Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Специфика протекания органических реакций в твердом состоянии 9
1.1.1. Стер и ческие эффекты 9
1.1.2. Роль дефектов кристаллической структуры 13
1.1.3. Процессы массопереноса 15
1.2. Физико-химические последствия механической активации органических веществ 17
1.2.1. Увеличение поверхности и связанные с этим размерные эффекты 18
1.2.2. Разупорядочение кристаллической структуры и аморфизация 21
1.3. Механохнмия органических веществ и ее технологические приложения 25
1.3.1. Общие сведения по органическому механосинтезу 26
1.3.2. Твердофазная механохимическая нейтрализация органических кислот и ее технологические приложения 29
1.3.3. Механохимическое приготовление дисперсных систем на основе карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений 31
1.3.4. Технологические приложения механической активации растительного и природного сырья 36
1.4. Краткая характеристика соединений, выбранных в качестве объектов исследования 40
1.4.1. Тритерпен о вые кислоты 40
1.4.2. Трихлоризо циану ров ая кислота и ее производные 43
1.4.3. Фнтостерины и фитоэкдистероиды 44
1.5. Цель и задачи исследования 47
2. Экспериментальная часть 49
2.1. Характеристика реагентов, материалов и методов физико-химического анализа 49
2.2. Методика механохимической обработки и проведения химических реакций 52
2.2.1. Проведение модельных экс л ер им ентов 52
2.2.2. Приготовление укрупненных партий для биологических испытаний 52
2.2.3. Механохимическая обработка систем, содержащих тритерпеновые кислоты 53
2.2.4. Механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты и механическая активация твердофазного синтеза солей ДХЦК 54
2.2.5. Механическая активация систем, содержащих фнтостерины и фитоэкдистероиды 54
2.2.6. Механохимическая обработка глюкозы и сахарозы 55
2.2.7. Методики проведения биологических испытаний 55
2.3. Физико-химический анализ исходного сырья и продуктов механохимической обработки 57
2.3.1. Определение тритерпеновых кислот в растительном сырье и водорастворимой части механо композитов 57
2.3.2. Физико-химический анализ продуктов механохимической обработки ТХЦК 58
2.3.3. Определение фитостеринов и милиацина в исходном сырье и в продуктах механохимической обработки 59
2.3.4. Определение фитоэкдистероидов в исходном сырье и водорастворимой части механокомпознтов 61
2.3.5. Анализ продуктов механохимической обработки простых углеводов 62
3. Механохимические реакции органических кислот 63
3.1 Механохимнческое взаимодействие тритерпенових кислот со щелочами 63
3.2 Качественный н количественный состав водорастворимой части тритерпенових кислот в механокомпозитах, полученных из растительного сырья 67
3.3 Технологические приложении механохимической обработки растительного сырья, содержащего тритерпеновые кислоты 71
3.4 Результаты биологических испытаний 74
3.5 Механохимический синтез ДХЦК и механическая активация твердофазного синтеза водорастворимых солей ДХЦК 77
3.6 Технологические приложения механической активации смесей, содержащих трихлорнзоциануровую кислоту 82
4 Физико-химические последствия механохимической обработки систем, содержащих гидроксилзамещенные органические соединения 85
4.1 Механохимнческая активация водной экстракции фитоэкдистероидов 85
4.2 Роль механохимической обработки в повышении биологической доступности фнтостерннов 89
4.3 Технологические приложения механохимической обработки растительного сырья, содержащего фитостерины и фитоэкдистероиды 94
4.4 Применение предварительной механохимической обработки для повышении селективности экстракции тритерпеновых кислот и снижения растворимости полнфенольных соединений 97
4.5 Некоторые механохимические реакции простых углеводов и роль этих превращений в солюбилизации и повышении биологической доступности гидроксилсодержащих органических соединений 100
4.6 Сравнительный анализ реакционной способности аномеров D-глюкозы на примере механохимической аномеризации, причины различий 100
4.7 Механохим и ческие пр евращения ано м еров D- глю коз ы и сахарозы 106
Заключение 112
Выводы 113
- Физико-химические последствия механической активации органических веществ
- Краткая характеристика соединений, выбранных в качестве объектов исследования
- Определение фитоэкдистероидов в исходном сырье и водорастворимой части механокомпознтов
- Технологические приложения механической активации смесей, содержащих трихлорнзоциануровую кислоту
Введение к работе
Актуальность темы. Широкие возможности препаративной механохимии проиллюстрированы множеством примеров - синтезом тугоплавких веществ, интерметаллидов, неорганических и органических соединений, молекулярных комплексов, лекарственных препаратов, композиционных материалов. Успехи фундаментальных исследований в области химии твердого тела обозначили преимущества и обосновали целесообразность использования механохимических методов в химической технологии, фармацевтической и пищевой промышленности. В ряде случаев применение механохимии позволяет получить продукты в метастабильном состоянии, которое трудно или невозможно достигнуть, используя традиционные методы, исключить использование водных и органических растворителей, уменьшить число стадий в технологическом процессе, упростить процедуры выделения и очистки целевых компонентов [1,2].
К настоящему времени накоплен значительный объем данных, охватывающий важнейшие направления фундаментальных исследований, с которыми связывают развитие механохимии. Одним из направлений развития механохимии, безусловно представляющим и научный, и практический интерес, является рассмотрение процессов молекулярного перемешивания и химического взаимодействия, протекающих с участием органических твердых тел.
Приложения твердофазных механохимических технологий не ограничиваются материаловедческими задачами - их возможности гораздо шире. Среди основных достижений отмечают: селективный синтез органических веществ, получение стабилизированных форм метастабильных полиморфных модификаций молекулярных кристаллов, приготовление быстрорастворимых форм лекарственных и других биологически активных веществ, интенсификацию процессов переработки природного и техногенного органического сырья.
Кислотно-основные превращения и донорно-акцепторные взаимодействия -одни из самых распространенных и, вместе с тем, простых в экспериментальном осуществлении аипов механохимических реакций органических соединений. Подобного рода превращения особенно характерны для карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений.
Вещества с такой функциональной природой широко распространены в животном и растительном мире и во многих случаях обладают биологической активностью. В отличных от своего происхождения системах эти соединения иногда проявляют выраженную специфическую активность.
Таким образом, изучение механохимических превращений карбоксил-и гидроксилзамещенных органических соединений представляется актуальным как с теоретической, так и с практической точки зрения.
"Ті
ТЯТІ
з 2VZ&* і
Целью данной работы является экспериментальное изучение механохимических реакций, протекающих с образованием водорастворимых форм карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений, и выявление возможности использования этих реакций в химической технологии для получения биологически активньпСДШТЩйгаЖГІСтасКе; для выделения биологически активных веществ из растлтельндавддамуд (
В работе поставлены следующие задачи:
Изучение механохимических превращений, протекающих с образованием водорастворимых солевых форм тритерпеновых кислот и дихлоризоциануровой кислоты;
Выявление физико-химических последствий механической активации гетерогенных систем, содержащих фитостерины (фитоэкдистероиды) и простые углеводы;
Изучение катализируемых кислотами механохимических реакций простых углеводов;
Использование изученных механохимических реакций для создания новых методов получения биологически активных препаратов;
Определение эффективности применения этих препаратов в качестве регуляторов роста и развития растений и животных в сельском хозяйстве.
Научная новизна:
Определены условия механохимического получения водорастворимых солей тритерпеновых кислот. Показано, чго механохимическая обработка смеси растительного сырья и твердого основания позволяет получать дисперсные системы, приведение которых в контакт с водой сопровождается образованием водорастворимых солей тритерпеновых кислот.
Изучен процесс получения водорастворимых форм фитостеринов, который протекает при механохимической обработке последних в системах, содержащих простые углеводы, в частности сахарозу. Показано, что наблюдаемый эффект может быть объяснен образованием на стадии механической обработки молекулярных комплексов или твердых растворов с герин-сахароза.
Впервые осуществлен механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты (ДХЦК) из изоциануровой (ИЦК) и трихлоризоциануровой кислот (ТХЦК). Показано, что механическая обработка смеси ТХЦК, ИЦК и твердых NaOH или К2С03 является эффективным методом активации твердофазного синтеза водорастворимых солей ДХЦК.
Установлено, что твердая органическая кислота или твердый неорганический амфолит (ЫаНСОз) являются эффективными катализаторами твердофазной аномеризации >-глюкозы. Впервые показано, что механическая обработка D-глюкозы в присутствии твердой органической кислоты приводит к продуктам димеризации. Механическая обработка сахарозы в присутствии твердой органической кислоты сопровождается образованием продуктов инверсии (глюкозы и фруктозы). Образующиеся моносахариды вовлекаются в процессы аномеризации и реверсии.
Практическая значимость. Изученные механохимические реакции карбоксил- и гидроксилзамещенных органических соединений с твердыми щелочами и углеводами интересны в плане приготовления биологически активных препаратов. Разработаны и оптимизированы способы повышения биологической доступности биологически активных тритерпеновых кислот {Abies sibirica Ledb.), фитоэкдистероидов {Serratula coronata L.) и фитостеринов {Panicum miliaceum L.).
На примере тритерпенових кислот, фитоэкдистероидов и фитостеринов показано, чго солюбилизация труднорастворимых органических соединений может быть проведена механохимически in situ, то есть в матрице сырья. Получаемый механохимической обработкой продукт обладает теми же свойствами, что и продукты традиционных экстракционных технологий. Безусловным преимуществом механохимического метода является сокращение числа стадий, необходимых для придания продукту желаемых свойств, и простота организации производства.
На защиту выносятся:
Механохимическое взаимодействие суммы тритерпеновых кислот Abies sibirica Ledb. с твердыми щелочными реагентами, приводящее к образованию водорастворимых солей;
Механохимический синтез дихлоризоциануровой кислоты, механическая активация твердофазного синтеза калиевой и натриевой соли дихлоризоциануровой кислоты;
Механическая активация экстракции фитоэкдистероидов Serraiula coronata L. из растительного сырья;
Образование водорастворимых форм фитостеринов Panicum miliaceum L. при механохимической взаимодействии последних с простыми углеводами;
Механохимические превращения простых углеводов - >-глюкозы и сахарозы: аномеризация кристаллических аномеров D-глюкозы, реверсия D-глюкозы и взаимодействие сахарозы с твердой органической кислотой;
Основанные на изученных процессах способы получения биологически активных препаратов и эффективность применения этих препаратов в качестве регуляторов роста и развития растений и животных в сельском хозяйстве.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях: 7-ом Российско-корейском симпозиуме по науке и технологии (Ульсан, Корея, 2003), Международной конференции «Механохимический синтез и спекание» (Новосибирск, Россия, 2004), 2-ой Конференции «Фундаментальная наука в интересах развития химической и химико-фармацевтической промышленности» (Пермь, Россия, 2004), Научном семинаре СО РАН - компания Шлюмберже, «Химические аспекты нефтедобычи» (Новосибирск, Россия, 2004).
Публикации. По теме работы опубликовано 4 статьи в журналах, 5 работ в трудах и тезисах конференций и защищено 3 патента.
Личный вклад соискателя заключается в участии в постановке задачи, проведении экспериментов и обсуждении результатов. Приведенные в диссертации результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Биологические эксперименты проведены совместно со специалистами Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института животноводства СО РАСХН, Сибирского научно-исследовательского института кормов СО РАСХН и ЗАО «Коченевская птицефабрика».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, вьгаодов, списка литературы, включающего 160 наименований. Работа изложена на 147 страницах, включая 22 рисунка, 8 таблиц и 6 страниц приложений.
Физико-химические последствия механической активации органических веществ
Под механической активацией понимают увеличение реакционной способности, обусловленное устойчивыми изменениями структуры вещества. Механически активированное твердое тело отличается тем, что процесс его деформации и химические последствия деформации разделены временем, достаточным для завершения релаксационных процессов [ 1]. Механическая активация признана одним из эффективных методов направленного изменения свойств твердых фаз. Основные последствия механической обработки твердых веществ заключаются в повышении их реакционной способности [1]. Приложенное к твердому телу механическое напряжение может релаксировать по нескольким каналам. Механическая энергия расходуется, главным образом, на образование новой поверхности и дефектов кристаллической структуры. Эти процессы приводят к увеличению свободной энергии твердого тела, в результате чего повышается его реакционная способность. Последнее обстоятельство носит общий характер. Так, механически активированные твердые фазы характеризуются повышенными, по сравнению с неактивированными фазами, скоростями растворения и легче вступают в химические реакции с газами и жидкостями. Таким образом, с практической точки зрения можно выделить следующие физико-химические последствия механической активации: Увеличение поверхности и связанные с этим размерные эффекты; Разупорядочение кристаллической структуры и аморфизация; Образование механокомпозитов и поверхностных комплексов; Протекание химических реакций. Механохимические превращения, образование поверхностных комплексов и механокомпозитов с развитой границей раздела фаз носят релаксационный характер и являются следствием изменений в структуре активируемых веществ. Упомянутые выше эффекты, связанные с изменением размеров и структуры, возникают в результате накопления твердым телом избыточной энергии, химические же процессы являются следствием «релаксации избыточной энергии», поэтому они будут рассмотрены в следующем разделе. 1.2.1. Увеличение поверхности и связанные с этим размерные эффекты Как правило, механическая обработка твердых тел приводит к увеличению поверхности. В первом приближении реакционная способность зависит от площади поверхности твердых веществ. С практической точки зрения интерес представляет изменение скорости растворения молекулярных кристаллических тел. Биологическая активность большинства органических соединений определяется скоростью их растворения в биологических системах.
Формирование частиц подходящего размера путем механической обработки можно рассматривать как наиболее простой способ изменения активности органических веществ [22]. Скорость растворения частиц с узким распределением по размерам описывается уравнением (1-3). Это уравнение в начальный момент времени, когда концентрация вещества существенно меньше равновесной, имеет решение (1-4). где D - коэффициент диффузии через слой Нернста, 3 - толщина диффузионного слоя Нернста, Cs — концентрация вещества в слое Нернста (равна концентрации вещества в насыщенном равновесном растворе), V - объем растворителя, р — плотность вещества, rq- начальный размер частиц, / - фактор, учитывающий отклонение от сферической формы, то и m(t) — масса вещества в начальный момент времени и в текущий, соответственно [23]. Предварительные исследования кинетики измельчения и растворимости вещества позволяют выбрать необходимые условия приготовления форм, характеризующихся оптимальными скоростями растворения, сопоставимые со скоростями метаболических процессов. Тонкое измельчение приводит также к увеличению поверхностной энергии. Избыточная свободная энергия может быть оценена по уравнению Томсона. Если увеличение поверхностной энергии твердого вещества вносит значительный вклад в свободную энергию, то при растворении мелкодисперсной фазы можно получить концентрации, превышающие те, что отвечают значениям равновесной растворимости. При условии, что кристаллизация вещества из растворов по каким-то причинам затруднена, тонкое измельчение может использоваться для получения форм, при растворении которых будет обеспечена стабильно высокая концентрация действующего вещества Са: Уравнение Оствальда-Фрейндлиха (IS) не учитывает термодинамические особенности микрокристаллических систем. Речь идет о зависимости поверхностной энергии и упругих напряжений вблизи поверхности от размера частиц. Избыточная свободная энергия (f в приближении частиц сферической формы равна сумме поверхностной энергии и энергии упругости Ge: где S и V площадь поверхности и объем частицы, Si и о - площадь грани / и поверхностная энергия на ней. При достаточно высокой дисперсности вещества избыточная свободная энергия (1-6) приводит к проявлению специфических размерных эффектов, таких как снижение температур фазовых переходов (например, плавления) и изменение кинетики растворения [24]. Уравнение Томсона для температуры фазового перехода с учетом (J-6) может быть представлено в виде: где а и р низкотемпературная и высокотемпературная фазы, V- молярный объем. С учетом изменения концентрации вещества в слое Нернста отношение скоростей растворения активированной и равновесной фаз (, и &) определяется выражением: Подобные эффекты наблюдаются для частиц размером 10-100 нм.
Как показывает практика, получить такие кристаллы путем механического диспергирования очень сложно. Измельчение при низких температурах ( 75 К) позволяет достигать высоких значений площади поверхности. При таком снижении температуры энергия, необходимая для инициирования пластической деформации, повышается, и наиболее предпочтительным становится хрупкое разрушение твердого тела. Так были получены высокоактивные тонкодисперсные формы теофиллина, тимуловой кислоты (400 л//г) и ацетата кортизона (130 м2/г) [25-27]. Указанные площади поверхности соответствуют частицам с размерами 10-50 нм. Измельчение при низких температурах можно использовать тогда, когда механическая обработка при комнатной температуре не дает желаемых результатов, как в случае коллагена и многих других материалов животного происхождения [28]. При измельчении молекулярных веществ обычными методами, например с помощью вибромельниц или планетарных активаторов, механическая энергия расходуется преимущественно в процессах тепловыделения и пластической деформации. Для частиц размером 0.5-20 мкм поверхностный вклад в не превышает 2-10 %, Большая часть избыточной свободной энергии связана с накоплением дефектов в кристаллической структуре. Изучение процессов механической активации показывает, что изменение физико-химических свойств может быть обусловлено: уменьшением размеров кристаллитов, т.е. с увеличением протяженности межблочной границы; накоплением дислокаций; нарушением системы межмолекулярных взаимодействий; аморфизацией. Степень дефектности активированных веществ может быть оценена с « помощью различных методов, например, калориметрии, структурного и спектрального анализа. Применение этих и других методов позволяет установить взаимосвязь между изменениями в структуре вещества и повышением его реакционной способности. Механическая обработка кристаллов, в которых межмолекулярное взаимодействие обусловлено донорно-акцепторными связями, часто приводит к заметным изменениям в ИК-спектрах. Как правило, наблюдается перераспределение интен- сивностей и сдвиги полос поглощения валентных колебаний групп, участвующих в образовании водородных связей. Так, в ИК-спектрах активированной урсодиокси-холиевой кислоты {US) уменьшается интенсивность полосы комбинационного колебания группы С-О-Н, а положение полосы смещается на 20 см1 [29].
Краткая характеристика соединений, выбранных в качестве объектов исследования
Эфирный экстракт хвои пихты сибирской (Abies sibirica Ledb. [98]) содержит 51 % кислот, большая часть из которых является тритерпеновыми. Кислоты эфирного экстракта принято условно разделять на «слабые» и «сильные». Фракция «сильных» состоит преимущественно из тритерпеновых кислот, во фракцию «слабых» попадают также все смоляные и жирные кислоты [99]. Из смеси «сильных» кислот эфирного экстракта хвои в виде метиловых эфиров выделены тритерпеноиды 9р-ланостанового типа [100, 101]: З-гидрокси-23-оксоланостановые кислоты (7, 2)2 их 3-кетоаналоги (3, 4) и 3,23-диоксокислоты (5, 6). Соединения (/ и 2) являются соответственно 23-оксопроизводными мариесиовой А кислоты и ее 24-Z-H30Mepa. Фирмановая кислота (5), впервые описанная Хазегавой [102], ее 24-2-изомер (6), а также кислоты (3 и 4) являются основными компонентами кислой части экстракта « Здесь и далее соединения, выбранные в качестве объектов исследования, имеют индивидуальную нумерацию. хвои. Их суммарная доля среди «сильных» кислот составляет более 55 %. Впоследствии разнообразие «сильных» тритерпеновых кислот, содержащихся в пихтовой хвое, было дополнено изофирмаяовой кислотой (7), А -изомером фирмановой кислоты (#), 3-метокси-производным кислоты (2\ г ис-сибировой и ангидросибировой кислотами [103, 104]. Детальное изучение кислой части хвои пихты показало, что каждая тритерпеновая кислота представлена двумя геометрическими изомерами по А24- двойной связи [105]. Zfwc-изомеры находятся в циклической у-оксилактольной форме, которая в щелочных условиях переходит в соответствующий таутомер с р-ацетилакриловым фрагментом. Так, например, в индивидуальном состоянии был выделен таутомер (9) кислоты (б) [106], 24-Z-H30Mep кислоты (S) был также обнаружен в у-оксилактольной форме (10) [107]. Подобная таутомерия хорошо известна для пенициллиновой кислоты и была объектом отдельного исследования [108]. Процесс экстракции хвои органическими растворителями хорошо изучен. К настоящему времени известно несколько способов выделения суммы тритерпеновых кислот [109-111]. Посредством обработки растительного сырья органическим растворителем или раствором щелочи получают первичный экстракт, который затем подвергают экстракционному разделению в различных системах. Основная задача этих процедур заключается в отделении «сильных» тритерпеновых кислот от фенольных соединений и низкомолекулярных компонентов кислой части. Загрязнение фенольными соединениями конечного продукта заметно снижает его активность.
Известно, что многие фенольные соединения растительного происхождения являются ингибиторами роста. Не являясь фитогормонами, эти соединения способны активно влиять на рост растений, воздействуя на ауксиновый обмен [112]. для ускорения ризогенеза (образования корней) в рассадочных культурах риса и повышения его устойчивости к полеганию. Проведенные на томатах испытания показали, что применение препаратов на основе тритерпеновых кислот (Силк, Стилк и др.) позволяет на 50-100 % увеличить количество завязей, а среднюю массу плода на 15-20 %. Обработка растений в начале плодоношения увеличивает содержание каротиноидов и витамина С. Силк и его аналоги могут быть использованы для стимуляции роста и развития масличных культур, например рапса и подсолнечника [113-115]. К настоящему времени обнаружено и изучено около 5000 природных и синтетических соединений, обладающих свойствами регуляторов роста и развития растений. В мировой практике используется около 50 веществ. С одной стороны применение фиторегуляторов ограничивается сложными процедурами выделения (синтеза), узкой сырьевой базой и, как следствие, высокой ценой; с другой стороны, ввиду низких действующих концентраций, - использование фиторегуляторов требует использования специальной техники и подходов. В настоящее время сумму тритерпеновых кислот можно рассматривать как один из немногих нетоксичных и высокоэффективных препаратов для сельского хозяйства. Существенный вклад в стоимость препаратов на основе тритерпеновых кислот вносят многоступенчатая процедура экстракции и процесс приготовления разбавленных эмульсий. Концентрация действующих веществ в этих препаратах сопоставима с содержанием в исходном растительном сырье. В этой связи применение механохимических методов может позволить существенно упростить процесс приготовления препаратов на основе тритерпеновых кислот и сделать эти препараты более доступными. 1.4.2. Трихлоршоциануровая кислота и ее производные Трихлоризоциануровая кислота (ТХЦК, 13) активный органический окислитель, среди хлорамидов характеризуется максимальным содержанием активного хлора (91 %). Применяется в качестве окислителя и хлорирующего реагента, в реакциях нитрования, а также как действующий компонент дезинфицирующих средств [116-118]. Патентный поиск показывает, что применение ТХЦК как активного компонента дезинфицирующих средств постепенно ограничивается. В качестве альтернативы предложено использовать натриевые или калиевые соли дихлоризоциануровой кислоты (ДХЦК) или саму ДХЦК (14-16). Эти вещества характеризуются по сравнению с ТХЦК большей химической стабильностью, существенно меньшим давлением пара и могут долгое время храниться без выделения хлора. Однако эти вещества не выпускаются в столь больших объемах как ТХЦК и стоят гораздо дороже последней [119, 120].
Одним из вариантов расширения области применения доступной ТХЦК является приготовление быстрорастворимых стабилизированных дисперсных систем. Эти системы могут применяться не только как дезинфицирующие средства. Известна высокая эффективность и надежность нейтрализации сероводорода неорганическими и органическими окислителями, способными генерировать хлорноватистую кислоту или перекись водорода. В качестве альтернативы известным окислителям сероводорода можно использовать композиты на основе ТХЦК, доступного продукта многотоннажного производства. Стабилизация ТХЦК обычно достигается путем введения в дисперсные системы изоциануровой кислоты (ИЦК, 17). Следует ожидать, что наиболее эффективно этот процесс должен протекать в условиях механической активации. Поскольку механохимический синтез часто позволяет избежать проблемы сушки кристаллогидратов, его применение представляется перспективным в плане получении ДХЦК и ее водорастворимых солей. Ї.4.З. Фитостерины и фитоэкдистероиды К стеринам принято относить производные циклопентапергидро- фенантрена, например р-ситостерин (18), ланостерин и др. [121]. Вещества растительного происхождения принято называть фитостеринами. Стерины (С-27 - С-30) и родственные им тритерпены (С-30 - С-32) относятся к биологически активным соединениям - изопреноидам, объединенным начальными стадиями биосинтеза в одну группу. Продукты окислительной циклизации сквалена: ланостерин и циклоартенол, - ключевые соединения в биосинтезе стеринов и тритерпенов. Ланостерин является биосинтетическим предшественником стеринов у животных, циклоартенол - ключевым промежуточным продуктом в процессе биосинтеза фитостеринов. Стерины и тритерпены реализуют свои биологические функции в свободном состоянии, в виде гликозидов, сложных эфиров жирных кислот, а также в виде различных молекулярных комплексов. Стерины - И биосинтетические предшественники биорегуляторов и важные структурные компоненты клеточных мембран - участвуют в переносе жирных кислот во все ткани и оказывают существенное влияние на клеточный метаболизм. Многие тритерпены и стерины, подобно ланостерину и циклоартенолу, вовлекаются в организмах животных и растений в биосинтез других изопреноидов [122]. Таким образом, фитостерины и тритерпены, как и их производные -гликозиды, молекулярные комплексы, сложные эфиры, - способны влиять на основные биологические и физиологические функции живых организмов.
Определение фитоэкдистероидов в исходном сырье и водорастворимой части механокомпознтов
Растительное сырье. Исходное сырье обезжиривали к-С Нід и экстрагировали дважды горячей водой при температуре 50-60 ЯС в течение 1.5 ч, гидромодуль 6.0. Осадок отделяли от экстракта центрифугированием. Водные экстракты объединяли и экстрагировали трижды EtOAc при соотношении органической фазы к водной 3:1. Аналогичным образом, исключая стадию обезжиривания, получали EtOAc экстракт из продуктов механохимическои обработки растительного сырья. Органические экстракты анализировали на содержание 20-гидроксиэкдизона и инокостерона (основные экдистероиды серпухи венценосной) методом МС-ВЭЖХ. Продукт механохимической обработки также экстрагировали водой в условиях аналогичных экстракции исходного сырья. После отделения осадка объединенные водные части охлаждали до температуры 3-6 ЧС, при этом, в отличие от исходного сырья, из водного экстракта в течение 5-7 дней выкристаллизовывался 20-гидроксиэкдизон, который собирали центрифугированием. Условия МС-ВЭЖХ: элюент - градиент СН3ОН в Н20 от 20 до 70 %, скорость потока 0.5 мл/мин, ионизация при атмосферном давлении (электроспрей), сканирование положительных ионов в диапазоне m/z 200-600 с одновременной записью УФ-спектров (200-400 нм). 2.3.5. Анализ продуктов механохимической обработки простых углеводов Количественное определение гидроксильных групп в продуктах механической обработки проводили по модифицированному методу Огга, Портера и Уиллица [143]. В качестве ацетилирующего реагента использовали смесь пиридина, Ас20, ЕЮАс и 1-метилимидазола 15:10:5:1. Свободную кислоту определяли потенциометрическим титрованием. Исчерпывающе ацетилирование проводили в пиридине, используя в качестве катализатора 1-метилимидазол. В теплом пиридине (2.0 мл) растворяли механически активированный образец (400 л/г), добавляли 1-метилимидазол (0.16 мл) и холодный АсгО (1.6 мл). Реакционную смесь встряхивали в течение 40 мин. Продукты ацетилирования экстрагировали Et20 после добавления холодной воды (10 мл). Экстракт промывали насыщенным раствором NaCl, затем анализировали методом МС-ВЭЖХ. Триметилсилирование продуктов механохимической обработки проводили по методике, позволяющей количественно провести реакцию с сохранением конфигурации при С-1 атоме глюкозы [144]. Содержание аномеров )-глюкозы в полученных образцах определяли методом ГЖХ и МС-ГЖХ. Состав тритерпеновых кислот, механически активированных с NaHC03, Na2C03 и NaOH, исследовали с помощью ВЭЖХ. Установлено, что механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот с NaHCOj и Na2C03 не сопровождается деструкцией кислот.
Растворение в воде механокомпозитов, содержащих NaHC03 и Na2C03, и последующая экстракция подкисленных растворов органическим растворителем приводит к сумме кислот идентичной исходной. Механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот с NaOH сопровождается изменением качественного и количественного состава (см. результаты ВЭЖХ, рис. 6). Вероятно, механохимическое взаимодействие кислот со щелочью протекает аналогично известному процессу деградации 23-оксо-24-енового фрагмента и приводит к соответствующим норкетонам [145]. Поскольку при обработке с твердым NaOH изменение состава кислот носит глубокий необратимый характер, последующие эксперименты проводились только с ЫаНСОз и Na2C03. Полученные на основе гидрокарбоната и карбоната натрия композиты изучены методами ИК-спектроскопии и оптической микроскопии в сочетании со спектроскопией в видимой и УФ области. Характерными для ИК-спектров исходной суммы тритерпеновых кислот являются полосы поглощения, см 1: 1700 v(C=0) димеры ос,р-ненасыщенных RC02H, 1745-1750 циклогексаноновый фрагмент, плечо 1783-1765 v(C=0) у-оксилактоны. Механохимическое взаимодействие кислот с NaHC03 и Na2C03 приводит к изменению отношений интенсивностей полос поглощения групп С=0, принадлежащих различным структурным фрагментам (1800-1700 см 1 рис. 2, 3) [146]. В ходе активации порошковых смесей наблюдается расход NaHC03 и Na2C03, о чем свидетельствует уменьшение относительных интенсивностей поглощения ионов НС03 и С032, соответственно, см 1: 1396+1617 и 1447 [133]. Заметному протеканию механохимической реакции предшествует разрушение системы водородных связей, в результате чего в ИК-спектрах наблюдаются изменения в области валентных колебаний ОН 3300-3500 см1. Наиболее эффективно механохимическое взаимодействие тритерпеновых кислот протекает с избытком ЫагСО . Образование солевых форм отмечается уже на 4-8 минуте активации. В ИК-спектрах присутствуют полосы поглощения см 1: v С=0 (COONa) 1636, v, С=0 (COONa) 1387 [146]. Взаимодействие кислот с твердыми щелочами может быть описано уравнением 3-1. Конечным продуктом механической активации тритерпеновых кислот с карбонатом и гидрокарбонатом натрия является механокомпозит с развитой границей раздела фаз, на которой и протекает механохимическая нейтрализация кислот. Наряду с данными ИК-спектроскопии, в пользу образования солевых форм свидетельствукуг результаты изучения механокомпозитов с помощью метода люминесцентной спектроскопии с микроскопическим разрешением. С другой стороны, уменьшение интенсивности люминесценции свидетельствует в пользу протекания в системе химических процессов.
Сумма тритерпеновых кислот, использованная в эксперименте, содержала в следовых количествах хлорофилл, который имеет характерную красную люминесценцию при возбуждении в полосе поглощения 365-366 нм. Очевидно, что твердофазное перемешивание смеси сопровождается увеличением поверхности контакта между ее компонентами. Данное обстоятельство способствует более быстрому протеканию в системе химических реакций, в результате которых может происходить деградация хлорофилла. Вместе с тем, увеличение удельной поверхности облегчает окисление хлорофилла кислородом воздуха, а также фотоокисление хлорофилла при проведении микроскопических исследований механокомпозитов. . Качественный и количественный состав водорастворимой части тритерпеновыж кислот в механокомпозитах, полученных из Ш растительного сырья Интенсивная механическая активация (например, в АГО-2) может сопровождаться разрушением органических веществ. Согласно результатам модельных экспериментов тритерпеновые кислоты, содержащиеся в растительном сырье, не подвергаются деградации. Из композита «1-Р» — смеси, содержащей абразив и растительное сырье, Et20 экстрагировали вещества, которые затем очистили и проанализировали методом ВЭЖХ. Смесь выделенных веществ идентична сумме тритерпеновых кислот, полученных по известному экстракционному методу. Применение предварительной механо-химической обработки в данном случае позволило существенно повысить выход тритерпеновых кислот - с 2.8 % до 4.7%. Механокомпозит «2-Р», содержащий растительное сырье, абразив и Na2C03, и идентичную ему опытную партию получили в условиях, обеспечи вающих образование водорастворимых форм тритерпеновых кислот и связы- вание полифенольных соединений. Проточная технология (ВЦМ-10) не усту пает по эффективности получения водорастворимых форм процессу, осущест вляемому в дискретном режиме (АГО-2). Выход тритерпеновых кислот, полученных из водных экстрактов механокомпозитов «2-Р», составляет не менее 3.5 % (на растительное сырье). Сумма кислот, переходящих в водорастворимую форму в результате применения проточного режима, идентична сумме тритерпеновых кислот, выделенных экстракционным методом (рис. 6), и характеризуется большим содержанием полярных веществ. Таким образом, растворение кислот, содержащихся в механокомпозите, и экстракция кислот из сырья органическим растворителем протекает с различной селективностью.
Технологические приложения механической активации смесей, содержащих трихлорнзоциануровую кислоту
На основе полученных результатов представляется возможным путем механической обработки получать быстрорастворимые дисперсные системы, состоящие из ТХЦК или ее производных и реагентов различного функционального назначения (диспергаторы, плакирующие вещества, ПАВы и др.). Полученные системы могут использоваться для генерирования высоких концентраций хлорноватистой кислоты в водных растворах. Ограничения на использование ТХЦК в комбинированных дисперсных системах могут быть сняты путем применения двух подходов. Первый подход основан на применении высокоинтенсивной механической активации, в условиях которой возможно химическое превращение нерастворимых компонентов в растворимые, а химически лабильных соединений - в относительно инертные. Так, путем механической обработки удается активировать твердофазный синтез растворимых дихлоризоциануратов щелочных металлов. Второй подход заключается в получении механокомпозита с повышенной реакционной способностью. Твердая кислота (ТХЦК, ДХЦК и др.) и твердое основание (гидрокарбонат, карбонат натрия) не вступают в химическую реакцию при механической активации, а образуют композит, в котором они находятся в тесном физическом контакте. Было установлено, что в присутствии NaHC03 и Na2C03 ТХЦК и ИЦК гладко вступают в механохимическую реакцию с образованием ДХЦК. Таким образом, в данном случае получение растворимого механокомпозита включает перевод ТХЦК в химически стабильную ДХЦК. Скорость растворения композитов определяется транспортом растворителя в зону реакции или отводом продуктов реакции из реакционной зоны. Скорость растворения компактной формы композита будет зависеть не только от размера его частиц, но и от пористости этой формы. Для композитов, состоящих из очень мелких частиц, процесс растворения определяется диффузией растворителя сквозь поры к поверхности частиц. Важно отметить, что механическая активация и формирование механокомпозитов сопровождаются не только измельчением, но и агрегацией частиц. Процесс агрегации может быть связан с образованием нового продукта, кристаллы которого склонны к слеживанию. Агрегация может быть замедлена путем введения небольшого количества пластичных твердых веществ, способных за счет адгезии покрывать (плакировать) частицы композита. Например, добавление полиэтиленоксида позволило путем механической обработки получать композиты с выраженной гранулированной структурой.
Доля фракции 200-400 мкм в случае активации с полиэтиленоксидом возрастает с 40 до 70 %, при этом доля мелкодисперсной фракции с размером частиц менее 100 мкм уменьшается в несколько раз. Данное обстоятельство позволило получить пористые таблетированные формы, скорость растворения которых в два-три раза выше скорости растворения компактов, полученных из композитов, не содержащих плакирующего реагента. Таблетированные формы, приготовленные из механокомпозитов на основе ТХЦК, могут применяться для обеззараживания воды в чрезвычайных и аварийных ситуациях, в полевых условиях, и любых других случаях, когда используемая вода не соответствует эпидемиологическим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Содержание активного хлора в механохимическом препарате, как и в аналогах, составляет 35 %, а скорость растворения в 3-5 раз выше по сравнению с известными средствами. В механокомпозиты, приготовленные на основе ТХЦК, дополнительно могут вводиться образующие пену и выделяющие газ вещества. Такие материалы находят применение в нефтяной и газовой промышленности в случаях, когда надо заполнить скважину пеной и не допустить выделения из не сероводорода. В рамках работы предложен механохимический способ получения быстрорастворимой комбинированной пенной системы, содержащей до 30-35 % ТХЦК. Механохимическая обработка позволяет получать химически стабильные быстрорастворимые механокомпозиты, имеющие оптимальный для компактрования гранулометрический состав. Полученные путем механической обработки сыпучие массы пригодны к непосредственному таблетированию. Конечный продукт обладает удовлетворительной поглощающей способностью по сероводороду. Растворение компактных форм протекает с обильным образованием пены, характеристики которой определяются способом приготовления и могут варьироваться в широких пределах (рис. 12). 4. Физико-химические последствия механохимической обработки систем, содержащих гид рокси л замещенные органические соединения 4.1.
Механохимическая активация водной экстракции фитоэкдистероидов Фитоэкдистероиды сравнительно легко растворяются в воде, поэтому для их выделения, как правило, используют экстракцию водой или водно-органическими растворителями с последующей многоступенчатой очисткой. Традиционные способы выделения фитоэкдистероидов включают обезжиривание сырья, водную экстракцию, реэкстракцию этил ацетатом, хроматографическое разделение и кристаллизацию. В качестве основных продуктов получают 20-гидроксиэкдизон (21) и инокостерон (22), в ряде случаев также выделяют несколько минорных компонентов (экдизон, макестерон А и др.) [130, 130а]. Выраженная биологическая активность фитоэкдистероидов делает эти соединения привлекательными не только для медицины, но и для сельского хозяйства. В настоящее время ведутся активные поиски методов получения доступного сырья, содержащего фитоэкдистероиды в необходимых для выделения концентрациях. Применение сложной процедуры выделения фитоэкдистероидов является оправданным при использовании сырья, характеризующегося высоким содержанием фитоэкдистероидов. Некоторые виды сырья содержат фитоэкдистероиды в высоких концентрациях (до 1.5-2.0 %), однако даже в этом случае стоимость выделенных веществ порой превышает 1000 долларов за грамм. Альтернативой известным методам получения фитоэкдистероидов и препаратов, содержащих фитоэкдистероиды, могут стать подходы, позволяющие использовать в технологическом процессе некондиционное сырье с низким содержанием целевых компонентов. Известно, что механохимическая обработка растительного сырья позволяет интенсифицировать процессы экстракционного выделения, С другой стороны механическая обработка растительного сырья с подходящим реагентом может быть использована для солюбилизации целевых компонентов in situ. В этом случае в качестве биологически активного препарата наиболее целесообразным представляется непосредственно использовать продукт механической обработки. Как и в случае выделения полифенол ьных соединений [97] механохимическая обработка растительного сырья позволяет проводить водную экстракцию водорастворимых фитоэкдистероидов без предварительного обезжиривания. Согласно результатам МС-ВЭЖХ селективность и эффективность водной экстракции механохимически обработанного растительного сырья отличаются от обычной экстракции (рис. 13).
