Термодинамические характеристики взаимодействий циклодекстринов с некоТорыми биоактивными молекулами

На правах рукописи

ОБУХОВА Наталья Анатольевна

Термодинамические характеристики взаимодействий циклодекстринов с некоТорыми биоактивными молекулами.

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Иваново – 2006

Работа выполнена в Институте химии растворов Российской академии наук

Научный руководитель доктор химических наук,

старший научный сотрудник

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профессор

доктор химических наук,

старший научный сотрудник

Мамардашвили Нугзар Жораевич

Ведущая организация Институт физической химии и электрохимии

им. РАН

Защита состоится «1» июня 2006 года в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 002.106.01 при Институте химии растворов

РАН .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии растворов РАН.

Автореферат разослан «28» апреля 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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

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

Учитывая изложенное, комплексное физико-химическое исследование энергетики и механизма межчастичных взаимодействий биологически активных молекул – витаминов с макроциклическими олигосахаридами – циклодекстринами, обладающими различным характером связывания молекул гостей, является актуальным. Работа выполнена в рамках приоритетного направления «Супрамолекулярные и наноразмерные самоорганизующиеся системы для использования в современных высоких технологиях» по теме «Физико-химические свойства растворов сахаридов», № гос. регистрации 01.2; поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № и № ), награждена дипломом за победу в конкурсе молодых ученых на Всероссийском научном Симпозиуме по термохимии и калориметрии (1-3 июля 2004г, Нижний Новгород).

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

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

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

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях: IX Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования”, 28 июня - 2 июля 2004г, Плес; Всероссийский научный Симпозиум по термохимии и калориметрии, 1-3 июля 2004г, Нижний Новгород; International Conference on Supramolecular Science and Technology Prague. 5-9 Sept., 2004; 3-rd International Symp. “Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Arch.” Kazan, Russia. 20-24 Sept. 2004; II Международная молодежная конференция - школа “Синтез и строение супрамолекулярных соединений, 26 сентября - 1 октября 2004г, Туапсе; III Конференция молодых ученых ИХР РАН, 17-19 ноября 2004г, Иваново; XV Международная конференция по химической термодинамике в России. Москва, 27 июня -2 июля 2005г.; V Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» Саратов, 22-24 июня, 2005г.; XXX Intern. Symp. on Macrocyclic Chemistry. Germany. Dresden. 17-21 July. 2005.; European Conference on Calorimetry and Thermal Analysis for Environment. 6-11 September 2005 Zacopane, Poland; X International Seminar on Inclusion Compounds (ISIC-10) Kazan, Russia, 18-22 Sept., 2005, Р.152.; I Всероссийская школа-конференция «Молодые ученые - Новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность», 26-29 сентября 2005г, Иваново.

Вклад автора. Экспериментальное изучение процессов комплексообразования природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми биоактивными молекулами проведено лично. Постановка задач, обсуждение и обработка экспериментальных данных выполнено совместно с научным руководителем д. х.н. и постоянным соавтором к. х.н. .

Достоверность результатов исследований определяется воспроизводимостью результатов с заданной точностью; совпадением результатов, полученных разными методами; использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных; согласие с литературными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи и 16 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 175 стр., содержит 19 табл., 46 рис. и состоит из оглавления, введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных итогов работы, списка цитируемой литературы, включающей 193 наименования и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Литературный обзор. Проведен анализ литературных данных по молекулярной структуре, физико-химическим свойствам, комплексообразующей способности циклодекстринов по отношению к разнообразным ион-молекулярным частицам «гостей». Рассмотрены аспекты практического использования циклодекстринов. Сделан вывод об актуальности исследования комплексообразования циклодекстринов с биоактивными молекулами: аскорбиновой, никотиновой кислотами и никотинамидом, мета - и пара-аминобензойными кислотами. Охарактеризованы важнейшие физико-химические свойства молекул «гостей» и их состояние в растворе.

Экспериментальная часть. Для изучения особенностей взаимодействий в растворах циклодекстринов и биоактивных молекул и образования комплексов «гость/хозяин» были использованы: термохимический (калориметрия растворения), спектроскопические (УФ и 1Н ЯМР) и полярографический методы.

Термодинамические измерения проводили на изотермическом ампульном калориметре растворения с термической чувствительностью 0,002 Дж и относительной погрешностью 0.6%. Измерения УФ спектров проводили на спектрофотометре SPECORD M40 в интервале длин волн 210-300 нм и на спектрофотометре UV-VIS SPECORD M40 в диапазоне 280-400нм при комнатной температуре (298.15 К). Спектры ЯМР 1Н регистрировали при 298.15К и рН 3.4 и 6 на спектрометре «Bruker AC-200» (200 МГц) в дейтерированной воде с циклогексаном в качестве внешнего стандарта. Применение температурной приставки Bruker BVT-3000 обеспечивало точность поддержания температуры ±0.10К. Электрохимическое окисление аскорбиновой кислоты было изучено методом постояннотоковой полярографии на капающем ртутном электроде по трехэлектродной схеме при помощи полярографа ПУ1.

Расчет энтальпий комплексообразования и констант устойчивости комплексов проводился с использованием программ HEAT, RSSU, FTMT, а также математическими методами.

Обсуждение результатов.

Исследование процессов комплексообразования аскорбиновой кислоты с циклодекстринами.

Аскорбиновая кислота (АК, витамин С), необходима для жизнедеятельности организма, она участвует в синтезе коллагена и нормализации проницаемости капилляров, регулировании окислительно-восстановительных процессов углеводного обмена, свертываемости крови (рис.1). В качестве природного антиоксиданта АК предотвращает вредное воздействие радикалов на клетки. Вместе с тем, подвергаясь воздействию окислителя, АК быстро переходит в неактивную форму. Представлялось целесообразным исследовать возможность инкапсулирования АК в полость ЦД для предотвращения ее окисления.

Рис. 1. Структурная формула молекулы L-аскорбиновой кислоты.

 

Калориметрическое, спектрофотометрическое и полярографическое исследования взаимодействий аскорбиновой кислоты с природными и модифицированными a-, b-циклодекстринами показало, что комплексы являются слабыми (табл.1).

Рис. 3. Зависимость энтальпии переноса циклодекстринов из воды в водные растворы аскорбиновой кислоты от концентрации аскорбиновой кислоты (Т=298.15 К).

Рис. 2. Зависимость энтальпии переноса циклодекстринов из воды в водные растворы аскорбиновой кислоты от концентрации аскорбиновой кислоты (Т=298.15 К).

Таблица 1. Термодинамические параметры комплексообразования a- и гидроксипропил-b-циклодекстринов с аскорбиновой кислотой в воде при 298.15 К.

Комплекс	K, кг×моль-1	DGc0, кДж×моль-1	DHc0, кДж×моль-1	TDSc0, кДж×моль-1
a-ЦД/H2A ГП-b-ЦД(2.1)/Н2А ГП-b-ЦД(4.2)/Н2А	4 4	- -3 -3	- -12 -16	- -9 -12

Процессы комплексообразования с a-ЦД сопровождаются небольшими отрицательными значениями изменения энтальпии и энтропии. Энтальпийная составляющая энергии Гиббса комплексообразования соизмерима по величине с энтропийным вкладом. Исходя из геометрических соображений (диаметр полости α-ЦД соизмерим с размером молекулы АК) и сравнения с другими молекулами, содержащими гидрофобные недиссоциированные карбоксильные группы, АК должна вступать в комплексообразование с ЦД. Очевидно, что образование слабых комплексов обусловлено наличием сильно гидратированных - ОН групп в молекуле АК, что препятствует процессу включения. Введение гидроксипропильных заместителей в молекулу циклодекстрина приводит к росту его растворимости и препятствует ферментативному распаду полисахаридов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с ростом степени замещения в ряду ГП-a-ЦД, ГП-b-ЦД(2.1) , ГП-b-ЦД(4.2) взаимодействие с АК усиливается и сопровождается ростом энтальпии и понижением энтропии. Объемные заместители ГП-b-ЦД, окружающие полость, способны образовывать водородные связи с полярными группами АК, удерживая ее в составе внешнесферного комплекса. На основе полученных термодинамических характеристик можно предложить ряд возрастания комплексообразующей способности природных и модифицированных ЦД по отношению к недиссоциированной форме АК:

ГП-b-ЦД(4.2) > ГП-b-ЦД(2.1) > a-ЦД > ГП-a-ЦД > b-ЦД.

По-видимому, данная зависимость связана с последовательным понижением энтальпийного вклада от образования водородных связей ЦД-АК при последовательном уменьшении степени замещения в циклодекстринах и возрастанием роли дегидратационных взаимодействий при формировании комплексов, приводящих к переходу системы в более разупорядоченное состояние.

Спектрофотометрическое исследование взаимодействия в системах также подтвердило образование слабых молекулярных комплексов (рис.4).

 

Значение константы устойчивости комплекса ГП-b-ЦД(4.2)/Н2А (lgK=0,70±0,04) вычислено на основе спектральных данных с использованием компьютерной программы FTMT. Наилучшее согласование экспериментальных и рассчитанных значений наблюдается для стехиометрии 1:1. Значение кажущейся константы устойчивости хорошо согласуется с константой, полученной калориметрически. В случае a-ЦД не удалось рассчитать константу устойчивости комплекса, поскольку на концентрационной зависимости не достигнута точка эквивалентности из-за ограниченной растворимости a-ЦД, что подтверждает образование слабого комплекса.

Низкое значение окислительно-восстановительного потенциала АК способствует ее преждевременному окислительному превращению в организме и снижению профилактического и терапевтического эффекта, поэтому был изучен процесс электрохимического окисления АК в водных растворах при рН ~ 3 в присутствии избыточных количеств глюкозы (фрагмент ЦД) и b-ЦД при помощи классической и переменнотоковой полярографии.

Рис.5. Постояннотоковая полярограмма процесса окисления чистой аскорбиновой кислоты и аскорбиновой кислоты в присутствии глюкозы.

Рис.6. Постояннотоковая полярограмма процесса окисления чистой аскорбиновой кислоты и при разных соотношениях АК:ЦД.

Измерения показали, что введение глюкозы (10-кратный избыток) в раствор АК не изменяет характеристик полярографической волны - высоты и потенциала полуволны Е1/2 (рис.5), и характеристик максимума тока при переменнотоковых измерениях (высоты, ширины и потенциала максимума Ем тока). Это свидетельствует об отсутствии взаимодействий между АК и глюкозой. Напротив, введение b-ЦД (конц. 1´10-4 ¸ 3´10-3 моль×кг-1) в раствор АК (рис.6) при сохранении обратимости электродной реакции приводит к смещению Е1/2 (Ем) в область положительных потенциалов ~ на 10-20 мВ и существенному снижению тока окисления - до 40% по отношению к окислению АК.

Т. О. аскорбиновая кислота с α- и ГП-β-ЦД образует слабые внешнесферные комплексы, вероятно, она координируется с молекулой циклодекстрина со стороны узкого «обода», образуя слабые водородные связи с ОН - и ГП - группами циклодекстрина, расположенными на меньшем кольце.

Исследование взаимодействий никотиновой кислоты (НК) и никотинамида с циклодекстринами.

НК - это водорастворимый витамин, играющий важную роль в процессах жизнедеятельности организма, являясь простетической группой ферментов НАД и НАДФ и проявляющий фармакологическую активность. Никотинамид проявляет аналогичные никотиновой кислоте витаминные свойства, но он медленнее проникает в клетку. Никотинамид является слабым основанием. Возможность применения никотиновой кислоты в качестве лекарственного средства затруднена в связи с ее низкой растворимостью в воде и наличием побочных действий, выходом из этой ситуации служит использование капсулирующих препаратов.

Рис.7. Никотиновая кислота и никотинамид.

Сопоставление данных систем позволяет сделать заключения о влиянии полярности амидной и карбоксильной групп на комплексообразование.

Экспериментальные зависимости (рис. 8, 9). свидетельствуют о том, что комплексы образуются при взаимодействии a-ЦД и ГП-a-ЦД с НК при различных значениях рН среды, а никотинамид не образует комплексов с циклодекстринами. Это может быть объяснено присутствием в структуре никотинамида полярных сильно гидратированных групп – гетероатома азота и амидной группы. Вследствие этого процесс комплексообразования становится энергетически невыгодным. Карбоксильная группа НК проявляет меньшее сродство к образованию водородной связи и более гидрофобна.

Рис. 8. Зависимость энтальпии переноса циклодекстринов из воды в водные растворы никотинамида от концентрации никотинамида (Т=298.15 К).

Рис. 9. Зависимость энтальпии переноса циклодекстринов из воды в водные растворы никотиновой кислоты от концентрации никотиновой кислоты (Т=298.15 К).

Термодинамические параметры комплексообразования представлены в таблице 2. Процессы комплексообразования характеризуются отрицательными значениями DHc0 и DSc0, и энтальпийная составляющая энергии Гиббса вносит основной вклад в константу устойчивости комплексов.

Таблица 2. Термодинамические параметры комплексообразования циклодекстринов с никотиновой кислотой в воде при 298.15К.

Комплекс	рН	К, кг·моль-1	ΔGс0, кДж·моль-1	ΔНс0, кДж·моль-1	ТΔSс0, кДж·моль-1
α-ЦД/НК± ГП-α-ЦД/НК± α-ЦД/НК-	3.4 3.4 6.7	33 (5) 23 (4) 14 (2)	-8.7 -7.8 -6.5	-2 -2 -2	-17.7 -16.6 -17.0

При сравнении термодинамических характеристик комплексов a-ЦД/HК и ГП-a-ЦД/HК видно, что наличие гидроксипропильных заместителей у первичных ОН-групп a-ЦД не оказывает существенного влияния на устойчивость комплекса. Поскольку гидроксипропильные заместители расположены у узкого «обода» молекулы ЦД и не влияют на устойчивость комплекса, то можно заключить, что карбоксильная группа НК проникает в полость хозяина со стороны широкой части его молекулы, окруженной вторичными ОН-группами. Этот вывод хорошо согласуется с картиной связывания, полученной на основании данных ЯМР 1Н спектроскопии.

УФ спектроскопическое исследование комплексов НК с циклодекстринами было проведено для подтверждения калориметрических результатов. На рис. 10 и 11 представлены спектры поглощения НК в присутствии разных ЦД. Как видно анионная форма не образует комплексов с ГП-a-ЦД, в то время как ее цвиттерионная форма вступает в комплексообразование. Зависимости, аналогичные представленным на рис. 11 были получены для систем с a - ЦД при рН 3,4 и 6,7.

 

Константы устойчивости комплексов были рассчитаны на основе кривой насыщения с использованием компьютерной программы FTMT, которые составили 49(3), 57(3), 17(4) для комплексов a-ЦД/HК (рН=3.4), ГП-a-ЦД/НК (рН=3.4) и a-ЦД/HК (рН=6.7) соответственно.

ЯМР спектроскопическое исследование комплексов НК с ЦД дает дополнительную информацию о стехиометрии комплексов, позволяет дать оценку глубины проникновения молекулы НК в полость ЦД и судить о структуре образующихся комплексов. На рис.12 приведен спектр ионизированной формы НК в чистой дейтерированной воде и в присутствии α-ЦД при рН=6. При добавлении α-ЦД сигналы всех протонов НК сдвигаются в область слабого поля, причем максимальное смещение характерно для протонов Н2 и Н3, находящихся вблизи карбоксильной группы.

Рис.12. 1H ЯМР спектры НК (T=298.15, рН=6): а - в D2O (0.04 моль×кг-1); б – в присутствии a-ЦД (0.07 моль×кг-1).	Рис.13. Частичные 1H ЯМР спектры a-ЦД (0.07 моль×кг-1) в D2O (а) и в растворе НК (0.04 моль×кг-1) (T=298.15, рН=3.4, рН=6) (б) и (в) соответственно.

 

На рис.13 представлен частичный спектр α-ЦД в чистой дейтерированной воде и в присутствии НК при рН 3,4 и 6. В обоих случаях (рис.12 б и в) наблюдается изменение положения сигнала только протона Н3, причем, для системы с преобладанием цвиттериона НК (рН 3,4) Δδ протона Н3 максимально, что может быть связано с более сильным взаимодействием гостя и хозяина.

Значения химических сдвигов (Δδ) для протонов анионной формы никотиновой кислоты в D2O и в растворе D2O+ЦД представлены в таблице 3.

Таблица 3. Величины изменения химических сдвигов (Dd) в спектрах ЯМР 1Н никотиновой кислоты в присутствии a-, b - и гидроксипропил-a-циклодекстринов (рН=6, Т=298.15 К).

Протон	Чистая НК	Dd / м. д.
b-ЦД (0.009)	a-ЦД (0.07)	ГП-a-ЦД (0.06)
Н2 Н3 Н4 Н5	8.92 8.22 8.59 7.50	0.01 0.00 0.00 -0.01	0.16 0.16 0.02 0.02	0.13 0.12 0.03 0.04

Из таблицы видно, что Δδ~0, т. е. взаимодействия НК с β-ЦД слабые и не сопровождаются связыванием. Протоны НК при добавлении a-ЦД сдвигаются в сторону слабого поля, значения Δδ зависят от концентрации a - ЦД и почти не зависят от наличия заместителя в молекуле a- ЦД (табл. 3.). Максимальное значение Dd получено для Н2 и Н3, на основании чего предполагаем, что НК проникает в полость a - ЦД и ГП-a- ЦД со стороны более широкого «обода» его молекулы, и полярная –СОО- группа вместе с прилегающими к ней атомами в положениях 2 и 3 располагаются внутри макроциклической полости.

Этот факт согласуется с полученными термодинамическими параметрами комплексообразования (табл.2), откуда видно, что цвиттерион кислоты образует наиболее устойчивый комплекс с a-ЦД. Стехиометрический состав комплексной частицы был определен нами для комплекса НК/a-ЦД на основе данных ЯМР 1Н спектроскопии с использованием метода непрерывных изменений (метод Джоба).

Рис.14. График Джоба для системы a-ЦД/никотиновая кислота в растворе дейтерированной воды D2O.

 

На рис.14 представлена зависимость изменения положения сигнала протона Н3 от соотношения концентраций компонентов раствора. Минимум зависимости, соответствующий R=0.5, указывает на состав комплекса 1:1. Используя полученные данные ЯМР 1Н спектроскопии и калориметрии, делаем вывод, что молекула НК неглубоко проникает своей карбоксильной группой с прилегающими к ней атомами в положениях 2 и 3 в полость α-ЦД со стороны более широкой части его молекулы. Таким образом, центром взаимодействия является широкая часть молекулы, и ГП заместители, окружающие узкий «обод», не оказывают значительного влияния на процесс комплексообразования.

Исследование процессов комплексообразования аминобензойных кислот (АБ) с циклодекстринами.

Среди аминобензойных кислот наибольшей биологической активностью обладает пара-АБ кислота – витаминоподобное вещество.

Она входит в состав многих лекарственных препаратов. Являясь составной частью коферментов, пара-аминобензойная кислота участвует во многих ключевых процессах обмена веществ. АБ кислоты содержат в орто-, мета - и пара - положениях гидрофильную - NH2 и гидрофобную –СООН группы, что приводит к существенному изменению гидратации их молекул и ионов, и оказывает влияние на ряд характеристик этих веществ, таких как константы кислотно-основных равновесий, растворимость, комплексообразующая способность. Используя данные вещества в качестве молекулярных зондов, можно проследить ряд важных закономерностей во влиянии структуры молекулы гостя и ее гидратации на процесс комплексообразования. Данные исследования позволят сделать выводы о важности строения молекулы гостя для комплексообразования с циклодекстринами и влиянии на процесс включения.

 

Рис.15. Пара-, мета - и ортоаминобензойные кислоты.

 

Экспериментальные зависимости энтальпий переноса α- и β-ЦД от концентраций пара - и мета-АБ кислот представлены на рис.14, 15.

 

Из рис. 16, 17 видно, что обе формы пара - и мета-аминобензойных кислот и протонированная и нейтральная образуют комплексы с обоими циклодекстринами.

Термодинамические характеристики образования комплексов α- и β-ЦД с пара - и мета-АБ кислотами представлены в таблице 4.

Таблица 4. Термодинамические параметры комплексообразования циклодекстринов с пара - и мета-аминобензойными кислотами в воде при 298.15К.

Комплекс	рН	К, кг·моль-1	DGc0, кДж·моль-1	DHc0, кДж·моль-1	TDSc0, кДж·моль-1
a-ЦД/пAБк a-ЦД/пAБк b-ЦД/пAБк b-ЦД/пAБк	2 3,3 2 3,3	1 59 (10)	-16,0 -18,1 -10,1 -16,4	-36,0 (0,5) -40,2 (0,4) -8,6 (0,3) -13,3 (0,2)	-20,0 -22,1 1,5 3,1
a-ЦД/мAБк a-ЦД/мAБк b-ЦД/мAБк b-ЦД/мAБк	2 3,3 2 3,3	59 (17) 89 (5) 62 (3)	-13,3 -10,1 -11,1 -10,2	-5,1 (0,2) -22,4 (0,6) -2,6 (0,1) -2,2 (0,8)	8,2 -12,3 8,5 8,0

Рассмотрение полученных данных показывает, что нет прямой связи между структурой ион-молекулярных частиц гостей и устойчивостью образуемых комплексов. Наиболее сильные комплексы образует молекулярная форма пара-АБ кислоты с α- и β-ЦД, при переходе к протонированной форме (в более кислую область рН) склонность к комплексообразованию уменьшается. Комплексы, образованные α-ЦД, стабилизированы энтальпийной составляющей энергии Гиббса, комплексы с β-ЦД являются энтальпийно-энтропийно стабилизированными.

В случае мета-АБ кислоты, наиболее устойчивыми являются комплексы α-ЦД и β-ЦД с протонированными формами. Возможно, это связано с эффектом перераспределения зарядов в протонированной частице и усиления гидрофобности карбоксильной группы. Протонированная форма мета-АБ кислоты образует более устойчивый комплекс с α-ЦД, чем молекулярная форма. В случае пара-АБ кислоты наблюдается противоположная картина.

УФ спектроскопическое исследование комплексов мета-аминобензойной кислоты с b - и замещенными гидроксипропил-b - и метил-b-циклодекстринами дополняет калориметрические результаты. На рис.18. представлены спектры поглощения мета-АБ кислоты в присутствии b-ЦД, аналогичные зависимости наблюдались и в случаях с ГП-b-ЦД и М-b-ЦД.

Рис.18. Зависимость оптической плотности молекулярной формы чистой мета-аминобензойной кислоты и мета-аминобензойной кислоты в присутствии b-циклодекстрина от длины волны.

Молекулярная форма мета-АБ кислоты (рН=3.3) образует комплексы со всеми тремя ЦД. При добавлении избыточных количеств ЦД к раствору мета-АБ кислоты наблюдалось увеличение величины оптической плотности и смещение максимума, что говорит о структурных перестройках, происходящих в растворе, и образовании комплекса. Константы устойчивости комплексов были рассчитаны на основе кривой насыщения с использованием компьютерной программы FTMT., которые составили 66(2,2), 92(0,7), 91(0,8) для комплексов b-ЦД/мAБк, ГП-b-ЦД/мAБк, М-b-ЦД/мAБк соответственно.

ЯМР спектроскопическое исследование комплексов аминобензойных кислот с циклодекстринами позволило определить стехиометрию полученных комплексов, уточнить их структуру и оценить глубину проникновения молекулы кислоты в полость ЦД. При включении ароматической мета-аминобензойной кислоты в полость β-циклодекстринов наблюдались значительные сдвиги в область сильного поля для протонов Н2 и Н3, которые расположены на экранирующей поверхности ароматического кольца молекулы, это указывает на взаимодействие этих ароматических протонов с протонами Н3 циклодекстринов, находящихся ближе к широкому «ободу», что указывает на достаточно глубокое проникновение ароматического кольца мета-аминобензойной кислоты в полость β-циклодекстрина.

Таблица 5. Величины изменения химических сдвигов (Dd) в спектрах ЯМР 1Н мета-АБ кислоты в присутствии избытков β-, ГП-β-, М-b-ЦД (рН=3,3, Т=298.15 К).

Протон	Чист. м-АБк	Dd / м. д.
b-ЦД [0,0162]	ГП-b-ЦД [0,016]	М-b-ЦД [0,015]
Н2 Н3 Н4 Н5	7,77 7,71 7,40 7,52	-0,17 -0,16 -0,09 -0,07	-0,20 -0,18 -0,12 -0,05	-0,23 -0,22 -0,12 -0,07

Стехиометрический состав комплексных частиц был определен нами для комплексов п-АБк/a-ЦД, п-АБк/b-ЦД, м-АМк/a-ЦД, м-АМк/b-ЦД на основе данных ЯМР 1Н спектроскопии с использованием метод Джоба. На рис.19 представлена зависимость Δδ(Н3) от соотношения концентраций компонентов раствора, подобные картины наблюдались и во всех остальных случаях.

Рис. 19. График Джоба для системы a-ЦД/пара-аминобензойная кислота в растворе дейтерированной воды D2O.

Минимум зависимости, соответствующий R=0.5, указывает на состав комплекса 1:1. Таким образом, данные 1Н ЯМР спектроскопии свидетельствуют о том, что молекулы мета - и пара-АБ кислот проникают карбоксильной группой в полости молекул ЦД со стороны широкого «обода». Константы устойчивости полученных комплексов были рассчитаны графически по методу Бенеси-Хильдебрандта, которые составили 62(5), 87(3), 85(4) для β-, ГП-β-, М-b-ЦД соответственно.

Сравнительный анализ характеристик комплексообразования никотиновой и аминобензойных кислот.

Таблица 6. Термодинамические параметры комплексообразования α-, β-, ГП-α- и ГП-β-циклодекстринов с ароматическими гостями при 298.15К.

Комплекс	lg K	DGc0, кДж моль-1	DHc0, кДж моль-1	TDSc0, кДж моль-1
a-ЦД/НК± (рН=3.4)	1.5	-8.7	-2	-17.7
a-ЦД/НК- (pH=6.7)	1.2	-6.5	-2	-17.0
ГП-a-ЦД/НК± (рН=3.4)	1.4	-7.8	-2	-16.6
a-ЦД/никотинамид (рН=5.9)	нет
ГП-a-ЦД/никотинамид(рН=2)	нет
ГП-a-ЦД/никотинамид(рН=5.9)	нет
a-ЦД/пAБк+ (рН=2) a-ЦД/пAБк (рН=3.3)	2.80 3.18	-16.0 -18.1	-3 -4	-20.0 -22.1
a-ЦД/мAБк+ (рН=2) a-ЦД/мAБк (рН=3.3)	2.33 1.77	-13.3 -10.1	- -2	8.2 -12.3
b-ЦД/ НК±(рН=3.4)	нет
ГП-b-ЦД/ НК±(рН=3.4)	нет
b-ЦД/ никотинамид (рН=5.9)	нет
b-ЦД/пAБк+ (рН=2) b-ЦД/пAБк (рН=3.3)	1,77 2.88	-10.1 -16.4	-8.6 (0,3) -13.3 (0,2)	1.5 3.1
b-ЦД/мAБк+ (рН=2) b-ЦД/мAБк (рН=3.3)	1.95 1.79	-11.1 -10.2	-2.6 (0,1) -2.2 (0,8)	8.5 8.0
ГП-b-ЦД/ мAБк	1,92 (УФ)
М-b-ЦД/ мAБк	1,91 (УФ)

Сравнительный анализ термодинамических характеристик, представленный в таблице 6, указывает, что наиболее энтальпийно благоприятно комплексообразование α-ЦД с молекулами гостей по сравнению с β-ЦД. Комплексы α-ЦД с молекулярной и протонированной формами пара-АБ кислоты по сравнению с комплексами α-ЦД с мета-АБ и никотиновой также более энтальпийно благоприятны. Переход к заряженным частицам приводит к усилению их гидратации по сравнению с молекулярными формами и как следствие этого, энтальпия комплексообразования становится менее экзотермичной и возрастает энтропийный вклад. Так, присутствие заряженной –СОО - группы приводит, как правило, к уменьшению значений ΔсН и ΔсS, исключение составляет случай мета-АБ кислоты при взаимодействии с β-ЦД.

Интересно отметить, что при взаимодействии α-ЦД с пара-АБ кислотой протонирование аминогруппы приводит к уменьшению устойчивости комплекса и энтальпия комплексообразования становится менее экзотермичной по сравнению с молекулярной формой при примерно одинаковой отрицательной энтропийной составляющей. В случае мета-АБ кислоты переход к протонированной форме резко понижает экзотермичность реакции комплексообразования, энтропийный вклад становится положительным, а устойчивость комплекса существенно возрастает по сравнению с молекулярной формой. Сравнение характеристик комплексов нейтральных форм НК и мета-АБ с a-циклодекстрином показало, что оба комплекса стабилизированы энтальпийной составляющей, характеризуются значительными отрицательными изменениями энтропии, константы устойчивости комплексов близки. Опираясь на данные ЯМР, этот факт можно объяснить тем, что в молекуле никотиновой кислоты гетероатом азота, образует дополнительные Н-связи с гидроксильными группами, окружающими полость ЦД, а в случае мета-аминобензойной кислоты - подвижная аминогруппа.

Проведено обобщение представленных термодинамических данных с результатами по комплексообразованию α- и β-ЦД с ароматическими аминокислотами, полученными ранее в нашей лаборатории .

Рис.20. Корреляция между величинами DSc0 и DHc0 при взаимодействии α- и β-ЦД с ароматическими кислотами в воде при 298,15К. *-относится к β-циклодекстрину, НК±- к ГП-α-ЦД

На рис. 20 приведена корреляция между величинами DSc0 и DHc0 при взаимодействии α- и β-ЦД с ароматическими кислотами. График отражает линейную зависимость изменения энтальпии от изменения энтропии при комплексообразовании.

На рис. 20 имеются две области, разделяющие изученные лиганды. Область с отрицательными значениями DSc0 и DHc0 включает точки, относящиеся к α-ЦД, положительные значения DSc0 и как правило, малые отрицательные значения DHc0 характеризуют взаимодействия с β-ЦД.

Комплексы с α-ЦД с ароматическими кислотами преимущественно стабилизированы энтальпийной составляющей энергии Гиббса, а комплексы β-ЦД– энтропийной составляющей. Это указывает на различный характер образования комплексов и важную роль процесса дегидратации молекул при взаимодействии.

Опираясь на информацию о структуре формирующихся комплексов, полученную из данных Н1 ЯМР и термодинамические характеристики комплексообразования нами предложен различный механизм комплексообразования α- и β-ЦД с ароматическими молекулами (АМ), содержащими в своем составе амино - и карбоксильные группы, определяемый различной степенью проникновения молекул гостей в полости α- и β-ЦД и вкладом, связанным с вытеснением молекул воды из полостей ЦД. В случае α-ЦД геометрические и гидратационные характеристики исследуемых объектов соотносятся таким образом, что при комплексообразовании с АМ происходит взаимодействие или по внешнесферному механизму или сопровождается только вхождением в молекулярную полость функциональной группы АМ. Такое взаимодействие не сопровождается дегидратацией АМ и полости циклодекстрина. В случае β-ЦД комплексообразование с АМ приводит к образованию соединений включения. Такой процесс требует значительных энергетических затрат, связанных с дегидратацией молекулярной полости и АМ. В результате образования соединения включения высвобождается несколько молекул воды, что компенсирует вклад от уменьшения числа частиц в результате комплексообразования. Интересно отметить, что выявленная нами закономерность носит общий характер, что нашло отражение в наличии единой зависимости ∆Н=f(∆S), в которой данные, характеризующие α- и β-ЦД лежат на одной прямой.

Основные итоги и выводы.

Экспериментальными методами (калориметрия, ЯМР, УФ-спектроскопия, полярография) впервые получены термодинамические характеристики взаимодействий в растворах α- и β-циклодекстринов и их гидроксипропил - и метил - замещенных с аскорбиновой, никотиновой, мета - и пара-аминобензойными кислотами и никотинамидом при различных значениях рН и стандартной температуре.

На основе анализа полученных данных:

- установлен различный механизм комплексообразования α- и β-циклодекстринов с ароматическими молекулами, содержащими в своем составе амино - и карбоксильные группы, определяемый различной степенью проникновения молекул гостей в полости α- и β-циклодекстринов и вкладом, связанным с вытеснением молекул воды из полостей циклодекстринов. Данный механизм находит отражение в единой энтальпийно-энтропийной зависимости, объединяющей оба типа лигандов, при этом взаимодействия с β-циклодекстринами характеризуются преимущественно положительными значениями изменения энтропии и малыми экзотермическими энтальпиями, а комплексообразование с α- циклодекстринами сопровождается отрицательными изменениями энтропии и энтальпии;

- проведена детализация взаимосвязи термодинамических характеристик комплексообразования с особенностями строения молекул гостей, при этом показано, что:

а) аскорбиновая кислота с α- и гидроксипропил-β-циклодекстрином образует слабые внешнесферные комплексы, вероятно, она координируется с молекулой циклодекстрина со стороны узкого «обода», образуя слабые водородные связи с ОН - группами циклодекстрина и гидроксипропильными заместителями, расположенными на меньшем кольце замещенного циклодекстрина. В системе аскорбиновая кислота - β-циклодекстрин происходит снижение тока окисления аскорбиновой кислоты.

б) цвиттерионная форма никотиновой кислоты вступает в процессы комплексообразования с a - и гидроксипропил-a-циклодекстрином, а ее анионная форма только с a-циклодекстрином. Введение гидроксипропильных заместителей не оказывает существенного влияния на устойчивость комплексов. По данным 1Н ЯМР комплексообразование обусловлено неглубоким проникновением карбоксильной группы молекулы никотиновой кислоты в полость a-циклодекстрина. Ионизация карбоксильной группы снижает склонность к комплексообразованию.

в) никотинамид не образует комплексов ни с одним из исследуемых циклодекстринов.

г) нейтральная и протонированная формы мета - и пара-аминобензойных кислот образуют комплексы со всеми рассматриваемыми циклодекстринами. Протонирование аминогруппы в случае пара-аминобензойной кислоты приводит к ослаблению комплекса, а в случае с мета-аминобензойной кислотой, к его стабилизации. Спектрофотометрическое и 1Н ЯМР спектроскопическое исследования показали, что наличие гидроксипропильных и метильных заместителей со стороны узкого «обода» молекулы β-циклодекстрина способствуют комплексообразованию, образуя дополнительные связи с включенной молекулой мета-аминобензойной кислоты, тем самым сильнее удерживая ее в полости. Показано, что аминобензойные кислоты проникают в полость циклодекстрина со стороны широкого «обода» карбоксильной группой.

Основное содержание диссертации изложено в печатных работах:

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

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

3. , , Грачев исследование влияния заместителя, степени замещения и рН среды на процессы комплексообразования гидроксипропил-циклодекстринов с аскорбиновой кислотой // Известия Академии наук. Серия химич. 2005. № 8. С. 1828.

4. , , Альпер a - и гидроксипропил-a-циклодекстринов с никотиновой кислотой в водном растворе. // Журнал физической химии. 2005. 79. № 12. С. 2215.

5. , , Куликов. Супрамолекулярные комплексы природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми витаминами и лекарственными препаратами // IX Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования”. 28 июня - 2 июля 2004г. Плес. Сб. тез. С.87.

6. , , Агафонов аскорбиновой кислоты с β-циклодекстрином. Полярографическое исследование // IX Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования”. 28 июня - 2 июля 2004г. Плес. Сб. тез. С. 179.

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

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

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

10. , , Перлович включения природных и модифицированных циклодекстринов с некоторыми биологически значимыми кислотами // II Международная молодежная конференция- школа “Синтез и строение супрамолекулярных соединений, 26 сентября - 1 октября 2004г. Туапсе. Сб. тез. С. 26.

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

12. , Обухова взаимодействий циклодекстринов с некоторыми витаминами группы В // Межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-200апреля 2005. Сб. материалов. Ч. 1. С. 143.

13. , Терехова аскорбиновой кислоты с природными и модифицированными моно - и олигосахаридами // Межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-200апреля 2005. Сб. материалов. Ч. 1. С. 154.

14. , , Агафонов комплексообразования аминобензойных кислот с α-циклодекстрином // V Всероссийская конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» Саратов. 22-24 июня. 2005г. Сб. тез. С.15.

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

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

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

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

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

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

Выражаю искреннюю благодарность Тереховой Ирине Владимировне за участие в постановке эксперимента и помощь в работе над диссертацией.