Новые экстракционные системы для выделения и определения аминокислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ

1.1. Физические и физико-химические свойства аминокислот

1.2. Методы определения аминокислот

1.3. Методы выделения аминокислот

1.3.1. Сорбционные методы

1.3.2. Экстракция и мембранный транспорт

1.4. Применение макроциклических соединений для выделения и определения аминокислот

1.4.1. Применение краун-эфиров, каликсаренов и других макроциклов в экстракции и мембранном транспорте катионов аминокислот ' • '••.;»

1.4.2. Экстракция цвиттер-ионов аминокислот с использованием макроциклических и других специфических реагентов

1.4.3. Применение фенилборных кислот для связывания аминокислот

Глава 2. ИОННЫЕ ЖИДКОСТИ. ЭКСТРАКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА

ОСНОВЕ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ

2.1. Свойства ионных жидкостей

2.2. Применение ионных жидкостей в экстракции

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 3. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, АППАРАТУРА И ТЕХНИКА

ЭКСПЕРИМЕНТА

Глава 4. ЭКСТРАКЦИЯ АМИНОКИСЛОТ ДИЦИКЛОГЕКСИЛ-18-КРАУН-6 И КАТИОНООБМЕННЫМИ ЭКСТРАГЕНТАМИ ДИНОНИЛНАФТАЛИНСУЛЬФОКИСЛОТОЙ И ДИ-2-ЭТИЛГЕКСИЛФОСФОРНОЙ КИСЛОТОЙ

4.1. Экстракция аминокислот динонилнафталинсульфокислотой

4.1.1. Влияние рН и времени контакта фаз на экстракцию аминокислот с динонилнафталинсульфокислотой

4.1.2. Определение состава экстрагирующихся соединений. Расчет констант экстракции аминокислот динонилнафталинсульфокислотой

4.1.3. Экстракция аминокислот динонилнафталинсульфокислотой в присутствии краун-эфира

4.2.Экстракция аминокислот ди-2-этилгексилфосфорной кислотой

4.2.1. Влияние рН на экстракцию аминокислот ди-2-этилгексил- gj фосфорной кислотой

4.2.2. Концентрационные зависимости. Влияние концентрации ди-2этилгексилфосфорной кислоты, аминокислот на экстракцию.

Расчет констант экстракции

4.2.3. Экстракция аминокислот ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в присутствии дициклогексил 18-краун

Глава 5. ЭКСТРАКЦИЯ АМИНОКИСЛОТ КАЛИКС[8]АРЕНОМ

5.1. Влияние рН и времени контакта фаз на экстракцию аминокислот каликс[8]ареном

5.2. Определения состава экстрагирующихся комплексов, расчет констант экстракции аминокислот каликс[8]ареном

5.3. Мешающее влияние катионов металлов и аминов на экстракцию аминокислот каликс[8]ареном

ГЛАВА 6. ЭКСТРАКЦИЯ АМИНОКИСЛОТ ФЕНИЛБОРНЫМИ

КИСЛОТАМИ

6.1. Экстракционные свойства производных фенилборной кислоты

6.2. Экстракция аминокислот 2,4-динитро-З-толилборной кислотой

6.3. Экстракция аминокислот 2,4-динитро-З-толилборной кислотой в присутствии ДЦГ18К

Глава 7. ПРИМЕНЕНИЕ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ

АМИНОКИСЛОТ

7.1. Экстракция аминокислот в ионную жидкость с дициклогексил-18- ^о краун

7.2. Экстракция аминокислот другими реагентами в ионную жидкость

7.3. Возможности практического применения экстракции в ионную жидкость для извлечения аминокислот

ВЫВОДЫ

Актуальность темы. Разработка методов выделения аминокислот -актуальная проблема аналитической химии и биотехнологии. Так, существует потребность в дешевых и эффективных способах извлечения аминокислот из растворов их микробиологического производства (культуральные жидкости). Универсальность, быстрота, технологичность и простота осуществления жидкостной экстракции обусловливают интерес к этому методу.

Основная проблема экстракционного выделения аминокислот состоит в том, что степень извлечения обычно невелика; часто недостаточна и селективность. Необходимы реагенты, способные полно и избирательно извлекать аминокислоты из растворов сложного состава, содержащих органические вещества других классов и неорганические ионы. Для решения этой проблемы в рамках данной работы использовали три подхода.

Во-первых, это применение макроциклических кислородсодержащих соединений в сочетании с катионообменными экстрагентами. Аминокислоты в катионной форме можно связывать и экстрагировать в виде комплексов "гость -хозяин" с краун-эфирами и каликсаренами. Во-вторых, это использование производных борной кислоты, которые способны образовывать комплексы с аминокислотами, а при достаточной гидрофобности реагента - и экстрагировать последние. Наконец, третий подход - это замена традиционных растворителей для экстракции на новые органические растворители с уникальными свойствами -ионные жидкости (органические соли, жидкие при комнатной температуре). Гидрофобные ионные жидкости могут служить неводной полярной средой в двухфазной экстракционной системе. Свойства ионных жидкостей - то, что они состоят из ионов, обладают высокой сольватирующей способностью и могут быть гидрофобны - делают их потенциально перспективными разбавителями для экстракции полярных веществ, в том числе аминокислот.

Цель работы состояла в достижении количественной экстракции и повышении селективности извлечения аминокислот при помощи реагентов (экстрагентов) различных классов: макроциклических соединений - краун-эфиров (экстракция катионообменными экстрагентами, ДННСК и Д2ЭГФК); замещенных каликс-8-аренов (экстракция аминокислот в отсутствие противоионов); производных фенилборной кислоты; ионной жидкости - гексафторфосфата метилбугилимидазолия (одновременно экстрагент и разбавитель). Лучшие из экстракционных систем предполагалось использовать для извлечения аминокислот из нативных растворов микробиологического производства и анализа последних.

Научная новизна. Получены данные о возможности применения реагентов различных классов для извлечения аминокислот. Установлено, что экстракция аминокислот катионообменными реагентами (ДННСК и Д2ЭГФК) значительно повышается в присутствии краун-эфира - дициклогексил-18-краун-6 (ДЦГ18К6). В случае ДННСК (промышленно применяемый экстрагент) экстракция становится количественной; кроме того, сокращается время достижения экстракционного равновесия и увеличивается скорость расслаивания фаз. Показана возможность экстракции аминокислот в виде цвиттер-ионов из нейтральных водных растворов адамантилзамещенным каликс-8-ареном, а также производными фенилборной кислоты. Изучена экстрагирующая способность производных фенилборной кислоты по отношению к аминокислотам и ее взаимосвязь с кислотностью и гидрофобностью реагента. Предложены условия оптимальной экстракции, изучен состав экстрагирующихся соединений.

В качестве разбавителя для экстракции аминокислот вместо традиционных растворителей предложено использовать ионную жидкость - гексафторфосфат метилбугилимидазолия. Показано, что ионная жидкость, содержащая ДЦГ18К6, количественно извлекает аминокислоты, в том числе и гидрофильные. Аминокислоты полностью реэкстрагируются из фазы ионной жидкости щелочными водными растворами.

Практическая значимость. При использовании нового класса органических растворителей - ионных жидкостей - достигнута количественная экстракция аминокислот. Разработана методика экстракционного выделения аминокислот в ионную жидкость, содержащую ДЦГ18К6, с последующей реэкстракцией и флуориметрическим определением аминокислоты в водной фазе. Проведено экстракционное выделение аминокислот с последующей количественной реэкстракцией и определением в технологическом объекте - нативном растворе микробиологического производства и в некоторых лекарственных препаратах. Правильность и воспроизводимость проверена методом "введено-найдено" и независимым методом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения экстракции аминокислот из водных растворов в хлороформ и гептан катионообменными экстрагентами - динонилнафталинсульфокислотой и ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в присутствии и в отсутствие дициклогексил-18-краун-6.

2. Результаты исследования экстракции аминокислот замещенным каликс-8-ареном, содержащим сложноэфирные и адамантильные заместители.

3. Результаты изучения экстракции аминокислот борсодержащими реагентами; данные об экстракционных свойствах фенилборной, нитрофенилборной, октилоксифенилборной, фенилазоборной, динитротолилборной кислот, о влиянии дициклогексил-18-краун-6 на экстракцию.

4. Результаты применения ионной жидкости - гексафторфосфата метилбутилимидазолия - в качестве экстрагента и разбавителя при извлечении аминокислот реагентами: дициклогексил-18-краун-6, производными фенилборкой кислоты, ди-2-этилгексилфосфорной кислотой.

5. Методики концентрирования аминокислот при помощи экстракции в ионную жидкость, содержащую дициклогексил-18-краун-6 из технологических объектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации изложены на X Всероссийской конференции по экстракции (Уфа, 1993), VII Всероссийской конференции "Органические реагенты в аналитической химии" (Саратов, 1999), Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов-99" (Москва,

1999), Международном симпозиуме по жидкостной экстракции (Москва, 1998), Всероссийской конференции "Химический анализ веществ и материалов" (Москва,

2000), XII Российской конференции по экстракции (Москва, 2001). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ: 3 статьи и

7 тезисов докладов.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

выводы

1. Аминокислоты экстрагируются по катионообменному механизму динонилнафталинсульфокислотой в отсутствие и в присутствии дициклогексил-18-краун-6 в гептан и хлороформ. Стехиометрическое по отношению к аминокислоте количество краун-эфира обеспечивает количественное извлечение при рН 1,0-2,5. Для Trp, Phe, lie, Gly соотношение аминокислота:ДННСК:ДЦГ18К6 в экстрагирующихся соединениях составляет 1:1:1, для Lys - 1:2:2. Рассчитаны значения констант экстракции. Изучено мешающее влияние катионов щелочных, щелочноземельных металлов, аминов.

2. Аминокислоты экстрагируются из водных растворов ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в хлороформ. В области рН 1,5-3,5 извлекаются катионы, а при рН 3,0-5,5 - цвиттер-ионы Trp, Phe, Не, Leu, Ala, Gly. Glu извлекается в области рН 2-4 в виде цвиттер-иона, Lys и Arg - в катионной форме при рН 3-7. Соотношение аминокислота : Д2ЭГФК в экстрагирующихся соединениях для всех аминокислот составило1:1. Рассчитаны значения констант экстракции. Введение ДЦГ18К6 в экстракционную систему позволяет сократить время достижения экстракционного равновесия с тридцати до пяти минут и повысить степень извлечения на 15-30%.

3. Замещенный каликс-8-арен, содержащий сложноэфирные и адамантильные заместители, экстрагирует цвиттер-ионы аминокислот в хлороформ. Соотношение аминокислота : реагент в экстрагирующихся соединениях составляет 1:1 для Trp, Phe, Не, Gly, Glu, 1:2 для Lys. Рассчитаны значения констант экстракции. На эффективность экстракции не влияют значительные количества посторонних катионов.

4. Изучена экстракция цвиттер-ионов аминокислот арилборными кислотами: фенилборной, м-нитрофенилборной, п-октилоксифенилборной, м-фенилазофенил-борной, 3-(4-толилазо)фенилборной и 2,4-динитро-Зтолилборной. Экстракция аминокислот убывает в ряду: ДНТБК>ТАФБК>ФАБК>ПООФБК>НФБК>ФБК. Билогарифмическим методом установлено соотношение аминокислота: ДНТБК=1:1. Эффективность извлечения уменьшается в ряду: Trp>Phe>Leu>fle>Lys>Gly> Ala Ala Введение в систему ДЦГ18К6 позволило увеличить степени извлечения для всех аминокислот на 20%.

5. В качестве экстрагента и разбавителя для экстракции аминокислот можно применять ионную жидкость - гексафторфосфат метилбугилимидазолия. Аминокислоты, в том числе и наиболее гидрофильные, количественно экстрагируются в ионную жидкость, содержащую ДЦГ18К6, в катионном виде. Соотношение аминокислота: ДЦГ18К6 в экстрагирующихся соединениях составляет 1:1 для Тгр, Phe, Leu, Gly, Ala и 1:2 для Lys и Arg. Аминокислоты можно количественно реэкстрагировать щелочными водными растворами.

6. Предложен метод экстракционного выделения аминокислот из технологического раствора микробиологического производства (культуральной жидкости) и флуориметрического определения аминокислот после реэкстракции. Аминокислоты количественно экстрагируются краун-эфиром (ДЦГ18К6) в ионную жидкость - гекафторфосфат метилбугилимидазолия - из нативного раствора и количественно реэкстрагируются щелочными водными растворами. Показана возможность экстракционного выделения аминокислот с последующей количественной реэкстракцией и определением в лекарственных препаратах.

1. Волькенштейн М.В. Биофизика.М.: Наука, 1988. 291С.

2. Марри P., Греннер Д., Родуэлл В. Биохимия человека. М.: Мир, 1993, Т. 1. 381С.

3. Moore S., Stein. W.H. Photometric ninhydrin method for use in the chromatography of amino acids. // J.Biol. Chem. 1948. V.176. P. 367-388.

4. Коренман И.М. Методы определения органических соединений. М.: Химия, 1976. С. 176.

5. Филиппович Ю.Б. Химизм реакции аминокислот с нингидрином. // Научн. докл. Высш. шк. Химия и Хим. технология. 1958. Т. 1. С. 110-112.

6. Chen G.N. Study of the chemiluminescent characteristics of ninhydrin and its application. //Analyst. 1996. V. 122. P.37-41.

7. Smith A.M., Agiza A.H., Determination of amino acids colorimetrically by the ninhidrinreaction. //Analyst. 1951. V.76. P.623-627.

8. Kaweran E., Wieland T. Conservation of amino acids chromatograms. // Nature. 1951. V.168.P. 77-78.

9. Семенов А.Д., Ивлева И.Н., Дацко В.Т. Определение микрограммовых количеств аминокислот в природных водах. // Изв. АН СССР ОХН. 1961. №1. С. 184-186.

10. Ассатиани B.C. Новые методы биохимической фотометрии. М.: Наука, 1965. С 167.

11. Sadok S. Determination nunhydrin positive substances in sea-water and hemolymph. //Analyst. 1995. V.120. P.2097.

12. Furman N.H., Morrison G.H., Wagner A.F. Colorimetric procedure for amino acids. // Anal. Chem. 1950. V.22. P. 1561-1562.

13. Ahmed Y.Z., Abd-Elmottalb M., Abd-Ellah I.M. Spectrophotometric determination of microgram amounts of amino acids by indophenol reagents. // Acta Chim. Hung. 1986. V.122. №2. P. 111-117.

14. Riemschneider R., Henning., Wons T. l-Ethyl-2,3,5-triacetylbenzene a reagent for amino acids. //Monatsh. Chem. 1987. V.118. P. 831-835.

15. Roth M. Fluorescence reaction for amino acids. // Anal. Chem. 1971. V. 43. P.880-882.

16. Singh H.N., Hinze W.L. Micellar enhanced fluorimetric determination of 1-N, N-dimethylaminonaphtalen-5-sulphonylchloride and o-phthalaldehyde-2-mercaptoethanol derivatives of amino acids. // Analyst. 1982. V. 107. P. 1073-1080.

17. Simons S.S., Jonson P.F. Ethanethiol: a thiol conveying improved properties to the fluorescent product of o-phthalaldehyde and thiols with amines. // Anal. Biochem. 1977. V. 82. P.250-258.

18. Швядас В.Ю., Галаев И.Ю., Березин И.В. Взаимодействие аминокислот с о-фталевым альдегидом: спекгрофотометический метод количественного определения продукта реакции. //Биорг. Хим. 1978. Т. 4. С. 19-25.

19. Aminuddin Н. Some aspects of spectrophotometric determination of amino acids by using o-phthalaldehyde as a chromogenic reagent. // J. Chem. Soc. Pak. 1996. V. 18. P.8-11.

20. Froehlich P.M., Cunningham T.D. The enhancement of the fluorescence of fluorescamine derivatives in mixed dimethylsulfoxide-water solvents. // Anal. Chim. Acta. 1976. V. 84. P. 427-430.

21. Dubois P., Levillain P., Viel C. Le cis-a,J3-dinitrostilbene: un nouveau reactif pour le dosage colorimetrique des amines primaires et secondaires, des aminoacides et de thiols.// Talanta. 1981. V. 28. P.843-848.

22. Tapuhi Y., Schmidt D.E., Lindner W. Dansilation of amino acids for hight performance liquid chromatography analysis. // Anal. Biochem. 1981. V. 115. P. 123-129.

23. Mai K.I., Watanabe Y. Fluorimetric determination of secondary amino acids by 7-fluoro-4-nitrobenzo-2-oxa-1, 3-diazole. // Anal. Chim. Acta. 1981. V.130. P.377-383.

24. Linget С., Netter С., Neems D. Online dialisis with HPLC for the automated preparation and analysis of amino acids, sugars, and organic acids in grape juice wines. // Analusis. 1998. V. 26. P. 35-39.

25. Высокоэффективная жидкостная хроматография. / Под ред. Березина И.В. М.: Мир, 1988. 688 С.

26. Radjai М.К., Hatch R.T. Fast determination of free amino acids by ion-pair high performance liquid chromatography using on-line post-column derivatisation.// J. Chromatogr. 1980. V. 196. P. 319.

27. Schuster R. Determination of free amino acids by high performance liquid chromatography. //Anal.Chem. 1980. V. 52. P. 617-620.

28. Foucault A., Caude M., Oliveros L. Ligand exchange chromatography of amino acids on copper (П) modified silica gel with ultraviolet spectrometric detection at 210nanometers. //J. Chromatogr. 1979. V. 185. P. 345.

29. Mondino A. Automatic ion-exchange chromatography of amino acids. // J. Chromatogr. 1970. V. 50. P. 260-273.

30. Rufini S., Ghebreqzabher M., Lato M. Application of reversed phase extraction and ion-exchange thin-layer chromatography for screening and aminoacidurias. // Anal. Chem. Symp. Ser. 1983. V.14. P.159-163.

31. Yang J.C., Fujitaki J.M., Smith R.A. Separation of phosphohydroxyaminoacids by high performance liquid chromatography. // Anal. Biochem. 1982. V. 122. P.360-363.

32. Gustavsson В., Betner I. Fully automated analisys for protein and peptide hydrolysates by precolumn derivatisation with 9-fluorenylmethylchlorformiate and 1-aminoadamantane. // J. Chromatogr. 1990. V. 507. P. 67-77.

33. Bayer E., Grom E., Kaltenegger B. Separation of amino acids by high performance liquid chromatography. // Anal. Chem. 1976. V.48. P. 1106-1109.

34. Kobayashi S., Imai K. Detarmination of fluorescent compounds by high performance liquid chromatography with chemiluminescence detection. // Anal. Chem. 1980. V.52. P.424-427.

35. Davis В. Dansylation of amines, phenolic and catecholic amines and aminoacids in aprotic solvents. //J. Chromatogr. 1977. V. 130. P. 151-160.

36. Watanabe Y., Imai K. High performance liquid chromatography and sensitive detection of amino acids derivatized with 7-fluoro-4-nitrobenzo-2-oxa-l, 3-diazole. // Anal. Biochem. 1981. V.116. P. 471-472.

37. Blakley C.R., Carmody J.J., Vestal M.L. Liquid chromatograph-mass spectrometer for analysis of nonvolatile samples. // Anal. Chem. 1980. V.52. P. 1636-1641.

38. Voyksner R.D., Hass J.R., Bursey M.M. An on-line liquid chromatograph/mass spectrometry experiment. // Anal. Lett. 1982. V.15. P.l-12.

39. Dabral S.K., Rawat J.P., Muktawat K.P. Ion-exchange chromatographic determination of amino acids on impregnated papers. // Anal. Lett. 1989. V. 22. P. 537-543.

40. Jakob K., Falkner C., Vogy W. Derivatization method for the high-sensitive determination of amines and aminoacids as dimethylthiophosphinic amides with alkali flame-ionisation. //J. Chromatogr. 1978. V.167. P.6775-6783.

41. Ishii S., Witkop B. Gramicidin A. Determination of composition and amino acid configuration by enzymatic and gas chromatographic methods. // J. Amer. Chem. Soc. 1963. V. 85. P. 1832-1834.

42. Siezen R.J., Mague Т.Н. Gas-liquid chromatography of the N-heptafluorobuturylisobutil esters of fifty biologically intresting amino acids. // J. Chromatogr. 1977. V. 130. P. 151-160.

43. Zlatkis A., Oro J.F. Amino acid analysis by reactor gas chromatography. // Anal. Chem. 1958. V.30. P. 1156-1156.

44. Zlatkis A., Oro J.F., Kimball A.P. Direct amino acid analysis by gas chromatography.//Anal. Chem. 1960. V.32. P. 162-164.

45. Duncan M.W., Poljak A. Amino acid analysis of peptides and proteins on the femtomole scale by gas chromatography/mass spectrometry. // Anal. Chem. 1988. V. 70. P.890-896.49.