Взаимодействие L-лизина с алкилсульфатами натрия в водных растворах © *, + , , Кафедра общей химии, биолого-химический факультет, ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ» Ул. Победы, 85. г. Белгород, 308015. Россия. Тел.: [phone]) . E-mail:*****@***edu. ru УДК 544.776

УДК 544.776

Взаимодействие L-лизина с алкилсульфатами натрия в водных растворах

© *, + ,

,

Кафедра общей химии, биолого-химический факультет, ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ»

Ул. Победы, 85. г. Белгород, 308015. Россия.

Тел.: [phone]) . E-mail:*****@***edu. ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, алкилсульфаты, лизин, температура Крафта, критическая концентрация мицеллообразования, электропроводность.

Аннотация

С использованием кондуктометрического метода изучено поведение смесей L-лизина с анионными поверхностно-активными веществами додецилсульфатом и гексадецилсульфатом натрия в водных растворах. Обнаружено образование двух типов ассоциатов алкилсульфатов и лизина – ионного типа по аминогруппе (N-комплекс) и молекулярного по карбоксильной группе (Н-комплекс), образуемого за счет водородной связи. Возможность образования молекулярного комплекса подтверждается исследованиями смесей алкилсульфатов с капроновой кислотой, изоструктурной по отношению к лизину. Определены некоторые коллоидно-химические характеристики комплексов.

Введение

L-лизин (б, е-диаминокапроновая кислота, оптически активная левовращающая форма) является одной из незаменимых аминокислот, входящих в состав белков. В природе L-лизин образуется путем биосинтеза из аспарагиновой и пировиноградной кислот через диаминопимелиновую кислоту, декарбоксилирование которой  приводит  к молекуле лизина. Лизин можно получить и синтетическим путем, например аминированием L-галогенкапролактама или другим методом. Однако биологической активностью обладает оптически активная левовращающая конфигурация лизина, а путем химического синтеза получается рацемическая смесь, которая не имеет биологической ценности, так как не усваивается или плохо усваивается в животном организме. Поэтому в промышленном  производстве  применяется микробиологический  синтез с использованием  в основном культуры Brevi-bacterium. Технология производства левовращающей формы L-лизина основана на биосинтезе из мелассного, крахмального или другого вида сырья с последующей ионообменной очисткой препарата [1]. Однако ионообменная технология очистки и выделения лизина имеет ряд недостатков. Поэтому актуальной задачей является разработка альтернативных методов выделения лизина, а также создание препаратов на его основе, в том числе современных наноразмерных композиций.

Одним из перспективных направлений этих работ является исследование взаимодействия поверхностно-активных веществ с лизином. Поверхностно-активные вещества успешно применяются во многих процессах получения и выделения биологически активных веществ, лекарственных форм, полимеров. При разработке соответствующих технологий необходимо знать коллоидно-химические характеристики ПАВ и смесей, при этом часто используются параметры мицеллообразования – концентрационный и температурный, известные как критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) и температура Крафта. Ранее были исследованы коллоидно-химические свойства смесей ПАВ [2-5]. Установленные закономерности могут быть использованы для выяснения механизма взаимодействия ПАВ с аминокислотами.

Известно, что белки, протеины, а также входящие в их состав аминокислоты, образуют комплексы с анионными, катионными и неионными ПАВ [6-8], и на этом основаны принципы их выделения из нативных сред, а также повышения растворимости биологических и лекарственных веществ. Механизм взаимодействия аминокислот, в частности лизина, может быть следующим.

Анионные поверхностно-активные вещества, взаимодействуя с неорганическими катионами, образуют соответствующие соли. Например, додецилсульфат натрия взаимодействует с хлоридом кальция с образованием додецилсульфата кальция по обычной реакции обмена (ион-ионное взаимодействие).

Подобным образом происходит взаимодействие анионного ПАВ додецилсульфата натрия с органическими катионами, например, с положительно заряженными азотсодержащими соединениями – гуанидином, катионными ПАВ (алкиламинами, четвертичными аммониевыми основаниями и др.), красителями катионного типа (пинацианолхлоридом, родамином, метиленовым синим и др.), а также с аминокислотами. Додецилсульфат-анион аналогично образует с лизином додецилсульфат лизина за счет электростатического взаимодействия по протонированным аминогруппам в области рН<9 (рН=9 изоэлектрическая точка лизина):

С другой стороны, протонированные аминогруппы в молекулах белков и аминокислот способны взаимодействовать с отрицательно заряженными группами и за счет водородных связей, однако эти связи на фоне ионного взаимодействия малы. Гидроксильная группа в составе карбоксильной группы аминокислот образует более сильные водородные связи с различными молекулами – акцепторами, в том числе с кислородсодержащими [9]. Поэтому можно предположить также наличие взаимодействий между анионными ПАВ и лизином по типу водородной связи.

Цель настоящей работы – исследование взаимодействия анионных поверхностно-активных веществ алкилсульфатов натрия с лизином в водных растворах.

Экспериментальная часть

В работе использованы следующие вещества.

L-лизин моногидрохлорид кристаллический – б, е-диаминокапроновая кислота, оптически активная левовращающая форма:

Анионные поверхностно-активные вещества – додецилсульфат натрия CH3(CH2)11OSO3Na (АС-12), гексадецилсульфат натрия CH3(CH2)15OSO3Na (АС-16). Капроновая кислота CH3(CH2)4COOH.

Для изучения взаимодействия L-лизина с алкилсульфатами натрия использовали кондуктометрический метод, в частности, получали температурную зависимость электропроводности. Политермы электропроводности позволяют определить температуру начала мицеллообразования ПАВ (температуру Крафта), проследить особенности растворимости в смешанных системах, связанные с мицеллообразованием, установить образование соединений в таких системах [3].

Известно, что для чистых ПАВ политерма электропроводности имеет вид, представленный на (рис.1а). Участок АБ соответствует растворению кристаллов ПАВ в ионно-молекулярном виде. Точке Б отвечает температура Крафта, т. е. температура начала мицеллообразования. Участок существенного роста электропроводности БВ соответствует быстрому растворению кристаллов с переходом в мицеллярный раствор. В точке В при температуре tР растворение кристаллов заканчивается. ВГ – температурная зависимость электропроводности мицеллярного раствора.

Для раствора смеси двух ПАВ политерма электропроводности имеет вид (рис. 1б). Кривая АБВ характеризует растворение кристаллов с преимущественным содержанием компонента 1, имеющего меньшую температуру Крафта, эти кристаллы растворяются при температуре tн Кристаллы с преимущественным содержанием второго компонента, имеющего более высокую температуру Крафта, растворяются на участке ВВ', их полное растворение происходит при tр. Отфильтровав эти кристаллы при температуре t > tн, можно разделить смесь на исходные компоненты 1 и 2 [10].

а  б

Рис.1 – Политермы удельной электропроводности: а) для индивидуального ПАВ, б) для смеси ПАВ

Для получения политерм электропроводности готовили при нагревании растворы, содержащие ПАВ, L-лизин или их смеси. Растворы охлаждали и выдерживали в течение суток при температуре, близкой к 0°С, для формирования кристаллогидратов. Образовавшуюся суспензию помещали в кондуктометрическую ячейку и измеряли электропроводность при нагревании со скоростью 0,3-0,5 град/мин. По политермам электропроводности определяли температуру начала мицеллообразования – температуру Крафта, а также отмечали особенности растворимости.

Поверхностное натяжение растворов измеряли методом отрыва кольца с помощью тензиометра «Krьss».

Результаты и обсуждение

На рис. 2 представлены политермы электропроводности водных растворов додецилсульфата и гексадецилсульфата натрия с добавками лизина. Политермы для алкилсульфатов натрия (кривая 1 на рис.2а и кривая 0 на рис.2б) имеют обычный вид, характерный для индивидуальных ПАВ – на них четко проявляется температура начала мицеллообразования (температура Крафта), которая составляет 12°С для АС-12 и 32°С для АС-16. Все остальные политермы имеют вид, характерный для смесей ПАВ. В водном растворе лизин не образует мицелл, поэтому наличие нескольких изломов на политермах можно объяснить образованием двух видов ассоциатов, или комплексов ПАВ-лизин.

На политермах можно отметить начало заметного роста электропроводности (tКр1) при температуре около 5-6°С для смесей L-лизина с АС-12 (рис.2а) и 12-13°С для смесей с АС-16 (рис.2б), что соответствует, по-видимому, растворению комплексов, образованных алкилсульфатами по  карбоксильной группе лизина. Комплексу, образуемому по протонированной аминогруппе –NH3+, т. е. алкилсульфату лизина, отвечает более высокая температура Крафта – tКр3=20оС в случае додецилсульфата и tКр3=43-45°С в случае гексадецилсульфата. Температура tКр2, видимая на некоторых политермах, соответствует tКр самих анионных ПАВ.

а)	б)
Рис.2 – Политермы электропроводности водных растворов алкилсульфатов натрия в присутствии L-лизина (рН = 5.5-6) а) АС-12 (0.069 моль/л) и L-лизин с концентрацией, моль/л: 1 – 0; 2 – 0.014; 3 – 0.028; 4 – 0.040; 5 – 0.068; 6 – 0.11; 7 – 0.136; 8 – 0.22 б) АС-16(0.0116 моль/л) и L-лизин с концентрацией, моль/л: 0 – 0; 1 – 0.0027; 2 – 0.0068; 3 – 0.0237; 4 –0.025; 5 – 0.027; 6 – 0.034

Подтверждением образования ассоциатов лизина с анионными ПАВ по карбоксильной группе (Н-комплекса) является взаимодействие алкилсульфатов с капроновой кислотой – структурным аналогом лизина. На рис. 3 приведены политермы электропроводности алкилсульфатов в присутствии капроновой кислоты. Кривая 1 отвечает индивидуальному гексадецилсульфату натрия. При добавлении к нему капроновой кислоты  на политермах (кривые 2-6) появляется излом в области 12-13°С, отвечающий комплексу  гексадецилсульфат – капроновая кислота. Аналогично додецилсульфат натрия образует с капроновой кислотой комплекс с tКр=4-5°С (кривые 7,8).

Рис.3 – Политермы электропроводности растворов алкилсульфатов натрия в присутствии капроновой кислоты. Концентрация АС-16 – 0,0116 моль/л, капроновой кислоты, моль/л : 1 – 0;  2 – 0.0085; 3 – 0.017; 4 – 0.0258; 5 – 0.085; 6 – 0.0425. Концентрация АС-12 – 0.069 моль/л – 7, 8 – АС-12 0.012 моль/л, капроновой кислоты, капроновой кислоты 0,017 моль/л, 9 – АС-16 0,012 моль/л в капроновой кислоте.

Для выяснения механизма комплексообразования дополнительно исследовали растворение гексадецилсульфата натрия в капроновой кислоте (рис. 3 кривая 9). Излом, характерный для температуры Крафта, наблюдается при 11°С, температура растворения равна 16°С, то есть практически политерма электропроводности раствора гексадецилсульфата натрия в капроновой кислоте идентична политерме водного раствора их смеси при соотношении, примерно равном 0.012:0.10 (1:10). По-видимому, механизм взаимодействия в случае водного раствора и раствора ПАВ в капроновой кислоте одинаков, а именно, через образование водородной связи ОН-группы  кислоты с сульфатной группой анионных ПАВ.

Образование комплекса лизина с алкилсульфатами по карбоксильной группе можно объяснить возможностью протонирования карбоксилатной группы, как это происходит, например, в полимерах в присутствии кислот, то есть при рН <7 [10]. Это взаимодействие усиливается в мицеллярном растворе. В молекуле лизина протонирование происходит последовательно: сначала е-аминогруппа (логарифм константы связывания lgKH1 = 10.71), потом б-аминогруппа (lgKH2 = 9.19), а затем –COO– (lgKH3 = 2.16) [11]. Для карбоксилатной группы константа связывания с протоном наименьшая. Однако в мицеллярных растворах ПАВ эта константа увеличивается, в частности, в растворе додецилсульфата натрия до 3.96. По-видимому, мицеллы анионного ПАВ способствуют протонированию карбоксилатной группы –СОО-, а затем по –СООН группе происходит связывание с анионом ПАВ с образованием комплекса. Можно предположить, что начальной стадией процесса является солюбилизация лизина, вовлечение в мицеллы по типу смешанного мицеллообразования. Следует отметить, что в присутствии аминокислот ККМ анионного ПАВ (додецилсульфата) снижается на порядок [8].

Для определения ККМ комплексов додецилсульфата с лизином их выделили из смеси,  разделив суспензию ПАВ, содержащую 0.069 моль/л додецилсульфата и 0.136 моль/л лизина (политерма 7 на рис.2а), на осадок и раствор при температуре 12оС [12]. Выделенные кристаллы высушили, методом двухфазного титрования катионным ПАВ хлоридом цетилпиридиния определили содержание додецилсульфата в выделенных кристаллах и в фильтрате.

Построили изотермы поверхностного натяжения в зависимости от концентрации анионного ПАВ (рис. 4). Для сравнения приведена изотерма поверхностного натяжения самого лизина (кривая 1). Кривая 2 – изотерма для раствора выделенных из смеси кристаллов, на ней отмечается небольшой минимум с последующим выходом на плато, и можно определить критическую концентрацию мицеллообразования вещества (N-комплекса АС-12 – лизин), равную 0,0025 моль/л (в расчете на додецилсульфат натрия), что в 3 раза меньше ККМ самого алкилсульфата. Изотерма фильтрата (кривая 3), несмотря на большое содержание додецилсульфата натрия (0,087 моль/л, что в 10 раз выше ККМ самого алкилсульфата) еще не выходит на плато, т. е. этой концентрации не достаточно для мицеллообразования.

Рис.3 – Изотермы поверхностного натяжения водных растворов: 1 – лизин; 2 – кристаллы, выделенные при 12 °С из смеси АС-12 /лизин (0.069+0.136 моль/л); 3 – фильтрат; 4 –АС-12.

В таблице приведены коллоидно-химические характеристики – температура начала мицеллообразования (tКр), критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) и минимальное поверхностное натяжение комплексов, образуемых алкилсульфатами с лизином, а также комплексов алкилсульфатов с додеканолом (ДДОЛ), гексадеканолом (ГДОЛ), капроновой и лауриновой кислотами. Известен кристаллический комплекс додеканола с додецилсульфатом, образуемый при их непосредственном контакте при определенных условиях реакции [9]. Понятно, что этот комплекс образован за счет водородных связей. Нами была обнаружена возможность образования такого комплекса в водных растворах, что является, по-видимому, следствием  мицеллообразования. Комплекс АС-12 – ДДОЛ обладает свойствами, характерными для кристаллического молекулярного комплекса. Его температура плавления (66 °С) выше, чем додеканола (22°С), отмечены изменения в ИК-спектрах. Комплекс является поверхностно-активным и имеет температуру начала мицеллообразования выше, чем додецилсульфат натрия (24°С и 12°С соответственно). Высшие алифатические кислоты, например лауриновая, также образуют комплексы с додецилсульфатом с более высокой температурой мицеллообразования.

Таблица

Коллоидно-химические характеристики комплексов, образуемых алкилсульфатами

№	Комплекс	tКр °С	ККМ, моль/л	у миним. мН/м
1	Додецилсульфат натрия (АС-12)	12	8∙10–3	37-39
2	Гексадецилсульфат натрия (АС-16)	30	7∙10–4	34-36
3	АС-12 – ДДОЛ	24	1∙10–4	32-34
4	АС-12 – лауриновая кислота	28	1∙10–4	–
5	АС-16 – ГДОЛ	42	–	–
6	АС-12 – капроновая кислота	6	–	–
7	АС-16 – капроновая кислота	11-12	–	–
8	АС-12 – лизин (N-комплекс)	20	2,51∙10–3	40
9	АС-12 – лизин (Н-комплекс)	5-6	>8∙10–2	–
10	АС-16 – лизин (N-комплекс)	42-44	–	–
11	АС-16 – лизин (Н-комплекс)	12-13	–	–

Заключение

На основании исследования модельных систем алкилсульфат натрия/L-лизин установлено, что лизин образует с алкилсульфатами комплексы двух типов – ионный по аминогруппам (N-комплекс) и молекулярный по карбоксильной группе (Н-комплекс), отличающиеся по растворимости. Возможность образования молекулярного комплекса подтверждается исследованиями смесей алкилсульфатов с капроновой кислотой, изоструктурной по отношению к лизину.

Наши исследования с привлечением политерм электропроводности и анализа данных с использованием температуры начала мицеллообразования позволили получить новые результаты, которые могут быть успешно применены для разработки альтернативных методов извлечения аминокислот и других биоматериалов из реакционных и нативных сред, для создания препаратов на из основе различного назначения.

Работа выполнена в рамках исполнения субподрядного договора по договору 13G.25.31.00069 от 22.10.10 за счет субсидии.

Литература

Попова биотехнологии в СССР.–М.:Наука, 1988. Schwuger M. J. EinfluЯ von Gegenionen auf die Krafft-Punkte und die Adsorption von n-Tetradecylsulfaten. Kolloid – Z. Z. fur Polym. 1969. b.233.№1-2.S.979-985. Гермашева, точки Крафта: методы определения, влияние структуры ПАВ и растворителя, практическое значение // Успехи коллоидной химии / Под ред. .– СПб.: Химия. С. 82–107. , Плетнев Крафта некоторых смесей на основе индивидуальных натриевых мыл. Коллоид. журн.  1995.  Т.57.  №2. С. 272-274 , // Коллоид. журн. 2011. Т.73. №6. С. 842-  . Холмберг, К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. Пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии / Под ред. К. Миттела.– М.: Мир, 1980. Schwuger, M. J. // Kolloid – Z. Z. fur Polym. 1969. b.233.№1-2.S.898-905. Молекулярные взаимодействия. Пер. с англ. / Под ред. Г. Ратайчака, У Орвилла-Томаса.- М.: Мир, 1984. , ,  , Шаталов поли-N-винилкапролактама в анионными ПАВ в кислой среде.  Вестник ВГУ. Серия;  Химия, биология,  фармация. 2004. №1.С. 28-31. Ле Конг Хоан, , Бойченко мицеллярной среды поверхностно-активных веществ на Протолитические свойства некоторых аминокислот. Вiсник Харькiвського нацiонального унiверситету. 2008. Т. 820 Хiмiя. Вып.16 (39). , , , и . Способ выделения ионогенных поверхностно-активных веществ из их смесей. Патент SU 1825361 A3 Опубл. Бюл. № 24, 30.06. 93.

The interaction of L-lysine with sodium alkyl sulfates

in aqueous solutions

© Germasheva Iraida Ivanovna*, Glukhareva Nadezhda Alexandrovna+ ,

Lebedeva Olga Yevgenyevna, Prokhorova Galina Vladimirovna

Department of Chemistry and Biology, National Research University “Belgorod State University”

Pobedy Str. 8, Belgorod 308015. Russia

Tel.: [phone]) . E-mail:*****@***edu. ru

_______________________________________________

Key words: surfactants, alkyl sulfates, lysine, Krafft temperature, critical micelle concentration, conductivity.

Abstract

The behavior of mixtures consisting of L-lysine and anionic surfactants sodium dodecyl and hexadecyl sulfates in aqueous solutions is studied by conductometry.  The formation of two types of alkyl sulfate and lysine associates is revealed that are of ionic type by amine group (N-complex) and molecular type by carboxylic group (Н-complex). The ability of the molecular complex formation is confirmed by the investigation of mixtures containing alkyl sulfates and caproic acid that is isostructural to lysine. Some colloid-chemical characteristics of the complexes are determined.