Поликонденсация аминокислот с изотиоцианатами в присутствии гидроксида натрия тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи

ЯКУШЕВА АЛЕКСАНДРА ВИКТОРОВНА

ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ С ИЗОТИОЦИАНАТАМИ В ПРИСУТСТВИИ ГИДРОКСИДА НАТРИЯ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2010

003491602

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук Галибеев Сергей Сергеевич

доктор химических наук, профессор Кольцов Николай Иванович

доктор технических наук, профессор Крыжановский Виктор Константинович

Учреждение Российской академии наук Институт органической и физической химии им. А.Е.Арбузова Казанского научного центра РАН, г. Казань

Защита состоится « /¿>» МММ-Яг

2010 г. в /О часов на заседании диссертационного совета Д 212.680.01 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 6В, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан ¿Р 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / /" E.H. Черезова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1

Актуальность темы. N. ¿'-содержащие соединения, в том числе продукты взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами, нашли применение в качестве эффективных средств борьбы с вредителями, стимуляторов роста растений, как препараты увеличивающие продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц.

Однако данные продукты в природных условиях подвергаются вымыванию из почвенных систем, биологическому разрушению, что часто требует для достижения эффекта использования весьма завышенных доз, которые могут быть токсичны для человека и животных. Для устранения подобных недостатков целесообразно использовать полимерные системы с пролонгирующим действием активного вещества. Это приводит к оптимально дозированному поступлению активных веществ в биологический объект, причем скорость дозирования может регулироваться изменением химической природы полимерной системы.

До настоящего времени работы по синтезу тиокарбамидов и тиогидантоинов, получаемых взаимодействием изотиоцианатов с аминокислотами, рассматривали лишь как возможность синтеза низкомолекулярных органических соединений. На наш взгляд, основанный на данных о способности тиомочевины находиться в двух таутомерных формах, при определенных условиях проведения процесса рассматриваемых систем могут приводить не только к реакциям внутримолекулярной циклизации тиокарбамидов, но и межмолекулярным взаимодействиям меркаптогруппы изотиокарбамида с карбоксильной группой второй молекулы, которые способны привести к получению полимерных систем.

Таким образом, решение задачи, направленной на получение полимерных систем на основе аминокислот и изотиоцианатов, выявление закономерностей протекания этих процессов и условий, при которых они осуществляются, является актуальным и практически значимым.

Цель данной работы заключается в установлении возможности и условий протекания поликонденсации аминокислот и изотиоцианатов в присутствии гидроксида натрия, а также возможности использования полученных соединений в качестве стимуляторов сероокисляющих микроорганизмов сточных вод химических производств.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Установить возможность и выявить условия межмолекулярного взаимодействия в реакциях аминокислот с изотиоцианатами, приводящие к получению полимерных систем.

2. Основываясь на данных элементного анализа, 'Н ЯМР, ИК-, УФ-спектроскопии, провести системное исследование влияния рН среды на структуру получаемых полимеров.

3. Изучить влияние рН среды на особенности синтеза полиглицина в водно-щелочной среде.

' В руководстве работой принимала участие к.хл. Спиридонова Р.Р.

3

4. Изучить процессы биотрансформации продуктов поликонденсации накопительными культурами сероокисляющих микроорганизмов сточных вод химических производств.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- установление возможности и условий протекания поликонденсации аминокислот и изотаоцианатов в присутствии гидроксида натрия;

- способ синтеза лолиглицина в водно-щелочной среде;

- применение продуктов поликонденсации глицина с изотиоцианатами в качестве стимулирующих добавок сероокисляющих микроорганизмов.

Научная новизна состоит в системном исследовании влияния основности среды на характер превращений аминокислот с изотиоцианатами, которая позволила установить возможность протекания, во-первых, поликонденсации аминокислот с изотиоцианатами за счет межмолекуляркого взаимодействия меркаптогруппы в карбоксиазометинтиолах одной молекулы с карбоксильной группой второй, а, во-вторых, реакции гомополиконденсации глицина в водно-щелочной среде. Предложены зависимости влияния основности среды на состав и структуру полученных соединений.

Полученные полимерные продукты впервые исследованы и предложены в качестве стимуляторов роста и развития сероокисляющих микроорганизмов.

Практическая значимость работы состоит в том, что автором найдены возможности синтеза новых полимерных структур, полученных на основе аминокислот и изотаоцианатов в присутствии гидроксида натрия. Показана возможность эффективного применения в качестве стимуляторов сероокисляющих микроорганизмов продуктов поликонденсации глицина с изотиоцианатами, приводящая к увеличению скорости окисления сульфидов в процессах биологической очистки сточных вод химических производств.

Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались на международной конференции «Полимерные материалы'2006» (Халле, Германия, 2006), региональной научной студенческой конференции (Чебоксары, 2006), II и Ш Санкт-Петербургских конференциях молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2006), IV Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007), X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2009), XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения» (Казань, 2009).

Публикации. По материалам работы опубликованы 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для размещения материалов диссертаций, 7 тезисов докладов на научных конференциях различного уровня (3 из них -международные).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных источников.

В первой главе представлен литературный обзор, в рамках которого рассмотрены реакционная способность изотиоцианатов, характерные особенности

строения и свойств аминокислот и взаимодействие аминокислот с изотиоцианатами в целом. Также проведен анализ существующих способов (со-)цоликонденсации аминокислот.

Во второй главе даны характеристики применявшихся в работе аминокислот и изотиоцианатов, методики проведения синтеза продуктов поликовденсации, культивирования культур и микроскопирование микробных образцов, а также методы исследования структуры и свойств полученных полимеров и показателей метаболизма.

В третьей главе представлены результаты исследования и проведен анализ полученных данных. По результатам проделанной работы сделаны выводы.

Общий объем диссертации 130 страниц, включая 140 источников литературы, 15 таблиц и 25 рисунков.

Благодарности Автор выражает глубокую и искреннюю признательность доктору химических наук, профессору Самуилову Я.Д., доктору технических наук, профессору Архирееву В.П., доктору педагогических наук, кандидату технических наук, профессору Кочневу А.М. за помощь в постановке задач и обсуждении результатов исследований, доктору технических наук, профессору Сироткину A.C. за помощь в постановке эксперимента по третьей части работы и интерпретации полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Объекты н методы исследовании

Объектами исследования в работе служили реакции взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами. В качестве аминокислот были использованы: глицин (ГЛ), /?-алашш (/?-AJI) и 4-аминобутановая кислота (4-АБК); изошоцианатов - метшшзотиоцианат (МИТЦ), аллилизотиоцианат (АИТЦ), феншшзотиоцианат (ФИТЦ).

В работе использованы современные методы исследования: ИК-спектроскопия, протонный ядерный магнитный резонанс, УФ-спектроскопия, элементный анализ, Малди масс-спектроскопия, дифференциально-сканирующая калориметрия, гельпроникающая хроматография, химический метод определения молекулярной массы (метод концевых карбоксильных групп).

2. Реакции взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами

Вследствие того, что вода является практически единственным растворителем, в котором растворяются аминокислоты, синтезы проводили в водной среде.

Известно, что изотиоцианаты очень медленно реагируют с водой. В ходе реакции образуются амин, сероводород и углекислый газ. Для выявления возможности протекания данного процесса в условиях проведения реакции изотиоцианатов с аминокислотами, изучен гидролиз ФИТЦ при t°=25 °С и t°-100 °С в течении 24 часов, pH среды 8. Поскольку в ходе реакции не было

зафиксировано выделение сероводорода и не происходили какие-либо изменения с реакционной средой (например, выпадения осадка или изменение окраски), то был сделан вывод, что используемые в работе изотиоцианаты в условиях проведения синтеза не подвергаются сколь-нибудь существенному гидролизу.

Реакцию взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами вели в щелочной среде, в интервале рН 8.0 - 11.0, для создания которой использовали №ОН. Реакция взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами шла на границе раздела фаз, по окончанию процесса продукты реакции выпадали в осадок. Полученный продукт переосаждали от непрореагировавших мономеров. Нейтрализация щелочи в продуктах поликонденсации проводилась 1н. раствором соляной кислоты.

Изучение влияния температуры на выход продуктов взаимодействия ГЛ с ФИТЦ в присутствии гидроксида натрия за 4 часа показало, что проведение реакции при температуре 100°С позволяет получать продукты с большими выходами по сравнению с реакциями, осуществляемыми при 50 и 80°С (табл.1).

Таблица 1. Влияние температуры синтеза на выход продуктов взаимодействия феишизотиоциаиата с глицином при различном рН среды

Температура синтеза, °С рН среды

8 9 10

Выход продукта, мас.%

50 0 7 10

80 0 13 21

100 12 16 30

Синтезированные продукты имели унимодальное ММР, что может свидетельствовать о его однородности по составу.

Определение молекулярной массы методом анализа концевых карбоксильных групп (табл.2) подтвердило предположение об образовании высокомолекулярных соединений.

Таблица 2. Молекулярные массы (ММ) продуктов реакции аминокислот с фенилизотиоцианатом, определенные методом концевых карбоксильных групп

Продукты поликонденсации рН среды

8 9 10 И

Значения ММ* 10^

ГЛ + ФИТЦ 8,5 22,0 40,0 13,3

/?-АЛ + ФИТЦ - 0,7 1,3 -

4-АБК + ФИТЦ - 1,0 1,2 -

На примере реакций ГЛ с ФИТЦ обнаружен экстремумный характер влияния рН среды на молекулярную массу образующихся продуктов. Значения молекулярных масс, определенных методом концевых карбоксильных групп, для продуктов поликонденсации ГЛ с МИТЦ составили в пределах 2,0-103 и ГЛ с АИТЦ- 20,0-103 (рН 10).

Выход продуктов поликонденсации ГЛ с изотиоцианатами растет с увеличением рН среды (табл.3).

Таблица 3. Влияние рН среды на выход продуктов взаимодействия фенипизотиоцианата с аминокислотами. Температура синтеза 100 'С.

Продукты и оликонденсации рН с реды

8 | 9 10 __ П

Выход продукта, %

ГЛ + ФИТЦ 12 16 30 80

гл+митц 2 42 80 85

ГЛ + АИТЦ 2 10 60 83

/?-АЛ + ФИТЦ 3 40 50 8

4-АБК + ФИТЦ 2 40 45 4

Число эквивалентов добавленной 0,1 М

Это можно связать с тем, что чем больше рН среды, тем больше ионизированных карбоксильных групп и выше нуклеофильность аминогруппы, и, как следствие, большее количество аминокислоты вступает в реакцию (рис.1). Увеличение рН ускоряет реакцию, однако при слишком высоких значениях (рН>11) снижается устойчивость образующихся

продуктов, которая зависит от природы исходных аминокислот. Этот факт наблюдается в ряду /?-АЛ и 4-АБК с ФИТЦ. Уже при рН 11 выход продуктов взаимодействия аминокислот с ФИТЦ резко уменьшается.

Рис.1. Кривые титрования аминокислот щелочью. рЩ — изозлектрическая точка, рК), рК- константы диссоциации карбоксильной группы и аминогрупп соответственно

Известно, что структура молекулы тиомочевин может быть представлена резонансными формами:

Б ^ , Ш

Н2К—И—N112 Н^—Ч-БН

Преобладание той или иной таутомерной формы зависит от многих факторов. Так, в работе проф. Струнина Б.П. по данным !3С ЯМР отмечено, что при рН>10 преимущественно преобладает изотиомочевинная форма.

Реакционная способность БН-группы в тиомочевине обусловленда нуклеофильной активностью тиокарбонильного атома серы, а не атома азота. Активность меркаптогруппы по сравнению с аминогруппой подтверждается многими работами. Так, тиомочевиы способны протонироваться, алкилироваться галогеналканами, спиртами в кислой среде, образуя продукты присоединения по кратным связям, взаимодействовать с лактонами, ангидридами, карбоновыми кислотами по тиокарбонильному атому серы.

Таким образом, основной причиной образования полимерных продуктов, на наш взгляд, является поликонденсация за счет межмолекулярного взаимодействия меркаптогруппы в карбоксиазо-метинтиолах одной молекулы с карбоксильной группой второй молекулы:

Аг—N=0—Ш-СН—СООН + ОН" у -БН Я

« ' Аг—Ы=С—Ш—СН-СОО' + Н,0

I I

эн я

где Я = Аг, А1к

Аг—N=0—ЫН—СН—С/^—О"

I III

БН Я Б-Н

Аг—N=0

\

СН—СОО"

-О /0Н

Аг-N=0—ИН-СН-С—Б—С—СН-СОО"

БН

Я

N Я

I

Аг

-I ■ - Аг—Ы=С—ЫН-СН-С—Б—С—СН-СОО" + 'ОН

I I II II I

БН Я О N Я

I

Аг

Этот процесс приводит к получению тиоэфиров карбоновых кислот. В результате последовательного повторения актов взаимодействия соответствующих групп данный тип превращения должен привести к формированию полимера структуры:

пАг—Ы=С—Ш-СН-СООН

I I

БН К

н- -Й-

-с—ш-сн-с-

II I II

N Я О

I

Аг

(О

-ОН +(п-1)Н20

В случае поликонденсации продукта взаимодействия ФИТЦ с ГЛ синтезированный олигомер должен содержать 16,7% серы.

Образующийся первичный олигомер принципиально способен ■ фиооединять вторую молекулу изотиоцианата:

Н-И—С—ш-сн-с-

II I II

N Я О

Аг

-ОН + п ЛгИСЗ

(2)

н-

8=с—ШК. -, -Б—С—N—СН-С-

II I II

N 11 О Аг

-ОН

При протекании этого процесса содержание серы в полученном олигомере возрастает. Например, продукт поликонденсации ФИТЦ с ГЛ при реализации направления 2 должен содержать 19,57% серы.

Другая возможность образования полимерных продуктов обусловлена гомополиконденсацией аминокислот с участием карбоксильных групп либо продуктов взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами, либо самого ГЛ:

О О"

II I

я—с—О- я—с—он __

•: ! -— I -—

ич—Н НИ—СИ—СОО" (3)

Я—сн—СОО' 1

о

II

Я—С—ш—сн—СОО' + "ОН

I

Последняя реакция должна приводить к формированию в структуре полимера блоков полш лицина и снижению в продуктах содержания серы.

Естественно, реакции аминокислот с изотиоцианатами, указанные выше, могут протекать одновременно. Однако, опираясь на данные по содержанию серы в получаемых продуктах, можнб судить о преобладании того или иного направления превращений. Из таблицы 4 видно, что в интервале рН 9-10 для взаимодействия ФИТЦ с глицином преобладает первое направление реакции, при рН 8 - второе, при рН 11 — третье.

Таблица 4. Содержание серы в продуктах взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами при различных рН среды *

Продукты поликонденсации Содержание серы, %

рассчитано найдено

рН 8 рН9 рНЮ рН11

ГЛ + ФИТЦ 16,70 18,17 16,71 16,98 7,72

уЗ-АЛ + ФИТЦ 15,53 - 11,94 14,30 14,12

4-АБК + ФИТЦ 12,60 - 12,02 11,01 -

ГЛ + АИТЦ 20,51 - - 13,92 8,04

ГЛ + МИТЦ 24,62 - 2,77 9,06 -

* расчет производился из условия вступления в реакцию одной молекулы аминокислоты с одной молекулой изотиоцианата

Увеличение аминокислотных фрагментов в образующихся полимерах с возрастанием рН среды имеет место и в случае реакции 4-АБК с ФИТЦ, однако для реакции /?-АЛ проявляется обратная тенденция.

Переход от ароматического изотиоцианата к алифатическим приводит к тому, что получаемые олигомеры существенно обогащаются полиглициновыми блоками (табл.4). Причиной наблюдаемого явления, по-видимому, является меньшая устойчивость изотиомочевинного таутомера по сравнению с тиомочевинным в присутствии алифатического заместителя в данном фрагменте.

Изучение кинетических кривых по выходу продукта взаимодействия ГЛ с ФИТЦ показало, что увеличение рН среды приводит к возрастанию скорости его образования (рис.2). Скорость расходования ГЛ также показывает зависимость влияния основности среды на поликонденсационный процесс (рис. 3).

Время реакции, мин

Рис. 2. Зависимость выхода продуктов сополиконденсации глицина с фенилизотиоцианатом, полученных при рН среды: 1 — 8; 2-9; 3 —10; 4- 11

Время реакции, мин

Рис. 3. Кинетические кривые реакций сополиконденсации глицина с фенилизотиоцианатом при ЮО^С и рН среды: 1-8; 2 — 9; 3-10; 4—11

Более детальный анализ данных кривых позволяет выделить три временных участка, отличающихся по скорости образования продукта и вступления в реакцию аминокислоты: 0-30 мин, 30-60 мин, 60-250 мин. Первый временной

участок, связанный с образованием тиомочевины, существенно не зависит от рН среды. На втором участке происходит взаимодействие тиомочевин друг с другом. На данный процесс оказывает сильное влияние основность среды. Увеличение рН среды приводит к образованию большого количества изотиомочевинных форм, являющихся более реакционноспособными по сравнению с тиомочевинными, что и оказывает влияние на скорость образования продуктов. Выход продуктов поликонденсации на третьем временном участке не зависит от влияния рН. Сделанное ранее предположение об образовании в структуре полимера блоков полиглицина подтверждается характером кривой расходования ГЛ при рН 11 (рис.3, кривая 4). Данная кривая имеет более продолжительный второй временной участок, обусловленный как взаимодействием тиомочевин друг с другом, так и расходованием ГЛ на образование блоков.

Характер протекания описанных выше превращений, а также химическая структура продуктов взаимодействия аминокислот с изотиоцианатами были изучены спектральными данными.

На ИК-спектре продукта взаимодействия ГЛ с ФИТЦ обнаруживаются полосы при 1755 см"1 (валентные колебания групп С=0), 1650-1624 см"1 (валентные колебания С-К группы), 1625-1575 см"1 (ароматическое кольцо), 1640 см"' (валентные колебания группы С=Ы в соединениях с открытой цепью), 1416-1400 см"1 (деформационные колебания группы СН2), 700 см"1 (связь СЯ5>

В спектре ЯМР 'Н наблюдаются сигналы в области 7.7-7.2 м.д., характерные для протонов ароматического ядра. Пик с хим. сдвигом в области 4.2-4.5 м.д. соответствует протонам группы СН2. Имеется также сигнал в области 9.4-9.0 м.д., указывающий на наличие группы 1Ч-Н.

Методом УФ-спектроскопии было обнаружено, что в спектре полученного продукта присутствует плечо при 265 нм, связанное с п-тс*-переходом связи >С=Ы-, но отсутствует полоса при 500 нм, обусловленная п-я*-переходом связи >С=8.

3. Гомополикопденсацин глицина

Возможность образования блоков полиглицина при рН 11 наряду с основным продуктом реакции взаимодействия ГЛ с изотиоцианатами побудила нас к более подробному изучению реакции гомополиконденсации ГЛ. Гомополиконденсация аминокислоты возможна за счет участия карбоксильных и аминогрупп (схема 3).

Реакции проводили в водном растворе при рН 8-11 едкого натрия. Температура реакционной среды поддерживалась в пределах 100410°С. По окончании процесса получили вязкую массу белого цвета. Полученное соединение очищали в системе вода - ацетонитрил и сушили до постояшюго веса. Нейтрализация щелочи в продуктах гомополиконденсации проводилась 1н. раствором соляной кислоты. Выход продуктов после экстракции представлен в таблице 5.

Таблица 5. Внешний вид и выход продуктов гамополиконденсации глицина

рН Внешний вид после очистки Выход, %

8 Белые кристаллы 75

9 Белые кристаллы 85

10 Вязкая масса белого цвета 95

11 Вязкая масса белого цвета 96

Полученные соединения хорошо растворяются в воде, разбавленных кислотах и щелочах, уксусной кислоте и не растворимы в органических растворителях.

Для идентификации структуры синтезированных соединений использовали ЯМР Н' и ИК-спектроскопию.

Рис. 4. ЯМР Н1: а) глицина, Ь) продукта гомополиконденсации глицина при рН 9, с) продукта гомополиконденсации глицина при рН 11. Растворитель - О ¿О, Вгикег ВРХ - 400.

На спектрах ЯМР Н' соединений, полученных при рН 8-11, имеются явные различия. Видно, что ЯМР //' спектры соединений, синтезированных при рН 8-9, полностью совпадают со спектром ГЛ. Это позволяет сделать вывод о том, что при таких значениях рН среды реакция гомополиконденсации не идет (рис. 4 кривая а, Ь). Однако, на ЯМР Н1 спектре продукта гомополиконденсации ГЛ, полученного при рН 11 появляются новые сигналы при 3.20-3.30 м.д. и 3.30-3.37 м.д., которые свидетельствуют о получении нового соединения (рис. 4,

кривая с). Смещение сигнала в область сильных полей связано с изменением окружения группы СНг-

На ИК-спектре синтезированного при рН 10-11 продукта имеется полоса поглощения при 3380 см"1, обусловленная наличием группы NH, участвующей в образовании водородной связи. Также у всех пептидов (полиаминокислот) имеются полосы амид-I и амид-И в областях 1600-1500 см"1. При 1600 см"1 происходит наложение полос поглощения СОО" и амида-Д. Полоса в области 1400 см"1 соответствует поглощению группы СОО". Кроме того, замечена слабая полоса вблизи 3080 см*1, интерпретированная как дополнительное поглощение NH-группы. Все полиглицины поглощают вблизи при 1015±5 см"1, и это поглощение можно считать характеристическим для диглициновой структуры. Подобные поглощения отсутствуют у образцов, полученных при рН 8-9.

В УФ-спектре полоса поглощения пептидной группы находится в области 180-230 нм. Синтезированные соединения при рН 10 и 11 имеют полосу поглощения при 220 нм.

ДСК кривая продукта поликонденсации ГЛ при рН 11 содержит один широкий эндотермический пик с диффузностью в 50°С. Сравнение с ДСК кривой ГЛ показало, что этот эффект наблюдается ниже температуры плавления ГЛ (262°С) и подтверждает образование нового полимерного продукта.

Для определения молекулярной массы использовали Малди масс-слектроскопию (рис.5), по которому она составила неболее 810 Д.

Рис. 5. Малди масс спектр полиглицина, полученного при рН 10

Протекание поликонденсации можно представить следующим комплексом превращений:

1. Стадия инициирования:

СН2С(0)0" + НаОН

Н20 + Н2К-СН2С(0)0-

2. Стадия роста цепи осуществляется за счет атаки свободной аминогруппы ионизированной карбоксильной группой:

Ш2-СН2'

г<

I

I

ны-""

I

сн2

ОЪ!а+

н

т°

ын2-сн2-с—ОН т

I

сн2

I

с==о

СГКа+

р-распад

ш2-сн2-с

о

ш2

I

сн2

СШа+

№ОН

Далее процесс взаимодействия повторяется в соответствии с уравнением второй стадии.

Данный механизм реакции реализуется лишь при рН среды равным 10-11. При рН 8-9 реакция не протекает. Это видимо, связано с тем, что при таком зяачении рН аминокислота существует в основном в виде нейтрального биполярного иона.

4. Эффективность стимулирования сероокисляющих микроорганизмов продувами поликонденсации глнцина с изотиоцианатамн

Одной из серьезных экологических проблем является накопление сульфидов, как чрезвычайно токсичных соединений, в сточных водах ряда химических предприятий.

Особенность поведения сульфидов в водной среде обуславливает выраженное вредное влияние их на санитарный режим водоёма - быстрое связывание кислорода, растворённого в воде. Они так же вредно влияют и на органолептические свойства воды.

Благоприятное воздействие на рост и развитие микроорганизмов оказывает внесение в среду сбалансированного комплекса биогенных добавок и микроэлементов.

Поэтому предметом нашего дальнейшего рассмотрения является возможность использования продуктов поликонденсации аминокислот с изотаоцианатами в качестве стимуляторов сероокисляющих микроорганизмов.

Исследованию подвергались накопительная культура активного ила (СОМ АИ) биологических очистных сооружений тиокольной очереди ОАО «Казанский завод синтетического каучука» и накопительная культура, выделенная из почв Башкортостана. В качестве стимулирующих соединений были отобраны продукты поликонденсации ГЛ с МИТЦ (I) и ГЛ с ФИТЦ (П), полученных при рН 11. Использование данных продуктов поликонденсации обусловлено их хорошей растворимостью в воде.

Для культивирования почвенных сероокисляющих микроорганизмов были приготовлены питательные среды, главное отличие которых заключалось в наличии или отсутствии в них продуктов поликонденсации аминокислоты с изотиоцианатами.

Анализ данных по приросту живых клеток показал, что развитие биомассы по числу КОЕ почвенной культуры, в присутствии продукта I, характеризуется большим приростом - на 11,8%, чем для культуры с тиосульфатом натрия (рис. 6).

Время, сутки

Рис, 6. Изменение числа КОЕ во времени накопительной культурой СОМ, содержащей в питательной среде: 1 — ^^¡Оз; 2 - продукт I;

3 - Ыа^Оз и продукта I; 4 - ЫаАО} и продукта II

В соответствие с полученными данными (изменение числа КОЕ), можно говорить, что вещество I простимулировало развитие сероокисляющих микроорганизмов накопительной культуры СОМ. В то время почвенная культура, культивируемая продуктом П, к 15 суткам увеличила свою биомассу в 2,5 раза, при этом биомасса в системе без продукта поликонденсации ГЛ с ФИТЦ выросла в 4 раза.

Уменьшение к 4 суткам культивирования пика на УФ-спектре, соответствующего продукту I, свидетельствует о полном ее потреблении микроорганизмами.

В процессе роста культуры наблюдалось биоокисление тиосульфата натрия. Активизация данного процесса произошла на 4 сутки культивирования. К 15 суткам в питательной среде культуры СОМ, культивируемой без продукта I, оставалось 88 % субстрата. Остаточное содержание субстрата для почвенной культуры с продуктом I составило 20 %. Обобщая данные о биотрансформации продукта I и биоокислении субстрата, можно сделать вывод о том, что активное потребление тиосульфата началось только после того, как в среде был исчерпан продукт I. Можно также предположить, что данное вещество является более легко усвояемым субстратом для сероокисляющих микроорганизмов, благодаря его химической природе.

Использование же олигомерного продукта II не оказывает стимулирующее воздействия на развитие сероокисляющих микроорганизмов накопительной культуры СОМ, а наоборот, замедляет прирост биомассы. В то же время данное вещество, как и в первом случае, потребляется микроорганизмами полностью. В начале эксперимента высота плеча связи С-Б составила 0,92 опт.ед., ко 2-м суткам значение снизилось до 0,87 опт.ед. После 5-ти суток плечо не наблюдалось.

Сопоставляя данные по биодеградации и приросту бактериальной массы можно сделать вывод, что в процессе окисления в культуральную жидкость может выделяться фенильный радикал, который ингибирует процессы в клетках, то есть является токсикантом. Таким образом, II не оказывает стимулирующее воздействие на рост почвенных сероокисляющих микроорганизмов. Однако следует отметить, что субстрат в системе с продуктом поликонденсации ГЛ с ФИТЦ утилизируется практически на 50 % быстрее, чем в системе без него, при этом наблюдалось более сильное защелачиванис среды. В исследуемой системе происходит процесс не полного биоокисления соединений серы, что может быть связано с преимущественным развитием микроорганизмов в составе накопительной культуры, неспособных вести процесс окисления до сульфатов.

Итак, исследование процессов биотрансформации синтетических серусодержащих олигомерных соединений - как единственных источников серы, накопительной культурой сероокисляющих микроорганизмов активного ила показало, что продукт поликонденсации ГЛ с МИТЦ подвергается эффективному биоокислению, в результате которого в среде накапливается значительное количество сульфатов. В то время как, продукт поликонденсации ГЛ с ФИТЦ плохо подвергается биотрансформации и не может быть рассмотрен как стимулятор микробной активности.

ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие аминокислот с изотиоцианатами в условиях основного катализа приводит к получению соединений полимерной структуры.

Молекулярная масса синтезированных соединений достигает значений от 1300 до 40000 Д.

2. Структура образующихся полимеров зависит от основности реакционной среды. Так, при рН 9-10 образуется полимер в результате последовательного повторения актов взаимодействия соответствующих групп тиоэфиров карбоновых кислот, которые образуются в результате взаимодействия изотиоцианатов с аминокислотами на первой стадии. При рН 8 к вышеназванной структуре присоединяется вторая молекула изотиоцианата. При рН 11 структура обогащена фрагментами полиаминокислот.

3. Природа реагентов влияет на структуру образующихся полимеров. В реакциях глицина или 4-аминобутиловой кислоты с фенилизотиоцианатом происходит увеличение аминокислотных фрагментов с возрастанием рН среды. Для реакции /8-аланина с фенил изотиоци анатом наблюдается обратная тенденция. Алифатические изотиоцианаты в реакциях с глицином приводят к получению олигомеров, обогащенных полиглициновыми блоками.

4. В условиях щелочного катализа при рН 10-11 глицин образует олигомер с молекулярной массой не более 810 Д.

5. Изучение процесса биотрансформации синтетических серосодержащих олигомерных соединений на основе глицина с фенилизотиоцианатом и глицина с метилизотиоцианатом как единственных источников серы, накопительными культурами сероокисляющих микроорганизмов показало, что продукт поликонденсации глицина с метилизотиоцианатом положительно влияет на рост и развитие накопительных культур сероокисляющих микроорганизмов. Этим свойством не обладает продукт поликонденсации глицина с фенилизотиоцианатом.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,

рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертаций:

1. Якушева, А.В. Влияние рН среды на направление реакций изотиоцианатов с аминокислотами / А.В. Якушева, С.С. Галибеев, Р.Р. Спиридонова, Я.Д. Самуилов, А.М. Кочнев // Высокомолек. соед., Сер.Б. - 2008. - Т.50, №11. -С.2042-2047.

2. Якушева, А.В. Влияние рН среды на получение полиаминокислот / А.ВЯкушева, Л.Р.Зарипова, Т.Р.Спиридонова, Я.Д.Самуилов, А.МДСочнев // Вестник Казанского технологического университета. - 2009. - №3. - С. 65-71.

3. Якушева, А.В. Стимулирование сероокисляющих микроорганизмов в процессах биологической очистки сточных вод химических производств / А.В .Якушева, Е.В.Перушкина, А.В.Львова, Р.Р.Спиридонова, А.С.Сироткин, С.С.Галибеев, А.М.Кочнев // Химическая промышленность сегодня. - 2009. -№10.-С. 39-49.

Научные статьи в сборниках и материалах конференций:

1. Якушева, А.В. Катализируемая основаниями (со-)полкконденсация аминокислот с изотиоциацатми / А.В.Якушева, Р.Р.Спиридонова, С.С.Галибеев, Л.М.Кочнев // Тез. Докл. XIII Международной конф. молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения». - Казань, 2009.

2. Якушева, A.B. Некоторые полимерные стимуляторы сероокисляющих микроорганизмов / А.В.Якушсва, Е.В.Перушкина, Р.Р.Спиридонова, А.С.Сироткин, А.М.Кочнев // Тез. докл. X Международной конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». - Казань, 2009. - С. 354.

3. Якушева, A.B. Влияние pH среды на свойства политиокарбамидов на основе глицина с фенилизогиоцианатами / А.В.Якушева, Л.Р.Зарипова, Р.Р.Спиридонова, С.С.Галибеев // Тез. Докл. IV Всероссийской Каргинской конф. «Наука о полимерах 21-му веку». - М, 2007. - С. 273.

4. Зарипова, Л.Р. Влияние pH среды на получение полиглищша / Л.Р.Зарипова, А.В.Якушева. Р .Р.Спиридонова, С.С.Галибеев // Тез. докл. III Санкт-Петербургской конф. молодых ученых с международным участием. Современные проблемы науки о полимерах. - СПб, 2007. - С. 39.

5. Yakusheva, A.V. Polythioureas based on glycine and isothionates / A.V.Yakusheva, R.R.Spiridonova, S.S.Galibeev, A.M.Kochnev // International Conference Polymeric Materials «Properties Processing Modification Application of Polymeric Materials». -Galle, Germany, 2006. - P. 275.

6. Ирдинкин, C.A. Влияние pH среды на получение политиомочевин на основе низших аминокислот с фенилизотиоцианатом / С.А.Ирдинкин, А.В .Якушева. Р.Р.Спиридонова, С.С.Галибеев // Сборник трудов 40-й научн. конф. по гуманитарным, естественным и техническим наукам Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова. - Чебоксары, 2006. - С.242.

7. Якушева, A.B. Взаимодействие аминокислот с фенилизотиоцианатом / А.ВЛкушева, С.А.Ирдинкин, Л.Р.Зарипова, Р.Р.Спиридонова // Тез. докл. II Санкт-Петербургской конф. молодых ученых. Современные проблемы науки о полимерах. - СПб, 2006. - С. 35.

-С.357.

Соискатель

Заказ №

A.B. Якушева

Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, д.68