Изучение супрамолекулярных структур Глицирризиновой кислоты в растворах методами 1Н ЯМР и ХПЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Изучение супрамолекулярных структур Глицирризиновой кислоты в растворах методами ¹Н ЯМР и ХПЯ

01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

кандидата химических наук

Корниевская Валерия Сергеевна

Новосибирск - 2008

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

кандидат химических наук, Круппа Александр Иванович

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, Стась Дмитрий Владимирович

доктор химических наук, Центалович Юрий Павлович

Ведущая организация

Новосибирский Институт Органической Химии им. Н.Н.Ворожцова СО РАН

Защита диссертации состоится «9» апреля 2008 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 003.014.01 в Институте химической кинетики и горения СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химической кинетики и горения СО РАН.

Автореферат разослан «13» февраля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор химических наук А.А. Онищук

фотораспад гомогенный глицирризиновый кислота

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Установление природы влияния организованных сред или нанореакторов (комплексы типа “гость - хозяин”, мицеллы, везикулы, липосомы, лизосомы, мембраны, цеолиты, жидкие кристаллы) на реакционную способность включенных соединений - одна из фундаментальных проблем супрамолекулярной химии. В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с установлением влияния ассоциаций фотоактивных молекул с нанореакторами (мицеллы, циклодекстрины) на реакционную способность включенных соединений. Интерес к реакциям, протекающим в организованных средах, стимулируется, прежде всего, биологической и медицинской значимостью этих процессов. Однако имеется и значительный фундаментальный интерес, в части, связанный с супрамолекулярной химией, поскольку природа воздействия организованной среды на реакционную способность “включенных” соединений очень мало исследована.

Работа выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН № 146 «Научные основы создания лекарственных препаратов. Перспективы использования биологического сырья», программы Рособразования РНП 2.1.1.1969, и программы Президиума РАН №18.2 "Происхождение и эволюция биосферы", а также поддержана грантом 04-03-32449 Российского фонда фундаментальных исследований.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование методами Н¹ ЯМР и ХПЯ самоассоциации биологически активного соединения - глицирризиновой кислоты (ГК), в растворах, а также ассоциации ГК с двумя эфирами: алкалоидом лаппаконитином (действующее начало антиаритмического лекарственного препарата “Алапинин”) и его моделью - метиловым эфиром N - ацилантраниловой кислоты. Кроме самого факта образования ассоциатов исследуется также воздействие организованной среды на реакционную способность ассоциированных молекул.

Научная новизна работы. Детально изучен радикальный механизм фотолиза метилового эфира N - ацилантраниловой кислоты (МАЗ) в различных средах и установлено, что реакционная способность эфира в фотопроцессах чрезвычайно чувствительна к воздействию среды, поскольку она целиком определяется типом (внутри или межмолекулярная) водородной связи, в которой участвует ацильная группа. В работе продемонстрирована возможность использования МАЗ в качестве модельного соединения (пробника) для исследования свойств различных организованных сред (комплексы «гость - хозяин», мицеллы). Для одной из таких сред - природного комплексанта - глицирризиновой кислоты обнаружена самоассоциация в растворах. Показано, что происходит образование мицелл, а также более мелких агрегатов ГК, которые образуют в растворах так называемое предмицеллярное состояние.

Продемонстрирована солюбилизация МАЗ - метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты, а также алкалоида - лаппаконитина, в мицеллах ГК. При этом показано, что эффективность фотораспада МА3 полностью определяется процессом солюбилизации [. Kornievskaya V.S. NMR and photo-CIDNP investigations of the glycyrrhizinic acid micelles influence on solubilized molecules /V.S.Kornievskaya, A.I.Kruppa, T.V.Leshina //Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. Chemistry and Materials Science- 2008.-Vol.60.- № 1-2.- P.123-130.]. Обнаружено также различие в эффективности фотораспада МАЗ в комплексах с циклодекстринами, и мицеллах различного происхождения (додецилсульфат натрия, цетил аммоний бромид, тритон-Х100) [. Корниевская В.С. Исследование влияний ближайших окружений на реакционную способность радикалов модельного органического соединения метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты методами 1Н ЯМР и ХПЯ /В.С.Корниевская, А.И.Круппа, Т.В.Лешина //Вестник НГУ. Серия: Физика- 2007.- Т.2.- Вып.2._ С.21_29.]. Исследования, проведенные с модельным соединением МАЗ, позволили в дальнейшем установить корреляцию между эффективностью фотораспада антиаритмического препарата лаппаконитина, который также является сложным эфиром этой кислоты, и степенью его ассоциации с глицирризиновой кислотой [. Kornievskaya Valeria S. Effect of Glycyrrhizic Acid on Lappaconitine Phototransformation /V.S.Kornievskaya, A.I.Kruppa, N.E.Polyakov, T.V.Leshina //Journal of Physical Chemistry B- 2007._ Vol.111._ № 39._ P.11447_11452.].

Практическая значимость. Практическая значимость результатов настоящей диссертационной работы обусловлена в основном объектами исследования. Глицирризиновая кислота (ГК) - это природный комплексант с широким спектром применения, включающим пищевую, косметическую индустрии, а главное фармакологию. ГК входит в состав ряда лекарственных композиций, и её способность изменять свойства лекарственных препаратов в таких композициях в настоящее время надежно доказана [. Толстиков Г.А. Солодка. Неиспользуемые возможности здравоохранения России /Г.А.Толстиков, Э.Э.Шульц, Л.А.Балтина, Т.Г.Толстикова //Химия в интересах устойчивого развития- 1997.- № 5.- С.57-73.]. Отметим также, что в литературе описано существенное уменьшение лечебной дозы другого объекта исследования - лаппаконитина в случае его совместного применения с ГК. Однако природа описанных эффектов до сих пор не установлена.

Методом ЯМР в настоящей работе впервые надежно установлено, что глицирризиновая кислота способна образовывать мицеллы в водно-метанольных растворах, а эти мицеллы солюбилизировать молекулы органических соединений: метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты и лаппаконитина. Обнаруженная в работе корреляция между эффективностью фотораспада лаппаконитина и его солюбилизацией подтверждает высказываемые в литературе предположения об ассоциации лекарственных препаратов с ГК, а также проливает свет на возможную природу воздействия ГК. Кроме того, следует подчеркнуть, что сам лаппаконитин является фоточувствительным соединением, и поэтому установление механизма его фототрансформации в составе ассоциата с ГК представляет самостоятельный практический интерес.

Основные положения, выносимые на защиту.

Установление механизма фотораспада метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты (МА3) в гомогенных средах.

Регистрация влияния на фотолиз МАЗ комплексообразования с - циклодекстрином, а также солюбилизации в мицеллах: додецилсульфат натрии (SDS), цетил аммоний бромиде (СТАВ), тритоне-Х100 (ТХ-100).

Обнаружение ассоциатов, образованных самой глицирризиновой кислотой в растворах, ассоциатов ГК с модельным соединением (МА3) и биологически активным алкалоидом, лаппаконитином (ЛК).

Обнаружение влияния ассоциатов ГК на фотолиз МА3 и лаппаконитина.

Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо непосредственно самим автором, либо в соавторстве. Автор участвовал в постановке задач, решаемых в рамках диссертационной работы, самостоятельно проводил основные эксперименты и обрабатывал результаты, принимал участие в интерпретации полученных данных, написании и подготовке к публикации статей и тезисов конференций.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на различных конференциях, в том числе: Всероссийской конференции лауреатов Фонда имени К. И. Замараева “Современные подходы к проблемам физикохимии и катализа”. - Новосибирск, Россия, 16-19 мая 2007; Всероссийской научной конференции “Современные проблемы органической химии”. - Новосибирск, Россия, 5-9 июня 2007; VII Voevodsky Conference “Physics and chemistry of elementary chemical processes”. - Chernogolovka, Russia, June 25-28, 2007; 10-th International Symposium on Spin and Magnetic Field Effects in Chemistry and Related Phenomena “Spin Chemistry Meeting 2007.” - S. Servolo, Venice, Italy, 18-21 June, 2007; XIV Всероссийской конференции “Структура и динамика молекулярных систем”. - Яльчик, Россия, 27 июня 2007; 36th Southeast Magnetic Research Conference - Tuscaloosa, Alabama, USA, November 9-11, 2007.

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 3 статьях в рецензируемых научных журналах и 8 тезисах докладов в материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 111 страниц, включая 44 рисунка, 2 схемы и 3 таблицы. Библиография содержит 88 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель работы, определена научная новизна, охарактеризована практическая значимость полученных результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации содержит литературный обзор, состоящий из трех частей, в которых рассматриваются вопросы, касающиеся имеющихся на данный момент сведений о супрамолекулярных структурах глицирризиновой кислоты (ГК). Первая часть содержит сведения о биологической активности ГК. Во второй части обсуждаются механизмы воздействия ГК на свойства лечебных препаратов, связанные со структурированием растворов ГК. В третьей части описываются ассоциаты ГК с биологически активными молекулами, исследованные с помощью физических методов.

Вторая глава диссертации посвящена описанию экспериментов и состоит из трех частей. В первой части описана экспериментальная установка (модифицированный для изучения фотохимических реакций непосредственно в датчике спектрометр ЯМР, методики регистрации фотоинициированной химической поляризации ядер, и спин- спиновой релаксации). Во второй и третьей частях охарактеризованы реактивы, используемые для проведения исследований, и подробно описана методика приготовления водных и водно-метанольных растворов глицирризиновой кислоты с исследуемыми эфирами антраниловой кислоты, и водных растворов комплексов “гость-хозяин” метилового эфира антраниловой кислоты с - ЦД, и мицеллами (СТАВ, SDS, TX-100).

Третья глава, содержащая результаты и их обсуждение, состоит из пяти частей. Первая часть посвящена обоснованию выбора модельного соединения, с помощью которого возможно изучение воздействия организованной среды в рамках используемого подхода. Согласно этому подходу, воздействие организованной среды исследуется путем сравнения свойств и реакционной способности соединения, находящегося в составе ассоциата, с таковыми же, зарегистрированными в гомогенной среде. В качестве модельного соединения был выбран метиловый эфир N-ацилантраниловой кислоты, (МАЗ). Анализ ПМР спектров растворов МАЗ показал, что химические сдвиги МА3 существенно изменяются в зависимости от растворителя. На рисунке 1 представлены спектры ЯМР ароматических протонов МА3 в различных растворителях.

Рисунок 1. ¹H ЯМР спектры ароматических протонов 1 мМ раствора MA3 в водно-метанольных смесях с различными объемными долями () D₂O: (a) 0.8; (б) 0.5; (в) 0.3; (г) 0.1; (д) 0 и (е) в ацетонитриле-d₃.

Рисунок 2. ¹H фото-ХПЯ спектры при фотолизе 1 мМ раствора MA3 в смеси вода/метанол: а) =0.8; б) =0.

Положение сигнала амидного водорода H(6) в ацетонитриле в районе 10.8 м.д. (рисунок 1(е)) указывает на существование внутримолекулярной водородной связи между -NH и кислородом карбоксильной группы. Как видно из рисунка 1, при переходе от ацетонитрила и метанола к воде происходит существенная перестройка ЯМР спектра в области ароматических протонов МАЗ, а именно сужение диапазона химических сдвигов. Это сопровождается исчезновением амидного протона. По-видимому, внутримолекулярная водородная связь, существующая в ацетонитриле, разрывается и заменяется в метаноле и водно-метанольных смесях на межмолекулярную с участием протонов растворителей. Зарегистрированные изменения вполне укладываются в концепцию о смещении равновесия в сторону структуры МА3, в которой при увеличение концентрации воды в растворителях внутримолекулярная водородная связь заменяется на межмолекулярную. Аналогичные заключения делались ранее в литературе для родственных соединений - 2'-аминоацетофенона и его производных [. Shimada Hirofumi Intramolecular and intermolecular hydrogen-bonding effects on photophysical properties of 2_-aminoacetophenone and its derivatives in solution /Hirofumi Shimada, Akihito Nakamura, Toshitada Yoshihara, Seiji Tobita //Photochemistry Photobiology Sciences- 2005.- Vol.4.- P.367-375.], где было показано, что именно замена внутримолекулярной водородной связи на межмолекулярную ответственна за изменения фотофизических свойств производных 2'-аминоацетофенона. Это позволило предположить, что изменение в характере водородной связи может повлиять на фотохимические свойства МА3.

Действительно, если при облучении растворов MA3 в ацетонитриле и циклогексане не удается зарегистрировать ни поляризации, ни образования продуктов, то в водно-метанольных смесях наблюдается химическая поляризация ядер, что указывает на фоторазложение по радикальному механизму. На рисунке 2 представлены спектры фото-ХПЯ МА3 в смесях воды и метанола. Основная поляризация в области ароматических протонов регистрируется на исходном соединении, и интенсивность её, как видно из рисунка 2, существенно зависит от содержания воды в используемом растворителе.

Наличие корреляции между изменениями химических сдвигов и интенсивностью ХПЯ ароматических протонов эфира при изменении содержания воды в растворе (рисунок 3) показывает, что равновесие между внутри- и межмолекулярными водородными связями отвечает как за изменение величин химических сдвигов ароматических протонов, так и за эффективность фотораспада МА3.

Рисунок 3. Зависимость относительной интенсивности ХПЯ (?) и изменений в химическом сдвиге (_) протона H(5) MA3 от объемной доли воды в смеси вода/метанол.

Схема 1. Механизм фотолиза МА3.

На основании анализа наблюдаемой ХПЯ и ее зависимости от используемого растворителя предложена схема фотораспада МА3 (схема 1). В рамках предложенной схемы молекула МА3 не подвергается фотораспаду до тех пор, пока внутримолекулярная водородная связь не заменится на межмолекулярную. Фотораспад возбужденной молекулы, происходит с образованием пары ацетильного и MAR радикалов. В процессе геминальной рекомбинации образуется поляризованный МА3. Радикалы, избежавшие геминальной рекомбинации, образуют в объемных процессах набор продуктов, главным из которых является орто-карбометоксианилин. Отметим, что образование продуктов реакции, отличных от исходного МА3, известно в литературе, как фото-перегруппировка по Фрису [. Photo - Fries rearrangement //IUPAC Compendium of Chemical Terminology.- 1996.- Vol.68.- P.2261.]. Квантовый выход продукта деацилирования эфира МА3 - орто-карбометоксианилина находится в районе 0.30 10^-4 для раствора, содержащего 80% воды. При уменьшении концентрации воды в водно-метанольной смеси, до 30%, квантовый выход падает до 0.17 10^_4. Однако, высокие коэффициенты усиления химической поляризации ядер, сформированной в радикальной паре (MAR и СH₃CO) делают возможным наблюдение за воздействием на процесс фотораспада МАЗ растворителей, включая организованные среды, даже при малых выходах продуктов. Для приведенной схемы 1 наблюдаемая поляризация продукта геминальной рекомбинации может быть представлена в виде: , где - концентрация геминальных радикальных пар, образованных при первичном фотораспаде МА3, а - неравновесная населенность ядерных спиновых состояний в продуктах геминальной рекомбинации в расчете на одну образовавшуюся пару. При этом в основном определяется магниторезонансными параметрами радикалов, образующих радикальную пару, и в рассмотренной ситуации не будет существенно меняться в зависимости от используемого окружения. В таких предположениях, изменение в интенсивности ХПЯ отражает в основном изменение в концентрации геминальных радикальных пар, а, следовательно, эффективность фотолиза.

Продемонстрированная выше чувствительность фотолиза МА3 к свойствам среды позволяет использовать этот процесс для исследования свойств других сред, главным образом «организованных».

Вторая часть посвящена изучению влияния на процесс фотолиза МАЗ сред с заведомо известным строением (комплексы типа “гость-хозяин”, мицеллы). Сначала исследовался фотолиз МА3 в присутствии - циклодекстрина (ЦД). Одна из особенностей, возникающих при исследовании реакций в присутствии ЦД, является возможность вовлечения молекулы гостя во внутреннюю полость ЦД с образованием комплексов включения типа “гость-хозяин”.

На рисунке 4 показаны спектры, записанные для растворов с различными концентрациями ЦД. Из рисунка 4 видно, что наблюдается сдвиг резонанса Н(5) протона МА3 в слабое поле при увеличении концентрации ЦД. Кроме того, в присутствии МА3, сдвигаются также протоны ЦД: Н(3) - в слабое поле, а Н(5) - в сильное поле.

Полученные результаты характерны для образования комплекса включения: так, с одной стороны, изменения в спектре ЯМР МА3 отвечают уменьшению содержания воды в ближайшем окружении молекулы эфира (сравните рисунок 4 и 1); с другой стороны, существенное изменение химических сдвигов протонов ЦД в положениях (3) и (5), локализованных внутри гидрофобной полости ЦД, свидетельствуют о внедрении в его полость молекулы, отличной от молекул растворителя. Из зависимости химического сдвига Н(5) протона МА3 от концентрации ЦД была определена константа стойкости комплекса K_cm = 13015 М^-1.

Рисунок 4. ¹H ЯМР спектры ароматических протонов МА3 (1мM) при различных концентрациях ЦД в воде: (a) 10мM, (б) 8мM; (в) 6мM; (г) 3мM;(д) 0мM.

Рисунок 5. ¹H ЯМР спектры протонов ЦД (1мМ) в воде: (а) в отсутствии МА3 и (б) в присутствии МА3 (4 мМ).

На рисунке 5 представлена зависимость интегральной интенсивности ХПЯ Н(5) ароматического протона МА3 от мольной доли молекул МА3 в комплексе с ЦД; мольная доля определялась с помощью K_cm. Из рисунка 5 видно, что заметное увеличение доли закомплексованных молекул практически не влияет на эффективность фотораспада. Квантово-химические расчеты показали, что молекула МА3 в комплексе расположена таким образом, что амидная и карбоксильная группы находятся на периферии комплекса. Это приводит к непосредственному контакту этих групп с растворителем, следствием чего является разрыв внутримолекулярной водородной связи и, соответственно, слабая зависимость ХПЯ от концентрации ЦД.

Далее в работе исследовался фотолиз МА3 в растворах мицеллообразователей различной природы (катионной - CTAB, анионной - SDS и неионной - TX-100). Для регистрации влияния солюбилизации молекулы МА3, концентрации мицеллообразователей варьировались в широких пределах относительно критических концентраций мицеллообразования (ККМ). Обнаружено, что при увеличении концентрации мицеллообразователей в растворах наблюдается изменение химических сдвигов Н(5) ароматических протонов МА3, по характеру аналогичное уменьшению концентрации воды в ее ближайшем окружении. Кроме того, все измеренные зависимости содержат особую точку, после которой происходят резкие изменения химического сдвига Н(5). Отметим, что полученные особые точки наблюдаются при концентрациях близких к ККМ исследованных мицелл. Таким образом, характер зависимостей свидетельствует о солюбилизации МА3 в мицеллах.

В работе описаны также изменения в эффективности фотораспада солюбилизированного эфира, зарегистрированной по данным ХПЯ. Так, на рисунке 6 показана зависимость интегральной интенсивности поляризации ароматических протонов эфира от концентрации мицеллообразователей. Видно, что при концентрациях мицеллообразователей выше ККМ, во всех трех случаях, поляризация МА3 резко падает.

Рисунок 6. Изменения интегральной интенсивности ХПЯ ароматических протонов МА3 в мицеллярных растворах: CTAB, ТХ-100, SDS (снизу вверх), как функция логарифмической концентрации данных мицелл. Пунктирными стрелками обозначены литературные ККМ мицелл в воде.

Рисунок 7. ¹H ЯМР спектры метильных групп ГК при различных концентрациях ГК: (а) 1.5 мМ, (б) 1 мМ; (в) 0.5 мМ, в водно-метанольном растворе, с 20% метанола.

При этом различия в масштабах влиянии на эффективность фотораспада МАЗ исследованных мицелл (рисунок 6) логично связать с особенностями расположения молекулы эфира в различных мицеллах: 1) внутри мицелл, в случае CTAB и TX-100, что приводит практически к полному вытеснению воды из ближайшего окружения; или 2) на их поверхности, как в случае с SDS, что хотя и приводит к сдвигу равновесия в сторону структуры с внутримолекулярной водородной связью, но не полностью вытесняет воду из ближайшего окружения молекулы МА3.

Теперь, после установления основных факторов, воздействующих на фотолиз МАЗ в комплексе с ЦД, и в мицеллах известного строения, выбранную модель можно использовать для исследования природы ассоциации основного объекта данной работы - глицирризиновой кислоты.

Следующая часть третьей главы посвящена исследованию ассоциации самой глицирризиновой кислоты в растворах методами магнитного резонанса. Спектры ЯМР метильных протонов ГК в водно-метанольной смеси при увеличении концентрации ГК от 0.5 мМ до 1.5 мМ демонстрируют сильное уширение линий метильных протонов (рисунок 7). Это означает существенное изменение во временах релаксации метильных протонов. Принимая во внимание литературные данные о склонности ГК к ассоциации, наиболее вероятными причинами укорочения времен релаксации в растворах ГК представляются либо образование в концентрированных растворах крупных агрегатов, в которых затруднено свободное вращение метильных групп, либо обмен между метильными группами, находящимися в различном окружении. На основании этих предпосылок, в работе было предпринято исследование зависимости скорости спин-спиновой (T₂) релаксации метильных протонов ГК от её концентрации с помощью импульсной ЯМР спектроскопии.

Выбор спин-спиновой релаксации связан с тем, что в жидкости именно скорости ядерной T₂ релаксации наиболее чувствительны к изменениям размеров частиц, к которым принадлежат исследуемые ядра [. Orientational dynamics of [beta]-cyclodextrin inclusion complexes /N.Balabai, B.Linton, A.Napper et al. //J. Phys. Chem.В.- 1998.- Vol.102(48).- P.9617-9624.]. На рисунке 8 показаны экспериментальные данные, полученные при измерении интенсивности сигнала эха в зависимости от времени при различных концентрациях ГК. Зависимость интегральной интенсивности сигнала эха от времени не описывается одной экспонентой даже при малых концентрациях ГК порядка 0.25 мМ. Вставка на рисунке 7 показывает, что экспериментальные данные удается с хорошей точностью описать биэкспоненциальной зависимостью:

(1)

Рисунок 8. Изменение интенсивности сигнала эха метильных протонов ГК при концентрациях ГК: 0.25 мМ () и 1 мМ () в 80% водно-метанольном растворе, как функция времени. Сплошными линиями изображены кривые, построенные по уравнению (2). На вставке показана зависимость логарифма интенсивности сигнала эха от времени.

Зависимость скорости спин-спиновой релаксации метильных протонов ГК от её концентрации, измеренная в присутствии лаппаконитина (ЛК) также описывается уравнением (1).

В литературе, посвященной исследованиям ассоциации мономерных соединений в мицеллы и кластеры жидких кристаллов, имеется много примеров наблюдения биэкспоненциальной релаксации. Опираясь на литературные данные [. Popova M.V. NMR Investigation of the Short-chain Ionic Surfactant-Water Systems /M.V.Popova, Y.S.Tchernyshev, D.Michel //Langmuir- 2004.- Vol.20.- P.632-636.], биэкспоненциальную зависимость скорости спин-спиновой релаксации метильных протонов ГК от её концентрации, полученную в настоящей диссертации, разумно объяснить различием в скоростях релаксации протонов, принадлежащих молекулам, находящимся в мономерном и ассоциированном состояниях. В этом случае времена релаксации и будут относиться к протонам, находящимся в растворе и ассоциате, соответственно, а и - к вероятностям найти молекулу в состоянии мономера и ассоциата. С учетом связи, существующей между размерами частиц и временами корреляции, короткие времена релаксации резонно отнести к ассоциатам, а длинные приписать молекулам в растворе. Это дает возможность определить изменение распределения молекул ГК между мономерными и ассоциированными формами в зависимости от концентрации ГК как в присутствии МАЗ, так и в присутствии ЛК.

Рисунок 9. (А) Зависимость долей мономерной (P₁) и мицеллярной (P₂) форм ГК от исходной концентрации ГК в присутствии ЛК; (Б) Изменения концентрации ГК в мономерной (1) и мицеллярной (2) формах, как функция исходной концентрации ГК в присутствии ЛК. Пунктирными линиями обозначены такие же зависимости, но в присутствии МА3.

На рисунке 9(A) представлены зависимости и от концентрации ГК в присутствии ЛК и МАЗ. Учитывая, что концентрация мономера будет определяться как , а концентрация ассоциатов как , где - число ассоциации, для значений и (рисунок 9(А)) была построена зависимость концентрации ГК в различных формах от исходной концентрации ГК (рисунок 9(Б)). Полученные зависимости характерны для растворов, содержащих мицеллы, когда до критической концентрации мицеллообразования (в описываемом случае 0.5-0.7 мМ) в растворе в основном, присутствуют предмицеллярные формы ГК, а выше ККМ растет только концентрация мицелл ГК, в то время как концентрация предмицеллярных форм остается на одном уровне. При увеличении содержания метанола в растворе ГК, с 20%, для которых обнаружено мицеллообразование до 50%, не наблюдается ни заметного уширения в ПМР спектрах, ни укорочения времен релаксации. Не проявляются эти эффекты и в водно-метанольных смесях с высоким значением рН равным 10. Таким образом, образование мицелл зарегистрировано только для 20% метанольных растворов в нейтральной или кислой средах в области концентрации ГК, превышающей 0.5 мМ. В то время как в щелочной среде, или в растворах с более высоким содержанием метанола, молекулы ГК существуют, по-видимому, в предмицеллярных формах, характеризующихся малыми числами агрегаций.

В третьей и четвертой частях третьей главы исследуется влияние ассоциации ГК на фотопревращения модельного соединения - МА3. Влияние глицирризиновой кислоты на ширины и положения линий ароматических протонов МА3 в спектрах ЯМР демонстрирует рисунок 10.

Рисунок 10. ¹H ЯМР спектры ароматических протонов 1 мМ MA3 при различных концентрациях ГК: (а) 2.5 мМ, (б) 2 мМ, (в) 1.5 мМ, (г) 1 мМ, (д) 0.5 мМ, (е) 0 мМ, в 20% метанольно-водном растворе.

Рисунок 11. Зависимость относительной интенсивности ХПЯ ароматических протонов МА3 от концентрации: () ГК, () уксусной кислоты (УК), (¦) глицирретовой кислоты (ГЛК) в 20% метанольно-водном растворе. (?) Зависимость доли мицеллярной (P₂) формы ГК от исходной концентрации ГК в присутствии МА3.

Из рисунка 10 видно, что при увеличении концентрации ГК в ЯМР-спектре МА3 наблюдается сдвиг протона в положении (5) в слабое поле. Одновременно регистрируется значительное уширение линий ароматических протонов эфира. Отметим, что сдвиг протона Н(5) наблюдается и в гомогенных растворах при уменьшении содержания воды в водно-метанольных смесях (рисунок 1), однако, этот эффект не сопровождается уширением линий (рисунок 1). Разумно предположить, что сдвиг протона (5) и уширение линий в растворе с ГК - это результат включения молекулы МА3 в мицеллу ГК. При этом солюбилизация молекулы эфира в мицелле может быть причиной наблюдаемых изменений в ЯМР спектрах МАЗ. Так, восстановление внутримолекулярной водородной связи, происходящее из-за вытеснения воды из ближайшего окружения МА3, может быть причиной наблюдаемого сдвига пятого протона. В свою очередь, возможное затруднение вращения молекулы в мицелле, по сравнению с таковыми в гомогенных растворах, приведет к укорочению времени релаксации и, соответственно, к наблюдаемому уширению линий.

Наряду с изменениями в спектрах ЯМР, наблюдаются изменения и в ХПЯ МАЗ в присутствии ГК. На рисунке 11 представлена зависимость интенсивности поляризации ароматических протонов МА3 в зависимости от концентрации ГК. Сравнение зависимостей 1 и 2 на рисунке 11 указывает на существование зависимости между интенсивностью поляризации ароматических протонов МА3 и мольной долей молекул ГК в мицеллярном состоянии. Таким образом, падение интенсивности поляризации с ростом концентрации ГК, отражает влияние солюбилизации МА3 в мицелле на реакционную способность эфира.

Для того чтобы выяснить, как влияние глицирризиновой кислоты связано с её строением, и не сводится ли оно просто к изменению кислотности среды, в работе было исследовано влияние на фотолиз МАЗ двух других кислот: уксусной (УК) и глицирретовой (ГЛК). Уксусная кислота имеет величину рК, близкую к глицирризиновой, а в структуре ГЛК имеется такой же тритерпеновый фрагмент, но не содержится сахаридных остатков. На рисунке 11 приведены изменения эффективности ХПЯ при варьировании концентрации уксусной и глицирретовой кислот на эффективность фотолиза МА3. Из рисунка 11 видно, что ХПЯ МА3 очень слабо зависит от концентрации этих кислот. Следовательно, кислотность среды не оказывает заметного влияния на эффективность фотораспада МАЗ. Поскольку в растворах ГЛК не происходит солюбилизации эфира, можно также предположить, что эта кислота не содержит групп, ответственных за образование мицелл.

И, наконец, в работе также изучен фотолиз лекарственного соединения - лаппаконитина (ЛК) в различных средах, включая ГК. ЛК представляет собой сложный эфир N-ацилантраниловой кислоты и трехатомного спирта лаппаконина. Согласно литературным данным [. Поляков Н.Э. Окислительно-восстановительные реакции природного алкалоида лаппаконитина /Н.Э. Поляков, Т.В. Лешина //Известия РАН- Сер. Химическая- 4.- 2007.- С.608--619.], механизм фотораспада ЛК состоит из двух параллельных процессов, один из которых включает стадии переноса электрона, а другой является мономолекулярным деацилированием. Так как процесс деацилирования ЛК полностью аналогичен таковому для МА3, то естественно ожидать для фотолиза ЛК заметного влияния среды. На рисунке 12 представлены ¹Н ЯМР спектры ароматических протонов ЛК в зависимости от содержания воды в водно-метанольной смеси. Как и в случае с МАЗ, сдвиги ароматических протонов ЛК в спектре ЯМР существенно меняются в зависимости от доли воды в растворителе, что позволяет заключить, что для лаппаконитина также характерно существование равновесия между внутримолекулярной и межмолекулярной водородными связями в антраниловом фрагменте.

Рисунок 12. ¹H ЯМР спектры 1 мМ ЛК в водно-метанольной смеси с различным содержанием воды: (а) 80% воды, (б) 50%, (в) 30%, (г) 10%, (д) 0%.

Рисунок 13. ¹H фото-ХПЯ спектры 1мM ЛК в водно-метанольной смеси: (а) _D2O=0.5 и (б) _D2O =0.

Рисунок 14. Зависимости относительной интенсивности ХПЯ Н(3') протона ЛК (1) и H-19 (2), H-21 (3) протонов продукта III от доли () воды в водно-метанольной смеси.

Заметное влияние смена растворителя оказывает и на эффективность различных каналов фотораспада ЛК, исследованных методом ХПЯ. Так, при облучении растворов ЛК в чистом метаноле на исходном ЛК регистрируется слабая поляризация, и наблюдаются только следовые количества продуктов фотораспада. В тоже время, в водно-метанольных смесях наблюдается заметное фоторазложение и существенная химическая поляризация ядер исходного ЛК и продуктов (рисунок 13). Основная поляризация в области ароматических протонов ЛК регистрируется на исходном соединении, интенсивность которой, как видно из рисунка 13, существенно зависит от используемого растворителя. Отметим, что помимо поляризации на ароматических протонах ЛК, отражающей процесс деацилирования, регистрируется поляризация на протонах Н-19 и Н-21, относящихся к продукту образованному по механизму с переносом электрона между молекулами ЛК в основном и в триплетном возбужденном состояниях [9].

Как видно из рисунка 14, эффективности исследуемых процессов (деацилирование и перенос электрона) изменяются с ростом концентрации воды в водно-метанольной смеси.

И последняя (пятая) часть настоящей работы посвящена изучению фототрансформации лаппаконитина в растворах глицирризиновой кислоты. Влияние ГК на ¹Н ЯМР спектры ароматических протонов ЛК при различных концентраций ГК оказалось подобным таковому описанному выше для метилового эфира антраниловой кислоты (рисунок 11). На рисунке 15 показаны изменения в эффективности ХПЯ процесса деацилирования при фототрансформации ЛК в присутствии различных концентраций ГК, которые коррелируют с долей мицеллярной формы глицирризиновой кислоты. Приведенная для сравнения кривая зависимости эффективности ХПЯ от концентрации УК наглядно демонстрирует, что влияние ГК не сводится к изменению кислотности среды (рисунок 15 (б)). Отсюда следует вывод о том, что лаппаконитин - действующее начало лекарственного препарата «Алапинин» также солюбилизируется ГК, и это может быть одной из причин известного воздействия ГК на лечебные свойства алапинина.

Рисунок 15. Зависимость относительной интенсивности ХПЯ ароматических протонов ЛК: (а) от концентрации ГК, (б) от концентрации уксусной кислоты (УК), в 20% метанольно-водном растворе. (в) Зависимость доли мицеллярной (P₂) формы ГК от исходной концентрации ГК в присутствии ЛК.

Основные результаты и выводы

1. Методами ЯМР и ХПЯ установлено, что эффективность фотораспада метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты (МА3) в различных растворителях полностью определяется положением равновесия между формами эфира с внутримолекулярной и межмолекулярной водородными связями. Продемонстрированная чувствительность фотолиза МА3 к свойствам среды позволяет использовать этот процесс для исследования «организованных сред».

2. С помощью ХПЯ обнаружено, что процесс солюбилизации МА3 в разнополярных мицеллах (SDS, CTAB и TX-100) приводит к значительному уменьшению эффективности фотораспада. В то же время включение МАЗ в комплекс типа «гость-хозяин» с циклодекстрином не оказывает такого влияния.

3. Методом ЯМР релаксации показано, что глицирризиновая кислота в смеси вода - метанол образует мицеллы, и процесс мицеллообразования зависит от кислотности среды и состава раствора.

4. Установлено, что солюбилизация эфира МАЗ и лекарственного препарата лаппаконитина в мицеллах ГК приводит к понижению эффективности их фотораспада по механизму деацилирования. Показано, что ГК также влияет на фотораспад лаппаконитина по механизму, включающему стадию переноса электрона.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. V.S. Kornievskaya, A.I. Kruppa, T.V. Leshina. NMR and photo-CIDNP investigations of the glycyrrhizinic acid micelles influence on solubilized molecules //Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. Chemistry and Materials Science- 2008.- Vol.60.- № 1-2.- P.123-130.

2. В.С. Корниевская, А.И. Круппа, Т.В. Лешина. Исследование влияний ближайших окружений на реакционную способность радикалов модельного органического соединения метилового эфира N-ацилантраниловой кислоты методами ¹Н ЯМР и ХПЯ //Вестник НГУ. Серия: Физика- 2007._ Т.2.- Вып. 2._ С.21_29.

3. Valeria S. Kornievskaya, Alexander I. Kruppa, Nicholas E. Polyakov, and Tatyana V. Leshina. Effect of Glycyrrhizic Acid on Lappaconitine Phototransformation //Journal of Physical Chemistry B- 2007._ Vol.111._ № 39. _ С.11447_11452.

4. Корниевская В.С., Круппа А.И., Лешина Т.В. Исследование влияния мицелл глицирризиновой кислоты (ГК) на солюбилизированные молекулы методами ЯМР и ХПЯ //Материалы Всероссийской конференции лауреатов Фонда имени К. И. Замараева “Современные подходы к проблемам физикохимии и катализа”- Новосибирск, Россия, 16-19 мая 2007.- С.174-175.

5. Корниевская В.С., Круппа А.И., Поляков Н.Э., Лешина Т.В. Изучение ассоциаций ГК в растворах методами ¹Н ЯМР и ХПЯ //Материалы Всероссийской научной конференции “Современные проблемы органической химии”- Новосибирск, Россия, 5-9 июня 2007.- С.74.

6. V.S. Kornievskaya, A.I. Kruppa, N.E. Polyakov, T.V. Leshina. Influence of the micellar aggregates of glycyrrhizinic acid on solubilized molecules studied by means of NMR and photo-CIDNP methods //Book of Abstract of VII Voevodsky Conference “Physics and chemistry of elementary chemical processes”- Chernogolovka, Russia, June 25-28, 2007.- P.206-207.

7. Alexander I. Kruppa, Svetlana S. Petrova, Valeria S. Kornievskaya, and Tatyana V. Leshina. Correlation between chemical reactivity and supramolecular environment. NMR and photo-CIDNP investigation //Book of Abstract of VII Voevodsky Conference “Physics and chemistry of elementary chemical processes”- Chernogolovka, Russia, June 25-28, 2007.- P.85.

8. N.E. Polyakov, V.S. Kornievskaya, A.I. Kruppa, T.V. Leshina, N.F. Salakhutdinov, G.A. Tolstikov. CIDNP and NMR study of the associates of natural complexant - glycyrrhizic acid with biologically active compounds //Book of Abstract of 10-th International Symposium on Spin and Magnetic Field Effects in Chemistry and Related Phenomena “Spin Chemistry Meeting 2007”- S. Servolo, Venice, Italy, 18-21 June, 2007.- P.73.

9. Корниевская В.С., Круппа А.И., Поляков Н.Э., Лешина Т.В. Изучение ассоциаций глицирризиновой кислоты в растворах и их влияние на солюбилизированные молекулы методами ¹Н ЯМР и ХПЯ //Материалы XIV Всероссийской конференции “Структура и динамика молекулярных систем”. - Яльчик, Россия, 27 июня 2007.- С.120.

10. Поляков Н.Э., Сыдыков Б.С., Корниевская В.С., Круппа А.И., Лёшина Т.В., Душкин А.В. ЯМР И ХПЯ В ИССЛЕДОВАНИИ АССОЦИАТОВ ПРИРОДНЫХ ОЛИГО- И ПОЛИСАХАРИДОВ С БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ //Материалы XIV Всероссийской конференции “Структура и динамика молекулярных систем”. - Яльчик, Россия, 27 июня 2007.- С.191.

11. Polyakov Nikolay E., Kornievskaya Valeria S., Kruppa Alexander I., and Leshina Tatyana V. CIDNP and NMR Study of Lappaconitine Phototransformation in Glycyrrhizin Micelle //36th Southeast Magnetic Research Conference - Tuscaloosa, Alabama, USA, November 9-11, 2007.- P-18.

Размещено на Allbest.ru