Folosirea Ciclodextrinelor In Separare Prin Membrane
CUPRINS
INTRODUCERE
Tehnicile de separare și concentrare prin membrane au fost introduse progresiv, în procesele convenționale din chimia analitică în unele tehnologii biochimice. Cercetările în acest domeniu s-au concentrat asupra aspectelor biomimetice ale sistemelor care sunt capabile să imite „in vitro” transportul biologic. Studiile asupra transportului prin membrane lichide a unor specii cu implicații biologice prezintă două aspecte de bază: teoretic și aplicativ; teoretic: deoarece permit accesul la mecanismele de transport prin membrane biologice, și aplicativ: deoarece pot duce la procese de separare eficiente ale compușilor biologici. Conform cercetărilor lui Brun, rezultatele studiilor prospective asupra membranelor sunt remarcabile. Astfel, se poate constata că transportul prin membrane va câștiga o importanță deosebită în tehnologiile biomedicale, în proiectarea echipamentelor viitoare și în controlul bioreactoarelor. Se speră că în viitorul apropiat, reacțiile chimice se vor efectua prin membrane de transport folosind sisteme integrate. Cuplând cele două fenomene se pot facilita transformările chimice, se pot accelera , procesele de transport sau procesele pot deveni mai selective.
O dezvoltare majoră a mecanismelor de transport prin membrane a fost realizată prin introducerea „modelelor naturale” care se bazează pe conceptul de „recunoaștere moleculară”, preluat din chimia supramoleculară.
Complementaritățile structuralo-funcționale dintre molecula acceptoare hidrofobică și substratul complex pot duce la funcționalitatea supermoleculei lipofilice care asigură transportul substratului prin mediul organic, acesta funcționând ca o membrană biologică. Membrana este constituită dintr-o fază lichidă organică, de regulă mai densă decât apa (în care transportorul este dizolvat), dispusă între două faze apoase: una care conține specia transportată definită ca „fază sursă” și cealaltă fază care acceptă specia transportată definită ca „fază acceptoare”. Tipurile de membrane care se folosesc mai des sunt: membrane lichide compacte, membrane din emulsie lichidă ca N.N.Li obținută prin agitare unei emulsii apă-solvent organic în fază apoasă și membrane lichide depuse pe materiale polimerice poroase.
Structura fizică și geometria membranelor lichide sunt importante în optimizarea proceselor de transport. Fluxul de transport prin membrane lichide și selectivitatea de separare sunt influențate de factori fizici (natura solventului, viteza de agitare a fazei, temperatura) și chimici (structura transportului și substratului, reacțiile de complexare și cele de decomplexare la interfața fazei, gradienții chimici ca: pH, pX, potențialul redox dintre fazele apoase). Toți acești factori influențează echilibrul fazei de separare în procesul de extracție în cele două faze biofizice ale sistemului lichid-lichid, mai mult chiar, acești factori acționează asupra sistemelor r membranei pe ambele interfețe, ceea ce complică extracția Iichid-Iichid, dar în același timp multiplică numărul posibilităților de optimizare a proceselor de separare. Studiile asupra transportului prin membrane lichide s-au extins recent și asupra unei categorii de compuși naturali care sunt importanți în biochimie și sunt folosiți în industriile farmaceutică, alimentară și în cosmetică – aminoacizii.
În funcție de pH, aminoacizii se pot transforma (în soluție apoasă) în cationi R’ – NH (R =-CH(R)-COOH), dar și în formă anionică R' – CH(NH2) – COO-, ei putând fi extrași din soluția apoasă în solvenți organici ca perechi de ioni, cuplându-i apoi cu un anion sau cu un cation adecvat. Prin această cuplare, ionii vor poseda un puternic caracter lipofil necesar deplasării aminoacidului spre faza organică. O intensificare a caracterului lipofilic a perechii de ioni extractibili a fost obținută în aminoacizi utilizând liganzi macrociclici neutri, de tipul polieteri coroană care au și ei un pronunțat caracter lipofilic. Acești Iiganzi pot complexa forma cationică a aminoacidului în mediul acid pentru a forma un cation complex care, în prezența unui anion adecvat, este extras și formează o pereche de ioni. În mediu bazic (M+, OH-), ligandul macrociclic formează cu cationul alcalin M+ un complex cationic care este extras și cuplat cu forma anionică a aminoacidului.
Liganzii macrociclici pot acționa și ca moleculă acceptoare a cationilor organici sau anorganici. Selectivitatea cavității endopolarofilice și a caracterului exolipofilic al liganzilor macrociclici le oferă acestora bune caracteristici pentru a fi folosiți ca agenți selectivi de extracție și transport prin membrane lichide.
Capitolul I
Eteri coroană utilizați în chimia analitică
1.1 Considerații generale
Eterii coroană sunt oligoeterii ciclici ce conțin numai atomi de oxigen drept atomi donori, iar această denumire se datorează structurii lor spațiale ce se aseamănă cu o coroană.
Primii eteri coroană au fost sintetizați în anul 1967 de C. J. Pedersen[1] și sunt polieteri macrociclici polidentați caracterizați prin aceea că au molecule formate din inele constituite din 9 – 60 de atomi printre care se află atomii donori de oxigen sau atomii de oxigen, azot sau sulf realizând o structură „coroană”, cu o cavitate centrală și o cochilie hidrofobă de natură alifatică sau aromatică.
Primii eteri coroană ce au fost sintetizați de C.J. Pedersen –6 (18–C–6) și respectiv dibenzo–18–coroană–6 (DB 18–C–6) contrar nomenclaturii IUPAC, mai puțin sugestivă și destul de complicată, arată astfel:
În nomenclatura utilizată de C.J. Pederson sunt cuprinse: numărul și tipurile de grupări substituente, numărul total de atomi din inel și numărul de atomi donori din inel (heteroatomi).
De exemplu, în cazul compusului DB 18–C–6, dibenzo desemnează cele două inele benzenice anexate nucleului, 18 reprezintă numărul total de atomi din inel, urmează specificarea clasei coroană iar numărul 6 reprezintă numărul heteroatomilor din inel.
Această nomenclatură a lui C.J. Pedersen dă o caracterizare aproximativă a compușilor respectivi, în care atomii de oxigen sunt legați cel mai adesea, prin punți etilenice, pe care pot fi grefați diferiți substituenți.
Această nomenclatură a lui C.J. Pedersen dă o caracterizare aproximativă a compușilor respectivi, în care atomii de oxigen sunt legați cel mai adesea, prin punți etilenice, pe care pot fi grefați diferiți substituenți.
Notația lui C.J. Pedersen, deși este sugestivă și foarte simplă, se poate furniza însă destule informații în ceea ce privește localizarea atomilor donori și a substituenților.
De aceea, s-a propus o nomenclatură mai sistematică, ce se poate aplica tuturor liganzilor ciclici și neciclici, precum și complecșilor lor.
Această nomenclatură păstrează aceleași simboluri, specificându-se că numărul ce precede parantezele unghiulare indică mărimea inelului, deci numărul total de atomi în prezența substituenților pe inel, se alege calea cea mai scurtă spre primul atom donor.
Parantezele unghiulare conțin:
heteroatomii (oxigenul, de exemplu) reprezentanți prin simbolurile elementelor;
punțile, lanțurile C-C între atomii donori, indicate prin numere ce corespund atomilor donori prin punte, poziția unităților punte, de exemplu cea a nucleelor benzenice este indicată prin numere în paranteze rotunde; se notează cu (2) puntea etilen, cea mai frecventă, dar nu se notează dacă este prezentă numai această grupare în punte sau dacă nu afectează claritatea notației;
numele clasei (coroana);
numărul total de heteroatomi.
În cazul monociclurilor mixte cu oxigen, azot, sulf, ordinea atomilor donori este dată conform regulilor IUPAC.
Heteroatomii cu punți donoare sunt tratați ca atomi mici: ordinea segmentelor în lanț fără heteroatomi corespunde celei a heteroatomilor începând cu atomul donor cu prioritate maximă.
Grupările funcționale și substituente în scheletul de bază sunt redate prin sufixe și prefixe.
1.2 Tipuri de eteri coroană
Eterii coroană sunt compuși macrociclici sintetici fără sarcină electrică, care posedă în structura lor legături simple tip C-C și C-X (unde X pot fi heteroatomii O, N, S), iar uneori și sisteme de legături conjugate cum ar fi ciclul benzenic. Toată această structură le conferă o stabilitate deosebită în diferite condiții redox și acido-bazice.
În figura 1.2 sunt descrise diferite tipuri de transportori macrociclici.
n=1 18C6 dibenzo 18C6
n=2 21C7 (DB 18C6)
Ditio 18C6 Diazol 18C6
(DT 18C6)
Kriptofix [2.2.2] Kriptofix [2.2]
1.3. Ion – selectivitatea eterilor coroană
În principal, stabilitatea eterilor coroană cu ionii metalici este guvernată de o serie de factori, dintre care amintim:
a) mărimea relativă a ionilor și cavitatea eterilor coroană;
b) sarcină electrică a ionilor metalici;
c) tipul, numărul și amplasarea heteroatomilor la locurile lor de legare în inelul eterului coroană;
d) flexibilitatea conformațională a inelului eterului coroană;
e) interacția ion – solvent.
C.J. Pedersen a examinat stabilitatea diferiților eteri coroană sintetizați de el prin extracția solventului.
Ion – selectivitatea eterilor coroană a fost interpretată de către Pedersen în funcție de mărimea relativă a ionilor metalici și cavitatea eterului coroană și a constatat că derivații 12 – C – 4 prezintă selectivitate la Li+; derivații 15 – C – 5 față de Na+, iar derivații 18 – C – 6 față de K+.
Selectivitatea ionică a eterilor coroană este dependentă de toți factorii menționați anterior, dar adaptabilitatea ionului metalic la cavitate este un factor foarte important.
Complecșii eterilor coroană cu ionii metalici pot fi în raport de 1:1 (inel/ion), dar uneori se formează complecși 2:1 cu ionii metalici care sunt puțin mai mari decât cavitatea, există posibilitatea ca, uneori, doi ioni metalici să se încorporeze într-o singură cavitate.
A fost sintetizat un eter coroană numit poli sau bis (eter coroană) la formarea complecșilor 2:1, stabili, cu ionii metalici care sunt mai mari decât cavitatea, prin cumularea activității a două unități adiacente de eter coroană, prin aceasta dezvoltându-se o selectivitate mai mare față de ionii metalici decât a eterilor coroană monociclici corespunzători; de exemplu, poli și bis (15 – C- 5) prezintă selectivitate față de K+ dintre ionii metalelor alcaline și derivații 18 – C – 6 față de Cs+.
Derivații 15 – C – 5 au o selectivitate mult mai mare față de ionul K+ decât derivații 18 – C – 6.
Ca o măsură a selectivității ionice poate fi considerată constantă de stabilitate pentru complexarea eterilor coroană cu ionii metalelor.
Dependența acestei constante de stabilitate de natura solventului este foarte mare.
1.4. Eterii coroană ca ioni – transportori în electrozi ion – selectivi
Funcționarea membranei lichide tip electrod folosind un transportor neutru poate fi interpretată ca un tip aparte al fenomenului de transport al ionilor prin ionofori.
Trebuie luate în considerare următoarele trei procese ce trebuie să fie echilibrate pentru ca ionii să fie efectiv transferați:
Complexarea ionoforilor și ionilor metalici;
Lipofilicitatea corespunzătoare trebuie să fie conferită moleculelor ionofore. Aceasta va spori, ca volumul molecular să crească, dar pentru a avea o difuziune ușoară (plană) moleculele ionofore nu vor fi la fel de mari. Apoi în scopul eliberării rapide a ionului metalic.
Viteza de complexare trebuie să fie mare. Se cunosc electrozi selectivi de K+ sau NH+4 utilizând derivați de valinomicină sau de nonactină cu ionofori naturali existenți. În prezent electrozii selectivi de K+ comercializați cel mai mult sunt electrozi de tip valinomicină.
Eterii coroană sunt de asemenea utilizați ca transportori neutri și performanți ai diverselor tipuri de film lichid, tipului de film PVC și electrozilor îmbrăcați în sârmă. Selectivitatea diferiților electrozi de K+ folosind eteri coroană monociclici este mai mare de 10-2.
Un complex cu K+ dă și derivatul DB 18-e-6 care manifestă o conformație omogenă cu cea a valinomicinei.
Selectivitatea ionică învent.
C.J. Pedersen a examinat stabilitatea diferiților eteri coroană sintetizați de el prin extracția solventului.
Ion – selectivitatea eterilor coroană a fost interpretată de către Pedersen în funcție de mărimea relativă a ionilor metalici și cavitatea eterului coroană și a constatat că derivații 12 – C – 4 prezintă selectivitate la Li+; derivații 15 – C – 5 față de Na+, iar derivații 18 – C – 6 față de K+.
Selectivitatea ionică a eterilor coroană este dependentă de toți factorii menționați anterior, dar adaptabilitatea ionului metalic la cavitate este un factor foarte important.
Complecșii eterilor coroană cu ionii metalici pot fi în raport de 1:1 (inel/ion), dar uneori se formează complecși 2:1 cu ionii metalici care sunt puțin mai mari decât cavitatea, există posibilitatea ca, uneori, doi ioni metalici să se încorporeze într-o singură cavitate.
A fost sintetizat un eter coroană numit poli sau bis (eter coroană) la formarea complecșilor 2:1, stabili, cu ionii metalici care sunt mai mari decât cavitatea, prin cumularea activității a două unități adiacente de eter coroană, prin aceasta dezvoltându-se o selectivitate mai mare față de ionii metalici decât a eterilor coroană monociclici corespunzători; de exemplu, poli și bis (15 – C- 5) prezintă selectivitate față de K+ dintre ionii metalelor alcaline și derivații 18 – C – 6 față de Cs+.
Derivații 15 – C – 5 au o selectivitate mult mai mare față de ionul K+ decât derivații 18 – C – 6.
Ca o măsură a selectivității ionice poate fi considerată constantă de stabilitate pentru complexarea eterilor coroană cu ionii metalelor.
Dependența acestei constante de stabilitate de natura solventului este foarte mare.
1.4. Eterii coroană ca ioni – transportori în electrozi ion – selectivi
Funcționarea membranei lichide tip electrod folosind un transportor neutru poate fi interpretată ca un tip aparte al fenomenului de transport al ionilor prin ionofori.
Trebuie luate în considerare următoarele trei procese ce trebuie să fie echilibrate pentru ca ionii să fie efectiv transferați:
Complexarea ionoforilor și ionilor metalici;
Lipofilicitatea corespunzătoare trebuie să fie conferită moleculelor ionofore. Aceasta va spori, ca volumul molecular să crească, dar pentru a avea o difuziune ușoară (plană) moleculele ionofore nu vor fi la fel de mari. Apoi în scopul eliberării rapide a ionului metalic.
Viteza de complexare trebuie să fie mare. Se cunosc electrozi selectivi de K+ sau NH+4 utilizând derivați de valinomicină sau de nonactină cu ionofori naturali existenți. În prezent electrozii selectivi de K+ comercializați cel mai mult sunt electrozi de tip valinomicină.
Eterii coroană sunt de asemenea utilizați ca transportori neutri și performanți ai diverselor tipuri de film lichid, tipului de film PVC și electrozilor îmbrăcați în sârmă. Selectivitatea diferiților electrozi de K+ folosind eteri coroană monociclici este mai mare de 10-2.
Un complex cu K+ dă și derivatul DB 18-e-6 care manifestă o conformație omogenă cu cea a valinomicinei.
Selectivitatea ionică în formarea complexului nafto-15-C-5 nu este apreciabilă, dar în cazul electrodului selectiv de K+ folosind acest eter coroană ca transportor neutru este evident că KKNaPot=210-4 comparabilă cu cea a valinomicinei și în primul electrod interferența pentru Pb+.
n=1…2
A
n=1…2
B
Figura 2. Exemple al derivațiilor Bis (eter coroană)
Compusul A (n=11 formează rapid un complex similar cu Tl+ ca și cu K+ de asemenea este folosit și ca electrod selectiv pentru Tl+.
Compusul B (n=1) este Bis (eter coroană) descris ca transportator pentru electrodul selectiv de Na+ un complex stabil intramolecular 2:1 (inel/ion).
Acest electrod selectiv al Na+, dând o selectivitate ionică KKNapot=910-3 ușor inferioară electrozilor de sticlă convenționali are avantajul de a nu solicita condiționarea periodică care este indispensabilă în răspunsurile, potențialul de stabilitate și durabilitatea electrozilor de sticlă.
Recent s-au descoperit transportori neutri noi care dovedesc buna selectivitate a Li+ și Ca2+.
1.5. Eteri coroană în cromatografia de lichide
A fost studiată utilizarea esterilor coroană drept componentă a fazei mobile în cromatografia de lichide. Pe măsură ce eterii coroană se adaugă fazei mobile, în faza inversă cromatografică a aminelor aromatice, aminoacizilor și amidelor, comportarea la separare este serios alterată, depinzând de stabilitatea amidelor care nu interacționează puternic cu eterii coroană nu este influențată cromatograma.
Având în vedere că eterii coroană interacționează mai puternic cu ionul de amoniu primar decât cu cel secundar, separarea amestecurilor primare și secundare este posibilă făcând uz de faza mobilă care conține eter coroană.
Capitolul II
Ciclodextrine și calixarene utilizate în complexarea unor compuși chimici
2.1. Considerații generale
Ciclodextrinele au fost descoperite în anul 1891 de către Villiers[2] și au fost preparate și separate de Schardinger[3] în anul 1903.
Ciclodextrinele sunt o familie de oligozaharide, obținute prin degradarea amidonului cu enzima ciclodextrin-transglicozilaza ce prezintă proprietatea de a forma complecși cu o mare varietate de 6, 7 respectiv 8 unități gluconice per macrociclu. Mărimea cavității ciclodextrinelor, ce este dată de numărul de molecule de glucoză rămas în interiorul coroanei ciclodextrinei, poate fi 4, 5, 7 și 8,5 Å pentru , respectiv -ciclodextrina. Datorită acestor dimensiuni diferite ciclodextrinele formează complecși cu stabilități diferite.
Unul dintre cei mai importanți factori pentru formarea unui complex stabil este alegerea corectă după mărime a ligandului în funcție de ciclodextrină.
În cadrul acestor complecși legătura dintre receptor și ligand (legături de hidrogen, forțe van der Waals și interacțiuni hidrofobe) au o foarte mare importanță în domeniul farmaceutic, în biochimie și chimie analitică.
În industria farmaceutică ciclodextrinele au fost utilizate ca solvenți, diluanți ori ca ingradient în mărirea stabilității medicamentelor și în mărirea capacității de asimilare a acestora.
În cadrul metodelor de separare ciclodextrinele sunt utilizate în cromatografie, electroforeză, electroforeză capilară.
În industria chimică ciclodextrinele sunt utilizate cu rol de catalizatori sau aditivi ai catalizatorilor, îmbunătățind selectivitatea separării și purificării în cadrul proceselor industriale.
Având posibilitatea de a solubiliza componenții hidrofobici în apă, ciclodextrinele pot fi utilizate drept catalizatori de transfer de fază.
În industria alimentară și cosmetică, ciclodextrinele au rol important în stabilizarea aromelor și eliminarea gusturilor nedorite.
Aplicațiile ciclodextrinelor în coloranți și textile sunt: stabilirea culorilor, tipărire, vopsele laser, materiale din bumbac parfumate și noii auxiliari în procesul de vopsire și spălare a textilelor.
Au fost preparate numeroase tipuri de derivați ai ciclodextrinelor cum ar fi: derivați anhidri, derivați lipofilici, derivați amilici, rotaxami, polirotaxami.
Pentru măsurările potențiometrice ale purității efedrinelor în prezența serului cationic au fost realizați electrozi ion-selectivi cu peroctilat -ciclodextrin.
În analitică, ciclodextrinele și derivații lor au fost utilizați pentru a îmbunătăți analiza prin metode fluorimetrice. Factorii ce influențează semnalul fluorimetric în prezența ciclodextrinelor sunt:
tipul ciclodextrinei utilizate (, , );
natura constituenților ciclodextrinei derivate;
concentrația ciclodextrinei adăugate;
temperatura;
prezența altor aditivi.
2.2. Structura și proprietățile ciclodextrinelor
Este bine știut că cea mai importantă proprietate a ciclodextrinelor este abilitatea lor de a forma complecși cu un număr mare de compuși organici și anorganici de natură neutră sau ionică cu gazele nobile, ambele în stare de agregare solidă și în soluții. Structura complecșilor ciclodextrinei cu variați compuși a fost studiată cu ajutorul radiațiilor X și monocristalelor.
Ciclodextrinele au un exterior hidrofil și o cavitate hidrofobă capabilă să extragă un număr mare de liganzi în funcție de mărime, formă și hidrofobicitate atât a ligandului cât și a ciclodextrinei. Factorii sterici sunt importanți în formarea și stabilitatea complecșilor ciclodextrinei, structura ciclodextrinelor a fost studiată atât în fază solidă cât și în soluție. Proprietățile caracteristice ale ligandului, ca solubilitate, reactivitate, valorile pKa, difuzie, proprietăți electrochimice și proprietățile spectrale se schimbă.
Unele proprietăți, ca de exemplu solubilitatea în mediu apos (14,5; 1,85 și 23,2 g/100 ml pentru , și -ciclodextrină), hidrofobicitatea cavității, structura rigidă și chiralitatea, care este foarte importantă, au un mare impact în aplicațiile ciclodextrinelor. Ciclodextrinele sunt stabile în soluții alcaline, dar sunt susceptibile la hidroliza acidă depinzând de temperatură și aciditate. Ciclodextrinele pot forma supramolecule diastereoizomerice. Această proprietate conferă ciclodextrinelor posibilitatea de a fi folosite în chimia analitică pentru enantioseparații. Stereoselectivitatea ciclodextrinelor prin complexare a fost descoperită de Cramer[4]. Deci, ciclodextrinele au abilitatea de a separa nu numai molecule de diferite forme sau mărimi, dar și antipozi optici.
Ciclodextrinele au fost folosite ca model la complecșii cu substrat enzimatic, pentru că ele pot forma complecși în soluții apoase.
În soluții apoase, ciclodextrinele pot primi liganzi corespunzători ca și compușii aromatici, acizi carboxilici, azo-derivați și alți compuși cu care formează complecși. În general, raportul stoechiometric al ligandului, în soluții este de 1:1, 2:1 și 2:2. Un număr mare de cercetări, au utilizat tehnica folosită pentru studierea fenomenului de incluziune, spectometrie, titrimetrie calorimetrică, spectroscopie fluorescentă, dicrosim circular, potențiometrie, spectrometrie RMN, HPLC și inhibiția cinetică. Cea mai folosită metodă instrumentală pentru studierea complecșilor ciclodextrinelor cu diferiți liganzi este RMN-ul, pentru că această metodă are posibilitatea să furnizeze date despre structura complecșilor. Această metodă arată și diferența dintre incluzie și interacții externe; efectul nuclear overhauser poate juca un rol important în priceperea mecanismului de recunoaștere chirală folosind ca liganzi ciclodextrinele. Ciclodextrinele pot forma complecși cu compuși complicați, ca de exemplu compuși de tip complecși metalici și polimeri cu selectivitate ridicată.
2.3. Câteva aplicații ale ciclodextrinelor în procesele de separare
Diversitatea aplicațiilor implicând ciclodextrinele are un impact deosebit în procesele de separare (în separări enatiometrice, faze unite – combinate, HPLC, faze staționare în cromatografia de gaz), spectroscopie și analize electrochimice (electrozi cu membrană, polorografie și voltametrie). Hinze[5] a prezentat aplicațiile ciclodextrinelor în separările cromatografice și în metodele de purificare.
În chimia analitică ciclodextrinele sunt folosite pentru enantioseparări în cromatografia de gaz, cromatografia de lichide de înaltă performanță, cromatografia de fluid supercritic și electroforeza capilară. Ciclodextrinele conțin faze mobile folosite pentru separări enantiometrice la diferiți compuși chirali ca: barbiturice, fenilalanina, -piren, pseudoefedrine.
Un număr mare de aplicații interesante au fost publicate despre recunoaștere chirală a derivaților cationici și aminoacizi ai ciclodextrinelor. Derivații cationici ai ciclodextrinelor conținând grupări amino și alchilamino au fost utilizați ca selectori chirali în electroforeza capilară. O cercetare mai detaliată a derivaților încărcați cu sarcină ai ciclodextrinelor folosiți ca selectori chirali în enantioseparare prin electroforeza capilară a fost făcută de CHANKVETADZE[6] și alții. Ei au stabilit că derivații ionici ai ciclodextrinei, în special ciclodextrin alchil-sulfații, manifestă o abilitate de recunoaștere chirală pentru compuși bazici (factorul cel mai important în acest proces este mobilitatea mare, opusă curentului, a selectorului chiral) și compuși neutri racemici. Pentru enantiosepararea moleculei de thalidomidă și metaboliților ei neutri s-a folosit ca selector chiral carboximetil–ciclodextrina. Folosind ciclodextrina ca selector chiral în electroforeza capilară este posibilă separarea enantiomerică a unei varietăți de compuși chirali ca DL triptofan și () epinefeine, norefedrine, norepinefeine și propanol.
Este știut faptul că ciclodextrinele și formele derivate formează complecși cu aminoacizii aromatici sau cu oligopeptidele acestora. În interacția proteine-peptide cu ciclodextrinele responsabile sunt rămășițele aminoacizilor aromatici. Aplicații ale ciclodextrinelor în măsurătorile analitice de fluorescență au fost studiate de YAMASHOJI[7] și alții. Ei au determinat constantele de formare a complecșilor, 1:1 a ciclodextrinelor cu aminoacizi, cu derivați ai aminoacizilor, folosind fluorescența, spectroscopic prin ecuația BENESI-HILDEBRAND[8]. Un efect special al ciclodextrinelor asupra intensificării chiruiluminescenței a fost prezentat de KARATANI[9]. Astfel, aminele biologice, aminoacizii, peptidele, catecholaminele și compuși steroidici, pot fi determinați și separați ca și derivații lor dansyl.
2.4. Folosirea ciclodextrinelor în separare prin membrane
Datorită abilității de a forma complecși de incluziune cu un număr mare de molecule organice, ciclodextrinele pot fi utilizate în procesele de separare prin membranare.
Mai mulți autori au relatat modificarea membranelor la introducerea oligomerului ciclodextrin și influența lor asupra separării și abilitatea catalitică. Acțiunea catalitică a ciclodextrinelor asupra hidrolizei esterilor în sisteme omogene (ciclodextrinele fiind dizolvate în mediul de reacție) sau ciclodextrină imobilizată în membrană de etilen-vinil alcool (copolimer), a fost de asemenea studiată. Ciclodextrinele în membrane groase lichide, au fost folosite pentru determinarea constantelor de asociere a compușilor ciclodextrină-hidrocarbură aromatică.
2.4.1. Membrane lichide cu ciclodextrine
Procesul de separare prin membrane lichide este o tehnică eficientă pentru separarea selectivă, pentru purificarea și concentrarea compușilor chimici și biologici. Membranele lichide folosite la separarea unor compuși au avantajul de transport sporit (intensificat) prin folosirea unui purtător selectiv anionic sau cationic dizolvat într-un solvent organic.
Separarea enantiomerilor poate fi realizată folosind membrane lichide cu transportori chiralici. Abilitatea de incluzie a cavității ciclodextrinelor pentru mulți compuși formând complecși a fost utilizată la membrane lichide.
Folosind transportul hidrocarburilor aromatice (orto, meta, paraxilen, naftalină, antracen și pirenă) de la o fază hexamică la alta prin faza apoasă cu -ciclodextrina și -ciclodextrina, POH a determinat constantele de asociere a complecșilor ciclodextrină-hidrocarbură aromatică. Valorile constantelor de asociere a complecșilor 1:1 formați, coincid cu cele determinate prin alte metode.
2.4.2. Membrane polimerice conținând ciclodextrine pentru separarea izomerilor
Procesele de pervaporație și de osmoză reversibilă sunt folosite ca și membranele polimerice pentru separarea soluțiilor organice apoase. Caracteristicile separării și infiltrării izomerilor organici lichizi, ca de exemplu solubilitatea infiltrantului în membrană și difuzivitatea infiltrantului în membrană prin diferite membrane polimerice cu ajutorul pervaporizării, au fost studiate de mulți cercetători.
Studiile asupra separării izomerilor xilenului prin membrane polietilenice prin pervaporații au sugerat că separarea acestor compuși prin membrane polimerice obișnuite nu este selectivă. Factorul de separare care caracterizează astfel de separații este foarte mic din cauza proprietăților chimice și fizice similare ale izomerilor. Factorii de separare pentru izomerii xilenului prin membrană din esterul celulozei sunt între 1,16 și 1,73. Rezultate asemănătoare au fost obținute în separarea izomerilor aromatici cu 8 atomi de carbon prin diferite membrane polimerice comerciale.
Posibilitatea imobilizării liganzilor pe membranele polimerice a oferit unele avantaje în procesele membranare. Este știut că ciclodextrinele au abilitatea de a separa antipozi optici. Astfel separarea unor izomeri cu membrane polimerice conținând ciclodextrine devine o posibilitate atractivă.
LEE[11] a studiat caracteristicile pervaporizării a membranelor celulozice conținând ciclodextrină pentru amestecurile de izomeri ai xilenului. În acest caz selectivitatea este în ordinea pmo derivați. Rezultatele au arătat că selectivitatea a fost îmbunătățită de prezența ciclodextrinelor în membrană. HIRAI[12,13] a preparat membrane cu ciclodextrine încrucișate și le-a folosit în dializă. Studiile lor au demonstrat utilitatea ciclodextrinelor în separarea diferitelor amestecuri lichide.
Separarea optică a aminoacizilor a fost făcută folosind membrane polimerice cu ciclodextrine. MIYATA[14] a preparat membrane poli (vinil – alcool) (PVA) conținând ciclodextrine (membrană PVA-CD) și a studiat caracteristicile permeabilității și separării izomerilor propanolului (PrOH) prin aceste membrane prin operațiile de pervaporație și evaporare. Evaporarea ca o nouă tehnică de separare prin membrană îmbunătățește dezavantajele create de perevaporare. În figura … se arată posibilitatea interacției dintre infiltrant și ciclodextrină în cele 2 metode de separare prin membrană, pervaporare și evaporare. Rezultatele obținute folosind pervaporarea în separarea izomerilor propanolului PrOH a demonstrat că evaporarea a fost mai eficace pentru separarea izomerilor prin membrană PVA-CD ca și pervaporare.
Figura 4. Ilustrarea schematică a interacțiilor dintre infiltrant (n-PrOH; i-PrOH) și cilcodextrină prin pervaporare și evaporare
Permeabilitatea și selectivitatea n-PrOH au fost îmbunătățite prin mărirea cavității de ciclodextrină în membrană. În acest experiment s-a remarcat o mai mare afinitate a ciclodextrinei pentru n-PrOH decât i-PrOH.
2.4.3. Membrane polimerice conținând ciclodextrină pentru separarea amestecurilor alcool-apă
Cea mai eficace operație membranară folosită pentru separarea amestecurilor lichide este pervaporarea. Pervaporarea este o separare lichid/vapori în care un fluid este parțial vaporizat printr-o membrană densă. Această operație este folosită în principal pentru deshidratarea alcoolului azeotrop. Forța conducătoare este diferența de activitate de-a lungul membranei. Folosirea membranelor polimerice noi și membranelor ceramice, folosirea reactivului încrucișat în prepararea membranelor poli (vinil alcoolice), cologenii încrucișați sau fibrele complexe poliionice goale, sunt câteva exemple de sisteme folosite în pervaporație.
YAMASAKI[15] și alții au abordat o metodă conservabilă pentru prepararea membranei poli (vinil alcoolice) conținând oligomerul -ciclodextrină și au demonstrat caracteristicile pervaporării pentru amestec etanol/apă (figura 5).
Figura nr. 5 Structura ciclodextrinei (CD) folosită în prepararea membranei de PVA/CD poli (vinil alcool) conținând oligomerul ciclodextrină.
Rezultatele au arătat că ciclodextrina a mărit permeabilitatea apei și a micșorat-o pe cea a etanolului la concentrații mici de etanol. Pentru concentrații mai mari de etanol, ciclodextrina a micșorat ambele permeabilități, dar creșterea în etanol a fost mult mai mare. Aceste rezultate pot fi explicate prin puterea de pătrundere a complecșilor ciclodextrinei, apei și etanolului. Creșterea selectivității membranelor PVA poate fi realizată prin modificarea cu ciclodextrine și folosind diferența dintre puterile de pătrundere ale apei și alcoolului. O serie de alte rezultate au arătat că la concentrații mari de alcool, selectivitatea apei a fost mărită de ciclodextrină pentru toate amestecurile în următoarea secvență: 2-propanol/apă>1-propanol/apă>etanoli/apă. La concentrații mici de alcool permeabilitățile apei pentru propanol/apă au fost ușor mărite, pe când cele pentru etanoli/apă au crescut mult.
Toate aceste efecte sunt interpretate ca proprietăți ale ciclodextrinelor.
Concluzii
Ciclodextrina și derivații ei a fost folosită în procesele de separare prin membrană, deoarece poate îmbunătăți selectivitatea separărilor din cauza abilității acesteia de a forma complecși de incluzie cu un număr mare de compuși organici și anorganici. Un alt domeniu de interes pentru cercetare este selectivitatea chirală. Ciclodextrinele pot fi folosite pentru separarea amestecurilor racemice prin membrane polimerice.
2.5. Complexarea aminoacizilor cu calixarene sulfonate hidrosolubile ca studiu al unui posibil mecanism de recunoaștere a calixarenelor sulfonate de către proteine
Calixarenele sunt cea de a treia clasă majoră de sisteme de bază supramoleculară, împreună cu eterii coroană și ciclodextrinele. SCHNEIDER[17] și colaboratorii au arătat că, calixarenele derivate de la rezorcinol formează complecși cu ionii organici de amoniu. Densitatea sarcinii și mărimea calixarenelor p-sulfonate fac din acestea candidate excelente ca simulatoare de heparină în vederea observării diferenței între etapele de sinteză ale derivaților sulfonați (trei etape) și cele ale pentazaharidei heparinice (peste cincizeci de etape). Au analizat această simulare a heparinei respectând plierea peptidelor chiar și în interacțiile proteină-proteină. În acest scop au cercetat bazele fundamentale ale interacțiilor dintre calix [4] arenele sulfonate (1), calix [6] arenele (2), calix [8] arenele (3) cu reziduuri de aminoacizi bazici, arginină (4) și lizină (5), cunoscuți pentru capacitatea lor de fixare electrostatică asupra fragmentului de heparină (figura 6).
Figura 6 Structura calix[4] arenei (1), calix[6] arenei (2), calix[8] arenei (3) p-sulfonate; argininei (4) și lisinei (5)
Din considerente pur electrostatice nu s-a observat nici o interacție la pH 13 deoarece compusul „gazdă” nu formează sarcini pozitive care să se lege la sarcinile negative din compusul „oaspete”.
În cazul 2 și 3 s-au putut observa variații mici pentru lizină și arginină la pH 1 și particular la pH 5. Acestea pot fi atribuite interacțiilor electrostatice între aminoacizi și sistemele „gazdă”. Așa cum s-a arătat de GUTSCHE și BAUER[18], 2 și 3 adoptă o conformație planară în dezvoltare, iar geometriile lor foarte flexibile nu prezintă o cavitate predefinită a elementului de bază cum există în 1. Din acest motiv se poate forma doar legătură simplă la fețele încărcate negativ.
S-a descoperit că în soluție apoasă 1 adoptă o conformație conică, probabil fixată ca un rezultat a unei legături de hidrogen intramoleculare foarte puternice ce implică grupările O- și OH ale unităților fenolice. La pH 1 și 5, legarea lui 1 la lizină și arginină cauzează schimbări mari în transformările chimice ale proteinelor din lanțurile laterale de aminoacizi. Toate picurile se transferă la un câmp magnetic mai mare cu o creștere a concentrației colixarenei. Transferurile cresc de-a lungul lanțului, indicând că aminoacidul este inclus în cavitatea lui 1 și afectat de curentul ciclului componentelor aromatice (figura 3 a) b)).
Folosirea unui model molecular (ALCHEMY) a arătat că, cavitatea lui 1 poate conține grupări terminale de arginină și lanțurile laterale din 2 aminoacizi.
Stoechiometria este 1:1 pentru toți complecșii, fapt confirmat prin diagrama lui JOB. Constantele de legătură pentru arginină sunt mai mari decât pentru cele ale lizinei după cum reiese din interacțiile – dintre funcțiunile guanidinice și grupările aromatice ale lui 1.
Complexarea este condusă prin efecte electrostatice. Titrările se desfășoară în prezența sărurilor metalice (K+, Na+, Mg2+ și Ca2+) la concentrații metalice mari (>100 mM) ceea ce arată că nu au loc schimbări în transformările chimice. Această situație este tipică pentru interacțiile electrostatice nespecifice dintre liganzi și receptorii peptidici. Există o recunoaștere pH-selectivă a lui 1 pentru aminoacizii cu legături mult mai puternice în condiții neutre, decât în condiții acide. Acest fapt are importante implicații biologice; valori scăzute ale pH-ului se găsesc în stomac și vezicule, în timp ce un pH 6-7 este fiziologic. Posibil că există o rotire între pozițiile de recunoaștere de pe suprafețele proteinelor legate de 1 care va depinde acum de localizarea biologică.
Din acest motiv există două mecanisme de legare a resturilor de aminoacizi pozitivi la calix-arenele p-sulfonate, incluziunea etanșă în cazul lui 1 și legarea mult mai slabă a resturilor față în față pentru 2 și 3. Astfel de mecanisme de legare diferită se transpun în diferite efecte biologice, referitoare la legarea peptidelor receptoare de heparină. Rezultatele preliminare au condus la concluzia că inhibiția colagenului XIV legat la catena laterală a dermaton sulfat decorinului, este un proces ce inhibă heparina care se realizează în ordinea 1<23.
2.6. Incluziunea succesivă a apei, [H3NCH2CH2NH3]2+ și [H3NCH2CH2NH2]+ în cavitatea aromatică a calix [4] arenelor p-sulfonate
Cavitatea bogată în electroni a calix [4] arenelor p-sulfonate hidrosolubile [H8L] reprezintă un sistem pentru studierea interacțiilor speciilor de tipul apei sau cationilor cu jumătățile aromatice ce sunt implicate în multe procese de recunoaștere atât în biologie cât și în chimie. Dependența de pH a acestui fenomen de incluziune a fost interpretat în termenii interacțiilor electrostatice în soluții neutre sau repulsii hidrofolice în soluții acide.
H8L
Figura nr. 7
În absența compușilor „oaspete” hidrofolici, prezența apei în interiorul [H4L]4- poate fi relevată prin cristalografie cu raze X. Legăturile de hidrogen din ciclul aromatic dintre „oaspete” și „gazdă” ajută în mod clar la stabilizarea acestui complex molecular. Nu există alte exemple de astfel de incluziuni a apei în calixarene dar, s-au observat alte tipuri de legături de hidrogen neclasice la formarea contactelor C-H… în compușii moleculari ai O-C2B10H12 în CTV și calix [5] arene, precum și CH2Cl2 în [HNMe3]2[(tBn-calix [4] arene)Al2].
O altă particularitate foarte interesantă a derivaților H8L în stare solidă este o structură a învelișului foarte bine ordonată care deseori determină atribuirea denumirii de pământ organic. Am prezentat aici sinteza în prezența unui posibil „oaspete” organic a [H3NCH2CH2NH3]2-[H4L(H2O)3]H2O, a compusului molecular [H4L]4- și apă. Apa este eliminată din cavitate prin deprotonarea unui dintre atomii de oxigen fenolic ai macrocidului și înlocuită cu [H3NCH2CH2NH3]2+ formând [H3NCH2CH2NH3]1.5[(H3L) H3NCH2CH2NH3]H2O5.5. Adăugarea unui exces de etilen diamină permite amestecarea sării organice [H3NCH2CH2NH3]2[(H3L) NH3CH2CH2NH3](H2O)4.5, unde monocationul [H3NCH2CH2NH3]+ este inclus în cavitatea calixarenei prin contactele aromatice N-H…. Studiile RMN au arătat că acest fenomen de incluziune persisită în soluție. Structura cristalină a complecșilor moleculari a fost determinată, incluzând primul dication și prima legătură de hidrogen aromatică neclasică N-H… în cavitatea calixarenei. Straturile organice observate în stare solidă sunt legate prin legături de hidrogen de ambele capete ale dicationului organic, rezultând o nouă clasă de pământuri organice-organice.
Tratarea [H8L] cu doi echivalenți de etilendiamină în apă permite precipitarea sării etilendiamoniu organică sub forma unui solid alb:
Structura moleculară a compusului cristalin arată prezența moleculelor de apă interiorul calixarenei.
Formarea compusului ce include apă este mult mai favorabil iar, analizele elementare ale lui 1 uscat confirmă prezența celor trei molecule de apă, indicând faptul că compusul molecular este mai stabil. Acest rezultat este oarecum contradictoriu cu acceptarea ideii că clustele de apă, asigură o mică hidratare la introducerea liganzilor nepolari în interiorul cavității aromatice a sistemelor biologice.
Dacă 2,5 echivalenți de etilentiamină sunt adăugați la H8L, o jumătate fenolică este deprotonată din centrul calixarenei, permițând formarea unei soluții galben pal de sare organică.
Rețeaua de legături de hidrogen produce împachetarea învelișului calixarenei ducând la o creștere a stratului organic, mărime mai mică decât cea găsită pentru un material de tip argilos al calix [4] arenei p-sulfonate.
Dicationii [H3NCH2CH2NH3]2+ leagă straturile calixarenei în rețea, iar cationii [H3NCH2CH2NH3]+ formează dinuri. Structura materialului de tip argilos organic-organic face să pară că de pinde de numărul de molecule organice incluse în împachetare.[19]
2.7. Complexarea L–aminoacizilor naturali prin calix [4] arene solubile în apă
Recunoașterea selectivă a substanțelor organice de interes biologic, cum ar fi zaharurile și aminoacizii, prin receptori sintetici, reprezintă un interes major în chimia bioorganică și supramoleculară. În trecut erau folosite calixarenele și ciclofanii solubili în apă, pentru a include specii încărcate sau neîncărcate, însă s-au obținut foarte puțini receptori de sinteză ce complexează aminoacizii în soluții apoase.
Tetrasulfonatocalix [4] arena 1, mobilă conformațional este capabilă să formeze complecși de incluziune cu câteva specii încărcate sau neîncărcate, atât în stare solidă cât și în apă. În particular s-a arătat că 1 este capabil să complexeze ionul trimetil anilina (TMA) într-un mod neselectiv la pD=7,3.
Complexarea L–aminoacizilor are loc prin inserarea grupărilor aromatice sau alifatice (R) în interiorul cavității calixarenei. Acest fapt pare să fie determinat de necesitatea grupărilor neîncărcate ale aminoacizilor de a ieși din cavitatea colixaremică apolară pentru a fi expuse la un mediu polar.
Interesant este că L-Ala nu a fost complexată prin elemente de bază. O posibilă explicație este aceea că, datorită mărimii mici a grupării metil (R), L-Ala ar trebuie să implice și încapsularea grupărilor amino cu sarcină pozitivă în interiorul cavității hidrofolsice. Nu s-a observat nici o incluziune pentru L-Tyr.
Compusul 3 căruia îi lipsesc rupările sulfonate din marginea superioară nu complexează nici unul din aminoacizii cercetați. Acest rezultat confirmă importanța prezenței sarcinii în legarea apolară a „musafirilor” în interiorul cavității calixarenei. Elementul de bază 5, care prezintă patru grupări sulfonate la marginea superioară nu prezintă nici o abilitate de incluziune. L-His este complexat doar prin compusul 1 cu conformație mobilă, în timp ce compusul 4 nu complexează nici L-Val și nici L-His prezentând o mai mică eficiență față de aminoacizii cercetați. Cei mai eficienți receptori pentru aminoacizi sunt sulfonatocalix [4] arenele 1 și 2 care au o eficiență comparabilă, deși compusul în formă conică este mai puțin eficient în recunoașterea L-Leu.
În toate cazurile incluziunea aminoacizilor are loc printr-un rest alifatic sau aromatic și se face corespunzător interacțiilor CH- (L-Leu, L-val) și interacțiilor – (L-Phe, L-His, L-Trp).[20]
Capitolul III
Complexarea unor compuși aminici cu receptori macrociclici
Aminele sunt printre cele mai importante molecule din sistemul natural viu. Multe amine active biologic conțin amoniu substituit. În biologia moleculară, studiul compușilor cu amoniu substituit este o problemă importantă pentru înțelegerea interacțiilor dintre moleculele biologice și aplicațiile lor în metodele de separare.
Multe studii se bazează pe designul și sinteza unei mari varietăți de macrocicli funcționali ca eterii coroană, azoeterii coroană, criptonzii și calixarenele, care sunt capabili să recunoască manifestarea activității catalitice de interes biologic a amoniului gazdă (aminoacizi și peptide). Proprietățile de atracție ale receptorilor macrociclici sintetici, ce sunt capabili să formeze complecși cu numeroși compuși prin interacții noncovalente sunt utilizate pentru o mai bună înțelegere a fenomenelor date de specificitatea biochimică, în special în domeniul recunoașterii moleculare.
Liganzii macrociclici sunt capabili să formeze complecși stabili și selectivi cu substratul potrivit prin legături de hidrogen, interacții ionice și/sau interacții hidrofobice. Forțele care contribuie la stabilizarea complexului format între gazda macrociclică și oaspete sunt de natură noncovalentă. Aceștia au fost utilizați intensiv la separarea selectivă a cationilor metalelor alcaline și alcalino-pământoase, a ionilor metalelor grele și a compușilor amoniului din amestecul format cu solvenți de extracție sau membrane lichide.[21,22]
În chimia supramoleculară, membranele lichide sunt utilizate frecvent la evoluarea proprietăților de complexare și transport a receptorilor. Membranele lichide folosite la separarea aminoacizilor și peptidelor au avantajul unui transport intensificat dat de utilizarea unor transportori selectivi de formă cationică dizolvați în solvenți organici. Transportorii utilizați au în compoziția lor și ligandul macrociclic. Apropierea de modelul sistemului de transport biologic necesar pentru enantiomerii aminoacizii poate fi realizată prin utilizarea membranelor lichide ce conțin eteri coroană chirali. Separarea compușilor optic activi prin membrane lichide este de un interes deosebit în momentul de față.
Calixarenele derivate, binecunoscuți receptori, sunt capabile să interacționeze cu molecula gazdă organică și să formeze complecși cu cationii cuaternari de amoniu.
Importanța extracțiilor lichid-lichid este dată de separările de ioni. Factorii care pot influența interfața lichid-lichid în sistem bifazic sunt: tensiunea interfazică, potențialul și viscozitatea. Pentru studierea structurii interfeței dintre doi solvenți nemiscibili se utilizează metode spectrscopice. Unul din cele mai importante proprietăți ale liganzilor (calixarene, criptanzi, eteri coroană) ca molecule extractante este afinitatea lor pentru interfața și comportarea lor ca surfactanți.
3.1. Complexarea unor compuși aminici cu eteri coroană
Este bine cunoscut faptul că mărimea inelului, natura și poziția atomilor donori a eterilor coroană au o mare influență la formarea complecșilor cu diferiți compuși. Influența diferiților eteri coroană (18C 6, 15C 5, B18C 6) asupra complexării cu amine neprotonate (n-butilamină, n-dibutilamină și N-metilbenzilamină) în metanol a fost studiată prin titrări colorimetrice. Valorile constantelor de stabilitate obținute sunt aproape identice. Complexarea 15C 5 cu aminele menționate este favorizată de contribuția entropică. În cazul 18C 6, valorile mari ale entalpiilor au fost obținute pentru amine primare, iar pentru aminele secundare s-au obținut valori mici. Complexarea aminelor primare cu 18C 6 este favorizată de contribuția entropică. În cazul aminelor secundare complexarea cu 18C 8 este favorizată de contribuția entropică și defavorizată de contribuția entalpică. Utilizând B 18 C 6 valorile entalpiei sunt mai scăzute decât în cazul complexării cu 18 C6. Acest fapt poate fi explicat prin bazicitatea scăzută a celor doi atomi donori de oxigen atașați de gruparea benzo a eterului coroană B18C6.
Randamentul transportului aminelor studiate utilizând 18C6, B18C6 și DB18C6 ca transportori prin membrană lichidă de 1,2-dicloretan, este relativ scăzut, între 25 – 40% pentru metilamină și n-propilamină cu B18C6 și 19 – 25% pentru dietilamină și n-propilamină cu DB18C6. Transportul aminelor depinde de transportul utilizat, de cation și anion.
Un aspect interesant privind complexarea diferiților eteri coroană și aminobenzoeteri coroană constă în posibilitatea formării unor agregate de eteri coroană amina substituită prin complexarea cu aminobenzo eteri coroană protonați în soluție. O grupare amino protonată de la un aminobenzoeter coroană este complexată cu partea de eter coroană a unui alt aminobenzo eter coroană. În cazul aminobenzo 18C6, autocomplexare este puternică.
Aminoacizii sunt componenți importanți ai proteinelor și au o importanță deosebită în cadrul sistemelor naturale vii. Proprietățile lor chimice și fizice, ambele de interes în biologie și farmacie trebuie bine cunoscute pentru a înțelege mecanismul reacțiilor din cadrul proceselor în care sunt implicați.
Valorile constantelor de stabilitate, entalpiilor și entropiilor au fost determinate pentru complecșii formați de unii aminoacizi (L–alanina, L-cisteina, glicina, L-leucina, L-izoleucină, L-metionin, L-fenilalanină, L-serină, L-valină și L-triptofan) cu receptori macrociclici (18C6 și B18C6) în metanol. Comparând constantele de stabilitate pentru reacțiile aminoacizilor cu eter coroană 18C6 cu cele obținute la reacțiile dintre aminoacizi și B18C6 se observă că valorile acestora sunt aproximativ egale sau în cazul B18C6 un pic mai mici. Valorile entalpiilor sunt mult mai mici pentru reacțiile cu 18C6, dar sunt compensate de componenta entropică. În general aminoacizii manifestă caracter amfionic în medii apoase neutre. În soluții cu metanol, aminoacizii se găsesc în formă amfionică, iar concentrația acesteia poate fi influențată de condiții acide, neutre sau bazice. Anumite aspecte experimentale au fost studiate din punctul de vedere al ambilor solvenți de extracție și al transportului aminoacizilor macrociclici (18C6, B18C6 și DB18C6) în 1,2-dicloretan. Rezultatele sugerează o bună corelație între proprietățile structurale ale aminoacizilor și caracteristicile fizico – chimice.
Distribuția unor complecși formați de -aminoacizi cu 18C6 și a ionului pereche în sistemul bifazic apă/1,2 dicloretan a fost corelată cu proprietățile aminoacizilor (hidrofobicitate, constante de aciditate pKa1, pKa2 și pI) utilizând analiza de regresie liniară și multiliniară. Corelația dintre constantele de extracție în sistem bifazic și hidrofobicitate aminoacizilor, log P (hidrofobicitatea se exprimă ca un logaritm al coeficienților de repartiție dintre 1-octanol și apă) este prezentată în Figura 8.
Figura 8 Corelația dintre constantele de extracție și hidrofobicitatea aminoacizilor
Figura 9 Relația dintre hidrofobicitate și randamentul transportului prin membrane lichide
După cum se observă în Figura 8, există o bună liniaritate între valorile constantelor de extracție ale aminoacizilor și hidrofobicitatea lor, atunci când se utilizează 18C6 și DB18C6 drept extractanți. Figura 9 prezintă relația dintre valorile obținute la transportul aminoacizilor prin membranele lichide utilizând ca transportori 18C6, B18C6 și DB18C6 și hidrofobicitatea, logP. Rnadamentul transportului aminoacizilor cu 18C6 ca o funcție a hidrofobicității lor se prezintă în următoarea ordine:
L-Phe L-Leu L- Met L- Val L- Ala.
Se poate observa o bună corelație între transportul unor aminoacizi și hidrofobicitatea lor în cazul în care se utilizează ca transportori prin membrane lichide atât B18C6 cât și DB 18C6, dar valorile obținute vor fi mai mici decât în cazul utilizării 18C6.
Dezvoltarea receptorilor sintetici pentru peptide și aminoacizi derivați a divinil și mai importantă deoarece studiul interacțiilor intermoleculare prin comlecșii mici de tip moleculă – peptidă conduce la înțelegerea multor interacții biologice de tip peptidă – proteină. Lipkowski[23] și colab. a studiat termodinamica complexării unor peptide mici cu 18C6 în apă. Utilizând difractometria cu raze X asupra complecșilor peptidelor amfionice cu 18C6 s-a arătat că acești complecși se formează prin legături de hidrogen. Au fost studiate și unele date experimentale (constante de stabilitate, entalpii și entropii ale reacțiilor) obținute la complexarea glicil – L – leucinei, ce are ca solvent de extracție metanolul, cu 18C6, B18C6 și DB18C6, în prezența ionului picrat, în 1,2 dicloretan. Structura ligandului, constantele de stabilitate, constanta de extracție și natura solventului au fost interpretate și comparate cu valorile corespunzătoare aminoacizilor ce au format această peptidă. În tabelul 4 sunt prezentate constantele de extracție ale Gly-L-Leu în 1,2-dicloretan cu 18C6, B18C6, Db 18C6 și criptand [2.2.2], utilizând acid picric.
Tabel nr. 4 Constante de extracție ale glicil – leucin în 1,2 – dicloretan cu liganzi macrociclici.
Cel mai eficient ligand dintre cei testați pentru Gly-L-Leu este 18C6. parametri care influențează procesul de extracție al Gly-L-Leu cu liganzi macrociclici sunt următorii: natura cationului, forma și mărimea complementară a ligandului cu ionul marginal, dimensiunea anionului și tipul atomului donor.
Tabel nr. 5 Constante de stabilitate și parametri termodinamici H și TS pentru complexarea unor aminoalcoli și aminoacizi cu liganzii 18C6 și [2.2.2] în metanol la 25C.
3.2 Complexarea aminelor cu criptanzi
Mărimea cavității ligandului criptand [2.2.2] (r=1,4A) corespunde foarte bine cu mărimea grupării -NH (r=1,42A). În cele mai multe cazuri liganzii macriciclici, cum este criptand [2.2.2], formează complecși mai puternici cu specii organice decât liganzii macrociclici. Este cunoscut faptul că stabilitatea și selectivitatea ambilor complecși depinde de mărimea inelului macrociclic. Criptații depind de structura ligandului macrobiciclic și pot fi extrași în solvenți organici prin cuplarea cu anioni organici sau anorganici.
Randamentele transporturilor metilaminei, dietilaminei, dimetilaminei și n-propilaminei complexate cu criptand [2.2.2] prin membrană lichidă de 1,2-dicloretan sunt relativ ridicate, în cazul metilaminei și n-propilaminei este de 65 – 78%.[24]
Complexarea unor -aminoacizi (L-alanină, L-cisteină, glicină, L-izoleucină, L-metionin, L-fenilalanină, L-serină, L-triptofan și L-valină) cu criptand [2.2.2] în metanol a fost determinată prin titrări colorimetrice. Complexarea cu ligand [2.2.2] este favorizată de entropie și valorile constantelor de stabilitate ale complecșilor formați din aminoacizii mai sus menționați cu criptand [2.2.2] sunt aproape identice cu valorile obținute în cazul complexării cu 18C6. O excepție constă în valorile entalpiei, acestea fiind mult mai mici în comparație cu cele obținute la complexarea cu 18C6.
Reacția dintre anumiți aminoalcooli (etnolamină, 4-amino-1-butanol și 6-amino-1-hexanol) și aminoacizi neproteici (-alanină, acid 5-amino-pentanoic și acid 8-amino-octanoic) cu criptand [2.2.2] a fost studiată prin titrări colorimetrice. Valorile entalpiilor sunt mai mari în cazul aminoacizilor, în comparație cu aminoalcoolii. Autoprotonarea grupării amino este responsabilă pentru aceste rezultate. Totuși numărul grupărilor metilen aflate între gruparea amino și gruparea carboxil nu are nici o influență asupra constantelor cu stabilitate și a parametrilor termodinamici în cazul criptandului [2.2.2].
Valoarea constantei de extracție, log Kex, pentru Glu-L-Leu în 1,2-dicloetan cu criptand [2.2.2] utilizând anion picrat, este de 5,10. acest rezultat sugerează că procesul de extracție al peptidelor utilizând criptanzi este realizabil și comparabil cu cel realizat de eterii coroană.
Au fost analizate și extracțiile unor -aminoacizi în formă protonată (L-leucină, L-izoleucină, L-fenilalanină, L-metionina, L-valina și L–alanina) în cloroform cu criptand [2.2.2] ca complex ion pereche și anion picrat drept ion …. Valorile constantelor de extracție obținute cu criptand [2.2.2] sunt bune, dar nu mai mici decât cele obținute cu 18C6; aceste valori variază între 4,55 – 4,15 pentru L-isoleucină, respectiv L–alanina. Stereochimetria indicată de cloroform prezintă un raport de 1:1:1 (ligand : aminoacid : anion).[25] Rezultatele experimentale obținute sugerează influența mărimii ligandului și tipului atomului donor asupra constantelor de extracție ale aminoacizilor nu sunt suficient de diferite pentru a permite o separare individuală prin extracție.
3.3 Complexarea aminelor cu calixarene
Calixarenele sunt preparate din fenoli și aldehide prin condensare acid-catalizată. Ele pot recunoaște speciile anionice și cationice la fel de bine ca și pe moleculele neutre. Acești receptori au posibilitatea să formeze complecși biologici, manifestându-și extractabilitatea și selectivitatea. În continuare voi prezenta studii dedicate chimiei calixarenelor și în special incluziunea moleculară a substraturilor biologice, cum ar fi aminele și aminoacizii cu acești receptori.
Chang et al [26] a utilizat calixarenele derivate ca transportori selectivi la separarea prin membrane lichide de cloroform a aminoacizilor și a stabilit un mecanism schematic ce descrie interacția dintre etil ester atât cu fenilalanina cât și cu triptofan în prezența calix [6] arenei. Rezultatele obținute sugerează etoxicarbonilmetilul substituit la p-terț-butil calix [6] arenă poate fi utilizat ca transportor la separarea și determinarea unor aminoacizi importanți.
Shikai et al [27] a demonstrat că homocalix [3] arena manifestă proprietatea de recunoaștere enantiomerică față de etil ester fenilalanina. Privind legătura realizată între NMeși calixarene, același autor a consemnat cationul cuaternar de amoniu.
Recunoașterea selectivă a butilaminelor cu esteri substituiți la p-terț-butilcalix [6] arenă în comparație cu dibenzo –18-coroană-6 a fost studiată utilizând metoda extracției cu solvent standard de picrat de butilamoniu în diclormetan.
Hexaesterii 1 – 4 interacționează cu butilamoniul după cum urmează: n-butil iso-butil-sec-butilterț butil, fapt care poate fi explicat de efectele sterice.
Recent, calixarenele, datorită capacității lor de recunoaștere și separare, atras atenția și asupra proprietății lor de a fi buni extractanți pentru compușii aminici. Okada[28] și colab. au preparat noi derivați ai calix [4] arenei și i-au utilizat la extracția selectivă și transportul unor aminoacizi etil esteri în cloroform. Eficiența acestor extracții a fost explicată prin hidrofobicitatea aminoacizilor, iar extrabilitatea lor a fost determinată prin măsurători RMN și UV.
Acești receptori recunosc chiralitatea L-aminoacizilor în timpul transportului. Din acest motiv, Lee[29] și colab. a studiat termodianamica extracțiilor cu solvenți ale cationilor alchilamoniu cu alchilcalix [6] arilesteri.
În anumite rapoarte se studiază activitatea electrochimică a unor compuși macrociclici ionoforici cum ar fi compușii calix [4] arendichinonă în prezența diferitor ioni alchilamoniu. A fost de asemenea studiată capacitatea acestor receptori redox de a forma complecși aminici protonați, legați prin multiple legături de hidrogen și relația dintre proprietățile substanței oaspete și intensificarea activității electrochimice. Un interes deosebit este acordat aplicațiilor macrociclilor chinonei modificate în electronica moleculară și în domeniul senzorilor potențiometrici și studierii transferului electronic în sistemele biologice.
A fost prezentat și un studiu privind simulări ale dinamicii moleculare și complecșilor cu NH și a cationului NHcând sunt legați de calix[6] arenă în cloroform cu acetatul drept ion contrar. A fost elucidată structura și localizarea compusului oaspete în substanța gazdă. Solubilitatea în apă a calix [6] arenei hexsulfonate (Fig.6) face ca legăturile dintre cationii cuaternari de amoniu și acetilcolină să fie foarte puternice. Prin cristalografia cu raze X s-a arătat că la complexul calix [4] arenă tetrasulfonată, N-terminal al colinei se găsește în interiorul cavității aromatice a receptorului.
Antipin[30] și colab. a sintetizat noi receptori selectivi pentru aminoacizi utilizând calix [4] arenă pe bază de -amina fosfonat. Acești compuși manifestă o remarcbilă selectivitate ca transportori ai aminoacizilor aromatici de formă amfionică prin membrană lichidă susținute de un suport poros de polimer.
Kubo[31,32] și colab. a realizat calixarene cromogenice ce îmbunătățesc receptorii optici pentru cationiții și aminele importante din punct de vedere biologic și/sau chimic. Calixarenele, macrocicli derivați de fenol, sunt utilizate la realizarea sistemelor optice folosite la detecția vizuală și la separarea pe baza diferenței enantiomerice a aminelor și aminoacizilor.
3.4 Complexarea aminelor cu aza eteri coroană
Eterii coroană de tip donor – mixt (diazoeterii coroană) manifestă proprietăți transportoare față de cationul amoniu din compușii aminici importanți din punct de vedere biologic.
Tsukebe[33] a arătat legăturile cationului și proprietățile transportoare ale unor macrocicli poliaminici și poliamidici pentru sărurile aminoacizilor ester derivați.
Raporturile transportului metilaminei, dietilaminei, dimetilaminei și n-propilaminei complexate cu criptand [2.2] sunt relativ ridicate 42 – 45% pentru dietilamină, respectiv n-propilamină. Complexarea -aminoacizilor (L-alanina, L-cisteina, glicina, L-isoleucina, L- metionin, L-fenilalanina, L-serină, L-triptofan și L-valină) cu monoaza – 18C6 și diazoeter coroană în metanol a fost studiată prin titrări colorimetrice.
Este cunoscut că prin înlocuirea unui atom de oxigen de un atom donor de azot în molecula de eter coroană nu se produce nici o modificare a constantei de stabilitate. Valorile entalpiilor de reacție sunt mici în raport cu cele ale ligandului 18C6. În acest caz formarea complexului este favorizată de componenta entropică. Substituirea a doi atomi donori de oxigen cu doi atomi de azot duce la o scădere a constantei de stabilitate cauzată de contribuția entropică. Comparând valorile constantelor de stabilitate ale complexării aminoacizilor menționați cu 18C6, monoaza – 18C6 și criptand [2.2.2] cu valorile constantelor de stabilitate ale acelorași aminoacizi complexați cu diazo-18C6 se observă că cele din urmă sunt mult mai mici decât celelalte.
Valoarea constantei de stabilitate a complexului format de Gly-L-leucină și monoaza-18C6 în metanol este log K= 3,15. Entalpia reacției dintre peptidă, cu aminoacizii corespunzători (glicină și leucină) și monoaza – 18C6 este mai scăzută decât în cazul utilizării 18C6. constanta de stabilitate a complecșilor formați este influențată de structura ligandului și proprietățile peptidei.[35,36]
Capitolul IV
Extracția cu solvenți a aminoacizilor folosind liganzi macrociclici
4.1. Caracteristici generale ale aminoacizilor
Aminoacizii constituie alfabetul structurii proteice și determină multe din proprietățile importante ale proteinelor. În afara celor douăzeci de aminoacizi cunoscuți ca elemente constitutive ale proteinelor există mulți aminoacizi care îndeplinesc alte funcții în celule.
Formula structurală generală a alfa-aminoacizilor întâlniți în proteine este:
Toți au ca numitor comun o grupare carboxil liberă și o grupare amino liberă, ambele grefate la atomul de C alfa, deosebindu-se între ei prin structura catenelor laterale, simbolizate prin R.
O clasificare a aminoacizilor, bazată pe polaritatea radicalului R, îi împarte în patru clase:
clasa aminoacizilor nepolari (hidrofobi): alanina, leucina, izoleucina, valina, prolina, fenilalanina, triptofan și metionina.
clasa aminoacizilor polari neutri – mai solubili decât cei nepolari, grupările funcționale neutre pot forma legături de H cu apa : glicocol, serina, treonina, cisteina, tirozina, asparagina, glutamina.
clasa aminoacizilor bazici (încărcați pozitiv) prezintă sarcini net pozitive la pH 7 : arginina, lizina, histidina. '
clasa aminoacizilor acizi (încărcați negativ) – prezintă sarcină negativă la pH 6-7: acid aspartic, acid glutamic.
Cunoașterea proprietăților acido-bazice este foarte importantă în alegerea și analizarea proprietăților proteinelor, în unele cazuri separarea, identificarea și dozarea diferiților aminoacizi, determinarea secvenței lor în proteine sunt bazate pe comportarea lor acido-bazică.
În stare cristalină aminoacizii au puncte de topire sau de descompunere ridicate, de obicei peste 200 °C. Ei sunt mult mai solubili în apă decât în solvenți nepolari. Aceste proprietăți sunt exact cele la care ne așteptam să le întâlnim, considerând că rețeaua moleculară a aminoacidului în stare cristalină este stabilizată prin forțe de natură electrostatică de atracție între grupări cu sarcini opuse ca în cazul rețelelor cristaline ale sărurilor cu puncte de topire ridicate, ca de exemplu NaCI. Dacă aminoacizii ar cristaliza într-o formă neionică, ei ar fi stabilizați prin forțe Van der Waals, mult mai slabe și ar avea puncte de topire joase. Aceste considerații, cât și multe alte dovezi au condus la concluzia că aminoacizii se găsesc în soluții apoase neutre și cristalizează din aceste soluții mai degrabă ca ioni dipolari sau amfioni decât ca molecule nedisociate, fapt indicat și de constantele dielectrice ridicate și de momentele de dipol mari, care reflectă prezența atât a sarcinii negative cât și a sarcinii pozitive în aceeași moleculă.
Când un aminoacid amfionic cristalin, de exemplu alanina, este dizolvat în apă, el poate acționa atât ca un acid (donor de protoni) (a), cât și ca o bază (acceptor de protoni) (b):
a) H3N+- -CH3H++H2N–CH3
COO- COO-
b) H3N+- -CH3+H+H3N–CH3
COO- COOH
Deci aminoacizii sunt amfoliți, având proprietăți amfotere, comportarea acido-bazică a amfoliților fiind cel mai simplu formulat în termenii teoriei acido bazice Bronsted-Lowry :
R–COOH R–COO-
NH2 NH3+
Forma nedisociată Amfion
R–COOH R–COO-
NH3+ NH2
Forma cationică Forma anionică
Un alfa-aminoacid simplu monoaminomonocarboxilic este considerat a fi un acid dibazic în formă complet protonată, care poate dona doi protoni în timpul titrării sale complete cu o bază, titrarea decurgând în două trepte:
R–COOH+HO- R–COO-+H2O
NH3+ NH3+
R–COO-+HO- R–COO-+H2O
NH3+ NH2
Curba de titrare poate fi comparată cu cea a acizilor slabi. Valorile pKa ale celor două etape de ionizare ale alfa-aminoacizilor de acest tip sunt destul de distanțate pentru a se obține două trepte net separate. Fiecare treaptă prezintă un punct de echivalență unde modificarea pH-ului când se adaugă cantități crescute de bază este minim. Valorile pKa aparente pentru cele două trepte de disociere pot fi determinate din punctele de echivalență ale fiecărei trepte.
La pH = pKa;, punctul de echivalență al primei trepte, donorul de protoni (figura stânga) și acceptorul de protoni (figura dreapta) se găsesc în concentrații echimoleculare:
R–COOH R–COO-
NH3+ NH2
La pH = pKa2, donorul de protoni și acceptorul de protoni se găsesc în concentrații echimoleculare.
Fiecare din cele două trepte ale curbei pot fi bine aproximate matematic
pH = pK + Ig
Aceasta înseamnă că se pot calcula raporturile speciilor ionice ale aminoacidului la orice pH dacă se cunosc valorile pKa1 și pKa2.
La pH =1/2 (pKa1 + pKa2), unde există un punct de inflexiune între cele două trepte ale curbei de titrare, molecula nu prezintă sarcină electrică netă și nu migrează în câmp electric, acesta fiind numit pH izoelectric (pHj).
Toți aminoacizii monoaminomonocarboxilici prezintă această comportare.
Din valorile pKa rezultă observații generale:
Gruparea carboxil din poziția alfa a aminoacizilor monoaminomonocarboxilici are o aciditate mai mare decât gruparea carboxil a acizilor alifatici corespunzători, aciditate crescută datorită grupării amino din poziția alfa și sarcinii sale pozitive care produce un puternic efect de câmp, crescând astfel tendința H carboxilic de a se disocia ca proton;
Gruparea alfa amino a aminoacizilor monoaminomono carboxilici este o bază mai slabă decât gruparea amino a aminelor alifatice corespunzătoare ;
Aminoacizii cu radicali neîncărcați au valori pKa1 și pKa2 aproape identice;
Nici unul din aminoacizii monoaminomonocarboxilici nu are capacitatea de tamponare semnificativă în jurul pH-ului fiziologic (pH = 6-8). Ei prezintă capacitate de tamponare la pH-uri apropiate de pKa și anume între pH = 1,3 – 3,3 și 8,6 – 10,6. Singurul aminoacid cu putere de tamponare pentru pH = 6-8 este histidina.
O metodă analitică utilă în urmărirea formării aminoacizilor liberi în timpul hidrolizei proteinelor de către enzimele proteolitice este titrarea aminoacizilor sau amestecurilor lor în prezență cu exces de formaldehidă (titrare cu formol):
R–COO- R–COO-+H+
NH3+ NH2
R–COO-+2HCHO (HOCH2)2N–COO-
NH2 R
Dimetilol aminoacid
Formaldehida în exces se combină ușor cu grupările amino libere, neprotonate ale aminoacizilor, rezultând derivați metilol. Aminoacidul pierde un proton de la gruparea amino încărcată pozitiv a amfionului, care poate fi titrat e direct cu NaOH până la pH = 8, punctul de viraj al fenoftaleinei.
O reacție a grupării amino foarte larg folosită este reacția cu ninhidrina, care poate fi folosită la dozarea unor cantități foarte mici de aminoacizi. Acesta poate reacționa cu două molecule de ninhidrină, rezultând un produs intens colorat.
Separarea cantitativă și estimarea fiecărui aminoacid dintr-un amestec complex, cum este hidrolizatul unei proteine, este o problemă deosebită când este abordată prin metode clasice: precipitare fracționată, cristalizare, distilare.
Metodele cromatografice sunt aplicabile nu numai la separarea, identificarea și analiza cantitativă a amestecurilor de aminoacizi, dar și a peptidelor, proteinelor, nucleotidelor, acizi nucleici, lipide, zaharuri, etc.
Metodele cromatografice și electroforetice se bazează pe cunoașterea solubilității relative Și a comportării acido-bazice a diferiților aminoacizi. Spectrele de absorbție – parametru folosibil în analiza chimică – se obțin în UV, nici unul din cei 20 de aminoacizi întâlniți în proteine nu prezintă absorbție în VIZ. Trei aminoacizi – Tri, Try, Phe – datorită caracterului aromatic al radicalului R – absorb în UV apropiat. Restul aminoacizilor absorb în UV îndepărtat (lungime de undă mai mică de 220 nm).
4.2. Echilibre de repartiție în procesul de extracție
Extracția complecșilor cationici din soluție apoasă în solvenți organici nepolari se face sub formă de perechi de ioni prin asociere cu un anion potrivit.
Considerăm un sistem heterogen lichid în care faza apoasă conține un aminoacid în formă protonată și un anion A, iar în faza organică conține inițial un ligand macrociclic, L, capabil să complexeze aminoacidul în formă cationică.
În funcție de pH, aminoacizii, R-NH2, în care:
R: –COOH
R’
pot fi transferați în soluție apoasă pe baza echilibrului următor:
R – NH2 + H30+ R – NH3+ HOH (1 )
cu constanta de aciditate :
Aminoacidul în formă cationică este complexat de ligandul macrociclic neutru, în baza echilibrului:
R-NH3++L R-NH3+L
caracterizat de constanta de stabilitate :
Dacă anionul A are dimensiunea și structura compatibilă cu procesul de extracție, complexul cationic format se poate extrage din faza apoasă într-un solvent organic sub forma unei perechi de ioni [R-NH3+L][A-] conform echilibrului:
(R-NH3+L)w+(A-)w(R-NH3+LA-)s
cu constanta de extracție Kex:
în care prin W și S sunt simbolizate fazele sistemului (apoasă respectiv organică), iar prin parantezele pătrate, concentrațiile în mol/I ale speciilor implicate în proces.
Anionul A- poate fi baza conjugată a unui acid organic HA și se formează în soluție pe baza echilibrului :
HA+HOHA-+H3O+
caracterizat de constanta de aciditate Ka:
Această constantă determină domeniul de pH la care predomină A- în soluție. Ligandul macrociclic se repartizează între cele două faze ale sistemului lichid-lichid în baza echilibrului :
(L)w(L)s
caracterizat de constanta de repartiție :
Pe baza echilibrelor individuale prezentate în relațiile (1), (2), (3) și (4) poate fi determinat echilibrul global al extracției de ioni [R-NH L]A-
(R-NH3+)w+(A-)w+(L)s(R-NH3LA)s
având constanta de extracție Kex
Din echilibrul (9) rezultă că faza apoasă trebuie să realizeze condițiile de pH care, în baza echilibrului (1) și (5) să asigure existența simultană a speciilor R-NH3+ și A.
Specia HA furnizoare a anionului de cuplaj, A, trebuie aleasă funcție de valoarea pH-ului la care aminoacidul este protonat. În cazul extracției aminoacizilor cu eteri coroană și criptanzi pH-ul optim este 2 pentru că asigură formarea atât a speciei R -NH cât și A- în proporții însemnate.
Echilibrele chimice ce au loc în sistem lichid-lichid pot fi reprezentate schematic astfel:
W (R-NH3+)w+(A-)w (R-A-)w
S (R-NH3+L)s+(A-)s (R-NH3+LA-)s(L)s+(R-A-)s
W (R-NH3+L-)w(L)w+(R-NH3+)w
Fig. 6 – Reprezentarea schematică a echilibrelor în procesul de extracție a aminoacizilor
Datorită valorilor mici ale constantelor ce implică speciile încărcate în solventul organic, echilibrul semnificativ al extracției se definește astfel:
(R-NH3+)w+(A-)w (R-NH3+A-)s
cu constantele de extracție Kex:
4.3. Raportul de distribuție al aminoacizilor în sistemul solvent – apă
Raportul de distribuție (D) al aminoacizilor între cele două faze (organică și apoasă) este o mărime ce se definește astfel:
Din constanta de aciditate Ka2 a cuplului R-NH / R- NH rezultă că, la o valoare a pH-ului fazei apoase de pKa2 = 3 gruparea aminică este transformată în forma R- NH în proporție de 99,9% ceea ce conduce la concluzia că în astfel de condiții:
Constanta de aciditate a cuplului R- NH/ R- NH la aminoacizi este aproximativ egală cu 10-9,7', ceea ce arată că pH-ul la care s-a transformat specia cationică R- NH în proporție de 99,9% are valoarea 6.
La pH =6 gruparea carboxil a aminoacidului este practic disociată pentru că valoarea constantei de aciditate (Ka1) a cuplului -COOH / -COO- are valoarea de aproximativ 10-2,3. Forma amfionică R-CH(NH3)-COO- nu este extractibilă, din cauza celor două sarcini prezente, pentru că liganzii macrociclici nu pot. realiza solubilizarea acestor specii chimice în solvenți organici (cloroform, docloretan) prin intermediul cationului –NH3.
Extracția devine posibilă numai dacă scade pH-ul astfel încât (-COO) să se transforme în (-COOH).
Valoarea raportului de distanțare depinde de pH în domeniul din jurul va(orii pH-ului pKa = 2 și că în acest domeniu de pH relația (6) ia forma :
Din relațiile anterioare rezultă că:
D=Kex[L]s[A]w(1+10pH-pKa1)-1
din care se deduce că la pH constant :
lgD[A-]w-1(1+10pH-pKa1)=(lgLs)
lgD[L]s-1(1+10pH-pKa2)=’(lgAw)
Aceste două relații reprezintă două trepte care au pantele egale cu 1, fapt care, dovedit experimental, indică raportul de combinare a speciilor componente de 1:1:1 și care permite calculul constantei Kex din intersecția cu axa ordonatei (metoda grafică).
4.4. Factorii ce influențează procesele de extracție
4.4.1. Influența structurii ligandului macrociclic utilizat ca extractant
Structura liganzilor macrociclici care imprimă, de fapt proprietățile lor implicate în procesul de extracție, trebuie să joace un rol important și complex. Selectivitatea liganzilor macrociclici pentru cationi în sistem bifazic lichid-lichid nu este întotdeauna în concordanță cu selectivitatea prin recunoaștere dimensională în fază apoasă. Pentru metalele alcaline și alcalino-pământoase, se poate afirma că, în cazul utilizării unui anume solvent organic, potrivirea dimensională dintre cationul compensat și cavitatea intramoleculară a ligandului macrociclic joacă un rol important în extracția perechilor de ioni. Dacă concordanța dintre stabilitatea complexului și extrabilitatea perechii de ioni nu este constantă, alte fenomene ce concură la extracție se manifestă pregnant, estompând influența stabilității.
Fenomenul de solvatare a ionului complexat joacă adesea un rol important în procesul de extracție.
Studii de spectrometrie RMN și IR au arătat că la extracția în nitrobenzen: a complecșilor metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu eteri coroană și criptanzi cuplați cu anionul de dipricrilaminat, are loc o coextracție a unei părți din moleculele de apă de hidratare ale acestor cationi.
Eterii coroană provoacă o extracție a unui număr mai mare de molecule de apă de hidratare în comparație cu criptanzii, și, de aici, se constată o ; comportare diferită a celor două categorii de liganzi macrociclici.
4.4.2. Influența reapariției liganzilor macrociclici
Liganzii macrociclici cu constanta de repartiție K mică, participă în procente de extracție în care constantele de extracție Kex sunt mari. O valoare mică a constantei de repartiție a ligandului liber reprezintă o solubilitate mare în apă a acestuia, ceea ce duce la posibilitatea ca și complexul extractibil să fie solubil în apă și deci extractabilitatea este micșorată. Această contradicție se datorează cunoașterii incomplete a procesului de extracție a complecșilor cu liganzi macrociclici reprezentat numai din punct de vedere al echilibrelor în paragraful 4.2. Toate constantele de echilibru din paragraful 4.2. sunt constante termodinamice exprimate în activități și nu în concentrații. Dependența raportului de distribuție și implicit a randamentului de extracție de tăria ionică (și în general de concentrația globală a fazelor), ca a unor efecte sinergetice arată odată în plus complexitatea insuficient cunoscută a procesului de extracție.
În funcție de constanța de repartiție, ligandul macrociclic este selecționat pentru un proces de extracție.
Cunoașterea sau determinarea constantei de extracție Kex sau a raportului de distribuție D reprezintă, în prezent criteriul sigur de selecție al ligandului. Pentru extracția aminoacizilor cu liganzi macrociclici, repartiția liganzilorj macrociclici în sistemul bifazic CHCL3-apă este condiționată de valoarea pH-ului.
La pH > 6 ligandul macrociclic se va regăsi relativ egal repartizat în ambele faze (apoasă și organică). La pH acid (pH = 2) ligandul macrociclic se regăsește preferențial repartizat în apă.
4.4.3. Influența cationului în procesul de extracție
Liganzii macrociclici pot complexa, în interiorul cavității lor, cationi anorganici și organici prin legături de natură electrostatică. Stabilitatea complecșilor formați este controlată de numărul heteroatomilor din ciclu și de potrivirea dimensională dintre diametrul cavității ligandului (B 18-coroană-6) și diametrul cationului complexat (R NH).
Acești cationi complecși sunt extrași sub formă de pereche de ioni în solvenți organici, prin cuplarea cu anion adecvat.
Procesul complexării între un ligand L și un cation Mn+ într-un solvent S, poate fi reprezentat prin ecuația generală :
(L)solv+(Mn+mS) (Mn+L)solv+mS
unde Kj și Kd sunt definite drept constantele de viteză ale formării și respectiv, disocierii complexului. Raportul celor două constante de viteză Kj/Kd, dă constanta de stabilitate Ks.
Constanta de stabilitate termodinamică, K, se exprimă prin relația:
unde fc, fL și fM sunt coeficienții de activitate ai celor trei specii prezentate (complex, ligand, cation). Acești coeficienți sunt în general, necunoscuți, de aceea se utilizează constanta de stabilitate exprimată prin concentrații:
Constanta Ks este o constantă de stabilitate medie pentru un sistem aflat în echilibru termodinamic pe baza conformației ligandului și a complexării.
Valorile constantei de stabilitate Ks reflectă, printre altele, selectivitatea formării complexului. Aceasta este legată de abilitatea ligandului macrociclic de a diferenția diferiți cationi. O măsură a selectivității unui anumit ligand în raport cu doi cationi metalici diferiți M și M o reprezintă raportul dintre constantele de stabilitate ale complecșilor M1L și M2L și se exprimă prin relația:
Pentru determinarea experimentală a constantelor de stabilitate pentru complecșii formați de liganzii macrociclici tip coroană cu cationii metalelor alcaline, alcalino-pământoase și ai unor metale tranziționale au fost utilizate multe metode : titrare potențiometrică, conductometrie, polarografie, calorimetrie, spectometrie optică, RMN, extracția cu solvenți. Aceste metode au fost discutate în lucrări de sinteză [37,38].
4.4.4. Influența anionului în procesul de extracție
Complecșii formați de liganzii macrociclici cu cationi ai metalelor sau cu cationi organici sunt ei înșiși cationici purtând de cele mai multe ori sarcina cationului complexat.
Extracția lor în solvenți organici se face sub formă de pereche de ioni cu un anion ce are structura și proprietăți favorabile extracției. Acești anioni de cuplaj au masa moleculară mare Și caracter lipofil.
În diverse procese de extracție ale cationilor complecși au fost utilizați anioni ca : picrat, tetrafenilborat, dipicrilaminat, dinitrofenolat, ca și anioni anorganici, de dimensiuni relativ mari : ClO, I-, N03, etc.
Odată cu accentuarea caracterului hidrofob anionului de cuplaj, extracția devine mai eficientă, în timp ce selectivitatea pentru un anumit cation scade.[39]
Selecția anionului organic, pentru extracția aminoacizilor are la bază, pe de o parte, coeficientul molar de absorbție ridicat al anionilor, iar pe de altă parte, coincidența domeniului de pH în care trebuie să coexiste în soluție acest anion cu cationul aminoacidului protonat.
4.4.5. Influența solventului
Influența solventului organic asupra extractibilității perechilor de ioni este datorată, înainte de toate constantei sale dielectrice. Solvenții cu constanta dielectrică mică împiedică disocierea perechii de ioni; favorizând astfel extracția.
De asemenea solubilitatea solventului organic în apă trebuie să fie mică pentru a evita pierderile de solvent.
Randamentul de extracție și chiar selectivitatea liganzilor macrociclici în procesul de extracție sunt puternic influențate de natura solventului.
4.4.6. Influența pH-ului în extracția complecșilor aminoacizilor
Dacă se studiază extracția complecșilor aminoacizilor într-o soluție apoasă B-18-coroană-6 și 15-coroană-5 în cloroform în funcție de pH se confirmă faptul că extracția optimă se realizează la un pH acid (pH = 2), pH la care coexistă aminoacidul protonat, forma anionică a partenerului de cuplaj și totodată gruparea carboxilică a aminoacidului nedisociată.
4.5. Extracția și transportul aminoacizilor prin membrane lichide
Aminoacizii constituie una din cele mai importante clase de compuși naturali de interes biologic, amplu implicați atât în procese biochimice cât și în industria medicamente(or, alimentară și cosmetică.
Aminoacizii pot traversa membranele lichide sub formă cationică sau sub formă anionică, în compania unui contraion.
4.5.1 Extracția și transportul aminoacizilor sub formă de complecși cationici
În ultimii ani mai mulți compuși macrociclici, eteri coroană sau criptanzi, au atras atenția. datorită specificității lor pentru cationii amoniu primari și secundari în ceea ce privește utilizarea lor ca agenți de extracție și transport specifici pentru membrane lichide.
4.5.1.1. Complecși ai aminoacizilor cu eteri coroană
O afinitate deosebită pentru cationii amoniu a unor aminoacizi o prezintă eterii coroană lipofilici, ceea ce îi recomandă ca transportori specifici prin membrane de cloroform.
Din tabelul următor reiese că viteza de transport a derivaților aminoacizilor prin membrana lichidă de cloroform, utilizând liganzii macrociclici de mai sus este mai mare decât viteza de transport a unor ioni metalici (K+, Na+, NH4).
Tabelul 3.1 Transportul cationic cu purtători eteri coroană
Descoperirea eterilor coroană a fost neprevăzută. În 1967 Pedersen a recunoscut cristalele albe care erau un subprodus în procesul condensării catecolului și dicloretileterului, intervenit în sinteza compusului și confirmat a fi un eter policiclic.
S-a observat că DB18C6 formează complecși stabili cu metalele alcaline și alcalino-pământoase Și că acești complecși se dizolvă în solvenți organici nepolari. Această descoperire duce la sinteza unei serii de compuși polieteri macrociclici care au fost denumiți eteri coroană (crown ethers) după configurația lor stereochimică.
Mai târziu eterii coroană și-au găsit aplicații și în extracția și transportul unor compuși organici cum ar fi : acizi organici, aminoacizi, peptide.
Stabilitatea eterilor coroană cu diferiți cationi este dependentă de următorii factori :
mărimea relativă a ionilor și cavitatea eterilor coroană;
tipul, numărul și amplasarea heteroatomilor la locurile lor de legare în inelul eterului coroană;
flexibilitatea conformațională a inelului;
sarcina electrică a cationului;
interacția ion – solvent.
Eterii coroană formează complecși 1:1 (inel : ion) cu cationii, dar pot forma și complecși 2:1 (inel : ion) sau 1:2 (inel : ion).
Structurile compușilor complecși aminoacid-eter coroană-contraion/apă s-au determinat cu RX. S-a ajuns la concluzia că aminoacizii există în complex ca amfion și sunt înlănțuite cu 18-C-6 prin gruparea amino – NH prin legături i N-H…O , gruparea – COO-, aflată în poziția alfa, ia parte la legături de H cu moleculele de apă.
4.5.1.2. Complecși ai aminoacizilor cu dinonil naftelen sulfonat (DNNS)
Un aminoacid în formă cationică (AA+) aflat în faza apoasă acidă (soluție HCI 0,1 N), care reprezintă faza sursă, poate fi transportat și extras în membrana lichidă utilizând un purtător încărcat negativ T- (DNNS-), dinonil naftalen sulfonat, realizându-se procesul de extracție.
Din membrană speciile AA+, DNNS- ating faza apoasă bazică, adică faza acceptoare, aminoacidul fiind extras în faza bazică prin deprotonare (AA+ AA- 2H+), realizându-se procesul de reextracție.
Cationul K+ este transportat simultan în sens invers 1a interfața faza sursă – membrană unde este schimbat cu AA+ și procesul se repetă.
Se constată că aminoacizii sunt transportați împotriva gradientului de concentrație prin transport activ simultan cu transportul în sens invers al cationilor K+.
S-a constatat că viteza de transport a aminoacizilor prin membrana lichid variază în sensul:
Fenilalanină > triptofan > leucina > valina > glicina
4.5.2. Extracția și transportul aminoacizilor sub formă de complecși anionici
Dat fiind că aminoacizii pot exista și în formă anionică în soluții bazice, s-a încercat extracția Și transportul acestora prin membrane lichide sub formă de complex ion-pereche folosind contraion un cation organic cu volum mare.
4.5.2.1. Complecși metalici ai liganzilor macrociclici cu aminoacizi
O nouă clasă de transportori ionici care fac posibilă creșterea vitezei fluxului prin membrane lichide datorită eliberării de ioni și transportului de aminoacizi prin intermediul complecșilor ligand-metal a fost studiată de numeroși cercetători în diverse moduri.
S. Shinkai[40] și colaboratorii studiază transportul aminoacizilor în formă anionică prin membrane lichide de cloroform utilizând ca transportori complecși metalici ai ligandului. [19]
Este interesant sistemul de transport și anume faptul că în membrana lichid având transportor complexul L-Ca2+, aminoacidul în formă anionică este extras din faza apoasă sursă (bazică) ca un contraion și eliberat în faza acceptoare ca un aminoacid în formă de amfion.
Complexul L-Ca2+ are posibilitatea de a extrage aminoacizii din faza apoasă sursă ți de a-i transporta în faza apoasă acceptoare. Solubilitatea scăzută a aminoacizilor în forma amfionică este favorabilă procesului de eliberare de ioni. În acest caz pH-ul fazei acceptoare a fost ajustat cu un acid boric și hidroxid de litiu.
4.5.2.2. Complecși ai aminoacizilor cu săruri cuaternare de amoniu
J.M. Lehn și colaboratorii, precum si I. Tabushi și colaboratorii au studiat fenomene de extracție și transport prin membrane lichide având ca transportori săruri cuaternare de amoniu.[41,42]
Astfel J.M. Lehn și colaboratorii prezintă studii în legătură cu transportul unor aminoacizi și dipeptide prin membrane de toluen împotriva gradientului de concentrație. În acest sistem procesul este de protonare-deprotonare cuplat cu transportul în sens invers al unui ion anorganic (Na+, K`), deci un transport activ.
Mecanismul procesului de transport în cazul utilizării ca purtător a sării cuaternare de amoniu T+ (T este N+) printr-o membrană lichidă de toluen în cazul transportului aminoacizilor este prezentat schematic în figura următoare:
Aminoacizii în formă anionică, carboxilat, sunt transportați din faza apoasă sursă (soluție bazică KOH) în faza apoasă acceptoare (soluție acid HCI) cu transportorul sare cuaternară de amoniu (T+, N+), în cazul studiat Aliquat 336, adică clorură de tricaprilmetilamoniu.
Anionul CI- este transportat înapoi la interfața membrană – faza sursă unde este schimbat cu aminoacidul carboxilat.
Creșterea concentrației de AA+ în faza apoasă acidă este măsurată ca o funcție în timp pentru diferiți aminoacizi utilizând metode spectrometrice (UV, RMN) sau titrare cu ninhidrină (rezultă compuși colorați).
Se observă o dependență liniară. Curbele sunt observate la început (înainte ca sistemul să ajungă la o stare staționară) și aproape de sfârșitul procesului, când concentrația aminoacidului în faza sursă devine minimă.
Măsurarea coeficienților de distribuție a aminoacizilor între faza sursă bazică KCI 0,1 N și membrana conținând N; în toluen a arătat că ratele relative ale transportului AA- de la stânga la dreapta urmează ordinea coeficienților de distribuție. Astfel, specificitatea procesului este controlată prin echilibrul termodinamic ce are loc între faza sursă și membrană.
Pașii cinetici importanți, și anume transferul din faza sursă în membrană și din membrană în faza acceptoare, respectiv extracția și reextracția par a fi suficient de similari pentru diferiți aminoacizi, astfel încât doar concentrația de (AA-, N+) în membrană diferențiază substratele diferite.
Rezultate similare se mențin și în cazul transportorului T-. S-a constatat că transportul grupării OH- este competitiv cu transportul AA-.
Este interesant de subliniat faptul că s-a constatat o diferență de circa 20% în rata de transport între fenilalanilglicină și glicilfenilalanină.
S-au observat schimbări lente de pH deoarece :
apar procese de protonare – deprotonare ale aminoacizilor;
transportul ionilor hidroxil concură cu transportul aminoacizilor în formă anionică.
Transportul aminoacizilor decurge asimptotic până fa finalizare în condițiile descrise înainte.
Schimbările în suprafața interfețelor determină schimbări proporționale ți în ratele de transport.
Se impune ca formarea Și disocierea complexului substrat-transportor, complex de tip ion-pereche să fie procese foarte rapide.
Rezultatele duc la anumite concluzii, precum și la prospecte pentru investigații suplimentare:
este demonstrat transportul aminoacizilor în formă anionică opus anionului clorură;
este observat transportul împotriva gradientului de concentrație alimentat de energie chimică, transport cuplat;
specificitatea procesului este controlată termodinamic prin echilibrul distribuției între faza apoasă inițială și membrană;
efectele sterice în speciile substrat-transportor influențează specificitatea extracției și a transportului;
structura transportorului, modelată prin sinteză organică permite controlarea specificității extracției și a transportului;
efectele cinetice asupra specificității proceselor sunt similare cazurilor în care aminoacidul este sub formă cationică;
transportul chirospecific ce permite separarea amestecurilor racemice, poate fi observat utilizând fie o membrană optic activă, fie un ion purtător chiral;
experimente similare pot fi realizate pe diferite tipuri de molecule.
Capitolul V
Partea experimentală
5.1 Considerații generale
Studiul extracției lichid – lichid a unor specii chimice prezintă un interes deosebit, scopul fiind determinarea condițiilor optime pentru o concentrare eficientă și o bună separare a acestora.
În cazul de față s-a studiat comportarea a trei aminoacizi derivatizați în prezența anionului tropeolin OO la pH=2, atunci când se realizează extracția cu liganzii macrociclici benzo – 18 – coroană – 6 și Kriptofix [2.2]
Aminoacizii derivatizați studiați au fost.
CH3–CH2–COOCH3 CH3-CH2–COOCH3
CH3 NH3+Cl- CH3 NH3+Cl-
L-Leucina metil-ester clorhidrat L-Isoleucina metil-ester clorhidrat
(L-Leu OMe*HCl) (L-Ile OMe*HCl)
HS-CH2–COOCH3 CH3–COOCH3
NH3+Cl- CH3 NH3+Cl-
L-Cysteina metil-ester clorhidrat L-Valina metil-ester clorhidrat
(L-Cys OMe*HCl) (L-Val OMe*HCl)
CH3COO–NH3+Cl-
L-Fenilalanina metil-ester clorhidrat
(L-Phe OMe*HCl)
Tropeolin 00 (difenil amino azo p-benzen sulfonic)
Benzo 18C6
Kriptofix [2.2]
Eterii coroană pot complexa în interiorul cavității lor cationi anorganici prin legături de natură electrostatică la atomii de oxigen din lanțul polieteric. Se formează astfel, complecși cationici a căror stabilitate este controlată de numărul heterocationilor din ciclu și de potrivirea dimensională dintre diametrul cavității ligandului și diametrul cationului complexat. Acești cationi complecși sunt extrași apoi sub formă de pereche de ioni în solvenți organici, prin cuplare cu un anion adecvat (anionul tropeolină OO).
Mărimea cavității ligandului criptand [2,2] corespunde cu mărimea grupării –NH3+ a aminoacidului deci se vor forma complecși puternici a căror stabilitate și selectivitate depinde de structura ligandului macrociclic și pot fi extrași în solvenți organici prin cuplarea cu anioni organici sau anorganici.
În lucrarea de față s-au determinat constantele extracție ale unor aminoacizi derivatizați cu B18C6 și Kryptofix [2.2] în vederea stabilirii condițiilor experimentale de separare prin membrane lichide. De asemenea s-au determinat randamentele de transport ale aminoacizilor derivatizați prin membrană lichidă de cloroform, utilizând B18C6 ca transportor în prezență de tropeolin 00.
5.2. Aparatură și reactivi
Determinările s-au realizat observându-se spectrele de absorbție în vizibil la 400 nm obținute cu ajutorul spectrofotometrului V-530 Jasco UV/VIS.
Pentru extracție s-au folosit pâlnii de separare, iar pentru transport am folosit o celulă membranară în formă de U
Aminoacizii folosiți (L-LeuOMeHCl, L-IleOMeHCl, L-CysOMeHCl, L-ValOMeHCl, L-PheOMeHCl) – firma Fheka; Kryptofix [2.2], B18C6 și cloroformul, de puritate 99%, au fost produși de firma cherck.
5.3. Influența pH-ului asupra extracției complecșilor aminoacizilor cu liganzi macrociclici
Din studiul extracției aminoacizilor dintr-o soluție apoasă cu liganzi macrociclici în solvenți organici, în funcție de pH se confirmă faptul că extracția optimă se realizează la un pH acid la care coexistă aminoacidul protonat și forma anionică a partenerului de cuplaj.
Realizându-se experimentul extracția complecșilor formați de aminoacizii derivatizați, mai sus menționați, cu B18C6 și Kryptofix [2.2] în cloroform, se constată că extracția este optimă la pH=2.
Influența pH-ului asupra extracției complexului L-lucina cu B18C6 în prezența anionului tropeolui OO.
– soluția de Kryptofix [2.2] se prepară în mod asemănător cu deosebirea ce se cântăresc 0,2624g Kryptofix [2.2] masa moleculară M=262,35.
3. se prepară faza organică, care este de culoare galbenă și se citește spectofotometric absorbanța față de cloroform saturat cu apă distilată.
Cu ajutorul absorbanței se calculează coeficienții molari de absorbție () după relația:
A – absorbția
c – concentrația A- (tropeolin OO)
l – grosimea cuvei
În tabelele următoare sunt prezentate valorile coeficienților de extincție pentru complecșii aminoacizilor derivatizați studiați cu B18C6 (Tabel 1) și Kryptofix [2.2] (Tabel 2) în prezența anionului tropeolin OO în cloroform.
Tabel 1
Tabel 2
5.4.2. Determinarea constantei de extracție
Prin măsurarea concentrației de R-NH4+LA- în faza organică de extracție și cunoscând coeficientul molar de absorbție () s-au putut calcula și concentrațiile la echilibru, aspect ce a permis calcul constantei de extracție, Kex ale complecșilor formați de aminoacizii derivatizați cu liganzii macrociclici în prezența anionului tropeolin OO.
Rezultatele sunt prezentate în tabelele 1 și 2.
Pentru determinarea constantelor de extracție se prepară următoarelor soluții:
PROBA: Într-un balon cotat cu 25 ml se prepară o soluție formată din:
2,5 ml aminoacid (510-3 M) 510-4 M
12,5 ml tropeolin OO (10-4 M) 510-5 M
5 ml HCl (0,05 N) pH=2
apă distilată până la semn
MARTOR: într-un balon cotat de 25 ml se prepară o soluție formată din:
12,5 ml tropeolin OO (10-4 M) 510-5 M
5 ml HCl (0,05 N) pH=2
apă distilată până la semn
Extracțiile se fac astfel:
5 ml probă se extrag cu 5 ml sol. Kryptofix [2.2] 10-2 M în cloroform;
5 ml martor se extrag cu 5 ml sol. Kryptofix [2.2]510-2 M în cloroform
După citirea spectofotometrică a absorbanților fazei organice a probei și a martorului, față de cloroform, se calculează constanta de extracție Kex(2).
Prin realizarea mediei aritmetice a valorilor celor două constante de extracte se obține Kex caracteristică sistemului.
Extracțiile se realizează în același mod și pentru soluțiile B18C6 de concentrații 10-2M și 510-3M.
Constantele de extracție se calculează conform relației:
; unde [AALA]org=
[AALA]org – concentrație complexului în faza organică
[AA]w – concentrația aminoacidului în faza apoasă
[L]org –concentrația anionului în faza organică
[A-] – concentrația anionului în faza apoasă
Echilibrul procesului de extracție:
[AA]w+[L]org+[A-]w[AALA]org
5.5. Transportul aminoacizilor derivatizați prin membrane lichide
Transportul aminoacizilor derivatizați s-a realizat într-o celulă membranară în formă de U, utilizând 5 ml fază sursă, 20 ml membrană lichidă și 5 ml fază receptoare, agitând timp de 4 ore.
Faza receptoare este reprezentată de o soluție de LiOH de concentrație de 0,1M, concentrația corespunzătoare unui pH=13.
Faza sursă este reprezentată de o soluție de aminoacid. S-a preparat și o soluție martor pentru a observa cât din anionul tropeolin OO se transportă.
Soluția reprezentând proba a fost preparată într-un balon cotat de 25 ml și conține: 2,5 ml aminoacid (510-3M), 12,5 m tropeolin (10-4 M), 5 ml HCl (0,05N) și apă distilată.
Soluția martor a fost preparată într-un balon cotat de 25 ml și conține: 12,5 ml tropeolin OO (10-4M), 5 ml HCl (0,05N) și apă distilată.
Membrana este constituită dintr-o fază lichidă organică (cloroform) în care s-a dizolvat transportorul B18C6 de concentrație 10-2 M dispusă între două faze apoase: una care conține aminoacidul, specia care este transportată, definită ca o fază sursă și cealaltă fază care acceptă specia transportată definită ca fază receptoare (soluție de LiOH 0,1N).
După ce transportul a avut loc se recoltează câte 5 ml din fiecare fază și se citesc absorbanțele, față de apa distilată. Se iau 5 ml și din membrana lichidă și se face citirea spectrofotometrică a absorbanței față de cloroform. Citirile s-au făcut pentru fazele apoase la 443 mm, iar pentru faza organică la 407 mm. Pentru a putea calcula randamentul de transport se citește absorbanța soluției inițiale de aminoacid. Valorile randamentelor obținute în cazul a trei aminoacizi și a probei martor sunt date în tabelul 3.
Tabel 3: Randamentele de transport ale aminoacizilor derivatizați prin membrana lichidă de cloroform utilizând B18C6 ca transportor în prezența tropeolin OO.
[AAOMe*HCl]=510-4M
[B18C6]=10-2M
[tropeolin OO]=510-5M
[LiOH]=0,1 N
5.6. Concluzii
Rezultatele obținute în urma experimentelor de extracție a celor cinci aminoacizi derivatizați (L-LeuOMeHCl, L-IleOMeHCl, L-CysOMeHCl, L-ValOMeHCl, L-PheOMeHCl) utilizând ca agenți de extracție B18C6 și criptandul [2.2], comercializat de firma Merck sub denumirea Kriptofix [2.2], în prezența tropeolin 00 ca anion pereche precum și transportul prin membrană lichidă a trei dintre acești aminoacizi au dus la următoarele concluzii:
aminoacizii derivatizați se extrag dintr-o fază apoasă acidă într-un solvent organic ce conține eterul coroană B18C6.
B18C6 este un agent de extracție bun deoarece toți cei 5 aminoacizi s-au extras, iar constantele de extracție au avut valori optime;
valoarea constantelor de extracție ale aminoacizilor derivatizați descresc în următoarea secvență:
L-Phe>L-Ile>L-Leu>L-Val>L-Cys
criptandul [2.2] extrage trei dintre aminoacizi, iar valorile constantelor de extracție au fost mai mici, cu valori între 3,76…4,28, dar kryptofix [2.2] poate fi folosit ca agent de extracție pentru unii aminoacizi derivatizați.
valoarea constantelor de extracție ale aminoacizilor derivatizați descresc în următoarea secvență:
L-Ile>L-Leu>L-Val
transportul aminoacizilor derivatizați prin membrană lichidă de cloroform utilizând ca transportor B18C6 are loc cu randamente bune și în unele cazuri excelente (L-LeuOMeHCl 96%)
Bibliografie
C.J Pedersen> J Am Chem. Soc., 7017 (1967)
A. Villiers, Compt. Rend, Acad. Sci. Paris, 112, 536-538, (1981)
F. Schardinger, Z. Unters. Nahr. Geanussne, 6, 865-880, (1903)
F. Cramer, Angew. Chem., 64, 437-447, (1952)
W.L. Hinze, Sep. Purif. Methods, 10, 159, (1981)
B. Chankvetadze, G. Endresz și G. Blaschhe, Chem. Soc. Rev., 25, 141-153, (1996)
Y. Yamashoji, M. Ita și M. Tanaka, Chemistry Express, 8, 285-288, (1993)
H.A. Benesi și J.H. Hildebrand, J. Am. Chem. Soc., 71, 2703, (1949)
H. Karantani, Chem. Lett. (Jpre), 377, (1986)
. Drioli, M. Natoli, I. Koter și F. Trotta, Biotech Bioeng., 46, 415-420, (1995)
C.H. Lee, Sep. Sci. Tehnol, 16, 25, (1981)
H. Hirai, M. Komiyama și H. Yamamoto, I. Incl Phenom., 2, 655-660, (1984)
H. Hirai, H. Yamanoto și M. Komiyama, Kobunschi Ronbunshin, 43, 109-112, (1986)
T. Migata, T. Iwamota și T. Uragami, J. Appl. Polym. Sci., 51, 2007-2014, (1994)
A. Yamasaki și K. Mizogrichi, J. Appl. Polym. Sci, 51, 2957-2062, (1994)
B.L. Poh și Y Mooi Chow, J. Ind. Phenom, 14, 85-90, (1992)
H.J. Sahneider, D. Gütles și U. Scheider. Angew Chem., Int. Ed. Engl., 5, (1986); J. Am. Chem. Soc, 110, 6449-6454 (1988)
C.D. Gutsche și L.J. Bamer., J. Am. Chem. Soc. 107, 6052-6059 (1985)
Pascal C. Leverd, Patrick Berthault, bonique Lance și Martine Nielich, Eur. J. Org. Chem., 133-139, (2000)
Giseppe Arena, Annalinda Contina, Fabio Giuseppe Gulina, Antonia Magri, Francesca Sansone, Domenica Scitto și Rocco Ungara, Tetrahedron Letters HO, 1597-1600, (1999)
L. Muitihac și C. Luca: Rev. Roum. Chem., 36, 85, (1991)
H.J. Buschmann, L. Mitehac și R. Mitehac: Sep. Sci. Tehnol., 34, 331, (1999)
J. Lipkorveski, O.V. Kulikov și W. Zielenkiwcz; Supamol. Chem., 1,73, (1992)
L. Mutihac, R. Mutihac și H.J. Buschniann: J. Ind. Phenom. 23, 167, (1995)
H.J. Buschmann și L. Mutihac: Rev. Roum. Chem., 42, 121 (1997)
S.K. Chang, H.S. Hwang, H. Son, J. Youk și Y.S. Kang; J. Chem. Commun, 217 (1991)
S. Skinkai: Tetrahidron, 49, 8933, (1993)
Y. Okada, Y. Kasai și I. Nishinuera: Tetrahedron Lett., 36, 555, (1995)
J.H: Lee, T. Kim, S.K. Chang și J. I. Choe: Supromol. Chem., 4,315, (1995)
I.S. Antipin, I.I. Stoikor, E.M. Pinkhassik, N. Fitseva, I. Stibor și A.I. Konovalov: Tetrahedrom Lett., 38, 5865, (1997)
Y. Kuba, S. Maeda, S. Tokita și M. Kuba: Nature 382, 522, (1996)
Y. Kuba, S. Hamoguchi, K. Kotani și K. Yoshida: Tetrahedron Lett, 32, 7419, (1991)
H. Tsukube: J. Chem. Soc., Chem. Commun, 970, (1983)
H. Tsukube: J. Chem. Soc., Perkin Trans, 1, 89, (1989)
H. J. Buschmann, E. Schollmeyer și L. Mutihac: Anales de Quimica, Int. Ed., 93, 182, (1997)
L. Mutihac, H.J. Buschmann și R. Mutihac: Anales de Quimica, Int. Ed., 95, 288, (1998)
Y. Takeda, K. Katsuta, Y. Yvone și T. Hakushi, Bull. Chem. Soc. Jpn, 61, 627, (1988)
D. M. Dishong, G. J. Diamond, J. Am. Chem. Soc., 105, 586, (1983)
R. Prasad, K. Sirkar, Handbook of Industrial Membrane Technology, Nayes Data Corp., (1990)
S. Shinkay, A. A. Eddy, Biochem. J., 122, 701, (1971)
J. M. Lehn și J. P. Sauvage, J. Amer. Chem. Soc., 97, 6700, (1975)
J. Tabushi, J. Kabuke, Y. Imuta, J. Am. Chem. Soc., 103, 6152, (1981)
J. M. Coelhosa și IPSG Crespo, M. J. T. Carrondo, Separation Science and Tech, 31, 491-511, (1996)
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Folosirea Ciclodextrinelor In Separare Prin Membrane (ID: 108364)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.