Термодинамические характеристики взаимодействия циклодекстринов с некоторыми биоактивными молекулами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Исторические аспекты развития химии циклодекстринов.

1.2. Физико-химические свойства макроциклических соединений -циклодекстринов.

1.3. Основные физико-химические свойства аскорбиновой, никотиновой и аминобензойных кислот.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Калориметрия растворения.

2.1.1. Конструкция калориметра.

2.1.2. Методика проведения калориметрического опыта и определение погрешностей измерения теплового эффекта растворения.

2.1.3. Обработка экспериментальных данных калориметрического опыта.

2.2. УФ спектроскопия.

2.3. ЯМР [Н спектроскопия.

2.4. Полярографическое исследование.

2.5. Характеристика используемых реактивов.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Исследование процессов комплексообразования аскорбиновой кислоты с циклодекстринами.

3.2. Исследование взаимодействий никотиновой кислоты и никотинамида с циклодекстринами.

3.3. Исследование процессов комплексообразования аминобензойных кислот с циклодекстринами.

3.4. Сравнительный анализ характеристик комплексообразования никотиновой и аминобензойных кислот.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И ВЫВОДЫ.

СПИСОК ЛИТРАТУРЫ.

Актуальность работы. Супрамолекулярная химия, или химия межмолекулярных связей, изучающая ассоциацию двух или большего числа частиц (молекул, ионов, радикалов), а также структуру образующихся ассоциатов, основоположниками которой были Ч. Педерсен, Д. Крам и Ж.-М. Лен, является на сегодняшний момент одним из наиболее интенсивно развиваемых направлений современной химической науки. Объектами изучения супрамолекулярной химии являются исключительно невалентные взаимодействия (водородная связь, электростатические, ван-дер-ваальсовы, гидрофобные взаимодействия), которые приводят к образованию прочных и вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов, к числу которых относятся и комплексы включения типа «хозяин-гость».

Способностью образовывать комплексы включения с различными органическими субстратами с высокой селективностью (избирательностью) обладают природные и модифицированные макроциклические лиганды -циклодекстрины. Термодинамические характеристики взаимодействия циклодекстринов с различными молекулами имеют большое значение как для разработки теоретических аспектов супрамолекулярной химии, так и для решения ряда важных практических задач. Молекулы циклодекстринов можно рассматривать в качестве моделей центров реакционного связывания ферментов и веществ - каналообразователей, избирательность комплексообразования которых определяет многие каталитические и биохимические процессы. В аналитической химии и хроматографии применение циклодекстринов перспективно для разделения оптических и структурных изомеров. В пищевой, косметической и текстильной промышленности циклодекстрины рассматриваются в качестве инкапсулирующих материалов для ароматических веществ, красителей, биоактивных добавок. В фармацевтике с циклодекстринами связывают перспективы повышения растворимости и активности лекарственных препаратов, направленной доставки лекарства к больному органу. Интересна проблема повышения устойчивости лекарств и витаминов к воздействию природных оксидантов. Вместе с тем, современное состояние теории и экспериментальных обобщений в данной области не позволяют априори предсказать возможность образования соединений гость/хозяин циклодекстринов с различными молекулами.

Учитывая изложенное, комплексное физико-химическое исследование энергетики и механизма межчастичных взаимодействий биологически активных молекул — витаминов с макроциклическими олигосахаридами — циклодекстринами, обладающими различным характером связывания молекул гостей, является актуальным. Работа выполнена в рамках приоритетного направления «Супрамолекулярные и наноразмерные самоорганизующиеся системы для использования в современных высоких технологиях» по теме «Физико-химические свойства растворов сахаридов», № гос. регистрации 01.2.00 103066; поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-03-96411 и № 02-03-32694), награждена дипломом за победу в конкурсе молодых ученых на Всероссийском научном Симпозиуме по термохимии и калориметрии (1-3 июля 2004г, Нижний Новгород).

Цель работы. Целью настоящей работы является получение термодинамических, спектральных и электрохимических характеристик взаимодействия а- и Р- циклодекстринов и их гидроксипропил и метил-замещенных с различной степенью замещения с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом в водных растворах при 298.15К и различных значениях рН среды. В задачи исследования входило: экспериментальное доказательство образования комплексов а- и Р-циклодекстринов, а так же их гидроксипропил-замещенных с различной степенью замещения с рассматриваемыми кислотами в водных растворах; установление типа образующегося соединения (внешнесферный комплекс или соединение включения), выявление роли периферийных функциональных заместителей в макрокольце циклодекстрина при комплексообразовании; проведение анализа влияния рН среды, природы, структуры и зарядового типа реагирующих веществ на термодинамические характеристики процессов межчастичных взаимодействий; установление закономерности изменения термодинамических характеристик комплексообразования а- и р-циклодекстринов с молекулами гостей, структура которых последовательно изменяется путем изменения положения функциональных заместителей.

Научная новизна работы. Впервые получены термодинамические характеристики взаимодействий в растворах а- и (3-циклодекстринов и их гидроксипропил и метил замещенных с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом при различных значениях рН. На основании анализа полученных экспериментально, а также некоторых литературных данных установлен различный механизм комплексообразования а- и (3-циклодекстринов с ароматическими молекулами, содержащими в своем составе амино- и карбоксильные группы, определяемый различной степенью проникновения молекул «гостей» в полости а- и [3-циклодекстринов и вкладом, связанным с вытеснением молекул воды из полостей циклодекстринов. Дана интерпретация влияния взаимного расположения карбоксильной и аминогруппы изучаемых соединений, а также наличия объемных заместителей в структуре циклодекстринов на термодинамические и структурные характеристики комплексообразования.

Практическая значимость работы. Выявленные закономерности взаимодействий а-, (3-циклодекстринов и их гидроксипропил- и метил-замещенных с аскорбиновой, никотиновой, мета- и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом в водных растворах помогают понять особенности протекания таких биохимических процессов, как мембранный транспорт, ферментативный катализ и могут создавать основу для синтеза новых высокоэффективных лекарственных препаратов. Обнаруженная способность циклодекстринов к комплексообразованию с молекулами витаминов в водных растворах может найти практическое использование при разработке процессов инкапсулирования и в решении проблем, связанных с повышением растворимости этих соединений в водной среде.

Апробация работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах:

1. Terekhova I.V., Obukhova N.A. Calorimetric and spectroscopic study on the interaction of hydroxypropyl-a-cyclodextrin with ascorbic acid // Mend. Commun., 2005, c. 38.

2. Terekhova I.V., Obukhova N.A. Thermodynamics of nicotinic acid interaction with some saccharides // J. Solut. Chern., 2005, V.34, №11. P. 1273.

3. Терехова И.В., Обухова H.A., Агафонов A.B., Курочкина Г.И., Сырцев А.Н., Грачев М.К. Термодинамическое исследование влияния заместителя, степени замещения и рН среды на процессы комплексообразования гидроксипропил-циклодекстринов с аскорбиновой кислотой // Известия Академии наук. Серия химия., 2005, №8, с. 1828.

4. Терехова И.В., Обухова Н.А., Кумеев Р.С., Альпер Г.А. Взаимодействия а- и гидроксипропил-а-циклодекстринов с никотиновой кислотой в водном растворе. // Журнал физической химии, 2005, 79, №12, 2215.

Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях:

1.Terekhova I.V., Obukhova N.A. Calorimetric and spectroscopic study on the interaction of hydroxypropyl-a-cyclodextrin with ascorbic acid // Mend. Commun. 2005. C. 38.

2. Terekhova I.V., Obukhova N.A. Thermodynamics of nicotinic acid interaction with some saccharides II J. Solut. Chem. 2005. V. 34. № 11. P. 1273.

3. Терехова И.В., Обухова H.A., Агафонов A.B., Курочкина Г.И., Сырцев А.Н., Грачев М.К. Термодинамическое исследование влияния заместителя, степени замещения и рН среды на процессы комплексообразования гидроксипропил-циклодекстринов с аскорбиновой кислотой II Известия Академии наук. Серия химич. 2005. № 8. С. 1828.

4. Терехова И.В., Обухова Н.А., Кумеев P.C., Альпер Г.А. Взаимодействия ос- и гидроксипропил-а-циклодекстринов с никотиновой кислотой в водном растворе. // Журнал физической химии. 2005. 79. № 12. С. 2215.

5. Терехова И.В., Обухова Н.А., Куликов. Супрамолекулярные комплексы природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми витаминами и лекарственными препаратами // IX Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразования". 28 июня- 2 июля 2004г. Плес. Сб. тез. С.87.

6. Обухова Н.А., Терехова И.В., Агафонов А.В. Взаимодействия аскорбиновой кислоты с (З-циклодекстрином. Полярографическое исследование // IX Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразования". 28 июня- 2 июля 2004г. Плес. Сб. тез. С. 179.

7. Обухова Н.А., Терехова И.В. Калориметрическое изучение образования комплексов природных и модифицированных циклодекстринов с аскорбиновой кислотой // Всероссийский научный Симпозиум по термохимии и калориметрии. 1-3 июля 2004г. Нижний Новгород. Сб. тез. С. 213.

8. Terekhova I.V., Obukhova N. A. Host-guest complexes of natural and modified cyclodextrins with nicotinic acid // International Conference on Supramolecular Science and Technology. Prague. 5-9 Sept. 2004. Chem. Listy 2004. V. 98. P. S 52.

9. Obukhova N.A., Terekhova I.V., Agafonov A.V. Complexation of a-and hydroxypropyl-a-cyclodextrins with nicotinic acid in aqueous solution // 3-rd International Symp. "Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Arch." Kazan. Russia. 20-24 Sept. 2004. P. p-103.

10. Обухова H.А., Терехова И.В., Кузьмина H.H., Перлович Г.JI. Комплексы включения природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми биологически значимыми кислотами // II Международная молодежная конференция- школа "Синтез и строение супрамолекулярных соединений, 26 сентября- 1 октября 2004г. Туапсе. Сб. тез. С. 26.

И. Обухова H.A., Терехова И.В. Селективность комплексообразования с витаминами группы В // III Конференция молодых ученых ИХР РАН. 17-19 ноября 2004г. Иваново. Сб. тез. С. 27.

12. Терехова И.В., Обухова H.A. Изучение взаимодействий циклодекстринов с некоторыми витаминами группы В // Межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005). 19-21 апреля 2005. Сб. материалов. Ч. 1. С. 143.

13. Обухова H.A., Терехова И.В. Взаимодействия аскорбиновой кислоты с природными и модифицированными моно- и олигосахаридами // Межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005). 19-21 апреля 2005. Сб. материалов. Ч. 1. С. 154.

14. Обухова H.A., Терехова И.В., Агафонов A.B. Термодинамика комплексообразования аминобензойных кислот с а-циклодекстрином // V Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» Саратов. 22-24 июня. 2005г. Сб. тез. С. 15.

15. Обухова H.A., Терехова И.В., Агафонов A.B. Термодинамические характеристики взаимодействия витамина РР с циклодекстринами в водном растворе // XV Международная конференция по химической термодинамике в России. Москва, 27 июня -2 июля 2005г. Сб. тез. С. 119.

16. Обухова H.A., Терехова И.В. Термодинамика избирательного взаимодействия циклодекстринов с некоторыми представителями витаминов группы В // XV Международная конференция по химической термодинамике в России. Москва, 27 июня -2 июля 2005г. Сб. тез. С. 139.

17. Terekhova I.V., Obukhova N.A., Milioto S., Muratore N., Lazzara G., De Lisi R. Interactions of native and modified cyclodextrins with some biologically active pyridine derivatives // XXX Intern. Symp. on Macrocyclic Chemistry. Germany. Dresden. 17-21 July. 2005. Abst. book. P. 304.

18. Obukhova N.A., Terekhova I.V., Agafonov A.V. Thermodynamics of complex formation of cyclodex rins with P-aminobenzoic and nicotinic acids in aqueous solutions // European Conference on Calorimetry and Thermal Analysis for Environment. 6-11 September 2005. Zacopane, Poland. Absr. Book. P. 79.

19. Obukhova N.A., Terekhova I.V. Thermodynamics of host- guest complexation of a- and (3- cyclodextrins with nicotinamide, nicotinic and isonicotinic acids. X International Seminar on Inclusion Compounds (ISIC-10) Kazan, Russia. 18-22 Sept. 2005. P. 152.

20. Обухова H.A., Терехова И.В., Агафонов A.B. Комплексообразование циклодекстринов с аминобензойными кислотами // I Всероссийская школа-конференция «Молодые ученые - Новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность». 26-29 сентября 2005г. Сб. тез. С. 23.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.