиях, обеспечивающих образование водорастворимых форм тритерпеновых кислот и связывание полифенольных соединений. Проточная технология не уступает по эффективности получения водорастворимых форм процессу, осуществляемому в дискретном режиме (АГО-2). В данном случае выход тритерпеновых кислот, полученных из водных экстрактов мехапокомпозитов, составляет не менее 3.5 % (на растительное сырье). Сумма кислот, переходящих в водорастворимую форму в результате применения проточного режима, идентична сумме тритерпеновых кислот, выделенных экстракционным методом (рис. 2), и характеризуется большим содержанием полярных веществ.

Таким образом, растворение кислот, содержащихся в механокомпозите, и экстракция кислот из сырья органическим растворителем протекает с различной селективностью. Возможно, это является основной причиной обнаруженных различий в биологической активности.

Сложность состава природной смеси тритерпеновых кислот, содержащихся в пихтовой хвое, стимулировала развитие методов анализа суммы тритерпеновых кислот. Наиболее перспективным оказался подход, основанный на разделении кислот методом ВЭЖХ. Друганову с соавторами удалось достоверно идентифицировать восемь индивидуальных соединений [4]. Предложенный подход был использован в настоящей работе для оценки эффективности механохимического процесса и контроля содержания основных компонентов.

В настоящей работе впервые для анализа суммы тритерпеновых кислот, полученных различными методами, применен метод МС-ВЭЖХ, сочетающий ВЭЖХ и масс-селективное детектирование. Применение данного метода для суммы кислот, полученных экстракционным методом, позволило установить, что наиболее интенсивные в УФ-хроматограммах пики имеют наибольшую интенсивность и в хроматограммах, записанных по полному ионному току.

Для большей части пиков основным ионом является ион с m/z - 467.3, что соответствует псевдомолекулярному иону (М-1Г)\ который в данных условиях анализа должны образовывать тритерпеновые кислоты и их у-оксилактоны с Мг = 468.3. Таких веществ в анализируемой смеси больше 10, и их сумма составляет основную часть смеси.

Результаты анализа водных экстрактов механокомпозитов отличаются от результатов анализа суммы тритерпеновых кислот, выделенных экстракцией сырья органическим растворителем. Основными также являются вещества с Мг = 468.3. Главное отличие состоит в том, что увеличивается доля полярных веществ. В начале хроматограммы наблюдается разнообразие ионов, наиболее интенсивным из которых соответствуют высокомолекулярные соединения с Мг = 498. Вероятно, эти соединения представляют собой полярные тритерпеновые кислоты, замещенные по 25-ому положению двумя карбоксильными группами.

Различие в селективности процессов экстракции исходного сырья органическим растворителем и экстракции механокомпозита водой может быть объяснено при рассмотрении возможного механизма механохимической солюбилизации тритерпеновых кислот. В ходе механической обработки смеси растительного сырья и щелочи образуются механокомпозигы с развитой границей раздела фаз. При добавлении воды к таким композитам тесный физический контакт частиц сырья и реагента способствует возникновению зон с повышенной концентрацией растворенных веществ.

Наиболее вероятно, что основная часть тритерпеновых кислот вступает в реакцию нейтрализации именно в этих реакционных зонах, характеризующихся высоким значением водородного показателя. При настаивании солевые формы кислот переходят в раствор над осадком, где, в силу меньшего значения pH, происходит их гидролиз с последующим осаждением. Этот процесс наиболее эффективно должен протекать в случае слабых монокарбоновых кислот, особенно тех, что могут существовать в виде у-оксилактонов. По сравнению с органическими экстрактами водные экстракты характеризуются большим относительным содержанием 24-Е~точероп и ранее не описанных полярных кислот с Мг = 498. Данное обстоятельство может быть объяснено меньшей кислотностью 24-7,-изомеров, существующих в виде у-оксилактонов.

В третьем и четвертом разделах главы рассматриваются возможности технологического применения механохимической обработки растительного сырья, содержащего тритерпеновые кислоты, и приводятся результаты расширенных биологических испытаний механохимических препаратов, содержащих тритерпеновые кислоты.

Путем механохимической обработки хвои пихты с твердыми щелочами можно получать механокомпозиты, содержащие тритерпеновые кислоты в водорастворимой форме. Механохимический продукт характеризуется тем, что при настаивании в воде в течение 20 мин более 75 % содержащихся в исходном сырье тритерпеновых кислот образуют солевые формы и переходят в раствор.

Рис. 2. Разделение методом ВЭЖХ тритерпеновых кислот. Кислоты, выделепвые из растительного сырья традиционным экстракционным методом (Г)', кислоты, полученные из водного экстракта механокомиозита, при готовлеппого из растительного сырья (2); продукты мехаиохимического взаимодействия тритерпеновых кислот с ЙОН (3). По спектральным отношениям и относительным временам удерживания идентифицированы 8 основных компонентов суммы тритерпеновых кислот [4].

Механокомпозиты, содержащие тритерпеновые кислоты, могут бьггь использованы для повышения продуктивности ценных сельскохозяйственных культур, например пшеницы, рапса и нута. Изготовление препарата может быть организовано на компактном участке с производительностью не менее 10 тонн/месяц.

По отношению к известным методам получения биологически активных препаратов на основе тритерпеновых кислот механохимический подход обладает следующими преимуществами:

• возможность получения готового к использованию продукта по проточной безотходной технологии;

• процесс исключает использование органических растворителей;

• технология проста в организации и позволяет решать вопросы комплексной переработки отходов лесопромышленного производства.

Механокомпозиты, содержащие тритерпеновые кислоты, тестировались на пригодность к использованию в качестве регуляторов роста растений. Биологическая активность препаратов изучалась в опытах по проращиванию пшеницы (Triticum aestivum I..) и ячменя (Hordeum vulgare L.), а также на культуре тканей рапса (Brassica napus L.) in vitro.

Механокомпозиты, как и сумма тритерпеновых кислот, полученная традиционным экстракционным методом, стимулировали образование корней и побегов пшеницы. Образование каллуса, процессы ризогенеза и регенерации на эксплантах рапса в одинаковой мере стимулировались данными препаратами.

Регуляторная активность механохимического препарата также протестирована в полевых опытах. В качестве тест объекта использовали ценную зернобобовую культуру нут (Cicer arietinum L.). В дозе 1 кг/га препарат стимулировал увеличение массы растений на 16 % , количества и массы семян на 16 и 22 % соответственно, при этом семена были крупнее, чем в контроле, на 14 %, Увеличение дозы до 10 кг/га снизило стимулирующий эффект, повысив кормовые качества и крупность семян (136 % от уровня контроля).

Расширенные биологические испытания позволили установить оптимальные формы применения в сельском хозяйстве механокомпозитов, содержащих тритерпеновые кислоты. Предложены способы инкрустации семян, внесения в почву и обработку зеленой массы водными экстрактами.

В пятом разделе рассматривается механохимический синтез ДХЦК и механическая активация твердофазного синтеза водорастворимых солей ДХЦК. В обзоре литературы было показано, что одним из путей расширения области применения доступной и дешевой ТХЦК является приготовление быстрорастворимых стабилизированных дисперсных систем на ее основе. Эти системы могут применяться как источники активного хлора, например для оперативного обеззараживания воды и дезинфекции, а также для промывки скважин в условиях проявления сероводорода. Потребительские качества таких систем могут быть повышены за счет частичного или полного перевода ТХЦК в более стабильную дихлоризоциануровую кислоту, например по реакции 2.

ДХЦК, как и ее соли, в огличие от ТХЦК, характеризуется стабильностью и не теряет активный хлор при повышенной температуре или в присутствии влаги.

О Г „ оуу „г „„

2 N N + нк___. 3 .¡V

С1" У" С1 Т 01 Т С1

о о о

Согласно данным ИК-спектроскопии за сравнительно короткие, а значит технологически приемлемые, времена пребывания в зоне механического воздействия из смеси ТХЦК и ИЦК образуется ДХЦК. На ИК-спектрах при 1399 см' наблюдается увеличение интенсивности колебаний 8(1ЧН). Характерный для ИЦК дублет у(СКС) 1051 и 1053 см'1 переходит в узкую полосу средней интенсивности 1053 см'1. Смещение полосы, находящейся при 800 см'1, в область 792 см'1 связано с изменением частоты у(ЖЛ) колебаний, в ДХЦК эти колебания наблюдаются при более низких частотах. Колебания у(С=0), неактивные в молекуле ТХЦК и проявляющиеся при 743 и 762 см'1 в молекуле ИЦК, в механически обработанных смесях наблюдаются при 753 см'1, что характерно для ДХЦК [5]. В обработанных смесях наблюдается также характеристичная для ДХЦК полоса у(С!Ч) колебаний при 712 см'1.

ИК-спектр и дифрактограмма обработанной в течение 1 мин смеси ИЦК и ТХЦК соот ветствуюг приведенным ранее в литературе данным для дихлоризоциануровой кислоты. Продукт имел Тпл в районе 223-230 V, аутентичный образец - 223-224 °С. Механохимическая обработка сопровождается небольшой (технологически приемлемой) потерей активного хлора, его содержание варьировало в продукте от 69.7 до 70.2 %, в исходной смеси - от 70.4 до 70.6 %. Согласно аналитическим определениям выход составляет не менее 90 %.

Органические кислоты средней силы сравнительно легко вступают в механохимические реакции нейтрализации. Поскольку ТХЦК и ИЦК в условиях механического воздействия гладко переходят в ДХКЦ представлялось интересным оценить возможности твердофазного синтеза ценных технологических продуктов, таких как натриевая и калиевая соль ДХЦК, по реакциям 3 и 4. Исходными реагентами в этих реакциях являются доступные продукты многотоннажных производств.

С1

4 ] 1 +2 Н1Ч^1ЧП + зкгсо, —^ 6 N N + ЗН20 + зсо2 3

О' У "а Т С1" т ^

¿О 5

С помощью РФА показано, что при механической активации эквимолярных смесей реагентов в АГО-2 протекает реакция 3. Согласно РФА и ИК-спектроскопии в механически обработанных смесях присутствует заметное количество ИЦК и ДХЦК, а выход соли составляет примерно 50 %. Прессование механокомпозитов в таблетки и последующий прогрев при 100110 "С в течение 24 ч позволяет повысить выход целевого продукта до 74 %.

Полученный продукт может использоваться в качестве компонентов систем, выделяющих при растворении в воде НОС1. Существенно, что растворимость как продукта механохимической реакции, так и продукта отжига существенно выше растворимости исходной смеси и равна значению, приводимому в литературе для калиевой соли ДХЦК. В отличие от физических смесей растворение механокомпозитов на основе ТХЦК, ИЦК и К2СО3 или Ма2СОз протекает без образования осадков.

С1

HN.____^NH

+ 3 NaOH

»YV CI Y CI

ONa

+ 3H20 4

Кроме калиевой соли ДХЦК механической активацией с последующим отжигом может быть получен дихлоризоцианурат натрия. На рисунке 3 представлены ИК-спектры эквимолярной смеси ТХЦК, ИЦК и NaOH после механической обработки и прогрева при 100-110 °С в течение 4 и 24 ч. Механическая активация сопровождается заметным накоплением ДХЦК. Кратковременный прогрев спрессованных компактов приводит к накоплению ДХЦК, о чем можно судить по уширенной полосе у(С=0) колебаний при 753 см''. Отжиг компакта в течение 24 ч приводит к натриевой соли ДХЦК.

В ИК-спектре продукта отжига наблюдаются полосы, характерные для натриевой соли ДХЦК, см': дублет 798, 803 v(NCl); 749 у(С=0); 717 v(CN) [5]. В ИК-спектрах продукта слабо выражены полосы валентных колебаний NH и ОН, что свидетельствует в пользу эффективного протекания реакции нейтрализации и практически полного удаления воды в ходе нагревания. ИК-спектр продукта твердофазного синтеза соответствует онисанному ранее в лшературе спектру дихлоризоцианурата натрия. Содержание активного хлора в продукте отжига составляло 63.8 % (вычислено 64.48 %), выход продукта согласно аналитическим определениям не менее 95 %.

-I—г-ч—I 1 I 1 I ' I ' I ' I ' I ' I ' I ' •—| 1 I • г I ' I 1 ' 1 I—Т—1—I ' 1 ' I—г- ,

4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Рве. 3. ИК-спектры эквимолярной смеси ТХЦК, ИЦК и NaOH после механической обработки (/) и прогрева спрессованных компактов при 100-110 t в течение, ч: 4 (2) и 24 (3).

Более эффективному протеканию твердофазного синтеза соли ДХЦК в случае использования NaOH, вероятно, способствует гигроскопичность последнего. Есть основания полагать, что существенную роль в реакции играет остаточная вода, содержание которой в исходных образцах составляло 1-2 %.

В данной части работы показано, что в условиях механической активации (в режимах, реализующихся в проточных активаторах ЦЭМ) протекает механохи-мический синтез ДХЦК из доступных ТХЦК и ИЦК. Предварительная механическая обработка смесей, содержащих ТХЦК, ИЦК и К2СОз (или NaOH), может использоваться для активации твердофазного синтеза солей растворимых ДХЦК.

В шестом разделе главы обсуждаются возможности технологического применения механохимического синтеза ДХЦК и активации твердофазного синтеза ее водорастворимых солей. Композита на основе ТХЦК, могут применяться для обеззараживания воды в чрезвычайных и аварийных ситуациях, в полевых условиях, и любых других случаях, когда используемая вода не соответствует эпидемиологическим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Содержание активного хлора в механохимическом препарате, как и в аналогах, составляет 35 %, а скорость растворения в 3-5 раз выше по сравнению с известными средствами. Установлено, что синтез ДХЦК может проводиться in situ - в присутствии добавок различного функционального назначения. Полученные механохимические продукты могут применяться в нефтяной и газовой промышленности в случаях, когда надо заполнить скважину пеной и не допустить выделения из нее H2S. Компактированные формы продуктов обладают удовлетворительной поглощающей способностью по H2S. Растворение компактов протекает с обильным образованием пены, характеристики которой определяются способом приготовления и могут варьироваться в широких пределах. Физико-химические последствия механохимической обработки систем, содержащих гидроксилзамещеиные органические соединения

В первом разделе данной главы рассматривается механохимическая активация водной экстракции фитоэкдистероидов. Выраженная биологическая активность делает эти соединения привлекательными не только для медицины, но и для сельского хозяйства. Традиционные способы выделения фитоэкдистероидов включают обезжиривание сырья, водную экстракцию, реэкстракцию этилацетатом, хроматографическое разделение и кристаллизацию. В качестве основных продуктов получают 20-гидроксиэкдизон и инокостерон, в ряде случаев также выделяют несколько минорных компонентов (экдизон, макестерон А и др.). Применение сложной процедуры выделения фитоэкдистероидов является оправданным при использовании сырья с высоким содержанием фитоэкдистероидов. Некоторые виды сырья содержат фитоэкдкетероиды в высоких концентрациях (до 1.5-2.0 %), однако даже в этом случае стоимость выделенных веществ порой превышает 1000 долларов за грамм.

Альтернативой известным методам получения фитоэкдистероидов и препаратов, содержащих фитоэкдистероиды, могут стать подходы, позволяющие использовать в технологическом процессе некондиционное сырье с низким содержанием целевых компонентов. Как и в случае выделения полифенольных

соединений [6], механохимическая обработка растительного сырья позволяет проводить водную экстракцию фитоэкдистероидов без предварительного обезжиривания. Согласно результатам МС-ВЭЖХ селективность и эффективность водной экстракции механохимически обработанного растительного сырья отличаются от обычной экстракции (рис. 4). Установлено, что суммарный выход фитоэкдистероидов увеличивается более чем в 1.5 раза. Содержание 20-гидроксиэдизона в водных экстрактах повышается с 1.1 до 2.1 % (в пересчете на растительное сырье), при этом соотношение между 20-гидроксиэкдизоном и инокостероном изменяется с 1:1 до 2:1.

экстрактах. Извлеченные ионные хроматограимы по псевдомолекулярночу иопу [М+Я|* с

т'г -- 481 для экстрактов из обезжиренного (I) и механохимически обработанного сырья (2).

Изменение относительного содержания экдистероидов в экстрактах может быть объяснено разрушением связанных форм этих соединений, например комплексов с целлюлозой или лигнином. Известно, что экдистероиды сравнительно легко связываются карбоксил- и гидроксилзамещенными полимерами [7]. Разрушение комплексов фитоэкдистероидов со структурными элементами, возможно, начинается уже на стадии механохимической обработки. Фито-экдистероиды десорбируются с целлюлозы и других нерастворимых структурных элементов растительного сырья и, возможно, переносятся на растворимую сахарозу. С другой стороны сорбция сахарозы препятствует восстановлению водородных связей между структурными элементами и, в конечном счете, уменьшению удельной поверхности. Благодаря этому экстракция протекает более эффективно.

Существенное повышение концентрации 20-гидроксиэкдизона позволяет провести его кристаллизацию непосредственно из водных экстрактов с выходом 1.8-1.9 %. Благодаря этому расход ЕЮАс на стадии выделения из водного экстракта минорных экдистероидов может быть уменьшен в 5-10 раз. Дополнительным преимуществом данного подхода является упрощение процедуры очистки экдистероидов от балластных веществ. Согласно результатам анализа методом МС-ВЭЖХ механохимическая обработка приводит к уменьшению содержания высокомолекулярных соединений, в частности хлорофилла с1, в ЕЮАс экстракте в 10-20 раз. Наиболее вероятно, что введение сахарозы существенно изменяет коэффициенты распределения полифенолов и хлорофиллов в системе вода-этилацетат.

Механохимическая обработка растительного сырья, содержащего фитоэкдистероиды, позволяет получать механокомпозиты, из которых экдистероиды могут быть непосредственно экстрагированы водой (без предварительного обезжиривания). Данные механокомпозиты также могут быть использованы в качестве биологически активных препаратов. Состоятельность предложенного подхода подтверждается инструментальными методами и биологическими испытаниями.

Во втором разделе главы рассматривается механохимический подход, направленный на повышение биологической доступности нерастворимых в воде фитостеринов, содержащихся в посевном просо (Ратсит тШасеит Ь.). Биологические испытания препаратов, приготовленных путем механической обработки смеси сахарозы и растительного сырья, показали, что механохимические продукты обладают выраженной ростостимулирующей активностью. Принимая во внимание данные о физиологическом действии фитостеринов и биогенетически родственных им соединений на животный организм [8], можно предположить, что биологическая активность препаратов обусловлена возникновением в ходе механохимической обработки условий, достаточных для эффективной солюбилизации этих соединений. Согласно результатам ТСХ и ГЖХ водные экстракты механохимических препаратов содержали идентифицированные в исходном растительном сырье милиацин и фитостерины.

Для объяснения наблюдаемого эффекта и установления возможных механизмов данного процесса проведены модельные механохимические эксперименты. Изучено влияние содержания сахарозы на эффективность экстракции Р-ситостерина из механически активированных смесей р-ситостерин-сахароза, растворимость стигмастерина в водно-ацетонитрильных растворах, устойчивость дисперсий стигмастерина в воде, избыточную энтальпию плавления смесей стигмастерин-сахароза.

Отличительной чертой механокомпозитов является наличие развитой границы контакта между его частицами. При растворении в воде один из компонентов, в данном случае стерин, оказывается в зоне высоких локальных концентраций растворимого компонента. Установлено, что увеличение концентрации сахарозы сопровождается существенным повышением растворимости стигмастерина в растворе ацетонитрил-вода (с 5 до 100 мкг/мл). На рисунке 5 приведена диаграмма растворимости стигмастерина в данной системе. Наблюдаемый эффект может быть связан с существенным изменением структуры растворителя в результате введения сахарозы или с образованием растворимых комплексов стерина и сахарозы.

С помощью ДСК показано, что процесс плавления смесей стигмастерина с сахарозой характеризуется заметным уменьшением суммарной теплоты плавления. Избыточная энтальпия плавления имеет отрицательное значение и составляет 20-60 % от исходной величины. Так как из полученных расплавов стигмастерин может быть выделен обработкой раствором Н20//-Рг0Н, столь существенные изменения термодинамической характеристики, скорее всего, связаны с протеканием обратимого химического взаимодействия.

В пользу взаимодействия стигмастерина и сахарозы свидетельствует вид ДСК-кривых. Так, при увеличении мольной доли стигмастерина понижается температура плавления сахарозы и становится различимым экзотермический эффект при 168 С. Данные эффекты могут быть обусловлены образованием комплексов или твердых растворов. Поскольку температура плавления сахарозы является сравнительно небольшой величиной 190 XI, то не исключено, что в ходе механической обработки в результате плавления сахарозы могут образовываться растворы или комплексы стерин-сахароза. Из активированной в АГО-2 в течение 2 мин смеси сахарозы и Р-ситостерина путем длительной экстракции Е120 в аппарате Сокслета извлекается не более 50 % стерина. Эффективное плакирование пластичного р-ситостерина сахарозой в условиях механической активации не представляется возможным - наиболее вероятно, что механохимическая обработка приводит к образованию новой химической формы стерина, которая в отличие от исходного стерина нерастворима в Е1гО.

Характерным свойством водных дисперсий, полученных из композитов стерин-сахароза, является устойчивость их дисперсной фазы (стерина) к действию несмешивающихся с водой веществ, в которых хорошо растворяются стерины, например к Ш20 и н-ВиОН. Данными растворителями из свежих дисперсий не удается провести исчерпывающую экстракцию стеринов. Только длительное перемешивание в течение 20-40 ч приводит к разрушению дисперсии и переходу стеринов в органический растворитель. Вероятно, растворенная в воде сахароза сорбируется на поверхности частиц дисперсной фазы и препятствуют ее быстрой агрегации.

На рисунке 5 приведена диаграмма устойчивости водной дисперсии стигмастерина (50 мкг/мл) в зависимости от содержания в воде сахарозы. В качестве меры устойчивости использовали количество стигмастерина, остающегося в воде после 10 мин встряхивания его дисперсии с к-ВиОН и последующего расслоения органической и водной фаз. Данные диаграммы указывают на то, что сахароза в значительной степени увеличивает устойчивость водной дисперсии стигмастерина

Полученные в данной части работы результаты объясняют достигаемый путем механической обработки смеси растительного сырья и сахарозы эффект солюбилизации фитостеринов. В основе механохимической солюбилизации лежит образование твердой дисперсной системы с развитой границей раздела между компонентами. При контакте таких систем с водой возникают зоны с высокими концентрациями сахарозы. В результате этого может происходить

частичное растворение стеринов. В ходе механической обработки также могут образовываться комплексы или твердые растворы стерин-сахароза. При добавлении воды последние приводят к водным дисперсиям стеринов. Присутствие сахарозы обеспечивает устойчивость водных дисперсий.

В третьем разделе приводятся технологические приложения механохимической обработки растительного сырья, содержащего фитостерины и фитоэкдистероиды. Наиболее эффективным с точки зрения экономики является непосредственное использование продукта механохимической обработки. Действующим началом таких препаратов являются образующиеся на стадии механохимической обработки растительного сырья биологически доступные формы фитостеринов и фитоэкдистероидов. Разработанная механохимическая технология отличается рядом достоинств - простотой в эксплуатации и обслуживании производства, возможностью использования оборудования в составе технологических линий в кормопроизводстве, применением в технологическом процессе только экологически чистых компонентов, доступностью и низкой ценой используемого сырья (отходы пищевой промышленности). Биологические испытания укрупненных и опытно-промышленных партий показали, что механохимические препараты обладают выраженной ростостимулирующей активностью. Результаты тестирования приведены в развернутой форме.

В четвертом разделе главы обсуждается применение механохимической обработки для повышения селективности экстракции тритерпеновых кислот и снижения растворимости полифенольных соединений. В основе подхода лежит известное взаимодействие белков и полифенолов, которое используется в процессах дубления кожи или для осветления растительных экстрактов. Связывание полифенолов происходит за счет донорно-акцепторного взаимодействия ароматических гидроксильных и карбоксильных групп с аминогруппами и ОН-группами аминокислот, входящими в состав желатина или коллагена [9]. Полученные результаты подтверждены методом ИК-спекфоскопии и ВЭЖХ. Связывание полифенольных соединений путем механической обработки растительного сырья в присутствии желатина или его заменителя, позволяет упростить процедуру получения тритерпеновых кислот. Показано, что они могут быть непосредственно выделены органическим растворителем из промытого водой механокомпозита. Выход целевого продукта в 2-2.5 раза выше по сравнению с достигаемым по традиционной экстракционной технологии. Согласно биологическим испытаниям и результатам инструментальных методов анализа получаемый таким образом продукт по своим характеристикам не уступает выделяемой известным экстракционным методом сумме тритерпеновых кислот.

В пятом разделе рассмотрены некоторые механохимические реакции простых углеводов и их роль в солюбилизации и повышении биологической доступности гидроксилсодержащих органических соединений. Проведен сравнительный анализ реакционной способности аномеров О-глюкозы на примере механохимической аномеризации и установлены причины различий. С

помощью МС-ГЖХ и МС-ВЭЖХ изучены механохимические превращения сахарозы и аномеров £)-глюкозы.

Проведенные исследования позволили установить протекание ряда механохимических реакций с участием простых углеводов и выявить следующие закономерности.

Установлено, что твердая органическая кислота или твердый неорганический амфолит (ЫаНСОз) являются эффективными катализаторами твердофазной аномеризации £>-глюкозы. Показано, что механическая активация в присутствии твердой органической кислоты приводит к продуктам димеризации Л-глюкозы. Наибольшей реакционной способностью в реакциях твердофазной аномеризации и димеризации обладает |3-£)-глюкоза. Различие в реакционной способности двух кристаллических аномеров объясняется наличием у одного из них (р-аномера) эффективного механизма переноса протона. р-О-глюкоза обладает электрической проводимостью, которая для этого класса веществ, скорее всего, обусловлена переносом протонов. Значение электрической проводимости кристаллической Р-/Э-глюкозы зависит от степени дефектности и коррелирует со скоростью механохимической аномеризации.

Механическая обработка сахарозы в присутствии я-ОСбНЦвОзН приводит к ироду там ее инверсии - О-глюкозе и D-фpyктoэe. Образующиеся в результате гидролитического расщепления сахарозы моносахариды вовлекаются в процесс аномеризации. С помощью МС-ПКХ в продуктах механохимической обработки были идентифицированы а- и Р-аномеры глюкозы и фруктозы. Кроме продуктов инверсии в реакционной смеси был также обнаружен набор различных дисахаридов.

Процесс разветвления цепи превращений зависит от содержания влаги и заметно ускоряется при добавлении 0.2-0.3 % воды. Наиболее вероятно, что образование олигосахаридов становится возможным после того, как образуются моносахариды со свободной полуацетальной или полукетальной группой (например, в глюкопиранозе положение С-1). Химические превращения, протекающие при механической обработке сахарозы в присутствии твердой кислоты, могут быть описаны схемой 5.

гн,он

с;1и,кгп,

но

Изученные механохимические превращения простых углеводов, возможно, также как и рассмотренные выше процессы солюбилизации фитостеринов, являются причиной выраженной биологической активности композитов, приготовленных путем механической активации смеси растительного сырья и сахарозы. Процесс реверсии по характеру разрыва и образования связей не отличается от образования гликозидов и, возможно, также имеет место при механохимической обработке. Не исключено, что часть стеринов может таким образом переходить в наиболее физиологически активные формы, а именно в водорастворимые гликозиды.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. V.V. Boldyrev, fC. Tkacova. Mechanochemistry of solids: past, present, and prospects // J. Materials Synthesis and Processing. - 2000. - Vol. 8. - P. 121-132.

2. П.Ю. Бутягин. Проблемы и перспективы развития механохимии // Усп. хим. - 1994.-Т. -63. С. 1031-1043.

3. Р. Сильверстейн, Г. Басслер, Т. Морил. Спектрометрическая идентификация органических соединений / пер. с англ. под ред. А.А. Мальцева // М.: Мир. -1977.-590 с.

4. А.Г. Друганов, В.А. Ралдугин, М.М. Шакиров и др. Идентификация компонентов кислой части экстракта хвои пихты сибирской с использованием препаративной микроколоночной ВЭЖХ, спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии // Химия в интересах устойчивого развития. -2000. - Т. 8. - С. 699-704.

5. R.C. Petterson, U. Grzeskowiak, L.H. Jules. N-Halogen compounds. II. The N-C1 stretching band in some N-Cloroamides. The structure of trichloroisocyanuric acid II J. Org. Chem. - 1960. - Vol. 25. - P. 1595-1598.

6. О.И. Ломовский, В.Д. Белых. Механохимическая экстракция водорастворимых компонентов из липидсодержащего сырья // Периодический сборник научных трудов «Обработка дисперсных материалов и сред», Одесса, Украина - 2000. - Т. 10. - С. 71 -75.

7. М. Ditrich, P. Solich, L. Opletal, A.J. Hunt, 3.D. Smart. 20-Hydroxyecdysone release from biodegradable device: the effect of size and shape // Drug. Develop. Ind. Pharm. - 2000. - Vol. 26. - P. 1285-1291.

8. R.K. Sharma. Phytosterols: Wide-spectrum antibacterial agent // Bioorganic Chemistry. - 1993. - Vol. 21. - P. 49-60.

9. K.J. Siebert, N.V. Troukhanova, P.Y. Lynn. Nature of polyphenol-protein interactions // J. Agric. Food Chem. - 1996. Vol. 44. - P. 80-85.

выводы

1. Определены условия механохимического получения водорастворимых солей тритерпеновых кислот. Механохимическая обработка растительного сырья с твердым основанием приводит к механокомпозитам, контакт которых с водой сопровождается образованием водорастворимых солей тритерпеновых кислот. В отличие от органических экстрактов растительного сырья водные экстракты механокомпозитов содержат больше 24-Е-изомеров и полярных дикарбоновых кислот с М, = 498. Различия в селективности процессов экстракции объясняется различной кислотностью компонентов суммы тритерпеновых кислот.

2. Осуществлен механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты из изоциануровой и трихлоризоциануровой кислот. Механическая обработка смеси трихлоризоциануровой кислоты, изоциануровой кислоты и твердого основания (NaOH или К2СОз) является эффективным методом активации твердофазного синтеза водорастворимых солей дихлоризоциануровой кислоты. Предложены способы технологического применения этих реакций.

3. Предложен и запатентован способ выделения фитоэкдистероидов, обеспечивающий возможность непосредс гвенной кристаллизации 20-гидроксиэкдизона из водных экстрактов и повышение выхода основных экдистероидов в 1.5-2 раза.

4. Механохимическая обработка фитостеринов с сахарозой позволяет получать водорастворимые формы фитостеринов. Контакт механокомпозитов «стерин-сахароза» с водой приводи! к образованию устойчивых водных дисперсий стеринов. Эффект механохимической солюбшшзации фитостеринов объясняется образованием молекулярных комплексов или твердых растворов стерин-сахароза.

5. Исследованы механохимические реакции Сахаров - веществ, используемых в получении механохимических препаратов. Кислоты являются катализаторами твердофазной аномеризации и реверсии £)-глюкозы. Реакционная способность аномеров D-глюкозы определяется механизмом переноса катализатора (протона). В отличие от а-аномера Р-форма D-глюкозы характеризуется эффективным механизмом транспорта протонов, что подтверждается сопоставлением результатов кинетических измерений с данными по измерению электропроводности. Механическая обработка сахарозы в присутствии твердой кислоты сопровождается инверсией сахарозы. Образующиеся глюкоза и фруктоза вовлекаются в процессы аномеризации и реверсии.

6. Предложены и запатентованы способы получения биологически активных препаратов. Способы основаны на изученных механохимических процессах и обеспечивают увеличение выхода полезных компонентов в 1.5-2 раза. Установлена достоверная биологическая активность механокомпозитов на основе Abies sibirica Ledb., заключающаяся в ускорении роста тканей растений in vitro и in vivo. Механокомпозиты на основе Serratula coronata L. и Panicum miliaceum L. могут использоваться в качестве высокоэффективных биопрепаратов для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

] О Lomovsky. К Korolyov, Y S Kwon Mechanocbermcal solubili7ation and mechanochemical I у assisted extiaction of plant bioactive substances // Proc 7-th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology "KORUS-2003", Ulsan, Republic of Korea -2003 - Vol 1 -P 7-20

2 KG Korolev, OI Lomovskn, OA Rozhanskaya, V.G Vasil'ev. Mechanochemical preparation of water-soluble forms of triterpene acids // Chem Natural Compounds -2003 - Vol 39 - №4 -P 366-372

3 OA Рожанская, H В Юдина, О И Ломовский, КГ Королев Влияние продуктов мехаиохимической активации торфа и древесного сырья на морфогенез растений in vitro и in vivo /' Химия растительного сырья - 2003 - № 3 - С. 29-34

4 OA Рожанская, Н В Юдина, О И Ломовский, К Г Королев Влияние регуляторов роста растительного происхождения на морфогенез рапса in vitro //Сиб. вести с-х науки -2003. №2 -С 108-112.

5 КГ Королев, О.И Ломовский, Н Ф Уваров, В Л Сален ко Механочимические превращения кристаллических аномеров £>-глюкозы // Химия в интересах устойчивого развития -2004 -Т 12 - №3.-С 339-348

6 Патент 1'Ф № 224^498 Способ получения препарата для повышения продуктивности растений, содержащего водорастворимые формы гритерпеновых кислот / И.П Самсонов, К Г Королев, О И Ломовский, В П Старостин//Опубл 10 03 2005 -Бюл №16

7 Патент РФ № 2230749 Способ получения экдистероидов из растительного сырья ' О И Ломовский, К Г Королев // Опубл 20 06 2004 - Бюл № 17

8 Патент РФ № 2244426. Препарат, содержащий водорастворимые соли тритерпеновых кислот, и способ его получения / КГ. Королев, О И Ломовский Н Опубл 20 01 2005 -Бюл №2

9 KG Korolyov, О I Lomovsky, V L Salenko Mechanochemical reactions of carbohydrates // Book of Abstracts of the International Conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies", August 16-18, Novosibirsk - 2001. - P 96

10 KG Korolev, Of Lomovsky, NF Uvarov, VL Salenko Mechanochemical transformation of the crystalline epimers of /)-G!ucose 4 Book of Abstracts of the international conference "Mechanochemical synthesis and sintering", June 14-18, Novosibirsk -2004 - P. 206

11 О И Ломовский, К Г Королев Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение // Материалы П-ой Конференции «Фундаментальная наука в интересах развития химической и химико-фармацевтической промышленности», 16-19 ноября, Пермь -2004 - С 108

12 КГ Королев, О И Ломовский, В Н Гусаков, А Г Телин Механохимические методы приготовления твердофазных комбинированных систем для промывки скважин в условиях проявления сероводорода // Материалы научного семинара СО РАН - компания Шлюмберже «Химические аспекты нефтедобычи», 6-7 декабря, Новосибирск - 2004 - С 22-23

95 6£

РНБ Русский фонд

2006-4 15845

Подписано к печати "27" апреля 2005г.

Тираж 100 экз. Заказ № 1435. Отпечатано "Документ-Сервис", 630090, Новосибирск, Институтская 4/1, тел. 356-600

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Королев, Кирилл Георгиевич

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Специфика протекания органических реакций в твердом состоянии

1.1.1. Стерические эффекты

1.1.2. Роль дефектов кристаллической структуры

1.1.3. Процессы массопереноса

1.2. Физико-химические последствия механической активации органических веществ 17 1.2.1. Увеличение поверхности и связанные с этим размерные эффекты

Д 1.2.2. Разупорядочение кристаллической структуры и аморфизация

1.3. Механохимия органических веществ и ее технологические приложения

1.3.1. Общие сведения по органическому механосинтезу

1.3.2. Твердофазная механохимическая нейтрализация органических кислот и ее технологические приложения

1.3.3. Механохимическое приготовление дисперсных систем на основе карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений

1.3.4. Технологические приложения механической активации растительного и природного сырья

1.4. Краткая характеристика соединений, выбранных в качестве объектов исследования

1.4.1. Тритерпеновые кислоты

1.4.2. Трихлоризоциануровая кислота и ее производные 43 ^ 1.4.3. Фитостерины и фитоэкдистероиды

1.5. Цель и задачи исследования

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Характеристика реагентов, материалов и методов физико-химического анализа

2.2. Методика механохимической обработки и проведения химических реакций

2.2.1. Проведение модельных экспериментов

2.2.2. Приготовление укрупненных партий для биологических испытаний

2.2.3. Механохимическая обработка систем, содержащих тритерпеновые кислоты

2.2.4. Механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты и механическая активация твердофазного синтеза солей ДХЦК

Д 2.2.5. Механическая активация систем, содержащих фитостерины и фитоэкдистероиды

2.2.6. Механохимическая обработка глюкозы и сахарозы

2.2.7. Методики проведения биологических испытаний

2.3. Физико-химический анализ исходного сырья и продуктов механохимической обработки

2.3.1. Определение тритерпеновых кислот в растительном сырье и водорастворимой части механокомпозитов

2.3.2. Физико-химический анализ продуктов механохимической обработки ТХЦК

2.3.3. Определение фитостеринов и милиацина в исходном сырье и в продуктах механохимической обработки

2.3.4. Определение фитоэкдистероидов в исходном сырье и водорастворимой части механокомпозитов

2.3.5. Анализ продуктов механохимической обработки простых углеводов

3. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ

3.1. Механохимическое взаимодействие тритерпеиовых кислот со щелочами

3.2. Качественный и количественный состав водорастворимой части тритерпеиовых кислот в механокомпозитах, полученных из растительного сырья

3.3. Технологические приложения механохнмической обработки растительного сырья, содержащего тритерпеновые кислоты

3.4. Результаты биологических испытаний

3.5. Механохимический синтез ДХЦК и механическая активация твердофазного синтеза водорастворимых солей ДХЦК

3.6. Технологические приложения механической активации смесей, содержащих трихлоризоциануровую кислоту

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ МЕХАНОХНМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ ГИДРОКСИЛЗАМЕЩЕННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

4.1. Механохнмическая активация водной экстракции фитоэкдистероидов

4.2. Роль механохнмической обработки в повышении биологической доступности фитостерииов

4.3. Технологические приложения механохнмической обработки растительного сырья, содержащего фитостерииы и фитоэкдистероиды

4.4. Применение предварительной механохнмической обработки для повышения селективности экстракции тритерпеиовых кислот и снижения растворимости полифенольных соединений

4.5. Некоторые механохимические реакции простых углеводов и роль этих превращений в солюбилизации и повышении биологической доступности гидроксилсодержащнх органических соединений

4.5.1. Сравнительный анализ реакционной способности аномеров О-глюкозы на примере механохнмической аномеризации, причины различий

4.5.2. Механохимические превращения аномеров О-глюкозы и сахарозы

Введение диссертация по химии, на тему "Механохимия карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений и ее технологическое применение"

Механохимия - область химии твердого тела, которая изучает влияние упругих и пластических деформаций на реакционную способность твердых тел. Теоретические соображения, устанавливающие взаимосвязь между механической и химической энергией, были впервые сформулированы Фридрихом Оствальдом. Бурному развитию механохимии способствовало ее пересечение со смежными областями знаний, такими как физика твердого тела, теория прочности, катализ, химическая технология, материаловедение, химия лекарственных веществ, биохимия и др.

Широкие возможности препаративной механохимии проиллюстрированы множеством примеров - синтезом тугоплавких веществ, интерметаллидов, неорганических и органических соединений, молекулярных комплексов, лекарственных препаратов, композиционных материалов. Успехи фундаментальных исследований в области химии твердого тела обозначили преимущества и обосновали целесообразность использования механохимических методов в химической технологии, фармацевтической и пищевой промышленности [1-3]. В ряде случаев применение механохимии позволяет получить продукты в метастабильном состоянии, которое трудно или невозможно достигнуть, используя традиционные методы, исключить использование водных и органических растворителей, уменьшить число стадий в технологическом процессе, упростить процедуры выделения и очистки целевых компонентов. За последние 30 лет механохимия внесла ощутимую пользу в развитие основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий [4].

В период становления механохимии резко возросло число публикаций, касающихся попыток применить на практике результаты, полученные в лаборатории. Анализируя имеющийся в этой сфере опыт, авторы [2] с сожалением указывают на то, что такие попытки заканчивались успешным практическим использованием реже, чем следовало ожидать. Вместе с тем, к настоящему времени накоплен значительный объем данных, охватывающий важнейшие направления фундаментальных исследований, с которыми связывают развитие механохимии. Важной теоретической областью механохимии является изучение и описание взаимосвязи между процессами релаксации механических напряжений и изменением реакционной способности молекулярных кристаллов и органических супрамолекулярных ансамблей. Одним из направлений развития механохимии, безусловно представляющим и научный, и практический интерес, является рассмотрение процессов молекулярного перемешивания и химического взаимодействия, протекающих с участием органических твердых тел под действием механических сил.

Кислотно-основные превращения и донорно-акцепторные взаимодействия -одни из самых распространенных и, вместе с тем, простых в экспериментальном осуществлении типов механохимических реакций органических соединений. Подобного рода превращения особенно характерны дня карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений.

Таким образом, изучение механохимических превращений карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений представляется актуальным как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Целью данной работы является экспериментальное изучение механохимических реакций, протекающих с образованием водорастворимых форм карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений, и выявление возможности использования этих реакций в химической технологии для получения биологически активных препаратов, а также для выделения биологически активных веществ из растительного сырья.

В работе поставлены следующие задачи:

• Изучение катализируемых кислотами механохимических реакций простых углеводов;

Практическое значение результатов проведенных исследований заключается в возможности использовать разработанные механохимические подходы для приготовления биологически активных препаратов.

На защиту выносятся:

• Механическая активация экстракции фитоэкдистероидов из растительного сырья;

• Образование водорастворимых форм фитостеринов в результате механохимического взаимодействия последних с простыми углеводами;

• Механохимические превращения простых углеводов - D-глюкозы и сахарозы: аномеризация кристаллических аномеров D-глюкозы, реверсия D-глюкозы и взаимодействие сахарозы с твердой органической кислотой;

1. Обзор литературы

Заключение диссертации по теме "Химия твердого тела"

5. Заключение

В настоящей работе изучены механохимические реакции, карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений с твердыми щелочами и углеводами. Данные превращения интересны в плане приготовления физиологически активных препаратов. Разработаны и оптимизированы способы повышения биологической доступности некоторых органических кислот и спиртов.

Изучение физико-химических процессов, лежащих в основе механо-химической солюбилизации кислот и спиртов, позволило разработать механохимические процессы получения физиологически активных препаратов.

Во многих случаях известные методы получения того или иного продукта могут быть дополнены механохимическими стадиями, позволяющими значительно увеличить выходы и снизить производственные затраты, например, как в случае с фитоэкдистероидами или тритерпеновыми кислотами. В данной работе показано, что использование механохимических процессов открывает новые возможности в освоении сырья, которое для большинства других методов оказывается непригодным.

На примере тритерпеновых кислот, фитоэкдистероидов и фитостеринов показано, что основанная на известных физико-химических эффектах солюбилизация труднорастворимых органических соединений может быть проведена механохимически in situ, то есть в матрице сырья, которое обычно используют для экстракции. Получаемый механохимической обработкой продукт обладает теми же свойствами, что и продукты традиционных экстракционных технологий. Безусловным преимуществом механохимического метода является сокращение числа стадий, необходимых для придания продукту желаемых свойств и простота организации производства.