Эндоэдральные фуллерены. Галогенирование алканов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эндоэдральные фуллерены

фуллерен биологическая добавка галогенирование ароматический

Известно, что молекулы фуллеренов представляют собой состоящие только из атомов углерода многогранники с пяти и шестиугольными гранями. Наиболее известным из этих соединений является фуллерен С60, молекула которого имеет форму усеченного икосаэдра. Одним из уникальных свойств молекул фуллеренов является способность заключать внутри своего углеродного каркаса атомы и молекулы. Получающиеся таким образом соединения называют эндоэдральными в отличие от экзоэдральных производных фуллеренов, в которых не входящие в углеродный каркас атомы находятся снаружи. Перспективы использования этой способности для создания молекулярных контейнеров или особой реакционной среды выглядят весьма заманчиво. В действительности дело обстоит не так просто, поскольку необходимо научиться управлять внедрением эндоэдральных групп внутрь молекул фуллеренов, а кроме того, процессы замыкания и размыкания угле родного каркаса фуллеренов достаточно сложно реализовать такими мягкими методами органического синтеза, которые не затронули бы содержимого контейнера. Возможно, развитию подобных идей в будущем поможет развитие химии гетерофуллеренов, то есть фуллеренов, в которых часть атомов углерода, входящих в углеродный каркас, замещена атомами других элементов, образующих более слабые связи со своими соседями. Среди таких соединений уже достаточно хорошо известны азафуллерены, например (C59N)2. В настоящее время основным аспектом исследования эндоэдральных соединений фуллеренов является изучение их свойств с точки зрения возможного применения в различных областях в качестве перспективных материалов.

Говоря о видах эндоэдральных фуллеренов, следует вначале упомянуть особый случай -- многостенные фуллерены и нанотрубки. Подобные соединения, в которых несколько молекул фуллеренов или нанотрубок находятся одна внутри другой, можно легко обнаружить с помощью трансмиссионной электронной спектроскопии среди продуктов синтеза фуллеренов. Поскольку даже среди обычных нанотрубок, которые часто рассматриваются в качестве перспективных материалов для микроэлектроники, по данным теоретических расчетов встречаются обладающие как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами, электронные характеристики многостенных нанотрубок могут оказаться особенно интересными.

Среди соединений, которые обычно относят к эндоэдральным фуллеренам, выделяются две основные группы. Первая из них -- эндоэдральные металлофуллерены, содержащие внутри углеродного каркаса один или более атомов металла. К настоящему времени известно немало таких соединений с более чем двумя десятками различных атомов металлов, относящихся к различным группам Периодической системы. Найдется немного спектральных и структурных методов, которые не были бы задействованы в исследовании этих соединений. Ко второй, значительно меньшей группе относятся эндоэдральные соединения фуллеренов с атомами инертных газов и азота. Эти соединения менее интересны, чем металлофуллерены, поскольку взаимодействие между эндоэдральным атомом и углеродным каркасом незначительно и получающиеся соединения не обладают новыми специфическими свойствами.

Впервые металлофуллерены были обнаружены в университете Райс (Rice University) в 1985 году, вскоре после открытия фуллеренов. При лазерном испарении графита, пропитанного хлоридом лантана, в газовой фазе были зарегистрированы частицы состава LaC60, LaC76 и др. Тогда еще было невозможно строго доказать их эндоэдральное строение. Тем не менее было сделано предположение, что их стабильное существование в газовой фазе подразумевает чрезвычайно крепкую связь атома лантана с углеродным каркасом, являясь косвенным доказательством того, что молекула С60 действительно имеет форму замкнутого многогранника, внутри которого может находиться атом металла.

Способ получения макроколичеств эндоэдральных металлофуллеренов был предложен в 1991 году. Он аналогичен предложенному годом ранее методу получения самих фуллеренов и состоит в испарении в дуговом разряде в атмосфере инертного газа графитовых стержней со вставками из труднолетучих соединений соответствующего металла (оксиды лантаноидов, карбиды щелочных металлов). При этом получается сажа, со держащая смесь самих фуллеренов и их металлопроизводных, требующая их экстракции и дальнейшего хроматографического разделения. В результате изучения продуктов синтеза металлофуллеренов получено еще одно косвенное доказательство их эндоэдральной природы. Было замечено, что при выдержке образцов на воздухе содержание металлофуллеренов в них со временем уменьшается до определенного предела, впоследствии практически не изменяясь. Это явление было объяснено разложением присутствующих в образце экзоэдральных, внешнесферных молекул металлофуллеренов под действием кислорода воздуха и паров воды.

Как оказалось, синтез эндоэдральных металлофуллеренов приводит совсем к другому распределению продуктов по массе углеродного каркаса, чем у пустых фуллеренов. Напомним, что при синтезе фуллеренов с наибольшим выходом образуются соединения С60 и С70, а доля высших фуллеренов, среди которых преобладают С84 и С76, составляет около одного процента. Однако среди монометаллофуллеренов с наибольшим выходом, как правило, образуется соединение состава M@C82 и с меньшими выходами -- близкие к нему по числу атомов углерода в молекуле. Среди диметалло фуллеренов в наибольших количествах образуются производные С80, С84, С74 или С82 в зависимости от то го, атомы какого металла заключены внутри молекулы. Известен также триметаллофуллерен Sc3@C82. Таким образом очевидно, что механизм образования эндоэдральных фуллеренов отличается от механизма образования пустых фуллеренов. Можно предположить, что атом металла играет роль своеобразной матрицы, на которой происходит сборка углеродного каркаса, структура которого вполне может отличаться от структуры пустых фуллеренов с тем же числом атомов углерода. Стоит, однако, заметить, что в процессе экстракции образующихся металлофуллеренов из сажи происходит потеря некоторых из них (например, производных С60) в результате полимеризации и взаимодействия с растворителем. Впоследствии их можно выделить из образующегося нерастворимого полимеризованного остатка посредством обратимого электрохимического процесса.

Что касается эндоэдральных молекул со щелочными металлами (Li, Na, K), то их можно также получить посредством бомбардировки фуллереновых пленок быстрыми ионами этих металлов (так называемой ион ной имплантацией), способными начиная с определенной энергии (от нескольких до нескольких десятков электрон вольт в зависимости от размера иона) проникать внутрь фуллеренов. Таким же образом можно получать эндоэдральные молекулы с атомами инертных газов. Этот способ малоприменим для получения макроколичеств эндоэдральных фуллеренов, скорее он пригоден для исследования энергетического барьера прохождения иона сквозь углеродный каркас и энергий связи углерод--углерод в самих фуллеренах, поскольку, как предполагается, процесс внедрения иона внутрь молекулы фуллерена включает в себя разрыв не которых связей в углеродном каркасе и образование окна, через которое и проходит ион. Эндоэдральные фуллерены с атомами инертных газов можно получать и более простым способом -- проводя синтез фуллеренов в атмосфере соответствующего инертного газа. При этом атомы инертного газа попадают внутрь некоторой небольшой доли образующихся молекул фуллеренов. Кроме того, при определенной температуре, зависящей от их размера, они способны проникать через углеродный каркас, приходя в равновесие с внешней средой. Это дает еще один способ получения подобных соединений -- выдерживание фуллеренов при соответствующей температуре под определенным давлением инертного газа с последующим охлаждением.

Главной проблемой выделения металлофуллеренов из образующихся при синтезе смесей пустых и эндоэдральных молекул было низкое содержание эндоэдральных фуллеренов в этих смесях. Вначале эту проблему пытались решить экстракцией и многостадийным хроматографическим разделением с использованием ароматических растворителей, таких, как толуол, обычно применяющийся при разделении самих фуллеренов. Малая эффективность этого метода подтолкнула исследователей к использованию полярности молекул эндоэдральных металлофуллеренов. В качестве экстрагентов и элюентов были успешно применены ароматические амины, пиридин и анилин. Эти растворители оказались особенно эффективными при выделении эндоэдральных металлопроизводных С60, для чего и используются в настоящее время. Для выделения более стабильных металлофуллеренов в последние годы активно применяют такие полярные органические раство рители, как диметилформамид (ДМФА), позволяющий селективно экстрагировать эндоэдральные молекулы. Для последующего хроматографического разделения полученных продуктов в этом случае используют обычные ароматические растворители (толуол). С их же помощью производят выделение эндоэдральных молекул с атомами благородных газов. Отметим, что в результате хроматографического разделения эндоэдральных ме таллофуллеренов нередко обнаруживается их сложный изомерный состав. Следует напомнить, что для фулле ренов существует множество возможных изомерных структур, наиболее стабильные из которых удовлетворя ют так называемому правилу изолированных пятиуголь ников, то есть не содержат соседствующих пятиуголь ных граней. Некоторые из подобных структур могут оказаться весьма близкими по своей стабильности и, таким образом, могут параллельно образовываться при синтезе как фуллеренов, так и металлофуллеренов. Многие из хроматографически наблюдаемых изомеров эндоэдральных металлофуллеренов еще не выделены в достаточных для исследования количествах.

В заключение упомянем некоторые новые соединения в семействе эндоэдральных фуллеренов. Относительно недавно при проведении синтеза металло фуллеренов в присутствии азота были получены соединения вида M3N@Cn, в которых внутри углеродного каркаса находится кластер M3N. Такие соединения были получены со скандием и некоторыми лантаноидами, среди них есть молекулы, содержащие атомы металла двух видов. Другим интересным примером нового класса металлофуллеренов является наблюдавшийся пока только в виде иона в газовой фазе гетерометал лофуллерен La2@C79N+, в котором атом азота замещает один из атомов углерода в каркасе, полученный бомбардировкой быстрыми атомами аддукта La^Cg,, и бензилазида. Вообще в будущем следует, вероятно, ожидать появления смешанных классов производных фуллеренов, сочетающих наличие эндо, экзо и гетерозаместителей. Структуры некоторых из упомянутых соединений представлены на рис. 1.

Рис.

Электронная и геометрическая структура эндоэдральных фуллеренов

Эндоэдральные металлофуллерены привлекли внимание химиков теоретиков еще до того, как были получены в макроколичествах. Первое квантово химическое исследование модельной молекулы La@C60, в которой атом лантана был помещен в центр масс, было проведено в 1988 году. Расчеты показали существенное взаи модействие между 5 орбиталями атома лантана и к системой углеродного каркаса, приводящее, в частности, к повышению сродства к электрону относительно самой молекулы С60 на несколько десятых электрон вольт. Вообще теоретические работы, посвященные структуре эндоэдральных металлофуллеренов, зачастую опережали эксперимент, давая обычно правильные предсказания.

Квантово химические исследования эндоэдральных металлофуллеренов, содержащих атомы металлов третьей группы (Sc, Y) и лантаноидов, показали, что, во-первых, атомы металла значительно смещены от центра молекулы, а во вторых, наблюдается значительный перенос заряда с атомов металла на углеродный каркас, в результате чего первый приобретает за ряд от +2 до +3 как в случае моно, так и в случае и триметаллофуллеренов. При этом потенциал ионизации эндоэдральной молекулы относительно соответствующего пустого фуллерена значительно снижается, а вот сродство эндоэдральной молекулы к электрону, не смотря на отрицательный заряд на углеродном каркасе, оказывается даже несколько выше, чем у пустой.

Первые подтверждения этих предсказаний были получены при электрохимических исследованиях эндоэдральных металлофуллеренов. Их окислительные и восстановительные потенциалы продемонстрировали, что эти молекулы легче отдают и охотнее принимают электрон, чем сами фуллерены. Это было обнаружено и в наших масс спектральных исследованиях. Наличие заряда на атомах металла было косвенно подтверждено методом ЭПР [2], по данным которого предполагаемые термы электронных состояний соответствовали не атомам, а ионам металлов, а позднее и методом фотоэлектронной спектроскопии [3], с помощью которого было показано, что в молекулах эндоэдральных фуллеренов высшие занятые молекулярные орбитали имеют более высокую энергию, чем аналогичные орбитали пустых фуллеренов. Позднее по мере совершенствования процессов выделения и очистки эндоэдральных молекул появились и прямые доказательства справедливости теоретических предсказаний.

Эти доказательства связаны главным образом с методом прецизионного рентгеноструктурного анализа [4]. Рентгеноструктурный анализ поликристаллических образцов был проведен для эндоэдральных фуллеренов Y@C82, Sc2@C84 Sc@C82 и Sc3@C82. Построенные на основе этих результатов карты распределения электронной плотности в исследованных молекулах ясно продемонстрировали смещение атомов металла от центра молекулы и наличие на них заряда порядка + 2, + 3. Сечения карт электронной плотности для скандиевых эндоэдральных фуллеренов приведены на рис. 2. Схожие данные о расстояниях между атомом металла и ближайшими к нему атомами углерода в эндоэдральном фуллерене были получены для некоторых молекул методом EXAFS [5].

Поскольку распределение продуктов синтеза эндоэдральных фуллеренов по числу атомов углерода в молекуле существенно отличалось от аналогичного

Рис.

распределения для пустых фуллеренов, встал вопрос о том, одинакова ли топология углеродного каркаса для основных изомеров пустого и эндоэдрального фуллерена с данным числом атомов углерода. Ответ на этот вопрос дали в первую очередь упомянутые выше результаты рентгеноструктурного анализа. Было обнаружено, что в случае Sc@C82 углеродный каркас имеет иную симметрию, нежели в молекуле С82, а в молекуле Sc2@C84 наблюдается тот же углеродный каркас, что и в одном из основных изомеров С84. Стоит отметить, что и эти результаты были сначала предсказаны теоретически, подтверждая таким образом хорошую применимость методов квантовой химии к исследованию фуллеренов и их производных.

Еще одним полезным структурным методом, позволяющим делать предположения о симметрии молекул как пустых, так и эндоэдральных фуллеренов, стал метод ЯМР [6]. Изучение температурной зависимости формы линий ЯМР на ядрах эндоэдральных атомов металлов позволило сделать вывод об их быстрых пере группировках внутри углеродного каркаса при температурах выше 150° С, что значительно упрощает анализ спектров ЯМР 13С эндоэдральных фуллеренов. Поскольку симметрия движений атомов металла должна, вероятно, отвечать симметрии углеродного каркаса, то сохраняется магнитная эквивалентность тех ядер угле рода, которые были бы эквивалентны в углеродном каркасе самом по себе. Спектры ЯМР получены для многих эндоэдральных молекул. Данные ЯМР 13С для молекулы Sc2@C84, например, согласуются с данными рентгеноструктурного анализа. Значительно более интересны результаты ЯМР исследования молекулы La2@C80. Теоретические исследования предсказывали для этой молекулы икосаэдрическую симметрию углеродного каркаса. Изомер фуллерена С80 такой симметрии при синтезе пустых фуллеренов не образуется из за меньшей, чем у других изомеров, энергетической стабильности, однако он может быть стабилизирован переносом шести электронов на его дважды занятую, четырехкратно вырожденную высшую занятую молекулярную орбиталь (ВЗМО), которая станет таким об разом полностью заселенной. Это могут обеспечить два атома лантана, отдающие по три электрона углеродному каркасу. Данные ЯМР, показавшие образование икосаэдрического изомера La2@C80, подтвердили правильность подобных рассуждений. Икосаэдрическую симметрию каркаса имеют по данным ЯМР и упомянутые в предыдущем разделе молекулы M3N@C80.

Эндоэдральные соединения с атомами инертных газов также изучали теоретически и методом ЯМР. Было показано, что на структуру углеродного каркаса практически свободно перемещающиеся внутри него атомы благородных газов существенного влияния не оказывают. Химия фуллеренов является достаточно разработан ной областью, интересующиеся ею могут обратиться к обзорам [7, 8]. Что касается эндоэдральных фуллеренов, то в связи тем, что они менее доступны, их химические свойства изучены мало. Химические свойства эндоэдральных фуллеренов, заключающих в себе атомы инертных газов, видимо, не отличаются от свойств пустых фуллеренов. Иная картина должна наблюдаться в случае полярных молекул металлофуллеренов, в которых строение граничных орбиталей совсем иное, нежели в самих фуллеренах, а на атомах углерода, наиболее приближенных к атомам металла, наблюдается заметный отрицательный заряд, то есть эти атомы становятся нуклеофильными. Повторим, однако, что органической химии эндоэдральных металлофуллеренов еще практически не существует, поэтому пока трудно говорить о влиянии этих различий.

Наиболее заметным химическим свойством эндо эдральных металлофуллеренов, отличающим их от пустых фуллеренов, является высокая способность к полимеризации. Эта способность объясняется тем, что в случае нахождения внутри углеродного каркаса атома с нечетным зарядом ядра молекулы металлофуллеренов представляют собой радикалы. В других случаях образуются молекулы с замкнутой электронной оболочкой, но малой разностью энергий высшей занятой (ВЗМО) и низшей вакантной (НВМО) молекулярной орбиталей, то есть низкой энергией возбуждения в реакционноспо собное бирадикальное состояние. Проблема полимеризации металлофуллеренов существенно затрудняет их исследования на молекулярном уровне.

В одной из немногих работ, посвященных сравнению реакционной способности эндоэдральных моно и диметаллофуллеренов, содержащих скандий и лан тан, и пустых фуллеренов, были исследованы реакции присоединения к ним по двойной связи дисилиранов и дигермиранов, пример которых представлен в обзоре [8]. Также была изучена представленная на рис. 3 реакция присоединения к La@C82 дифенилдиазометана, приводящая к образованию трехчленного углеродного цикла (подробнее о реакциях циклоприсоединения см. [7, 9]).

Рис.

Исследования показали, что подобные реакции присоединения успешно протекают по фотоактивационному механизму как в случае пустых, так и эндоэдральных фуллеренов. Однако пустые фуллерены при термоактивации в реакцию не вступают, в то время как

с участием многих металлофуллеренов подобные реакции протекают успешно. Это связывают с тем, что в металлофуллеренах нижняя вакантная молекулярная орбиталь, зачастую являющаяся полузаполненной, лежит ниже по энергии, чем в пустых фуллеренах, что облегчает инициирующий реакцию перенос на эту орбиталь электрона с присоединяющейся молекулы. Таким об разом, можно заключить, что эндоэдральные металлофуллерены могут вступать в те же типы органических реакций, например циклоприсоединения, что и пустые фуллерены, и быть в этих реакциях активнее, чем последние.

Известны успешные попытки получения неорганических производных металлофуллеренов. Так, в ре акции соединения Pr@C82 с азотной кислотой в CCl4 при небольшом нагревании были получены продукты окисления металлофуллерена состава Pr@C82Om(OH)n с m и n около 10. Нагреванием на воздухе растворов металлофуллеренов в ароматических растворителях в присутствии концентрированной щелочи и катализа тора межфазного переноса были получены гидрокси производные соединений Ho@C82, Ho2@C82 и Ho2@C84 общей формулы Ho%@C^(OH)n. Эти реакции были перенесены на металлофуллерены с пустых фуллеренов. Есть данные о том, что аналогично пустым фуллеренам металлофуллерены вступают в реакции фторирования фторидами переходных металлов с образованием смесей полифторированных продуктов. Как видно, и не органические реакции металлофуллеренов близки к подобным реакциям самих фуллеренов.

Достаточно давно делаются попытки найти применение фуллеренам и их производным в качестве функциональных материалов. Вначале были надежды на проявление металлофуллеренами в твердой фазе сверх проводимости, обнаруженной к тому времени в образцах фуллеренов, дотированных внедряющимися в меж молекулярные пустоты атомами щелочных металлов. Впоследствии выяснилось, что эндоэдральные метал лофуллерены являются рядовыми полупроводниками и применение их только в этом качестве нецелесообразно. Это же относится к возможному использованию металлофуллеренов в катализе, или для создания каких либо молекулярных рецепторов или фотоэлементов на основе комплексов с переносом заряда, или в каких либо других областях, где обычно пытаются найти применение фуллеренам и их производным.

Существуют, однако, такие направления, применение в которых эндоэдральных фуллеренов достаточно реально. Чрезвычайно перспективными областями применения фуллеренов и их производных являются биология и медицина. Фуллерены способны достаточно легко проникать сквозь различные биологические мембраны, что позволяло бы использовать их в качестве меток или индикаторов в медикобиологических исследованиях. Главным барьером на пути медикобиологического применения фуллеренов и их производных являлась их водонерастворимость. Теперь же, когда разработаны методы получения эндоэдральных гидроксифуллеренов, эта проблема решена и дело лишь за доступностью эндоэдральных соединений. Эндоэдральные металлофуллерены, содержащие внутри углеродного каркаса парамагнитные атомы металлов, могут предоставить исследователям более широкие возможности, связанные с привлечением магнитно резонансных методов. Наиболее очевидна возможность использования металлофуллеренов в биологических исследованиях в качестве спиновых меток [10]. Кроме того, парамагнитные атомы, как известно, существенно снижают времена релаксации соседствующих с ни ми протонов. Благодаря этому комплексы, в которых подобные атомы координируют группу, способную к быстрому обмену протоном с окружающими тканями (гидроксил или молекулу воды), нашли применение в магнитно резонансной томографии, поскольку снижение времени релаксации дает возможность получать более четкие изображения. Для применения внутри человеческого организма необходима высокая устойчивость таких соединений. Этим требованиям в пол ной мере отвечают эндоэдральные гидроксифуллерены. Существует также возможность использования эндоэдральных соединений с радиоактивными нуклидами металлов в качестве радиопрепаратов. Такие соединения были получены при облучении гольмиевых эндоэдральных фуллеренов потоком нейтронов, что привело к образованию внутри углеродного каркаса нуклидов 166Ho.

Интересное применение в химии было найдено гелиевым эндоэдральным фуллеренам. Обнаружено, что химические модификации молекулы влияют на величину химического сдвига в спектрах ЯМР на ядрах 3He. При этом эндоэдральный атом гелия не влияет на реакционную способность молекулы и химические свойства соединений Cn и He@Cn практически идентичны. Таким образом, наблюдение динамики этих спектров может стать удобным методом наблюдения за ходом реакций с участием фуллеренов. Возможно также использование величины химического сдвига в спектрах 3He ЯМР для изучения структуры продуктов этих реакций в тех случаях, когда другие методы не дают однозначных результатов (в случае образования смесей продуктов, их нестойкости при разделении). В качестве примера подобного применения соединения He@C60 можно привести изучение структуры молекул С60Н36 и С60Б36 посредством сравнения экспериментальной и расчетной величин химического сдвига, в результате чего была предсказана структура образовавшихся в наибольшем количестве изомеров этих соединений.

Изучение особенностей каллусогенеза polymnia sonchifolia in vitro, как продуцента метаболитов биологически активных соединений

Способность высших растений к синтезу метаболитов биологически активных веществ открывает большие перспективы получения модифицированных органических соединений растительного происхождения и использование их в качестве препаратов с антиоксидантными и антитоксическими свойствами. Однако известно, что в ряде случаев при плантационном культивировании резко снижается содержание вторичных метаболитов. Многие растения тропической и субтропической флоры практически невозможно выращивать в культуре вне этих климатических зон. Среди них особое место занимает новая для России культура якона (Polymnia sonchifolia).

Основными органами растения, ради которых возделывается якон, являются его корневые клубни, которые в местах культивирования используются как дополнительный источник фруктозы в рационе питания. Клубни якона содержат сахара, более чем наполовину представленные фруктозой и фруктанами с низкой степенью поляризации, аминокислоты (аспарагин, глутамин, аргинин), особенно незаменимые (метионин, лейцин, изолейцин, серин) и ряд других физиологически активных веществ (белки, жиры, неорганические соединения), а также многие макроэлементы. Содержание витамина С в корневых клубнях якона сопоставимо с содержанием его в винограде, груше, моркови. Сочетание диетических и лекарственных свойств якона выводит эту культуру в ряд наиболее привлекательных для широкого практического использования.

В связи с тем, что якон можно успешно выращивать только в условиях мягкого климата южных регионов России и получение сырья имеет сезонный характер, нами изучена возможность решения проблемы наличия постоянного источника сырья в достаточных количествах с привлечением методов биотехнологии.

Данные исследования являются новым подходом к разработке промышленной технологии производства биологически активных соединений, в основу которого заложено использование каллуса якона в культуре in vitro, как источника сырья для получения модифицированных препаратов.

Культура изолированных тканей преимущественно представлена каллусными тканями, являющимися колониями дедифференцированных клеток. В связи с этим, нами разработана методика получения и культивирования каллуса якона in vitro, с целью изучения синтеза продуктов метаболизма, получения биомассы с необходимым набором углеводов, аминокислот, микроэлементов и других биологически активных соединений (табл. 1).

Таблица 1. Каллусогенез Polymnia sonchifolia in vitro на различных питательных средах

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что якон в культуре in vitro обладает высокой способностью к образованию стеблевого каллуса, прирост массы которого к концу второй недели достигает 900 1700 мг. При этом, оптимизация условий выращивания in vitro неорганизованно пролефирирующих клеток позволит получать значительное увеличение продуктивности выращиваемой культуры с необходимым комплексом метаболитов.

Роль и место биологически активных добавок в современной жизни

Такие понятия как "биологически активные добавки к пище", "нутрицевтики", "парафармацевтики" вошли и в нашу повседневную жизнь, и в современную медицину сравнительно недавно. В то же время, эмпирический, культовый, интуитивный поиск и применение с лечебно профилактическими целями различный биологически активных природных компонентов растительного, животного и минерального происхождения известны с древнейших времен.

Еще до наступления новой эры в Египте, Индии, Китае, Тибете, Монголии и других странах Востока сложились стройные системы профилактики и терапии различных заболеваний путем использования чаще в натуральном виде специально приготовленных продуктов из растительных, животных тканей и минерального сырья.

Начало производства специальных лекарственных форм для лечения болезней человека относится примерно к 130 200 г. н. э., когда К. Галеном впервые были разработаны и систематически описаны приемы изготовления лекарств из природного сырья (настои, экстракты, порошки). Но в XIX XX веках достижения химии позволили получать настолько высокоэффективные лекарственные средства, что многие врачи стали отказываться от прежних натуропатических средств. В тот период многие ученые медики считали, что именно этот путь позволит наиболее эффективно лечить заболевания. Широкие возможности органической химии в получении чистых химических соединений с заданными фармакологическими свойствами, их высокая эффективность, узкая направленность действия, возможность точного дозирования эти достаточно убедительные аргументы до недавнего времени, казалось, практически лишали перспектив в экономически развитых странах так называемую традиционную медицину.

Более того, такого рода взгляды привели к тому, что современная система медицинского образования перестала по достоинству оценивать роль питания, хотя она не менее важна для понимания здоровья человека, чем анатомия, физиология, биохимия или фармакология. Поскольку наука о питании является единственной из этих базовых дисциплин, которую медицинские школы, как правило, не включают в учебный план, природная фармация окончательно была поставлена в невыгодное положение.

Тем не менее, в последние десятилетия количество экспериментальных и клинических исследований в области питания настолько стремительно растет, что многие специалисты говорят буквально о формировании новой, пограничной между наукой о питании и фармакологией области знаний фармаконутрициологии.

Качественному изменению отношения ученых медиков к питанию, и становлению современной профилактической и лечебной диетологии способствует широкий комплекс причин. Во первых, коренные изменения как в образе жизни, так и в структуре питания человека, наступившие в XX веке, не позволяющие в настоящее время даже чисто теоретически обеспечить традиционными путями организм всеми необходимыми веществами, привели к крайне негативным последствиям для здоровья населения экономически развитых стран:

прогрессирующее увеличение в последние годы числа взрослых со сниженной массой тела и детей раннего возраста со сниженными антропометрическими показателями (для России 12 14% детей);

широкое распространение среди взрослых различных форм ожирения (в России среди лиц старше 30 лет избыточная масса тела и ожирения выявляется у 55%) и, как следствие, рост частоты заболеваний, в основе которых лежит нарушение углеводного и липидного обменов атеросклерозом, ишемической болезнью сердца, гипертонической болезнью, сахарным диабетом;

рост числа лиц с нарушенным иммунным статусом, в частности с различными видами иммунодефицитов, со сниженной резистентностью к инфекциям и другим неблагоприятным факторам окружающей среды;

увеличение частоты таких заболеваний, связанных с алиментарными дефицитами минералов и микроэлементов, как железодефицитная анемия у взрослых и детей, связанные с дефицитом йода заболевания щитовидной железы, а с дефицитом кальция и магния заболевания опорно-двигательного аппарата и др.

Во вторых, это ряд причин, связанных, как не странно, с развитием науки и современных технологий:

достижения собственно науки о питании, глубоко изучившей роль и значение для жизнедеятельности человека отдельных пищевых веществ, включая так называемые микронутриены, и доказавшей, что в экономически развитых странах в настоящее время традиционными пищевыми путями практически невозможно обеспечить все группы населения оптимальным количеством витаминов, минералов, микроэлементов, биологически активных веществ;

достижения биоорганической химии и биотехнологии, позволяющие получать биологически активные компоненты практически из любого биосубстрата;

достижения фармакологии, расшифровавшей механизмы действия и особенности биотрансформации многих природных веществ и создавшей новые технологии получения их эффективных лекарственных форм.

В третьих, значим экономический аспект создания новых синтетических лекарственных средств чрезвычайно длителен и дорог путь от открытия активного вещества до лекарства. Существенно короче, дешевле, а в ряде случаев и не менее эффективен путь от выявления биологической активности у природного биосубстрата до создания БАД.

И, в четвертых, наличие у многих лекарственных препаратов побочных, негативных эффектов, нередко создающих проблемы особенно при их хроническом применении, а также чрезвычайная распространенность в окружающей среде техногенных загрязнений, сформировали у части населения субъективный, психологический фактор отрицание всего синтетического, искусственного и, наоборот, безотчетная вера в силу природы, натуральные продукты, препараты, древние рецепты народных медицин.

Здоровье человека во многом определяется степенью обеспеченности организма энергией и целым рядом пищевых веществ (по оценкам экспертов ВОЗ, фактор питания определяет более чем на 40% заболеваемость человечества). Здоровье может быть достигнуто и сохранено лишь при удовлетворении физиологических потребностей человека в энергии и всем комплексе пищевых и биологически активных веществ, и, наоборот, любое отклонение от сбалансированного питания ведет к нарушению функций организма, особенно если эти отклонения выражены и длительны.

В силу значимости питания для здоровья, проблему причин и характера нарушений структуры питания современного человека следует обсудить подробнее.

Существование отдельных незаменимых (эссенциальных) пищевых веществ для современного человека является отражением пищевого статуса человека древнего. Вследствие широчайшей доступности в прошлом многих питательных веществ человек утратил ряд ферментных систем, ответственных за их эндогенный синтез. Другими словами, пища сформировала многие особенности человеческого организма, а существующий сейчас метаболический дисбаланс человека с природой является последствием активной деятельности самого человека.

Диета наших предков собирателей охотников (1 3 млн. лет назад) была смешанной, включавшей очень широкий спектр преимущественно растительной пищи (корни, ягоды, семена, орехи, листья) и небольшое количество животной (при удачной охоте или рыбалке). При этом их энерготраты были очень высоки, нередко превышая 5 6 тыс. ккал. в день, что требовало потребления весьма значительного объема пищи.

Развитие оседлости, земледелия, скотоводства (около 10 тыс. лет назад) резко сузило спектр растительной пищи, а применение огня, расширение кулинарных приемов, способов переработки и хранения пищи привело к дополнительным потерям многих пищевых и биологически активных веществ. Но энерготраты людей в те времена оставались еще значительными (4,5 5 тыс. ккал. в день) и поэтому требовали достаточно большого объема пищи, который, как правило, вполне удовлетворял потребности человека в витаминах, минеральных и биологически активных веществах. Хотя уже в этот период человечество столкнулось с первыми драматическими последствиями ослабления симбиоза с природой. Так, по мнению археологов и антропологов, ведущей причиной деградации империй майя, ацтеков, инков является стремительное вырождение этих народов, особенно в городах, вследствие неполноценности питания, поскольку пищевой рацион большинства представителей этих популяций практически ограничивался одной сельскохозяйственной культурой маисом.

XIX XX века с характерным для них стремительным развитием науки и техники внесли коренные изменения и в образ жизни, и в питание современного человека. Во первых, индустриализация сельскохозяйственного производства привела к резкому снижению пищевой ценности многих растительных продуктов питания. Китайцы считают, что почва, на которой вырос женьшень, восстанавливается лишь через 40 лет. Но это же в той или иной мере касается любых культур. Постоянное и интенсивное использование в сельском хозяйстве одних и тех же земель неминуемо ведет к их минеральному истощению. Так по данным министерств сельского хозяйства и здравоохранения США потеря содержания микроэлементов в наиболее широко употребляемых растительных продуктах питания за период с 1912 14 г.г. по 1992 97 г.г. составляет по разным позициям от 60 до 99,5%. Типичный пример: в начале XX века взрослый человек получал суточную дозу железа в двух яблоках средней величины, а в конце века мог получить это количество лишь из более чем 50 ти яблок.

Другим негативным фактором, существенно нарушающим структуру питания, является широко распространенная в пищевой промышленности практика очистки или рафинирования продуктов питания. В ходе этого процесса от цельных натуральных продуктов отделяется так называемая балластная часть, не имеющая, казалось бы, значимой энергетической и пластической ценности для человеческого организма шелуха, кожура, волокна и т.д. Но, как оказалось, чаще всего именно эта отбрасываемая часть цельных продуктов наиболее богата важнейшими для человека микронутриенами витаминами, минералами и микроэлементами. Кроме того, нет ни малейшего сомнения в том, что начавшаяся в 90 х годах XIX столетия промышленная переработка зернопродуктов, и продолжающая и поныне превращать огромные количества пшеницы в белую муку, привела к резкому снижению потребления пищевых волокон, в частности, клетчатки, и параллельному неудержимому росту потребления очищенных простых углеводов (сахаров). Если 200 лет назад средний европеец потреблял 5 6 кг сахаров в год, то в настоящее время это количество составляет около 50 60 кг.

К этим чрезвычайно негативным изменениям в структуре питания к 70 80 годам XX столетия развитие нашей цивилизации добавило еще один угрожающий фактор в экономически развитых странах мира резко (почти в 2 раза) сократились энерготраты большинства населения, и в настоящее время они достигли, по видимому, критического уровня (около 2,2 2,5 тыс. ккал в день). Естественно, что это количество энергии обеспечивается поступление гораздо меньшего объема пищи. Столь малый объем пищи, к тому же с учетом прогрессивно снижающейся пищевой ценности многих растительных продуктов, не позволяет в настоящее время даже чисто теоретически обеспечить организм человека всеми необходимыми пищевыми веществами. Прежде всего, это касается витаминов, минералов, микроэлементов и других биологически активных веществ, присутствующих в пище в крайне малых количествах.

Именно нарушением пищевого статуса следует объяснить рост в популяции, с одной стороны, таких заболеваний как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь, сахарный диабет, заболевания желудочно кишечного тракта, с другой числа лиц с нарушенной иммунореактивностью и резистентностью к естественным и техногенным факторам окружающей среды. И, несомненно, именно нарушения структуры питания в значительной степени "ответственны" за низкую продолжительность жизни россиян, за высокую смертность, регистрируемую повсеместно в России в последние годы, от сердечно сосудистых и онкологических заболеваний.

Казалось бы выход из сложившейся ситуации должен состоять из комплекса государственных программ, направленных на обучение населения навыкам и правилам рационального питания, увеличение объемов производства и расширение ассортимента продовольственных товаров, создание новых, более совершенных технологий производства пищи. Однако накопленный международный опыт свидетельствует, что таким традиционным путем практически невозможно достичь быстрой коррекции структуры питания населения. Кроме того, как свидетельствуют наблюдения отечественных и зарубежных ученых, доступность продовольствия населению и обеспеченность его нутриенами, как правило, вещи, не связанные между собой.

Таким образом, при традиционном питании человек современного общества, по сути, обречен на различные виды пищевой недостаточности. А с ними его всегда будет сопровождать неспособность соответствующих интегрирующих, адаптационных и защитных систем организма адекватно контролировать внутреннюю среду и отвечать на воздействия окружающей среды, что многократно повышает риск развития многих заболеваний и существенно отягощает их течение. Поэтому в настоящее время среди специалистов в области питания и медицины все более широкое распространение имеет точка зрения, что наиболее быстрым, экономически обоснованным и приемлемым путем решения обсуждаемой проблемы является создание и широкое применение в повседневном питании больных и здоровых людей биологически активных добавок к пище или "Food supplements", как их называют за рубежом.

Что же представляют собой биологически активные добавки? Являются они пищей или лекарством?

В целом, биологически активные добавки это природные или идентичные природным биологически активные вещества, получаемые из растительного, животного или минерального сырья, а также, но гораздо реже, путем химического или микробиологического синтеза. Они могут включаться в состав пищевых продуктов, напитков, либо использоваться самостоятельно в различных формах, с целью обеспечения организма человека необходимым количеством незаменимых пищевых веществ (полноценные белки или отдельные аминокислоты и их комплексы, полиненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды, витамины, минералы и микроэлементы, пищевые волокна и др.) и некоторых регулятор физиологических функций органов и систем организма (органические кислоты, гликозиды, сапрнины, алкалоиды, антоциды, биофлавоноиды и т.д.).

С определенной степенью условности биологически активные добавки к пище подразделяют на нутрицевтики и парафармацевтики.

Нутрицевтики это незаменимые пищевые вещества или их близкие предшественники. Эту группу БАД можно со всеми основаниями причислить к пище, поскольку она в большинстве случаев представлена хорошо изученными естественными ее компонентами, физиологическая потребность и биологическая роль которых установлены. Использование нутрицевтиков в повседневном питании больных и здоровых людей позволяет:

легко и быстро устранить недостаток эссенциальных пищевых веществ, который повсеместно выявляется у большинства взрослого и детского населения России;

максимально учесть в питании конкретного человека индивидуальные потребности, которые значительно отличаются не только по возрасту, полу, интенсивности физических нагрузок, но и вследствие генетически детерминированных особенностей метаболизма отдельного индивидуума, его биоритмов, экологических условий региона обитания, физиологических состояний беременность, психоэмоциональный стресс и т.д.; максимально обеспечить измененные физиологические потребности в пищевых веществах больного человека, обойти поврежденные заболеванием участки метаболических путей, а иногда осуществить их коррекцию;

за счет усиления элементов защиты клеточных ферментных систем повысить общую, неспецифическую резистентность организма к действию неблагоприятных факторов окружающей среды у населения, проживающего как в экологически чистых, так и в экологически неблагополучных регионах; воздействую прежде всего на ферментные системы, направленно изменять метаболизм отдельных веществ, в частности, ксенобиотиков, а также усиливать и ускорять связывание и выведение из организма чужеродных и токсических веществ.

Таким образом, использование нутрицевтиков является эффективным средством профилактики, а также дополнительного (а иногда, и основного) лечения больных при широко распространенных хронических заболеваниях, как ожирение, сахарный диабет, сердечно сосудистые заболевания, злокачественные новообразования, иммунодефицитные состояния, заболевания желудочно-кишечного тракта, дегенеративные заболевания опорно-двигательного аппарата.

Рассмотрение конкретных примеров нутрицевтиков, предлагаемых компанией СанаВита, следует начать с БАД, основной задачей которых является обеспечение организма человека витаминами. К этой группе нутрицевтиков следует, прежде всего, отнести "Витасил" и сухой витаминизированный напиток "Гипоксен Лайф", покрывающие за один прием от 30 до 50% суточной потребности человека в 10 витаминах. Кроме того, "Гипоксен Лайф" содержит значительное количество чрезвычайно важных для сердечно сосудистой системы витаминоподобных веществ естественную комбинацию растительных убихинонов (олифен® или витамин Q). Необходимо подчеркнуть, что сухие витаминизированные напитки являются наиболее эффективной формой витаминсодержащих БАД, обеспечивая возможность хорошей сохранности витаминов, минимизацию их потерь при производстве и хранении.

В качестве добавок, также содержащих значительное количество витаминов, следует отметить сухой напиток "Багира", в составе которого также содержится олифен, сублимированные соки красной свеклы, клюквы, белокочанной капусты, крапивы, "АнтиКанцер", "КальцийЛакт", "Альга Прима", "Формула Энергии", "Формула Оптимизма", а также БАД, содержащие высокое количество в первую очередь жирорастворимых витаминов "Масло зародышей пшеницы", "Масло амаранта", "Тыквеол", леденцы "Витаминные". Конечно большинство из упомянутых витаминсодержащих БАД имеет свое специфическое биологически активное действие, но в рамках обсуждаемой темы невозможно детальное обсуждение подобной специфики.

В последние годы ведущие компании мира, осуществляющие выпуск БАД, особое значение уделяют производству добавок, содержащих эссенциальные минералы и микроэлементы. Эта группа нутрицевтиков в компании СанаВита представлена в первую очередь такими добавками как "Цыгапан", "Эраконд", "Кальцемид". Особо следует отметить биологические добавки, состав которых акцентирован на определенных минералах и микроэлементах: кальций, калий, магний "Кальцемид", "Альга Шелл", "Магний Спирулина"; хром "Хром Спирулина", "Хелиантус", "Хром Альга плюс"; цинк "Цинк Спирулина", "Простабин", "Цинк Альга плюс"; медь "Медь Спирулина"; марганец "Марганец Спирулина"; железо "Гемобин", батончик "Супергематоген"; селен "Селен Спирулина", "Селен Альга плюс"; йод в целом серия "Альга" и приправы на основе морепродуктов. Здесь важно подчеркнуть, что минералы и микроэлементы, входящие в состав указанных БАД, содержатся в высокоусваиваемых, главным образом, в биотрансформированных формах (особо тщательно это реализовано в добавках на основе спирулины). Кроме того, в большинстве случаев нутрицевтики компании СанаВита из группы витаминосодержащих и минеральных добавок, по сути, представляют собой витамино минеральные комплексы, что качественно расширяет их биологическую активность и увеличивает лечебно профилактический потенциал.

Особое внимание как специалистов в области питания, так и медиков, привлекают БАД дополнительные источники полиненасыщенных жирных кислот (витамин F) и фосфолипидов. Это обусловлено, во первых, их постоянным дефицитом в рационе современного человека и, во вторых, их исключительной лечебно профилактической эффективностью при нарушениях липидного обмена, атеросклерозе, гипертонической болезни, тромбозах, сахарном диабете, иммунодефицитах, бронхиальной астме, кожных заболеваниях. В этом классе нутрицевтиков компания СанаВита представляет БАД: "Фитос F", "Тыквеол", "Масло зародышей пшеницы", "Масло Фукуса", "Масло Амаранта". К этой группе, благодаря значительному содержанию фосфолипидов, можно отнести и упомянутый выше "Эраконд".

Следующая важная группа нутрицевтиков БАД, содержащие белки и аминокислоты. Их основное назначение дополнительное обогащение обычного, традиционного рациона белком и незаменимыми аминокислотами. К этому классу нутрицевтиков компании СанаВита можно отнести опять же "Эраконд", "Цыгапан", а также "Цамакс М", "Цамакс С", БАД серии "Спирулина", батончик "Русский Богатырь". Причем, указанные добавки в большинстве случаев представляют легкоусваиваемые белково жиро углеводо витамино минеральные комплексы, что во многом расширяет их пищевую ценность.

Важную группу нутрицевтиков представляют БАД, являющиеся источниками пищевых волокон. Недостаток в рационе современного человека растительных волокон значительно повышает риск развития многих распространенных заболеваний, таких как ожирение, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, сахарный диабет, энтероколиты, заболевания гепатобилиарной системы, дисбактериозы, некоторые формы онкологических заболеваний. Поэтому введение в повседневное питание нутрицевтиков, содержащих пищевые волокна, является чрезвычайной необходимостью. СанаВита имеет широкий спектр добавок этого класса: "Отруби пшеничные", "Хлопья зародышей пшеницы", "Панасорб", "Полифепан", "Нормоцен", "Фервитал". Особое место в этой группе занимает "Фито Филлум" нутрицевтик, содержащий различные типы растительных волокон (клетчатка, целлюлоза, пектины различной степени этерификации, слизи, фруктовые олигосахара), что позволяет ей служить удобным универсальным источником пищевых волокон для повседневного использования. Также следует отметить БАД "Хитозан", в состав которой входят особые пищевые волокна из ракообразных (производное хитина хитозан), позволяющие активно ограничивать в желудочно кишечном тракте усвоение из пищи жиров.

И завершая этот обзор нутрицевтиков, по видимому, следует особо рассмотреть группу БАД, которая в последние годы все шире привлекает как ученых медиков, так и практических врачей это антиоксиданты (биологические добавки, либо обладающие собственными антиоксидантными свойствами, либо усиливающие естественные антиоксидантные системы организма человека). Практическая значимость этого класса БАД чрезвычайно высока, поскольку антиоксидантные резервы организма самым непосредственным образом определяют как риск развития и тяжесть течения самых распространенных заболевания (атеросклероз, ишемическая болезнь, хронические воспалительные заболевания, злокачественные новообразования и т.д.), так и, во многом, темпы возрастной инволюции человека. Данная группа БАД объединяет, с одной стороны, определенных представителей нутрицевтиков и, с другой представителей биологических добавок парафармацевтического ряда, отличающихся высоким содержанием биофлавоноидов и серосодержащих аминокислот. В компании СанаВита эта группа представлена в первую очередь БАД, содержащими широкий спектр микронитриенов и других биологически активных веществ с антиоксидантной активностью это "Антоксид", "Формула Энергии", "Альга Прима". Не меньший практический интерес представляют также добавки, в составе которых имеются нутриены, усиливающие активность отдельных элементов антиоксидантных систем организма человека "Биолан", "Луновит плюс", "Селен Спирулина", "Масло зародышей пшеницы", "Тыквеол", "АнтиКанцер", серия БАД на основе Солянки Холмовой, "Масло Расторопши", леденцы "Витаминные", "Цамакс М".