Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Получение, свойства, применение мальтола и металлокомплексных соединений на его основе (Обзор литературы) 10
1.1. Мальтол: нахождение в природе, методы получения и свойства 10
1.1.1. Образование мальтола в природных объектах 11
1.1.2. Синтетические методы получения мальтола 13
1.1.3. Сравнительная характеристика способов выделения мальтола из природного сырья 16
1.1.4. Химические и физико-химические свойства мальтола как представителя у-пиронов 19
1.1.5. Кристаллическая организация мальтола 27
1.2. Металлопроизводные 3-гидрокси-2-метил-4-пирона 30
1.2.1. Мальтол как хелатный бидентантный лиганд во внутрикомплексных соединениях с металлами 30
1.2.2. Координационные соединения на основе мальтола 31
1.2.2.1. Физико-химические исследования некоторых металлосодержащих комплексов мальтола 31
1.3. Мальтол и металлосодержащие комплексы на его основе как практически значимые вещества 34
ГЛАВА 2. Новые аспекты химии и физико-химии мальтола и его металлосодержащих комплексов (Обсуждение результатов) 40
2.1. Выделение и свойства мальтола 40
2.1.1. Разработка способа выделения мальтола из хвои пихты сибирской.. 40
2.1.2. Водородные связи иИК спектроскопия мальтола 46
2.1.3. Электронные спектры и рКа мальтола
2.2. Металлосодержащие комплексы мальтола 65
2.2.1. Синтез металлохелатов мальтола 65
2.2.1.1. Оптимизация условий получения мальтолатов 66
железа(Ш), алюминия(Ш), хрома(Ш), меди(П), кобальта(П), никеля(П), цинка(П) и паладия(П) 66
2.2.1.2. Синтез новых металлохелатных соединений мальтола с ионами кальция(П), кадмия(И), свинца(И) и висмута(Ш) 71
2.2.2 Физико-химические характеристики металлохелатов мальтола 72
2.2.2.1. Электронные спектры металлохелатов мальтола 72
2.2.2.2. ИК спектры металлохелатов мальтола 76
2.2.2.3. Спектры ЯМР Н, lJC и "А1 металлохелатов мальтола 79
2.2.2.4. Спектры ЭПР мальтолатов железа(Ш) и меди(П) 82
2.2.2.5. Рентгеноструктурные исследования монокристалла 84
(3-гидрокси-2-метил-4-пиронато)висмута(Ш) 84
2.2.3. Изучение комплексообразования в условиях различных рН среды. Константы устойчивости комплексов 87
2.3. Модификация мальтола с использованием его натриевой соли 95
2.3.1. Синтез (3-гидрокси-2-метил-4-пиронато)натрий 95
2.4. Мальтол и его производные как нелинейно-оптические материалы 100
2.4.1. Исследование нелинейно-оптических свойств монокристалла мальтола 101
2.4.2. Нелинейно-оптические свойства производных мальтола 102
ГЛАВА 3. Биологическая активность мальтола и его металлопроизводных 104
3.1. Влияние мальтола на пероксидное окисление мембран липосом 104
3.2. Желчегонное действие мальтола и мальтолатов железа, меди, висмута, кальция, цинка, кобальта, никеля, палладия 107
3.3. Противоанемическсое действие мальтолата железа и антикоагулянтное свойство мальтолата меди 110
3.4. Противоязвенное свойство мальтолата висмута 113
3.5. Инсулиноподобное действие мальтолата цинка 115
3.6. Токсикологические испытания мальтолата кальция 115
ГЛАВА 4. Методические подробности (Экспериментальная часть) 117
4.1. Выделение и идентификация мальтола 118
4.2. Синтез производных мальтола 120
4.3. Определение констант устойчивости металлокомплексов мальтола 125
Выводы 132
Список литературы
- Сравнительная характеристика способов выделения мальтола из природного сырья
- Водородные связи иИК спектроскопия мальтола
- Желчегонное действие мальтола и мальтолатов железа, меди, висмута, кальция, цинка, кобальта, никеля, палладия
- Определение констант устойчивости металлокомплексов мальтола
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений органической химии последних лет стал синтез новых, в том числе биологически активных веществ, с использованием в качестве реагентов природных соединений Наличие различных функциональных групп в их эволюционно сложившихся структурных ансамблях, которые подчас сложно воспроизвести синтетически, позволяет получать на их основе разнообразные химические системы, обладающие не только достоинствами исходных строительных блоков, но и принципиально новыми свойствами
Богатым возобновляемым источником реакционноспособных природных соединений может служить древесная зелень хвойных пород, например, пихты сибирской (Abies sibinca Ledeb) Среди экстрактивных веществ ее хвои особою внимания заслуживает 3-гидрокси-2-метил-4-пирон (мальтол)
Мальтол используется в качестве ароматизатора и антиоксиданта в пищевой и парфюмерной промышленности, входит в состав фармацевтических композиций (для лечения диабета, ожирения, кожных заболеваний, профилактики процессов старения и др ), проявляет противомикробную активность, представляя при этом малотоксичное вещество, легко метаболизирующееся в организме млекопитающих
Мальтол является перспективным хелатирующим агентом для получения комплексных соединений с ионами различных металлов Сейчас, когда достоверно установлено, что многие заболевания сопровождаются или напрямую связаны с нарушением оптимальной концентрации микроэлементов, металлотранспортный лиганд -мальтол, представляет большой интерес как потенциальный ионофор и детоксикант
Металлокомплексы мальтола все больше привлекают внимание исследователей во всем мире Однако работы посвящены изучению соединений одного или нескольких металлов, где мальтол рассматривается в раду другах лигандов, изучение их свойств не имеет систематического характера
Поэтому синтез металлосодержащих соединений мальтола и комплексное исследование их свойств и строения, поведения в физиологических средах и биологической активности представляет актуальную проблему, которая, кроме фундаментального значения, имеет большой практический интерес
Данная работа является частью плановых заданий НИР Иркутского института химии им А Е Фаворского СО РАН по теме «Развитие химии и глубокой переработки древесины получение новых биологически активных и технически ценных продуктов для медицины, сельского хозяйства и критических технологий» (per № 0120 0406380), грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 05-03-97208 и № 05-04-97269
Цель работы: получение металлосодержащих комплексов мальтола с широким рядом биогенных и абиотических металлов, исследование их строения, физико-химических и биологических свойств
Для достижения цели были поставлены следующие задачи
разработка оптимального способа выделения мальтола из хвои пихты сибирской,
изучение строения мальтола в инертных средах,
исследование условий реакции комплексообразования мальтола с катионами металлов, получение комплексов, установление их строения и изучение свойств,
использование мальтолата натрия для дальнейшей функционализации мальтола,
исследование биологической активности мальтола и его металлокомплексов Научная новизна и практическая значимость. Получены новые данные о
строении мальтола в газовой фазе и в растворе показано, что этот у-пирон способен к
гомо- и гетероассоциации Его гомоассоциаты в инертных средах представляют собой димеры, стабилизированные прочными межмолекулярными водородными связями На основе анализа экспериментальных данных и результатов квантовохимических расчетов дана новая интерпретация колебательных спектров мальтола и его металло-комплексов, отличающаяся от известной в литературе
Впервые синтезированы металлохелатные комплексы мальтола с ионами металлов кальция, кадмия, свинца и висмута
Ренттеноструктурным анализом показано, что трг/с-(3-гидрокси-2-метил-4-пиронато)висмут(Ш) является редким примером комплекса шестикоординированного висмута(Ш) со стереоактивной неподеленной электронной парой
Получены ЭПР характеристики мальтолатов железа(Ш) и меди(П)
Доказан ступенчатый механизм комплексообразования, определены состав и константы устойчивости металлокомплексов, образующихся в условиях различных рН среды, составлен их ряд стабильности
Оптимизированы условия препаративного получения металлокомплексов мальтола с ионами железа, алюминия, хрома, меди, кобальта, никеля, цинка, палладия, выявлены особенности строения полученных соединений
На основе натриевой соли мальтола разработана универсальная схема его функ-ционализации высокореакционноспособными группировками, в частности, впервые получены тозилат и трифлат мальтола
Разработан способ выделения мальтола из хвои пихты сибирской, который позволяет по сравнеїшю с известными методами увеличить в 1 5 - 3 раза выход продукта
Впервые показано, что мальтол и его комплексы с кальцием, кадмием, свинцом, а также трифлатное и тозилатное производные генерируют вторую гармонику излучения неодимового лазера и по совокупности свойств представляют перспективные нелинейно-оптические материалы для конструирования оптических приборов
В опытах in vivo выявлено, что мальтол и его комплексы с железом, кальцием и цинком обладают выраженной желчегонной активностью, комплекс меди проявляет антикоагулянтные свойства, а комплекс висмута - противоязвенное действие
Апробация работы и публикации Результаты работы представлялись на молодежных научных школах-конференциях по органической химии (Иркутск, 2000, Новосибирск, 2001, Екатеринбург, 2002, С-Петербург, 2002, Казань, 2005), межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития стоматологии» (Якутск, 2003), V Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность - 2000» (Иркутск, 2000), VII Всероссийской школе-семинаре «Люминесценция и сопутствующие явления» (Иркутск, 2001), Всероссийских конференциях «Химия и технология растительных веществ» (Казань, 2002, Саратов, 2004, Сыктывкар, 2006, Барнаул, 2007), XIII зимней международной молодежной научной школе «Перспективные направления физико-химической биологии биотехнологии» (Москва, 2001), международной научно-практической конференции «Человек Среда Вселенная» (Иркутск, 2001), VI международной конференции «Биоантиоксидант» (Москва, 2002), международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию Карагандинского государственного университета им А Е Букетова (Караганда, 2002), международной научной конференции "Химия, технология и медицинские аспекты природных соединений" (Алматы, 2003), международной научно-практической конференции «Серебро и висмут в медицине» (Новосибирск, 2005), международной конференции по органической химии «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности» (С -Петербург, 2006)
По результатам исследовании опубликовано 8 статей в отечественных и зарубежных изданиях, тезисы 23 докладов на межрепюнальных, Всероссийских и международных конференциях, получен 1 патент
Объем н структура работы. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 22 таблицы, 34 рисунка и состоит из 4 глав В первой главе дан обзор литературных данных по получению, свойствам З-гидрокси-2-метил-4-пирона и металлохелатных соединений на его основе Во второй и третьей главе изложены и обсуждены результаты собственных исследовании, необходимые экспериментальные подробности приведены в четвертой главе Заключают работу выводы и список цитируемой литературы, включающий 290 ссылок
Сравнительная характеристика способов выделения мальтола из природного сырья
Впервые мальтол (3-гидрокси-2-метил-4-пирон) был выделен в 1862 г. из молодой коры лиственницы (Larix deciduas МИГ) Стенхоусом и назван им «лариксин кислота» или «лариксин» [1]. В 1894 г. Бранд обнаружил это вещество в водной вытяжке «карамельного» солода, используемого в пивоварении, и в конденсате паров, выделяющихся при обжарке солода, предложил брутто формулу С6Н6Оз и высказал предположение, что образуется оно из глюкозы [2]. Исходя из того, что полученное соединение было выделено из солода (английское "malt") и содержит в своем составе, подобно спиртам, ОН-группы, Бранд назвал его «мальтол».
Килиани и Базлен (1894 г.) установили, что мальтол содержит одну ОН- и одну СНз-группы [3]. Окончательно его структура была выяснена в 1905 г. Ператонером и Тамбурелло, которые перед этим доказали идентичность лариксин кислоты Стенхоуса и мальтола Бранда [4]. Установленная этими учеными структурная формула: позволила впервые отнести мальтол к классу у-пиронов наряду с пиромеконовой и меконовой кислотами и дать ему название 2-метил-З-оксипирон [5].
В 1901 г. Фуерштайн обнаружил мальтол в хвое пихты белой (Abies alba Mill) и показал, что мальтол в иглах пихты встречается только в определенный вегетационный период (апрель, май), из сентябрьской хвои его уже выделить не удалось [6, 7]. Позже мальтол был обнаружен в хлебе [8, 9], обжаренных кофе [10, 11], цикории [12], какао [13], сухом [14], топленном [15], сгущенном молоке [16], а также сыром солоде (при набухании и прорастании ячменя) [17].
Удалось также получить мальтол при сухой перегонке целлюлозы и крахмала [18], щелочным гидролизом стрептомицина [19], выделить из кислых продуктов разложения белков соевых бобов [20], летучих компонентов дыма древесных опилок [21].
Впервые синтетическим способом мальтол был получен в 1911 году Ператонером [22] из у-пирона. В 1947 г. было описано два синтеза мальтола, в одном из которых в качестве исходного вещества использовали пиромеконовую кислоту [23], в другом - диоксал ил ацетон [22].
Тот факт, что мальтол содержится в пищевых продуктах, прошедших термическую обработку, заставляет предположить, что образуется он из какого-либо одного соединения, присутствующего в каждом из них, либо родственных соединений, при повышенной температуре.
Паттон доказал, что начальным соединением для образования мальтола при нагревании молока служит лактоза, превращающаяся в мальтол под действием казеина - основного белка молока [15]. Позже он показал, что мальтол образуется и в искусственных углевод-глициновых системах (127 С, 6 ч), где в качестве углевода выступают дисахариды - лактоза и мальтоза, но не образуется в случае сахарозы и метил-а-Б-глюкопиранозида, что может свидетельствовать о важности полуацетальной конфигурации углевода. Не образуется он и в тех же условиях из моносахаров - галактозы и глюкозы и полисахаридов - крахмала и целлюлозы. Глицин, по мнению автора [24], играет роль катализатора, и поэтому образование мальтола идет в мягких условиях.
Согласно Ходже и Моссеру, во время процесса хлебопечения мальтол возникает за счет взаимодействия между редуцирующими радикалами глюкозы (в составе мальтозы или лактозы) и аминогруппами присутствующих в смеси соединений [25].
Даймейер и Гала исследовали различные системы углевод-диастаза и установили, что мальтол образуется из ди- и тетрасахаридов (мальтозы, изомальтозы, мальтотетраозы, панозы), которые появляются при термической обработке растительного сырья в присутствии следов Fe, Ni, Са [26].
Беиттер также показал, что образованию мальтола из углеводов пищевых продуктов способствует присутствие в них диастазы, и в конечном итоге, сводил процесс образования мальтола, как и в свое время Бранд, к отщеплению трех молекул воды от молекулы глюкозы [17] (схема 1.1):
Итак, за образование мальтола в ряде пищевых продуктов, подвергшихся термической обработке, ответственны в основном дисахариды, в большинстве случаев - мальтоза. Превращению последней в мальтол способствует повышенная температура и присутствие катализатора в виде соединения, содержащего аминогруппы (аминокислоты) или фермента - диастазы.
Что касается метаболизма мальтола в растениях и его функции, то литературные данные по этому вопросу практически отсутствуют. Возможно, источником его образования являются не только углеводы, но и родственные у-пироновые структуры: хромоны (1), ксантоны (2), флавоны (3), флавонолы (4), изофлавоны (5) - широко распространенные в растительном мире вещества [27].
Водородные связи иИК спектроскопия мальтола
Еще одним важным свойством мальтола, обусловленным присутствием в его молекуле С=0- и ОН-групп в а-положении друг к другу, является его склонность к образованию с ионами различных металлов комплексных хелатных соединений.
К металлохелатам, как известно, относят комплексные соединения, содержащие во внутренней сфере один или несколько циклов, образованных ионом металла с полидентатными (би-, тридентатными и т.д.) лигандами [144, 145].
Фактически, полидентатными являются лиганды, содержащие два и более донорных центра (атом, кратная связь), по стерическим возмолшостям способные координировать один ион металла [144]. В органической химии наиболее распространены бидентатные лиганды, к которым и относится 3-гидрокси-2-метил-4-пирон. Донорные атомы могут входить в состав кислотных или основных групп хелатирующих лигандов. Кислотные группы содержат протон и взаимодействуют с ионом металла после его отщепления. К основным относят группы, которые содержат атом со свободной электронной парой, способный координировать ион металла. В случае мальтола, такими донорными центрами являются атомы кислорода гидроксильной (кислотной) и карбонильной (основной) групп, находящиеся в а-положении по отношению друг к другу, что способствует замыканию пятичленного металлсодержащего цикла.
Среди низкомолекулярных металлохелатов выделяют пять типов соединений: 1) молекулярные (ион металла связывает лиганд только посредством неподеленных электронных пар лиганда); 2) внутрикомплексные (лиганд связывается с ионом металла как с помощью ионного, так и с помощью доноро-акцепторного механизмов), которые могут быть: а) катионными, б) анионными, в) электронейтральными - не имеющими внешней сферы; 3) макроциклические (донорные центры лиганда обеспечивают связывание иона металла с образованием нескольких металлоциклов); 4) металлохелаты с п-связями; 5) полиядерные металлохелаты (содержат два и более ионов металлов) [144].
Таким образом, мальтол можно рассматривать как хелатирующий бидентатный, или дикоординированный (г\ ), 0-,0-донорный лиганд, способный образовывать внутрикомплексные соединения с ионами металлов.
Несмотря на то, что мальтол известен уже очень давно, и первые исследователи отмечали способность этого соединения образовывать «соли с ионами металлов», как хелатирующий агент он стал привлекать к себе широкое внимание только последние 15-20 лет. За это время появились зарубежные публикации, посвященные синтезу и изучению координационных соединений на его основе [146 - 159]. Металлокомплексы мальтола в этих работах рассматриваются наряду с другими родственными ему лигандами, такими как койевая, пиромеконовая, хлоркойевая кислоты и др. [147, 149, 150, 153-157].
Начальным и одним из основных направлений в изучении металлокомплексов мальтола было его использование в аналитических целях для обнаружения катионов металлов: железа, ванадия, молибдена, поскольку с этими металлами он образует окрашенные хелатные соединения [160 - 162].
Первыми публикациями, посвященными целенаправленному синтезу и исследованию металлокомплексов мальтола, являются работы японских и французских авторов, описывающие получение комплексов Mn3+, Fe3+, Сг3+, O-i- Oj— 0«4- О-І- 11 Си , Со , Ni" , Zn , МгГ с производными у-пирона (среди которых мальтол), бипиридина и фенантролина [163 — 166]. Проведенная идентификация полос в ИК спектрах у-пироновых производных, как главное доказательство строения полученных веществ, основано на данных 60 - 70-х годов для у-пирона и койевой кислоты [167, 168]. Это же отнесение частот поглощения сохраняется и в работах последних лет [154, 156]. Однако, современные исследования, базирующиеся на сравнении квантовохимических расчетов и экспериментальных данных, проведенные для других, в том числе природных, соединений, свидетельствуют о более сложном взаимодействии колебаний в спектрах и не всегда соответствуют ранее принятому разнесению полос.
На основании регистрируемых полос поглощения электронных спектров (твердых образцов и растворов) в видимой области и значений магнитных моментов было показано [163 - 165], что комплексы кобальта(П), никеля(П) и хрома(Ш) имеют октаэдрическое, а марганца(П) тетраэдрическое окружение. Конфигурацию октаэдра в первых двух случаях объясняли присутствием молекул гидратированнои воды в кристаллогидратах комплексов или полимеризацией их безводных аналогов с образованием тетрамеров [163]. Электронные спектры комплексов меди(И) и марганца(И) имеют плохое разрешение [163], что затрудняло определение их структуры с помощью этого метода, но значение магнитного момента для комплекса меди свидетельствует об отсутствии связи Cu-Cu [164].
Спектры соединений в ультрафиолетовой области в литературе не обсуждаются и параметры их не приводятся.
ЯМР Н-спектроскопия выполнена для комплексов цинка (ДМСО-с1б) [163, 164] и алюминия (D20) [147]. Однако, низкотемпературные ЯМР 1Н исследования (-70 С, CDCb) мальтолата алюминия, с целью показать наличие в растворе двух геометрических - тег- и Уас-изомеров комплекса, не дали однозначных результатов [147]. В спектрах наблюдается некоторое уширение пиков, но не достаточное, чтобы зафиксировать появление нового набора резонансных сигналов. Возможно, при комнатной температуре осуществляется быстрая конверсия между тег- и /яс-формой, которая замедляется при -70 С; либо имеет место конверсия трех лигандов в mer-изомере, которая также ослабевает при понижении температуры. Данных спектроскопии ЯМР 13С для этих комплексов в литературе нет.
Позднее строение комплекса алюминия, а также комплексов железа и цинка было исследовано с помощью рентгеноструктурного анализа, мессбауэровской спектроскопии. Анализ результатов показал, что атом металла в комплексе Fe3+ с мальтолом, также как и в комплексе А13+ [146], лежит в тригонально искаженном октаэдрическом окружении (тег-изомер), координируя три лиганда мальтола за счет гидроксильных и карбонильных атомов кислородов [148]. Молекула имеет форму пропеллера с углом тригональной скрутки 50,43 (в ячейке кристалла 4 молекулы: два тгг-А-изомера и два mer-zl-изомера). Единственной причиной неравенства длин связей М-О(кето) и М-О(гидрокси), приводящей к тригональному искажению октаэдрического окружения, авторы называют наличие метильной группы в opmo-положении к гидрокси-кислороду и кислорода цикла в пара-положеяии к кето-кислороду [148]. Это, по их мнению, обуславливает различие а- и ж-электронных эффектов и приводит к асимметрии. Гораздо интереснее дело обстоит с комплексом цинка(П), содержащим полторы молекулы воды [155] (ранее упоминался комплекс состава ZnMa2(OH)2 Vi Н20 [162]) , который имеет сэндвичевую структуру (ABA) [155]: слой (А) образован молекулами комплекса с пятикоординированным цинком, слой (В) представлен шестикоординированным комплексом цинка. Необычен факт нахождения в одной ячейке молекул с разными координационными числами. Провести, с целью сравнения, рентгеноструктурные исследования мальтолатного комплекса меди, к сожалению, не удалось - попытки вырастить кристалл комплекса оказались безуспешными [164].
Желчегонное действие мальтола и мальтолатов железа, меди, висмута, кальция, цинка, кобальта, никеля, палладия
С целью выяснения природы минорных полос изучен спектр частично дейтерированного мальтола в области 2300 — 2600 см"1 (соотношение OD : ОН составляет -1 : 1). В спектре его паров (470 К) валентным колебаниям связей O-D 5 -конформера и димера Id соответствуют полосы поглощения с максимумом при 2526 и 2418 см"1 (рис. 2.6-6). Для мономера соотношение vOH/vOD составляет 1,347, для димера Id - 1,362. В спектре раствора в дихлорэтане (298 К) (рис. 2.6-7) частоты в максимуме наблюдаемых полос составляют 2518 и 2430 см"1. Здесь соотношение vOH/vOD следующее: мономер - 1,348, димер - 1,337. Полосы, расположенной близко к максимуму полосы димера Id, в этих спектрах не наблюдается. Следовательно, в спектре раствора мальтола в дихлорэтане полоса с максимумом -3275 см"1 обусловлена одним из обертонов. Скорее всего это обертон валентного колебания связи С=0 (1630 см"1). Поглощение на длинноволновом склоне полосы колебаний связей O-D др-конформера, напротив, становится отчетливо выраженным. В спектре исходного мальтола ему соответствует флексия при —3340 см", которая может быть обусловлена обертоном ЮН (1668 см"1). Полосу, которая проявляется в виде плеча при -2390 см"1 в спектре дейтерированного производного, вероятно, можно отнести к димеру 1с (в спектре исходного мальтола ей соответсвует полоса при —3180 см" ). По отношению к димеру Id она смещена к низким частотам.
Отнесение частот в ИК спектре кристаллического мальтола к колебаниям его связей, выполненное в работах [163, 234], основано на данных, относящихся к у-пиронам и металл-хелатам койевой кислоты [231, 167, 168]. Основное внимание исследователей уделялось области поглощения карбонильных групп и двойных углерод-углеродных связей. Интенсивная высокочастотная полоса с максимумом при 1660 см"1 (рис. 2.4-5) приписана валентным колебаниям группы С=0. Понижение ее частоты по сравнению с у-пиронами, а также низкое значение v(OH) (—3200 см"1) в этом спектре объяснены наличием внутримолекулярной водородной связи ОН "0=С. Однако, существуют указания на сильное смешивание колебаний С=0 и С=С связей в соединениях такого типа, что затрудняет анализ [127]. Более того, имеется отнесение высокочастотной полосы в области 1700 - 1550 см"1 спектра 2,6-диметил-4-пирона к колебаниям связей С=С [234].
Из совокупности данных, полученных в результате настоящего исследования, становится очевидным, что низкое значение частоты ЮН в спектре мальтола в твердой фазе обусловлено вовлечением его гидроксильных групп в трехцентровые бифуркационные водородные связи, благодаря которым образуются гомоассоциаты двух типов. Высокочастотная полоса (1666 см"1) спектра мальтола (рис. 2.5-5), обусловлена деформационными колебаниями гидроксильных групп его полиассоциатов с вкладом валентных колебаний ОС связей (табл. 2.3). Полоса, характеризующаяся наибольшей пиковой интенсивностью и полушириной, с максимумом при 1626 см"1 отвечает суперпозиции полос поглощения обеих полиморфных форм мальтола. Соответствующие им колебания имеют преимущественный вклад от связей С=0 (больший вклад) и С=С. И, наконец, поглощение с максимумом при 1564 см"1 принадлежит колебаниям с преимущественным вкладом двойных углерод-углеродных связей этих форм.
Изучение сольватных комплексов мальтола в протофильных средах выполнено методами диэлектрометрии и ИК спектроскопии. Способность мальтола к гетероассоциации прежде всего подтверждается значением диоксанового эффекта [235, 236]. Чтобы установить его величину были измерены дипольные моменты мальтола в диоксане и CCU (3,25 Д и 2,43 Д, соответственно), по разнице значений которых определили величину диоксанового эффекта, равную 0,82 Д. Это гораздо выше диоксанового эффекта производных анилинов и фенолов, равного 0,44 Д. Для сравнения был определен диоксановый эффект синтезированного метилового эфира мальтола, который составил всего 0,18 Д.
ИК спектры растворов мальтола в протофильных средах получены для большого ряда растворителей, отличающихся основностью и полярностью/поляризуемостью: ацетонитрил, нитрометан, бензонитрил, анизол, диэтиловый эфир, диоксан, тетрагидрофуран, бензальдегид, хлорацетат, пропиленкарбонат, тетраметилмочевина, диметилсульфоксид [238, 239]. В спектрах изученных растворов в интервале 3400 - 3340 см" наблюдается полоса ЮН мономерной sp-формы мальтола. Ее положение зависит только от полярности/поляризуемости растворителя. Наряду с этим в интервале 3300 — 3000 см" имеются широкие полосы валентных колебаний ассоциированных групп ОН, отвечающие сольватным комплексам. Интенсивность этих полос увеличивается с понижением температуры растворов при одновременном уменьшении интенсивности высокочастотной полосы ЮН. При этом менее основные растворители (ацетонитрил, нитрометан, бензонитрил, анизол, диэтиловый эфир, диоксан, тетрагидрофуран), по-видимому, образуют сольватные комплексы с цепочечным димером мальтола, которым соответствует полоса ЮН при 3280 - 3230 см"1. Более сильные основания (бензальдегид, хлорацетат, пропиленкарбонат, тетраметилмочевина, диметилсульфоксид) скорее всего, взаимодействуют с мономерной 5р-формой мальтола и характеризуются полосами ЮН в интервале 3200 - 3000 см"1.
Таким образом, показано, что молекула мальтола в растворе и в газовой фазе имеет синперипланарную конформацию (с внутримолекулярной Н-связью). 5/?-Конформер мальтола в инертных средах, находится в равновесии с его димерами двух типов. Эти димеры, как и в кристалле существуют благодаря прочным межмолекулярным ОН...О=С связям. В результате атом водорода ОН-группы, по-видимому, участвует в образовании трехцентровой бифуркационной водородной связи. Различие в строение димеров обусловлено образованием одной (1с) или двух (Id) бифуркационных водородных связей. В симметричном димере 1с внутримолекулярный компонент такой трехцентровой Н-связи настолько ослаблен, что характер межмолекулярного взаимодействия приближается к двухцентровому. Более высокий дипольный момент димера Id способствует усилению неспецифической сольватации и повышает заселенность его состояния в растворе по сравнению с димером 1с. На основании сравнения впервые выполненных квантовохимических расчетов и экспериментальных данных проведено отнесение частот полос ИК спектра мальтола (в области 3400 - 1500 см"1), которое отличается от приведенного в литературе.
Определение констант устойчивости металлокомплексов мальтола
При разработке оригинальной технологии выделения мальтола использовали хвою пихты сибирской ноябрьского сбора. 842 г воздушно сухой хвои пихты (влажность 37%) заливали водой в соотношении 1 : 2 и обрабатывали во вращающемся автоклаве углекислым газом под давлением 50 атм, температуре 50 С в течение 4 ч. Затем хвою экстрагировали водой при 90 - 95. С (модуль 1 : 5) настаиванием в течение двух суток со сменой растворителя через сутки. Водный экстракт фильтровали, концентрировали на пленочном испарителе до 1/10 первоначального объема. Водный концентрат обрабатывали последовательно диэтиловым эфиром и хлороформом. Мальтол выделяли их хлороформного экстракта, для этого хлороформ отгоняли при пониженном давлении и 30 С. Выход сухого остатка мальтола-сырца, составил 7,2 г или 1,36% от массы абсолютно сухой хвои. После сублимации мальтола-сырца при 130 С выход чистого мальтола составил 4,8 г (0,90% от массы абсолютно сухой хвои). Чистота продукта 99%. Из хвои декабрьского, апрельского и майского сбора выход мальтола-сырца также составил - 1,36%, а чистого продукта - 0,90%; из хвои заготовленной в сентябре: 1,42% - сырца и 0,94% - чистого; в июне, июле и августе - 2,72% и 1,80%; 1,96% и 1,30%; 166% и 1,10%, соответственно.
Масс-спектр, m/z : 126 [М]+. Тлл 159 - 160 С (лит. данные [91] 160 С ). Л,, 277 нм (lg e 3,93). Найдено, %: С 57,47; Н 5,28. С6Нб03. Вычислено, %: С 57, 19; Н 4,80. Массу абсолютно сухой хвои рассчитывали по формуле: та с хв = (100%-Вл) х т , 100% где та.с.хв - масса абсолютно сухой хвои (г), Вл - влажность хвои (%), тхв. - масса хвои (г).
Влажность хвои определяли известным [290] способом, отгонкой содержащейся в хвое воды с толуолом, с использованием насадки Дина-Старка. Для анализа сезонных колебаний мальтола в хвое Abies sibirica Ledeb. отбор лапки пихты осуществляли всегда на территории- Шелеховского лесхоза (Иркутская область, 60-ый км Култукского тракта).
Чистоту мальтола определяли методом высоко эффективной жидкостной хроматографии. ВЭЖХ осуществляли на жидкостном хроматографе «Милихром-1» с использованием колонки длиной 64 мм, диаметром 2 мм, заполненной сорбентом «Сепарон Cg», 5 мкм, с УФ-детектированием в области 190 - 360 нм. В качестве элюента использовали 70%-ый метанол в 0,01 М фосфатном буфере рН 4,5. Скорость подачи элюента- 100 мкл/мин.
Качественное обнаружение мальтола, а также контроль за его чистотой осуществляли с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинах Silufol UV-254. Элюент - гексан-этилацетат (3 : 2). Проявление - ультра 120 фиолетовое облучение или свежеприготовленная смесь (1:1) 1%-ых водных растворов FeCl3 6H20 и K3[Fe(CN)]6 (ярко красное окрашивание; Rf 0,71).
Количественное определение мальтола проводили спектрофото-метрически на приборе СФ-26. К 9 мл пробы, содержащей мальтол, добавляли 1 мл 2%-го раствора FeCl3 6Н20 в 2н НС1 и через 10 минут измеряли оптическую плотность (при X 550 нм, в кварцевой кювете 1 = 1 см) окрашенного в фиолетовый цвет раствора против стандартного раствора, содержащего 1 мл 2%-го раствора FeCl3 6Н2О в 2н НС1 и 9 мл Н20. Количество мальтола в пробе устанавливали по калибровочной кривой (в области концентраций мальтола 0,01 - 0,08 мг/мл, в которой выполняется закон Ламберта-Бера).
Дейтерирование ОН-группы мальтола проводили многократным кипячением его в D20. 1 г Мальтола заливали 50 мл D20 и кипятили в круглодонной колбе с обратным холодильником в течение 8 ч. Затем водный раствор упаривали при пониженном давлении. Сухой остаток мальтола вновь заливали свежей порцией D20. Процедуру повторяли трижды, после чего кристаллы мальтола высушивали при пониженном давлении и температуре 40 С, и сублимировали при температуре 130 С. 7/7ИС-(3-гидрокси-2-метил-4-пиронато)железо(Ш). К 3,78 г (0,03 моля) мальтола в 150 мл воды приливали 2,71 г (0,01 моль) FeCl3-6H20 в 50 мл воды. К полученному темно-красному раствору (рН 1,8) добавляли 15 мл 2н NaOH (0,03 моль) (рН 7,2). Реакционную смесь перемешивали в течение 10 минут и упаривали на роторном испарителе. Сухой остаток экстрагировали хлороформом, экстракт упаривали досуха. Полученный комплекс очищали переосаждением из метанола в диэтиловый эфир. Выпавшие мелкие пурпурно-красные кристаллы отфильтровывали и высушивали при пониженном давлении. Выход чистого продукта составил 3,78 г (87,7 %). Тш 320 - 322 С (лит. данные отсутствуют). Найдено, %: С 50,01; Н 3,92; Fe 12,29. [Ре(С6Н5Оз)з]
