Взаимодействие L-лизина с алкилсульфатами натрия в водных растворах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Взаимодействие L-лизина с алкилсульфатами натрия в водных растворах

Гермашева Ираида Ивановна

Глухарева Надежда Александровна

Лебедева Ольга Евгеньевна

Прохорова Галина Владимировна

Кафедра общей химии, биолого-химический факультет

Белгородский государственный университет

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 подтверж-дается исследованиями смесей алкилсульфатов с капроновой кислотой, изоструктурной по отношению к лизину. Определены некоторые коллоидно-химические характеристики комплексов.

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

лизин поверхностный активный додецилсульфат

Введение

L-лизин (?,?-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 левовра-щающая 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 иссле-дованы 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 катио-нами, 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 соеди-нениями - гуанидином, катионными ПАВ (алкиламинами, четвертичными аммониевыми основаниями и др.), красителями катионного типа (пинацианолхлоридом, родамином, метиленовым синим и др.), а также с аминокислотами. Додецилсульфатанион 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.

Ш L-лизин моногидрохлорид кристаллический - ?,?-диаминокапроновая кислота, оптически активная левовращающая форма:

Ш Анионные поверхностно-активные вещества - додецилсульфат натрия CH3(CH2)11OSO3Na (АС-12), гексадецилсульфат натрия CH3(CH2)15OSO3Na (АС-16).

Ш 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, то есть 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 «Kruss».

Результаты и их 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 алкил-сульфатами по карбоксильной группе лизина. Комплексу, образуемому по протонированной аминогруппе -NH3+, то есть алкилсульфату лизина, отвечает более высокая температура Крафта - tКр3 = 20 оС 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).

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 ?-аминогруппа (логарифм константы связывания lgKH1 = 10.71), потом ?-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.

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 определения ККМ комплексов додецил-сульфата 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 12 оС [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 (кри-вая 3), несмотря на большое содержание додецил-сульфата натрия (0.087 моль/л, что в 10 раз выше ККМ самого алкилсульфата) еще не выходит на плато, то есть этой концентрации не достаточно для мицеллообразования.

В таблице приведены коллоидно-химические характеристики - температура начала мицеллооб-разования (tКр), критическая концентрация мицелллообразования (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 додека-нола 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 и 12 °С соответственно). Высшие алифатические кислоты, например, лауриновая, также образуют комплексы с додецилсульфатом с более высокой температурой мицеллообразования.

Рис. 4. 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

Таблица. Коллоидно-химические характеристики комплексов, образуемых алкилсульфатами

Выводы

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

2. Исследования с привлечением политерм электропроводности и анализа данных с использованием температуры начала мицеллообразования модельных систем алкилсульфат натрия/L-лизин 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 их основе различного назначения.

Литература

1. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР. М.: Наука. 1988. 200 c.

2. Schwuger M.J. Einflu? von Gegenionen auf die Krafft-Punkte und die Adsorption von n-Tetradecylsulfaten. Kolloid - Z.Z. fur Polym. 1969. B.233. No.1-2. S.979-985.

3. Гермашева, И.И. Параметры точки Крафта: методы определения, влияние структуры ПАВ и растворителя, практическое значение. Успехи коллоидной химии. Под ред. А.И. Русанова. СПб.: Химия. С.82-107.

4. Глухарева Н.А., Плетнев М.Ю. Точки Крафта некоторых смесей на основе индивидуальных натриевых мыл. Коллоид. журн. 1995. Т.57. №2. С.272-274.

5. Прохорова Г.В., Глухарева Н.А. Коллоид. журн. 2011. Т.73. №6. С.842-846.

6. Холмберг К., Йёнссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. Пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 526c.

7. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. Под ред. К. Миттела. М.: Мир. 1980. 598c.

Размещено на Allbest.ru