Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Синтез, комплексообразующие и мембранно-транспортные свойства N фосфорилметилированных аминокислот (Литературный обзор) 10
1.1 Реакция Кабачника-Филдса 14
1.2 Присоединение гидрофосфорильных соединений к иминам 30
1.3. Альтернативные методы 35
1.4 Основные принципы мембранной экстракции 38
1.4.1 Механизм и закономерности транспорта 42
1.4.2 Мембранные переносчики 45
1.4.3 Аминофосфорильные соединения как переносчики в процессах мембранной экстракции 47
Глава 2. Обсуждение результатов 51
2.1 Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот 51
2.3 Константы ионизации некоторых N-фосфорилметилированных аминокислот 78
2.4 Мембранная экстракция органических кислот N фосфорилметилированными аминокислотами 79
Глава 3. Экспериментальная часть 90
3.1 Исходные материалы и реагенты 90
3.1.1 Синтез диэтилфосфита 92
3.1.2 Синтез фосфинистых кислот 93
3.1.3 Получение гидрохлоридов аминокислот 94
3.1.4 Синтез триметилсилилового эфира (8)- триметилсилил-а-аланина 95
3.2 Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот
3.2.1 Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот с использованием гидрохлоридов аминокислот в качестве катализаторов 95
3.2.2 Синтез фосфорилметилированных аминокислот из соответствующих гидрохлоридов 98
3.2.3 Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот из их
гидрохлоридов при катализе дибензо-18-крауном-6 104
3.2.4 Синтез (8) -(диоктилфосфорил)метил-а-аланина из
триметилсилилового эфира (8)- триметилсилил-а-аланина 106
3.3 Флеш-хроматография полученных N-фосфорилметилированных аминокислот 106
3.4 Калибровка кондуктометрического датчика 107
3.5 Измерение скорости переноса органических кислот через жидкие поддерживаемые мембраны 109
3.6 Экстракция глутаровой, щавелевой и яблочной кислот из их смеси N,N бис[(диоктилфосфорил)метил]-3-аланином 120
Заключение 122
Список условных обозначений и сокращений 124
Список литературы
- Присоединение гидрофосфорильных соединений к иминам
- Мембранная экстракция органических кислот N фосфорилметилированными аминокислотами
- Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот
- Измерение скорости переноса органических кислот через жидкие поддерживаемые мембраны
Введение к работе
Актуальность. Наблюдаемый на протяжении последних десятилетий устойчивый интерес к N-фосфорилметилированным аминокислотам обусловлен проявляемой ими высокой и разнообразной биологической активностью. Так, например, простейший представитель N-фосфорилметилированных аминокислот - N-фосфонометилглицин является широко применяемым гербицидом, известным под названием глифосат (Glyphosate) или Roundup. Для других представителей этого класса соединений обнаружены противоопухолевые, антибактериальные, противовирусные, гипертензивные свойства, которые в сочетании с низкой токсичностью для млекопитающих позволяют рассматривать их как потенциальные лекарственные средства. Однако области использования фосфорилированных аминокислот не ограничиваются лишь созданием новых лекарственных средств. Будучи полидентатными лигандами хелатного типа, они обладают ярко выраженными комплексообразующими свойствами по отношению к ионам переходных металлов, что находит свое применение при создании новых адсорбентов и координационных материалов с уникальными магнитными и оптическими свойствами.
Вместе с тем полидентатная структура N-фосфорилметилированных аминокислот при увеличении их липофильности введением в структуру длинноцепочечных углеводородных заместителей делает их привлекательными для создания на их основе новых экстрагентов. Липофильные фосфорилированные амины, демонстрируя высокие скорости трансмембранного переноса ионов редкоземельных элементов и органических кислот в условиях мембранной экстракции, уже зарекомендовали себя как эффективные экстракционные реагенты. Можно полагать, что присутствующая в фосфорилированных аминокислотах протонодонорная карбоксильная группа, которая может либо принимать участие в связывании субстратов в комплекс мембранного переноса, либо, оставаясь незадействованной в координации с субстратом, понижать липофильность образуемого комплекса, будет в значительной степени способствовать увеличению селективности мембранного транспорта. Это, а также возможность варьирования природы заместителя у а-атома углерода аминокислот, а также природы и расположения в молекуле функциональных групп, открывает широкие перспективы для изучения влияния структурных факторов на экстракционные свойства N-фосфорилметилированных аминокислот, что представляет несомненный интерес для поиска новых высокоэффективных транспортных реагентов.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время надежные одностадийные подходы к синтезу N-фосфорилметилированных аминокислот разработаны главным образом для получения аминокислот модифицированных метилфосфонатной группой. Получение аминокислот, функционализированных диалкилфосфиноксидной группой, представлено лишь единичными примерами на простейших аминокислотах. Мембранная экстракция N-фосфорилметилированными аминокислотами через жидкие липофильные мембраны ранее изучалась только для N-дигексилфосфорилметил-, N-диоктилфосфорилметил- и №дидецилфосфорилметил-№бутилглицина.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы явилась разработка оптимальных методов синтеза новых липофильных N-фосфорилметилированных производных аминокислот различного строения, идентификация их структуры, изучение их кислотно-основных и мембранно-транспортных характеристик и выявление соотношения «структура - свойство», необходимого для создания эффективных экстрагентов кислых субстратов разнообразного строения.
Научная новизна работы. В работе впервые найдены универсальные условия синтеза а-аминофосфиноксидов с длинными углеводородными заместителями у атома фосфора из протеиногенных аминокислот с использованием реакции Кабачника-Филдса. С применением разработанных методов синтезирован ряд неописанных ранее липофильных моно- и бис-№фосфорилметилированных производных глицина, а- и [3-аланина, валина, лейцина, фенилаланина, серина, треонина, метионина, пролина, глицилглицина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Показана эффективность применения полученных соединений в качестве переносчиков в процессах экстракции жидкими поддерживаемыми мембранами дикарбоновых кислот и их функционализированных производных.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные методы синтеза N-фосфорилметилированных аминокислот могут найти практическое использование при получении новых синтетических рецепторов, ионофоров, экстракционных и адсорбционных реагентов, а также биологически активных фосфорилированных пептидов. Установленные в ряде случаев зависимости между структурой новых аминофосфорильных переносчиков и эффективностью и селективностью их мембранно-транспортного действия могут служить теоретической предпосылкой при выработке стратегии направленного синтеза новых типов экстрагентов субстратов различной природы. Синтезированные в работе эффективные мембранные переносчики представляют значительный интерес для создания экстракционных систем, предназначенных для выделения, концентрирования и разделения дикарбоновых, гидрокси- и аминокислот из объектов природного и техногенного происхождения, а также при создании мембранных биореакторов. Кроме того, мембранная экстракция N-фосфорилметилированными аминокислотами может быть использована в аналитических целях на этапах пробоподготовки в комплексных биохимических исследованиях, а также при решении вопросов защиты окружающей среды.
Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований для создания и оптимизации методов синтеза моно- и бис-№фосфорилметилированных аминокислот бьша использована трехкомпонентная реакция Кабачника-Филдса и широкий набор современных физико-химических методов анализа для установления структуры и состава полученных соединений (ИК и ЯМР спектроскопия, масс-спектрометрия, элементный анализ, РСА). Мембранная экстракция карбоновых кислот синтезированными N-фосфорилметилированными аминокислотами изучалась с применением кондуктометрического и ВЭЖХ-МС анализа.
Положения, выносимые на защиту:
-методы синтеза новых липофильных фосфорилированных протеиногенных аминокислот, базирующиеся на однореакторном трехкомпонентном процессе конденсации по Кабачнику-Филдсу;
-результаты изучения структуры новых фосфорилированных аминокислот с длинноцепочечными заместителями у атома фосфора методами ЯМР, масс-спектрометрии и рентгеноструктурного анализа;
-результаты измерения кислотно-основных свойств новых фосфорилированных аминокислот;
-результаты изучения процессов трансмембранного переноса полифункциональных карбоновых кислот новыми липофильными N-фосфорилметилированными аминокислотами.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов проведенных исследований определяется и подтверждается использованием целого ряда современных физико-химических методов анализа.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: 18-я (Вроцлав, Польша, 2010), 19-я (Роттердам, Нидерланды, 2012), 20-я (Дублин, Ирландия, 2014) Международные конференции по химии фосфора; Международный симпозиум «Современные тенденции в металлоорганической химии и катализе» (Москва, 2013); Международный конгресс по органической химии (Казань, 2011); XXVII Международная Чугаевская конференция по координационной химии (Казань, 2014 г; IX научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2009); Итоговая научная конференция Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань, 2013).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 5 статьях и 9 тезисах докладов. Публикации по теме диссертации написаны в соавторстве с научным руководителем д.х.н. профессором Черкасовым Р.А. и с научным консультантом к.х.н., доцентом Гарифзяновым А.Р., которым автор выражает свою глубокую благодарность.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, выборе объектов, проведении эксперимента, анализе экспериментальных данных, обработке и обобщении результатов, а также формулировании выводов.
Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных и элементоорганических соединений Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета в рамках основного научного направления «Синтез, строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений», а также за счет средств субсидии Казанского федерального университета «Новое поколение элементоорганических экстрагентов, мембранно-транспортных реагентов, компонентов ионселективных электродов для целей извлечения, концентрирования, сепарации и анализа объектов природного и техногенного происхождения» (№ госрегистрации 114 090 970 012) и при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований №13-03-00536 и 13-03-90448.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, включает 21 рисунок, 45 схем, 9 таблиц и имеет 80 приложений. Состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных библиографических источников, включающего 176 ссылок.
В первой главе представлен обзор литературных данных, отражающий современное состояние исследований по синтезу N-фосфорилметилированных аминокислот. Рассмотрены сведения об их биологической активности и комплексообразующих свойствах, обсуждены вопросы использования этих соединений в качестве мембранных переносчиков. Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение приведены во второй главе. Представлен подбор условий осуществления процесса фосфорилирования ряда аминокислот и результаты установления структуры впервые полученных соединений физико-химическими методами анализа. Для некоторых N-фосфорилметилированных аминокислот определены константы ионизации и скорости мембранного переноса ряда дикарбоновых, гидрокси- и а-аминокислот. На примере глутаровой кислоты показана способность ее селективного транспорта через жидкие липофильные мембраны N,N-бис[(диоктилфосфорил)метил]-2-аминопропановой кислотой.
Экспериментальная часть работы, включающая описание проведенных синтетических, экстракционных и спектральных экспериментов, приведена в заключительной части диссертации; полученные для синтезированных веществ графические спектральные данные приведены в Приложении.
Присоединение гидрофосфорильных соединений к иминам
Разработка эффективных методов синтеза и изучение свойств фосфорилированных аминокислот и их производных привлекает пристальное внимание исследователей в области элементоорганической химии и смежных областей науки и практики, прежде всего, с целью изыскания среди них биоактивных веществ.
Интерес к изучению биологически активных свойств у фосфорилированных аминокислот был инициирован открытием у N-фосфонилметилглицина выраженных гербицидных свойств, что впоследствии привело к его широкому использованию в качестве гербицида, выпускаемого под торговым названием глифосат (Glyphosate) или Roundup. Токсическое действие глифосата обусловлено ингибированием фермента растений 5-еноилпирувил-шикимат-З-фосфат-синтазу, являющийся компонентом ферментной системы шикиматного пути биосинтеза бензоидных ароматических соединений. Глифосат, что очень важно, не оказывает токсичного действия на позвоночных животных (LD50 9800 мг/кг на крысах) [19]. Химия и биохимия N-фосфонилметилглицина широко изучена, синтезировано множество его производных. Недавние исследования показали, что N-(фосфонометил)глицин обнаруживает эффективность в подавлении роста Plasmodium falciparum, паразита, вызывающего малярию. Кроме того, он имеет такое же влияние на одноклеточных паразитов, таких как токсоплазма и Cryptosporidium, которые вызывают оппортунистические инфекции у больных ВИЧ-инфекцией [1]. Было также установлено, что производные N-(фосфонометил)глицина эффективны в подавлении роста раковых опухолей, вирусов и бактерий. На их основе изготавливаются фармацевтические композиции, содержащие химиотерапевтические агенты и противоопухолевые соединения, выбранные из группы производных (фосфонометил)глицина, для лечения теплокровных животных и человека [20]. Другие представители фосфорилированных аминокислот, такие как 2-амино-5-фосфонопентановая кислота (APV), 2-амино-7-фосфоногептановая кислота (АРН), 4-(3-фосфонопропил)-2-пиперазинкарбоновая кислоты (СРР), и 4-(фосфонометил)-2-пиперидинкарбоновая кислота являются эффективными антагонистами специфических 1Ч-метил-В-аспартатных рецепторов (NMDA), участвующих в передаче нервных импульсов [21]. Изменения в физиологической функции глутамата имеют драматические последствия и способствуют развитию острых патологий (таких как инсульт и травмы спинного мозга), хронических нейродегенеративных патологий (например, болезней Паркинсона и Альцгеймера) и патологий головного мозга, таких как шизофрения, эпилепсия. Физиологическая роль селективных агонистов и антагонистов различных подтипов рецепторов (NMDA, АМРА) является основным объектом исследования, поскольку эти соединения весьма перспективны для использования в качестве терапевтических агентов с минимальными побочными эффектами. Выраженная нейроактивность была установлена и для различных производных N-фосфонилалкилглицина [22].
Однако ярко выраженная и привлекающая наибольший интерес исследователей физиологическая активность фосфорилированных аминокислот -не единственная область их практического использования. Будучи потенциальными полидентатными лигандами, N-фосфорилалкилированные аминокислоты, проявляют также высокие и разнообразные комплексообразующие свойства. Так, были подробно изучены процессы комплексообразования N-фосфонилметилглицина с катионами магния(П), кальция(П), алюминия(Ш), марганца(П), железа(П), железа(Ш), кобальта(П), никеля(П), меди(П), цинка(П), кадмия(П), лантана(Ш) [6-10]. Установлено, что данные полифункциональные фосфориламины образуют комплексы различного состава (1:1 и 1:2), выступая в зависимости от рН среды как би- или тридентатные лиганды. Наибольшей прочностью характеризуются комплексы катионов алюминия(Ш), железа(Ш), меди(П), лантана(Ш). Несмотря на высокую дентатность этих лигандов, эквимолярные комплексы фосфориламинокислот и их протонированных форм являются преобладающими видами для всех ионов изученных металлов. Замена карбоксильной группы на фосфорильную в целом повышает устойчивость комплексов, однако в значительно меньшей степени, чем можно было бы ожидать при увеличении основности потенциального центра координации: полагают, что чем больше карбоксильных групп заменено на фосфорильные, тем выше электростатические и стерические препятствия, компенсирующие электронные эффекты. Эти эффекты могут привести к сильному искажению геометрии комплексов аминофосфонатов по сравнению с аналогами, содержащими аминокислотные лиганды.
Определены константы устойчивости комплексов N фосфонилметилиминодиуксусной кислоты с катионами магния, стронция, кальция, марганца, цинка, кадмия [10] и меди(П) [6]. Прочность таких комплексов существенно ниже, нежели незамещенных аминокислот, что говорит о большой роли основности аминогруппы в комплексообразовании. Изучены также комплексы меди с другими фосфорилированными аминокислотами - лейцином, фенилглицином, пролином, серином, треонином и иминодиуксусной кислотой. При этом логарифм константы устойчивости комплексов состава C11L2 образующихся при рН около 4, составляет не менее 15 единиц, а комплексов состава Cu(HL)2, образующихся при рН около 9, не менее 28 единиц [11].
Для комплексов N-фосфонилметилглицина с железом (III) [23], кальцием [12], кобальтом (III) [24], хромом (III) [25], европием [26], серебром [27] и N,N бис(фосфонометил)глицина с кобальтом [28], медью [29], свинцом [30], цирконием [31] лантаном [32], цинком [33], никелем [34] методом РСА изучена кристаллическая структура. Для кристаллов комплекса Со[Н02С(СН2)зКН(СН2РОзН)2]2 были зарегистрированы ферромагнитные свойства [35]. N- Фосфонилметилиминодиуксусная кислота с различными ионами металлов (железа, кобальта) образуют трехмерные кластерные структуры и координационные полимеры, на основе которых разрабатывают материалы с уникальными магнитными и фотолюминесцентными свойствами [14-16, 35-38].
Проявление N-фосфорилалкилированными аминокислотами ярко выраженных комплексообразующих свойств позволяет расценивать их как перспективные экстрагенты, при условии, что будет достигнуто увеличение их липофильности, например, путем введения в их структуру длинных углеводородных заместителей. Поскольку стоимость большинства аминокислот высока, применение таких реагентов в жидкостной экстракции, где используется большие количества экстрагентов и степень их потери велика, вряд ли представляется экономически выгодной. Однако, на наш взгляд, данные соединения могут быть успешно использованы в условиях экстракции жидкими поддерживаемыми мембранами. В настоящее время экстракция такого типа N-фосфорилалкилированными аминокислотами не изучена.
Мембранная экстракция органических кислот N фосфорилметилированными аминокислотами
Именно данная часть системы является селективным барьером на пути распространения веществ и обеспечивает их разделение. С разных сторон с мембраной контактируют исходный, исчерпываемый или отдающий и реэкстрагирующий или принимающий растворы. Наиболее часто мембрана является органической жидкостью, а отдающие и принимающие растворы водными, хотя также известны системы с водной мембраной, применяемые для разделения органических соединений [141]. На данный момент в качестве мембранной фазы находят применение ионные жидкости [142-143]. Различают три качественно различных типа жидких мембран [144]: 1) Объемные жидкие мембраны. Представляют собой самый простой способ практической реализации процесса мембранной экстракции. В них сравнительно толстый (0.1-5 см) слой органической жидкости, выполняющий функции мембраны, контактирует с двумя водными фазами, пространственно отделёнными друг от друга. Сначала эксперименты проводились в U-образных диффузионных ячейках с тремя несмешивающимися жидкостями, затем эксперименты проводились в трёхфазных диффузионных ячейках, в которых жидкости перемешивались мешалками. 2) Поддерживаемые, импрегнированные или иммобилизованные жидкие мембраны, экстракция которыми будет изучена в данной работе. В этом случае жидкая мембрана связана определенным образом с поддерживающим ее носителем, например, помещается в поры гидрофобной полимерной или неорганической матрицы. Таким образом, достигается механическая устойчивость жидкой мембраны, легкость отделения жидкой мембраны от соприкасающихся с ней жидких фаз, что позволяет работать с негомогенными жидкостями.
Такого типа мембраны могут быть различной геометрической формы. Они могут представлять собой плоский лист, но при этом соотношение поверхности мембраны к объему раствора будет слишком малым для промышленного применения. Импрегнированные мембраны могут быть свернуты в рулонные модули или представлять собой полые волокна, в свою очередь сгруппированные в мембранные модули. Удельная поверхность таких волоконных модулей может достигать 104 м/м [145]. 3) Эмульсионные жидкие мембраны. В этом способе экстракционная система представляет собой множественную эмульсию, внешней фазой которой является исчерпываемый раствор. В нем диспергированы глобулы эмульсии, состоящей из принимающей фазы (внутренняя фаза эмульсионной глобулы) и жидкой мембраны (дисперсионная среда эмульсионной глобулы). Эмульсию, составляющую глобулы, называют экстрагирующей эмульсией, так как именно в нее происходит извлечение целевых компонентов.
Поверхностно-активные вещества вводят в состав эмульсионных жидких мембран для поддержания стабильности экстрагирующей эмульсии. Основным преимуществом этого метода являются высокие значения удельной межфазной поверхности и соответственно высокие скорости экстракции. К недостаткам метода следует отнести технологические сложности реализации процесса, необходимость расслаивания экстрагирующей эмульсии для получения целевого компонента, введение в систему дополнительных веществ - ПАВ и деэмульгаторов [146].
В последнее время находят применение методы, сочетающие в себя признаки двух первых классов - жидкие гибридные мембраны [147-148]. Эффективность мембранной экстракции определяется двумя параметрами: - потоком вещества через мембрану где аа/ь - селективность вещества а по веществу Ь, уа, уь - концентрации соответствующих веществ в принимающем растворе, ха, хъ - концентрации этих же веществ в отдающем растворе [149].
Эти два параметра сильно зависят от природы мембранного растворителя, толщины мембраны и условий ее эксплуатации. Обычно, при использовании в качестве жидкой мембраны чистого органического растворителя (например, ксилола или додекана), перенос большинства веществ через нее незначительный или чаще практически отсутствует. Поэтому для осуществления процесса мембранной экстракции в мембрану часто вводят вещество-экстрагент, называемое также переносчиком. Транспорт вещества через мембрану в данном случае не описывается исключительно диффузией и протекает в несколько этапов. Переносчик лаколизованный в мембране, специфически взаимодействуя с субстратом, связывает его в липофильный комплекс мембранного переноса. Субстрат в составе комплекса диффундирует через мембранный слой и переходит в принимающий раствор в ходе процесса реэкстракции. Различие в скоростях транспорта молекул веществ, обеспечивающие разделение, обуславливается множеством факторов, среди которых исключительную роль играет устойчивость образующихся комплексов мембранного переноса, их гидрофильно-гидрофобный баланс, а также кинетика их образования и распада.
Благодаря этим особенностям данный метод позволяет эффективно концентрировать и разделять широкий круг близких по свойствам неорганических и органических веществ. Так, при использовании жидких мембран можно разделять родственные металлы и структурно похожие органические молекулы (регио- и стереоизомеры). Известны примеры разделения изотопов химических элементов [150].
Реализация принципа мембранной экстракции даёт ряд и других преимуществ по сравнению с обычной экстракцией. Одно из основных - сокращение числа стадий процесса. Совмещение экстракции и реэкстракции позволяет достичь на одной стадии максимально возможной для данной системы разности концентрации диффундирующего вещества между извлекающей и принимающей фазами. Действительно, если в принимающей фазе диффундирующее вещество будет связываться в слабодиссоциирующий комплекс или образовывать нерастворимое соединение, то это обеспечит наиболее полное извлечение экстрагируемого вещества. Такие операции дают возможность использовать малые концентрации переносчиков в жидкой мембране и применять в качестве переносчиков малоэффективные, с точки зрения обычной экстракции, экстрагенты.
Синтез N-фосфорилметилированных аминокислот
Представленные в таблице 4 результаты свидетельствуют о том, что рАаь соответствующие диссоциации аммониевого протона, находятся ниже пределов экспериментального определения ( 2), что связано с высокой кислотностью аммониевого центра вследствие сильного акцепторного влияния двух геминальных метиленфосфорильных групп. Подобное явление ранее наблюдалось для дифосфорилированных аминов, в которых величина рКа находится ниже диапазона потенциометрического определения кислотно-основных свойств и составляет по оценкам авторов около 1.8 [174]. Сопоставляя между собой полученные значения кислотной диссоциации фосфорилированных и нефосфорилированных аминокислот, можно прийти к заключению, что введение к атому азота акцепторных метиленфосфорильных группировок в большей мере сказывается на основности близко расположенного аминного центра, нежели на кислотности карбоксильного фрагмента. Значительное понижение основности и кислотности позволяет полагать, что в отличие от природных аминокислот, бифосфорилированные аминокислоты в свободном состоянии находятся в неионной форме.
Экстракция жидкими мембранами является весьма эффективным методом концентрирования и разделения органических и неорганических субстратов, привлекательным своей высокой селективностью и большими степенями извлечения целевых соединений из сильно разбавленных растворов, а также возможностью реализации процесса в проточном режиме. Развитие метода мембранной экстракции главном образом определяется совершенствованием технологического исполнения, подборкой оптимальных условий экстракции-реэкстракции и поиском эффективных мембранных переносчиков. Поскольку эффективность трансмембранного переноса прямым образом обусловлена устойчивостью и свойствами образующихся в мембранной фазе комплексов, для дизайна селективных к определенным субстратам переносчиков важным является изучение влияния структурных факторов на характеристики массопереноса.
Анализ литературного материала, представленного в первой главе диссертации, показал, что а-аминофосфиноксиды проявляют себя как эффективные переносчики органических кислот за счет сочетания в их структуре электронодонорной фосфиноксидной группы и аминогруппы обладающей как электронодонорной так и протоноакцепторной природой. В настоящее время описаны лишь некоторые закономерности влияния структуры моно- и бисфосфорилметилированных аминов разнообразного строения, а также некоторых аминоспиртов, на перенос моно- и дикарбоновых кислот и их гидроксипроизводных [164, 158].
Полученные нами N-фосфорилметилированные аминокислоты содержат дополнительные карбонильные и гидроксильные функциональные группы, способные принимать участие в специфическом водородном связывании полифункциональных субстратов в липофильные молекулярные комплексы, индуцируя их транспорт через мембрану, или же наоборот, оставаясь несвязанными при координации с определенными субстратами, они будут повышать гидрофильность комплексов мембранного переноса и осложнять тем самым транспорт. Последнее обстоятельство может обеспечивать селективность переноса субстрата.
Используя синтезированные липофильные фосфорилированные аминокислотные переносчики, мы изучили процессы трансмембранного переноса ряда полифункциональных кислых субстратов - щавелевой кислоты и серии структурно похожих гидр оксикислот, отличающихся друг от друга наличием дополнительных гирокси- или карбоксильных групп, - гликолевой, глутаровой, лимонной, (8)-яблочной, (S,S)-BHHHofi, (КД)-винной, (8)-глутаминовой и (S)-аспарагиновой кислот через жидкие липофильные поддерживаемые мембраны, импрегнированные 0,1 М растворами аминофосфорильных переносчиков [175]. Чтобы исключить сольватационные эффекты и испарение, в качестве мембранного растворителя в большинстве случаев использовали неполярный додекан. Для соединений (II, III, VI, VIII, XIII, XIX) вследствие их невысокой растворимости в до декане потребовалось применение смеси до декана и 1,2-дихлорбензола в соотношении 4:1. Для полноценного заполнения пор полимерной матрицы мембранной фазой, пропитку мембран осуществляли в вакууме водоструйного насоса (при 15-20 мм. рт. ст.) при нагревании раствора переносчика до 50 С. Концентрация всех субстратов в отдающей фазе кроме (8)-аспарагиновой кислоты составляла 0,1 моль/л. Аспарагиновая кислота использовалась в виде 0,3 5М раствора ввиду ее плохой растворимости в воде. В качестве принимающей фазы использовалась бидистиллированная вода. Такие условия проведения мембранной экстракции предполагает реализацию пассивного транспорта, обусловленного градиентом концентрации.
Для сравнения мембранно-транспортных свойств полученных N-фосфорилметилированных аминокислот со свойствами а-аминофосфиноксидов мы также измерили потоки данных субстратов для N,N-бис[(дигексилфосфорил)метил]октиламина XXIII, который согласно данным, полученным в нашей лаборатории, продемонстрировал исключительно высокую эффективность и селективность в процессах мембранной экстракции как кислых субстратов, так и трехзарядных ионов редких и рассеянных металлов [18, 176]
Измерение скорости переноса органических кислот через жидкие поддерживаемые мембраны
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, снабженную обратным холодильником, капельной воронкой и механической мешалкой, помещали навеску предварительно высушенных магниевых стружек и пару кристаллов йода. Колбу нагревали до образования густых фиолетовых паров, и после охлаждали до комнатной температуры. Вносили 0,4 л абсолютного диэтилового эфира и при энергичном перемешивании по каплям добавляли раствор соответствующего алкилбромида (количество указано в таблице 7) в 200 мл абсолютного диэтилового эфира с такой скоростью, чтобы избежать чрезмерного кипения эфира. Полученную массу, после введения всего алкилбромида, перемешивали полчаса, поддерживая кипение эфира.
К образовавшемуся алкилмагнийбромиду при перемешивании по каплям вносили рассчитанный объем диэтилфосфита в 100 мл абсолютного эфира (см. в таблицу 6). После добавления всего объема диэтилфосфита реакционную массу нагревали при кипении еще в течение часа и затем охлаждали до температуры 5С. Образовавшийся комплекс, разрушали введением по каплям при охлаждении раствора соляной кислоты (разбавленного 1:3). При этом сначала происходило выпадение аморфного осадка, который растворялся при дальнейшем введении кислоты. Образовавшаяся жидкость серо-металлического цвета делилась на две фазы: эфирный и водный слой. Водный слой экстрагировали 3 раза бензолом по 60 мл. Эфирные и бензольные вытяжки объединяли, экстрагировали их дистиллированной водой до нейтральной реакции по универсальному индикатору и сушили над безводным сульфатом натрия. Бензол и эфир удаляли дистилляцией, остаток дважды перекристаллизовали из петролейного эфира. Продукт сушили в вакууме над безводным хлоридом кальция.
К аминокислоты, взятым в количестве 0,1 моль и растворенным в 100 мл дистиллированной воды, вносили при перемешивании раствор концентрированной соляной кислоты до рН = 2 (по универсальному индикатору). Воду удаляли в вакууме водоструйного насоса. Полученный гидрохлорид перекристаллизовывали из изопропилового спирта. Если образование кристаллов не происходило, к спиртовому раствору добавляли 5-8 мл ацетонитрила. Кристаллы отделяли фильтрованием и сушили в вакууме в течение трех суток.
В колбу помещали 5 г (0.040 моль) гидрохлорида (8)-а-аланина, 20 г (0.124 моль) гексаметилдисилазана (ГМДС) и снабжали обратным холодильником. Нагревали содержимое колбы на водяной бане при 80 С в течение трех часов. При этом наблюдали конденсацию хлорида аммония на стенках холодильника. Избыток ГМДС удаляли в вакууме водоструйного насоса. Силилированный (S)-a-аланин был выделен в виде бесцветной прозрачной жидкости.
В двугорлую колбу, снабженную мешалкой и обратным холодильником, помещали 0.009 моль аминокислоты, 0,019 моль (0,567 г) параформа, 0,018 моль (4.94 г) диоктилфосфинита, 0,005 моль гидрохлорида соответствующей аминокислоты и 100 мл ацетонитрила. Содержимое колбы нагревали при перемешивании на водяной бане при температуре кипения ацетонитрила в течение трех часов. Полное растворение аминокислоты при этом не наблюдалось. Остывшую реакционную массу фильтровали от непрореагировавшей аминокислоты на фильтре Шотта. Осадок промывали хлороформом. Ацетонитрил и хлороформ удаляли в вакууме водоструйного насоса. выделенный в виде желтого масла, переводили в твердую литиевую соль нагреванием с избытком гидроксида лития в изопропаноле. Соль перекристаллизовали из ацетона. Очищенную соль растворяли в бензоле и экстрагировали сначала 5% раствором соляной кислоты, затем водой до нейтральной реакции промывных вод. Бензольную фракцию сушили над сульфатом магния, бензол удаляли в вакууме водоструйного насоса. Полученный в виде бесцветного густого масла продукт сушили при нагревании Выход 84%. Элементный анализ C36H75NO4P2. выделенная в виде желтого масла, была переведена в твердую натриевую соль нагреванием с избытком гидроксида натрия в изопропаноле. Соль перекристаллизовывали из ацетона, растворяли в бензоле и экстрагировали сначала 5% раствором соляной кислоты потом водой до нейтральной реакции промывных вод. Бензольную фракцию сушили над сульфатом магния, бензол удаляли в вакууме водоструйного насоса