CUPRINS
INTRODUCERE....................................................................................3CAPITOLUL I.........................................................................................6ETERI COROANĂ UTILIZAŢI ÎN CHIMIA ANALITICĂ..........................6
1.1 Consideraţii generale................................................................61.2 Tipuri de eteri coroană..............................................................81.3. Ion – selectivitatea eterilor coroană.........................................91.4. Eterii coroană ca ioni – transportori în electrozi ion – selectivi
...............................................................................................111.5. Eteri coroană în cromatografia de lichide..............................14
CAPITOLUL II......................................................................................15CICLODEXTRINE ŞI CALIXARENE UTILIZATE ÎN COMPLEXAREA
UNOR COMPUŞI CHIMICI...........................................................152.1. Consideraţii generale.............................................................152.2. Structura şi proprietăţile ciclodextrinelor................................172.3. Câteva aplicaţii ale ciclodextrinelor în procesele de separare
...............................................................................................192.4. Folosirea ciclodextrinelor în separare prin membrane...........21
2.4.1. Membrane lichide cu ciclodextrine...............................212.4.2. Membrane polimerice conţinând ciclodextrine pentru
separarea izomerilor...................................................222.4.3. Membrane polimerice conţinând ciclodextrină pentru
separarea amestecurilor alcool-apă...........................242.5. Complexarea aminoacizilor cu calixarene sulfonate
hidrosolubile ca studiu al unui posibil mecanism de recunoaştere a calixarenelor sulfonate de către proteine......26
2.6. Incluziunea succesivă a apei, [H3NCH2CH2NH3]2+ şi [H3NCH2CH2NH2]+ în cavitatea aromatică a calix [4] arenelor p-sulfonate................................................................................29
2.7. Complexarea L--aminoacizilor naturali prin calix [4] arene solubile în apă........................................................................32
CAPITOLUL III.....................................................................................34COMPLEXAREA UNOR COMPUŞI AMINICI CU RECEPTORI
MACROCICLICI............................................................................343.1. Complexarea unor compuşi aminici cu eteri coroană............353.2 Complexarea aminelor cu criptonzi........................................403.3 Complexarea aminelor cu calixrene.......................................403.4 Complexarea aminelor cu aza eteri coroană..........................40
CAPITOLUL IV....................................................................................40EXTRACŢIA CU SOLVENŢI A AMINOACIZILOR FOLOSIND LIGANZI
MACROCICLICI............................................................................404.1. Caracteristici generale ale aminoacizilor...............................40
4.2. Echilibre de repartiţie în procesul de extracţie.......................404.3. Raportul de distribuţie al aminoacizilor în sistemul solvent –
apă.........................................................................................404.4. Factorii ce influenţează procesele de extracţie......................40
4.4.1. Influenţa structurii ligandului macrociclic utilizat ca extractant...................................................................40
4.4.2. Influenţa reapariţiei liganzilor macrociclici....................404.4.3. Influenţa cationului în procesul de extracţie.................404.4.4. Influenţa anionului în procesul de extracţie..................404.4.5. Influenţa solventului.....................................................404.4.6. Influenţa pH-ului în extracţia complecşilor aminoacizilor
...................................................................................404.5. Extracţia şi transportul aminoacizilor prin membrane lichide.40
4.5.1 Extracţia şi transportul aminoacizilor sub formă de complecşi cationici.....................................................404.5.1.1. Complecşi ai aminoacizilor cu eteri coroană. 404.5.1.2. Complecşi ai aminoacizilor cu dinonil naftelen
sulfonat (DNNS)...........................................404.5.2. Extracţia şi transportul aminoacizilor sub formă de
complecşi anionici......................................................404.5.2.1. Complecşi metalici ai liganzilor macrociclici cu
aminoacizi....................................................404.5.2.2. Complecşi ai aminoacizilor cu săruri
cuaternare de amoniu..................................40CAPITOLUL V.....................................................................................40PARTEA EXPERIMENTALĂ...............................................................40
5.1 Consideraţii generale..............................................................405.2. Aparatură şi reactivi...............................................................405.3. Influenţa pH-ului asupra extracţiei complecşilor aminoacizilor
cu liganzi macrociclici............................................................405.4.2. Determinarea constantei de extracţie..........................40
5.5. Transportul aminoacizilor derivatizaţi prin membrane lichide 405.6. Concluzii................................................................................40
Bibliografie...........................................................................................40
INTRODUCERE
Tehnicile de separare şi concentrare prin membrane au fost
introduse progresiv, în procesele convenţionale 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 implicaţii
biologice prezintă două aspecte de bază: teoretic şi aplicativ; teoretic:
deoarece permit accesul la mecanismele de transport prin membrane
biologice, şi aplicativ: deoarece pot duce la procese de separare
eficiente ale compuşilor biologici. Conform cercetărilor lui Brun,
rezultatele studiilor prospective asupra membranelor sunt
remarcabile. Astfel, se poate constata că transportul prin membrane
va câştiga o importanţă deosebită în tehnologiile biomedicale, în
proiectarea echipamentelor viitoare şi în controlul bioreactoarelor. Se
speră că în viitorul apropiat, reacţiile 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 „recunoaştere moleculară”, preluat din
chimia supramoleculară.
Complementarităţile structuralo-funcţionale dintre molecula
acceptoare hidrofobică şi substratul complex pot duce la
funcţionalitatea supermoleculei lipofilice care asigură transportul
substratului prin mediul organic, acesta funcţionând 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 conţine specia transportată
definită ca „fază sursă” şi 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 obţinută prin agitare unei emulsii apă-
solvent organic în fază apoasă şi membrane lichide depuse pe
materiale polimerice poroase.
Structura fizică şi geometria membranelor lichide sunt
importante în optimizarea proceselor de transport. Fluxul de transport
prin membrane lichide şi selectivitatea de separare sunt influenţate de
factori fizici (natura solventului, viteza de agitare a fazei, temperatura)
şi chimici (structura transportului şi substratului, reacţiile de
complexare şi cele de decomplexare la interfaţa fazei, gradienţii
chimici ca: pH, pX, potenţialul redox dintre fazele apoase). Toţi aceşti
factori influenţează echilibrul fazei de separare în procesul de
extracţie în cele două faze biofizice ale sistemului lichid-lichid, mai
mult chiar, aceşti factori acţionează asupra sistemelor r membranei
pe ambele interfeţe, ceea ce complică extracţia Iichid-Iichid, dar în
acelaşi timp multiplică numărul posibilităţilor de optimizare a
proceselor de separare. Studiile asupra transportului prin membrane
lichide s-au extins recent şi asupra unei categorii de compuşi naturali
care sunt importanţi în biochimie şi sunt folosiţi în industriile
farmaceutică, alimentară şi în cosmetică - aminoacizii.
În funcţie de pH, aminoacizii se pot transforma (în soluţie
apoasă) în cationi R’ - NH (R =-CH(R)-COOH), dar şi în formă
anionică R' - CH(NH2) – COO-, ei putând fi extraşi din soluţia apoasă
în solvenţi 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 obţinută în aminoacizi utilizând liganzi macrociclici
neutri, de tipul polieteri coroană care au şi ei un pronunţat caracter
lipofilic. Aceşti Iiganzi pot complexa forma cationică a aminoacidului
în mediul acid pentru a forma un cation complex care, în prezenţa
unui anion adecvat, este extras şi formează o pereche de ioni. În
mediu bazic (M+, OH-), ligandul macrociclic formează cu cationul
alcalin M+ un complex cationic care este extras şi cuplat cu forma
anionică a aminoacidului.
Liganzii macrociclici pot acţiona şi ca moleculă acceptoare a
cationilor organici sau anorganici. Selectivitatea cavităţii
endopolarofilice şi a caracterului exolipofilic al liganzilor macrociclici le
oferă acestora bune caracteristici pentru a fi folosiţi ca agenţi selectivi
de extracţie şi transport prin membrane lichide.
CAPITOLUL IETERI COROANĂ UTILIZAŢI ÎN CHIMIA ANALITICĂ
1.1 Consideraţii generale
Eterii coroană sunt oligoeterii ciclici ce conţin numai atomi de
oxigen drept atomi donori, iar această denumire se datorează
structurii lor spaţiale ce se aseamănă cu o coroană.
Primii eteri coroană au fost sintetizaţi în anul 1967 de C. J.
Pedersen[1] şi sunt polieteri macrociclici polidentaţi caracterizaţi 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 şi o
cochilie hidrofobă de natură alifatică sau aromatică.
Primii eteri coroană ce au fost sintetizaţi de C.J. Pedersen –6 (18–C–
6) şi respectiv dibenzo–18–coroană–6 (DB 18–C–6) contrar nomenclaturii
IUPAC, mai puţin sugestivă şi destul de complicată, arată astfel:
StructurăNomenclatură
IUPACNomenclatură
PedersenNotaţie scurtă
Noul sistem
1,4,7,10,13,16 hexaoxaciclo
octadecan18 coroană 6 18C6
18O6 coronand-
6
2,5,8,15,18,21-hexaoxaciclo-20,4,0,0,9,14-
hexacosa-1(22),9,11,13, 23,24 haxaenă
dibenzo 18 coroană 6
DB18C6
18O6 (1,2 benzen 22-(1,2
benzen) 22
coronand 5
În nomenclatura utilizată de C.J. Pederson sunt cuprinse:
numărul şi tipurile de grupări substituente, numărul total de atomi din
inel şi 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 compuşilor respectivi, în care atomii de oxigen sunt
legaţi cel mai adesea, prin punţi etilenice, pe care pot fi grefaţi diferiţi
substituenţi.
Această nomenclatură a lui C.J. Pedersen dă o caracterizare
aproximativă a compuşilor respectivi, în care atomii de oxigen sunt
legaţi cel mai adesea, prin punţi etilenice, pe care pot fi grefaţi diferiţi
substituenţi.
Notaţia lui C.J. Pedersen, deşi este sugestivă şi foarte simplă,
se poate furniza însă destule informaţii în ceea ce priveşte localizarea
atomilor donori şi a substituenţilor.
De aceea, s-a propus o nomenclatură mai sistematică, ce se
poate aplica tuturor liganzilor ciclici şi neciclici, precum şi complecşilor
lor.
Această nomenclatură păstrează aceleaşi simboluri,
specificându-se că numărul ce precede parantezele unghiulare
indică mărimea inelului, deci numărul total de atomi în prezenţa
substituenţilor pe inel, se alege calea cea mai scurtă spre primul atom
donor.
Parantezele unghiulare conţin:
a) heteroatomii (oxigenul, de exemplu) reprezentanţi prin
simbolurile elementelor;
b) punţile, lanţurile C-C între atomii donori, indicate prin
numere ce corespund atomilor donori prin punte, poziţia unităţilor
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 notaţiei;
c) numele clasei (coroana);
d) numărul total de heteroatomi.
În cazul monociclurilor mixte cu oxigen, azot, sulf, ordinea
atomilor donori este dată conform regulilor IUPAC.
Heteroatomii cu punţi donoare sunt trataţi ca atomi mici:
ordinea segmentelor în lanţ fără heteroatomi corespunde celei a
heteroatomilor începând cu atomul donor cu prioritate maximă.
Grupările funcţionale şi substituente în scheletul de bază sunt
redate prin sufixe şi prefixe.
1.2 Tipuri de eteri coroană
Eterii coroană sunt compuşi macrociclici sintetici fără sarcină
electrică, care posedă în structura lor legături simple tip C-C şi C-X
(unde X pot fi heteroatomii O, N, S), iar uneori şi sisteme de legături
conjugate cum ar fi ciclul benzenic. Toată această structură le conferă
o stabilitate deosebită în diferite condiţii redox şi 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 şi cavitatea eterilor coroană;
b) sarcină electrică a ionilor metalici;
c) tipul, numărul şi amplasarea heteroatomilor la locurile lor de
legare în inelul eterului coroană;
d) flexibilitatea conformaţională a inelului eterului coroană;
e) interacţia ion – solvent.
C.J. Pedersen a examinat stabilitatea diferiţilor eteri coroană
sintetizaţi de el prin extracţia solventului.
Ion – selectivitatea eterilor coroană a fost interpretată de către
Pedersen în funcţie de mărimea relativă a ionilor metalici şi cavitatea
eterului coroană şi a constatat că derivaţii 12 – C – 4 prezintă
selectivitate la Li+; derivaţii 15 – C – 5 faţă de Na+, iar derivaţii 18 – C
– 6 faţă de K+.
Selectivitatea ionică a eterilor coroană este dependentă de toţi
factorii menţionaţi anterior, dar adaptabilitatea ionului metalic la
cavitate este un factor foarte important.
Complecşii eterilor coroană cu ionii metalici pot fi în raport de
1:1 (inel/ion), dar uneori se formează complecşi 2:1 cu ionii metalici
care sunt puţin 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 complecşilor 2:1, stabili, cu ionii metalici care
sunt mai mari decât cavitatea, prin cumularea activităţii a două unităţi
adiacente de eter coroană, prin aceasta dezvoltându-se o selectivitate
mai mare faţă de ionii metalici decât a eterilor coroană monociclici
corespunzători; de exemplu, poli şi bis (15 – C- 5) prezintă
selectivitate faţă de K+ dintre ionii metalelor alcaline şi derivaţii 18 – C
– 6 faţă de Cs+.
Derivaţii 15 – C – 5 au o selectivitate mult mai mare faţă de
ionul K+ decât derivaţii 18 – C – 6.
Ca o măsură a selectivităţii ionice poate fi considerată
constantă de stabilitate pentru complexarea eterilor coroană cu ionii
metalelor.
Dependenţa acestei constante de stabilitate de natura
solventului este foarte mare.
1.4. Eterii coroană ca ioni – transportori în electrozi ion – selectivi
Funcţionarea 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 transferaţi:
a) Complexarea ionoforilor şi ionilor metalici;
b) Lipofilicitatea corespunzătoare trebuie să fie conferită
moleculelor ionofore. Aceasta va spori, ca volumul molecular să
crească, dar pentru a avea o difuziune uşoară (plană) moleculele
ionofore nu vor fi la fel de mari. Apoi în scopul eliberării rapide a
ionului metalic.
c) Viteza de complexare trebuie să fie mare. Se cunosc
electrozi selectivi de K+ sau NH+4 utilizând derivaţi de valinomicină sau
de nonactină cu ionofori naturali existenţi. În prezent electrozii
selectivi de K+ comercializaţi cel mai mult sunt electrozi de tip
valinomicină.
Eterii coroană sunt de asemenea utilizaţi ca transportori neutri
şi performanţi ai diverselor tipuri de film lichid, tipului de film PVC şi
electrozilor îmbrăcaţi în sârmă. Selectivitatea diferiţilor electrozi de K+
folosind eteri coroană monociclici este mai mare de 10-2.
Un complex cu K+ dă şi derivatul DB 18-e-6 care manifestă o
conformaţie 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 şi în primul electrod interferenţa
pentru Pb+.
n=1…2
A
n=1…2
B
Figura 2. Exemple al derivaţiilor Bis (eter coroană)
Compusul A (n=11 formează rapid un complex similar cu Tl+
ca şi cu K+ de asemenea este folosit şi 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 uşor inferioară electrozilor de sticlă convenţionali are
avantajul de a nu solicita condiţionarea periodică care este
indispensabilă în răspunsurile, potenţialul de stabilitate şi durabilitatea
electrozilor de sticlă.
Recent s-au descoperit transportori neutri noi care dovedesc
buna selectivitate a Li+ şi 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 şi amidelor, comportarea la separare este
serios alterată, depinzând de stabilitatea amidelor care nu
interacţionează puternic cu eterii coroană nu este influenţată
cromatograma.
Având în vedere că eterii coroană interacţionează mai puternic
cu ionul de amoniu primar decât cu cel secundar, separarea
amestecurilor primare şi secundare este posibilă făcând uz de faza
mobilă care conţine eter coroană.
CAPITOLUL IICICLODEXTRINE ŞI CALIXARENE UTILIZATE ÎN COMPLEXAREA
UNOR COMPUŞI CHIMICI
2.1. Consideraţii generale
Ciclodextrinele au fost descoperite în anul 1891 de către
Villiers[2] şi au fost preparate şi separate de Schardinger[3] în anul
1903.
Ciclodextrinele sunt o familie de oligozaharide, obţinute prin
degradarea amidonului cu enzima ciclodextrin-transglicozilaza ce
prezintă proprietatea de a forma complecşi cu o mare varietate de 6,
7 respectiv 8 unităţi gluconice per macrociclu. Mărimea cavităţii
ciclodextrinelor, ce este dată de numărul de molecule de glucoză
rămas în interiorul coroanei ciclodextrinei, poate fi 4, 5, 7 şi 8,5 Å
pentru , respectiv -ciclodextrina. Datorită acestor dimensiuni
diferite ciclodextrinele formează complecşi cu stabilităţi diferite.
Unul dintre cei mai importanţi factori pentru formarea unui
complex stabil este alegerea corectă după mărime a ligandului în
funcţie de ciclodextrină.
În cadrul acestor complecşi legătura dintre receptor şi ligand
(legături de hidrogen, forţe van der Waals şi interacţiuni hidrofobe) au
o foarte mare importanţă în domeniul farmaceutic, în biochimie şi
chimie analitică.
În industria farmaceutică ciclodextrinele au fost utilizate ca
solvenţi, diluanţi ori ca ingradient în mărirea stabilităţii
medicamentelor şi în mărirea capacităţii 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, îmbunătăţind selectivitatea
separării şi purificării în cadrul proceselor industriale.
Având posibilitatea de a solubiliza componenţii hidrofobici în
apă, ciclodextrinele pot fi utilizate drept catalizatori de transfer de
fază.
În industria alimentară şi cosmetică, ciclodextrinele au rol
important în stabilizarea aromelor şi eliminarea gusturilor nedorite.
Aplicaţiile ciclodextrinelor în coloranţi şi textile sunt: stabilirea
culorilor, tipărire, vopsele laser, materiale din bumbac parfumate şi
noii auxiliari în procesul de vopsire şi spălare a textilelor.
Au fost preparate numeroase tipuri de derivaţi ai
ciclodextrinelor cum ar fi: derivaţi anhidri, derivaţi lipofilici, derivaţi
amilici, rotaxami, polirotaxami.
Pentru măsurările potenţiometrice ale purităţii efedrinelor în
prezenţa serului cationic au fost realizaţi electrozi ion-selectivi cu
peroctilat -ciclodextrin.
În analitică, ciclodextrinele şi derivaţii lor au fost utilizaţi pentru
a îmbunătăţi analiza prin metode fluorimetrice. Factorii ce
influenţează semnalul fluorimetric în prezenţa ciclodextrinelor sunt:
i) tipul ciclodextrinei utilizate (, , );
ii) natura constituenţilor ciclodextrinei derivate;
iii) concentraţia ciclodextrinei adăugate;
iv) temperatura;
v) prezenţa altor aditivi.
2.2. Structura şi proprietăţile ciclodextrinelor
Este bine ştiut că cea mai importantă proprietate a
ciclodextrinelor este abilitatea lor de a forma complecşi cu un număr
mare de compuşi organici şi anorganici de natură neutră sau ionică
cu gazele nobile, ambele în stare de agregare solidă şi în soluţii.
Structura complecşilor ciclodextrinei cu variaţi compuşi a fost studiată
cu ajutorul radiaţiilor X şi monocristalelor.
Ciclodextrinele au un exterior hidrofil şi o cavitate hidrofobă
capabilă să extragă un număr mare de liganzi în funcţie de mărime,
formă şi hidrofobicitate atât a ligandului cât şi a ciclodextrinei. Factorii
sterici sunt importanţi în formarea şi stabilitatea complecşilor
ciclodextrinei, structura ciclodextrinelor a fost studiată atât în fază
solidă cât şi în soluţie. Proprietăţile caracteristice ale ligandului, ca
solubilitate, reactivitate, valorile pKa, difuzie, proprietăţi electrochimice
şi proprietăţile spectrale se schimbă.
Unele proprietăţi, ca de exemplu solubilitatea în mediu apos
(14,5; 1,85 şi 23,2 g/100 ml pentru , şi -ciclodextrină),
hidrofobicitatea cavităţii, structura rigidă şi chiralitatea, care este
foarte importantă, au un mare impact în aplicaţiile ciclodextrinelor.
Ciclodextrinele sunt stabile în soluţii alcaline, dar sunt susceptibile la
hidroliza acidă depinzând de temperatură şi aciditate. Ciclodextrinele
pot forma supramolecule diastereoizomerice. Această proprietate
conferă ciclodextrinelor posibilitatea de a fi folosite în chimia analitică
pentru enantioseparaţii. 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 şi antipozi optici.
Ciclodextrinele au fost folosite ca model la complecşii cu
substrat enzimatic, pentru că ele pot forma complecşi în soluţii
apoase.
În soluţii apoase, ciclodextrinele pot primi liganzi
corespunzători ca şi compuşii aromatici, acizi carboxilici, azo-derivaţi
şi alţi compuşi cu care formează complecşi. În general, raportul
stoechiometric al ligandului, în soluţii este de 1:1, 2:1 şi 2:2. Un număr
mare de cercetări, au utilizat tehnica folosită pentru studierea
fenomenului de incluziune, spectometrie, titrimetrie calorimetrică,
spectroscopie fluorescentă, dicrosim circular, potenţiometrie,
spectrometrie RMN, HPLC şi inhibiţia cinetică. Cea mai folosită
metodă instrumentală pentru studierea complecşilor ciclodextrinelor
cu diferiţi liganzi este RMN-ul, pentru că această metodă are
posibilitatea să furnizeze date despre structura complecşilor. Această
metodă arată şi diferenţa dintre incluzie şi interacţii externe; efectul
nuclear overhauser poate juca un rol important în priceperea
mecanismului de recunoaştere chirală folosind ca liganzi
ciclodextrinele. Ciclodextrinele pot forma complecşi cu compuşi
complicaţi, ca de exemplu compuşi de tip complecşi metalici şi
polimeri cu selectivitate ridicată.
2.3. Câteva aplicaţii ale ciclodextrinelor în procesele de separare
Diversitatea aplicaţiilor implicând ciclodextrinele are un impact
deosebit în procesele de separare (în separări enatiometrice, faze
unite – combinate, HPLC, faze staţionare în cromatografia de gaz),
spectroscopie şi analize electrochimice (electrozi cu membrană,
polorografie şi voltametrie). Hinze[5] a prezentat aplicaţiile
ciclodextrinelor în separările cromatografice şi în metodele de
purificare.
În chimia analitică ciclodextrinele sunt folosite pentru
enantioseparări în cromatografia de gaz, cromatografia de lichide de
înaltă performanţă, cromatografia de fluid supercritic şi electroforeza
capilară. Ciclodextrinele conţin faze mobile folosite pentru separări
enantiometrice la diferiţi compuşi chirali ca: barbiturice, fenilalanina,
-piren, pseudoefedrine.
Un număr mare de aplicaţii interesante au fost publicate
despre recunoaştere chirală a derivaţilor cationici şi aminoacizi ai
ciclodextrinelor. Derivaţii cationici ai ciclodextrinelor conţinând grupări
amino şi alchilamino au fost utilizaţi ca selectori chirali în electroforeza
capilară. O cercetare mai detaliată a derivaţilor încărcaţi cu sarcină ai
ciclodextrinelor folosiţi ca selectori chirali în enantioseparare prin
electroforeza capilară a fost făcută de CHANKVETADZE[6] şi alţii. Ei
au stabilit că derivaţii ionici ai ciclodextrinei, în special ciclodextrin
alchil-sulfaţii, manifestă o abilitate de recunoaştere chirală pentru
compuşi bazici (factorul cel mai important în acest proces este
mobilitatea mare, opusă curentului, a selectorului chiral) şi compuşi
neutri racemici. Pentru enantiosepararea moleculei de thalidomidă şi
metaboliţilor ei neutri s-a folosit ca selector chiral carboximetil--
ciclodextrina. Folosind ciclodextrina ca selector chiral în electroforeza
capilară este posibilă separarea enantiomerică a unei varietăţi de
compuşi chirali ca DL triptofan şi () epinefeine, norefedrine,
norepinefeine şi propanol.
Este ştiut faptul că ciclodextrinele şi formele derivate formează
complecşi cu aminoacizii aromatici sau cu oligopeptidele acestora. În
interacţia proteine-peptide cu ciclodextrinele responsabile sunt
rămăşiţele aminoacizilor aromatici. Aplicaţii ale ciclodextrinelor în
măsurătorile analitice de fluorescenţă au fost studiate de
YAMASHOJI[7] şi alţii. Ei au determinat constantele de formare a
complecşilor, 1:1 a ciclodextrinelor cu aminoacizi, cu derivaţi ai
aminoacizilor, folosind fluorescenţa, spectroscopic prin ecuaţia
BENESI-HILDEBRAND[8]. Un efect special al ciclodextrinelor asupra
intensificării chiruiluminescenţei a fost prezentat de KARATANI[9].
Astfel, aminele biologice, aminoacizii, peptidele, catecholaminele şi
compuşi steroidici, pot fi determinaţi şi separaţi ca şi derivaţii lor
dansyl.
2.4. Folosirea ciclodextrinelor în separare prin membrane
Datorită abilităţii de a forma complecşi de incluziune cu un
număr mare de molecule organice, ciclodextrinele pot fi utilizate în
procesele de separare prin membranare.
Mai mulţi autori au relatat modificarea membranelor la
introducerea oligomerului ciclodextrin şi influenţa lor asupra separării
şi abilitatea catalitică. Acţiunea catalitică a ciclodextrinelor asupra
hidrolizei esterilor în sisteme omogene (ciclodextrinele fiind dizolvate
în mediul de reacţie) 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 compuşilor 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 şi
concentrarea compuşilor chimici şi biologici. Membranele lichide
folosite la separarea unor compuşi 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 cavităţii
ciclodextrinelor pentru mulţi compuşi formând complecşi a fost
utilizată la membrane lichide.
Folosind transportul hidrocarburilor aromatice (orto, meta,
paraxilen, naftalină, antracen şi pirenă) de la o fază hexamică la alta
prin faza apoasă cu -ciclodextrina şi -ciclodextrina, POH a
determinat constantele de asociere a complecşilor ciclodextrină-
hidrocarbură aromatică. Valorile constantelor de asociere a
complecşilor 1:1 formaţi, coincid cu cele determinate prin alte metode.
2.4.2. Membrane polimerice conţinând ciclodextrine pentru separarea izomerilor
Procesele de pervaporaţie şi de osmoză reversibilă sunt
folosite ca şi membranele polimerice pentru separarea soluţiilor
organice apoase. Caracteristicile separării şi infiltrării izomerilor
organici lichizi, ca de exemplu solubilitatea infiltrantului în membrană
şi difuzivitatea infiltrantului în membrană prin diferite membrane
polimerice cu ajutorul pervaporizării, au fost studiate de mulţi
cercetători.
Studiile asupra separării izomerilor xilenului prin membrane
polietilenice prin pervaporaţii au sugerat că separarea acestor
compuşi prin membrane polimerice obişnuite nu este selectivă.
Factorul de separare care caracterizează astfel de separaţii este
foarte mic din cauza proprietăţilor chimice şi fizice similare ale
izomerilor. Factorii de separare pentru izomerii xilenului prin
membrană din esterul celulozei sunt între 1,16 şi 1,73. Rezultate
asemănătoare au fost obţinute 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 ştiut că
ciclodextrinele au abilitatea de a separa antipozi optici. Astfel
separarea unor izomeri cu membrane polimerice conţinând
ciclodextrine devine o posibilitate atractivă.
LEE[11] a studiat caracteristicile pervaporizării a membranelor
celulozice conţinând ciclodextrină pentru amestecurile de izomeri ai
xilenului. În acest caz selectivitatea este în ordinea pmo derivaţi.
Rezultatele au arătat că selectivitatea a fost îmbunătăţită de prezenţa
ciclodextrinelor în membrană. HIRAI[12,13] a preparat membrane cu
ciclodextrine încrucişate şi 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) conţinând ciclodextrine
(membrană PVA-CD) şi a studiat caracteristicile permeabilităţii şi
separării izomerilor propanolului (PrOH) prin aceste membrane prin
operaţiile de pervaporaţie şi evaporare. Evaporarea ca o nouă tehnică
de separare prin membrană îmbunătăţeşte dezavantajele create de
perevaporare. În figura … se arată posibilitatea interacţiei dintre
infiltrant şi ciclodextrină în cele 2 metode de separare prin membrană,
pervaporare şi evaporare. Rezultatele obţinute folosind pervaporarea
în separarea izomerilor propanolului PrOH a demonstrat că
evaporarea a fost mai eficace pentru separarea izomerilor prin
membrană PVA-CD ca şi pervaporare.
Figura 4. Ilustrarea schematică a interacţiilor dintre infiltrant
(n-PrOH; i-PrOH) şi cilcodextrină prin pervaporare şi evaporare
Permeabilitatea şi selectivitatea n-PrOH au fost îmbunătăţite
prin mărirea cavităţii 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 conţinând ciclodextrină pentru separarea amestecurilor alcool-apă
Cea mai eficace operaţie membranară folosită pentru
separarea amestecurilor lichide este pervaporarea. Pervaporarea
este o separare lichid/vapori în care un fluid este parţial vaporizat
printr-o membrană densă. Această operaţie este folosită în principal
pentru deshidratarea alcoolului azeotrop. Forţa conducătoare este
diferenţa de activitate de-a lungul membranei. Folosirea membranelor
polimerice noi şi membranelor ceramice, folosirea reactivului
încrucişat în prepararea membranelor poli (vinil alcoolice), cologenii
încrucişaţi sau fibrele complexe poliionice goale, sunt câteva exemple
de sisteme folosite în pervaporaţie.
YAMASAKI[15] şi alţii au abordat o metodă conservabilă
pentru prepararea membranei poli (vinil alcoolice) conţinând
oligomerul -ciclodextrină şi 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) conţinând oligomerul
ciclodextrină.
Rezultatele au arătat că ciclodextrina a mărit permeabilitatea
apei şi a micşorat-o pe cea a etanolului la concentraţii mici de etanol.
Pentru concentraţii mai mari de etanol, ciclodextrina a micşorat
ambele permeabilităţi, dar creşterea în etanol a fost mult mai mare.
Aceste rezultate pot fi explicate prin puterea de pătrundere a
complecşilor ciclodextrinei, apei şi etanolului. Creşterea selectivităţii
membranelor PVA poate fi realizată prin modificarea cu ciclodextrine
şi folosind diferenţa dintre puterile de pătrundere ale apei şi alcoolului.
O serie de alte rezultate au arătat că la concentraţii mari de alcool,
selectivitatea apei a fost mărită de ciclodextrină pentru toate
amestecurile în următoarea secvenţă:
2-propanol/apă>1-propanol/apă>etanoli/apă. La concentraţii mici de
alcool permeabilităţile apei pentru propanol/apă au fost uşor mărite,
pe când cele pentru etanoli/apă au crescut mult.
Toate aceste efecte sunt interpretate ca proprietăţi ale
ciclodextrinelor.
Concluzii
Ciclodextrina şi derivaţii ei a fost folosită în procesele de
separare prin membrană, deoarece poate îmbunătăţi selectivitatea
separărilor din cauza abilităţii acesteia de a forma complecşi de
incluzie cu un număr mare de compuşi organici şi 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 recunoaştere a calixarenelor sulfonate de către proteine
Calixarenele sunt cea de a treia clasă majoră de sisteme de
bază supramoleculară, împreună cu eterii coroană şi ciclodextrinele.
SCHNEIDER[17] şi colaboratorii au arătat că, calixarenele derivate de
la rezorcinol formează complecşi cu ionii organici de amoniu.
Densitatea sarcinii şi mărimea calixarenelor p-sulfonate fac din
acestea candidate excelente ca simulatoare de heparină în vederea
observării diferenţei între etapele de sinteză ale derivaţilor sulfonaţi
(trei etape) şi cele ale pentazaharidei heparinice (peste cincizeci de
etape). Au analizat această simulare a heparinei respectând plierea
peptidelor chiar şi în interacţiile proteină-proteină. În acest scop au
cercetat bazele fundamentale ale interacţiilor dintre calix [4] arenele
sulfonate (1), calix [6] arenele (2), calix [8] arenele (3) cu reziduuri de
aminoacizi bazici, arginină (4) şi lizină (5), cunoscuţi 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) şi lisinei (5)
Din considerente pur electrostatice nu s-a observat nici o
interacţie la pH 13 deoarece compusul „gazdă” nu formează sarcini
pozitive care să se lege la sarcinile negative din compusul „oaspete”.
În cazul 2 şi 3 s-au putut observa variaţii mici pentru lizină şi
arginină la pH 1 şi particular la pH 5. Acestea pot fi atribuite
interacţiilor electrostatice între aminoacizi şi sistemele „gazdă”. Aşa
cum s-a arătat de GUTSCHE şi BAUER[18], 2 şi 3 adoptă o
conformaţie 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 feţele
încărcate negativ.
S-a descoperit că în soluţie apoasă 1 adoptă o conformaţie
conică, probabil fixată ca un rezultat a unei legături de hidrogen
intramoleculare foarte puternice ce implică grupările O- şi OH ale
unităţilor fenolice. La pH 1 şi 5, legarea lui 1 la lizină şi arginină
cauzează schimbări mari în transformările chimice ale proteinelor din
lanţurile laterale de aminoacizi. Toate picurile se transferă la un câmp
magnetic mai mare cu o creştere a concentraţiei colixarenei.
Transferurile cresc de-a lungul lanţului, indicând că aminoacidul este
inclus în cavitatea lui 1 şi afectat de curentul ciclului componentelor
aromatice (figura 3 a) b)).
Folosirea unui model molecular (ALCHEMY) a arătat că,
cavitatea lui 1 poate conţine grupări terminale de arginină şi lanţurile
laterale din 2 aminoacizi.
Stoechiometria este 1:1 pentru toţi complecşii, fapt confirmat
prin diagrama lui JOB. Constantele de legătură pentru arginină sunt
mai mari decât pentru cele ale lizinei după cum reiese din interacţiile
- dintre funcţiunile guanidinice şi grupările aromatice ale lui 1.
Complexarea este condusă prin efecte electrostatice. Titrările
se desfăşoară în prezenţa sărurilor metalice (K+, Na+, Mg2+ şi Ca2+) la
concentraţii metalice mari (>100 mM) ceea ce arată că nu au loc
schimbări în transformările chimice. Această situaţie este tipică pentru
interacţiile electrostatice nespecifice dintre liganzi şi receptorii
peptidici. Există o recunoaştere pH-selectivă a lui 1 pentru aminoacizii
cu legături mult mai puternice în condiţii neutre, decât în condiţii
acide. Acest fapt are importante implicaţii biologice; valori scăzute ale
pH-ului se găsesc în stomac şi vezicule, în timp ce un pH 6-7 este
fiziologic. Posibil că există o rotire între poziţiile de recunoaştere de
pe suprafeţele 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 etanşă
în cazul lui 1 şi legarea mult mai slabă a resturilor faţă în faţă pentru 2
şi 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 inhibiţia
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+ şi [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 interacţiilor
speciilor de tipul apei sau cationilor cu jumătăţile aromatice ce sunt
implicate în multe procese de recunoaştere atât în biologie cât şi în
chimie. Dependenţa de pH a acestui fenomen de incluziune a fost
interpretat în termenii interacţiilor electrostatice în soluţii neutre sau
repulsii hidrofolice în soluţii acide.
H8L
Figura nr. 7
În absenţa compuşilor „oaspete” hidrofolici, prezenţa apei în
interiorul [H4L]4- poate fi relevată prin cristalografie cu raze X.
Legăturile de hidrogen din ciclul aromatic dintre „oaspete” şi „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 compuşii moleculari ai O-C2B10H12 în CTV şi
calix [5] arene, precum şi CH2Cl2 în [HNMe3]2[(tBn-calix [4] arene)Al2].
O altă particularitate foarte interesantă a derivaţilor H8L în
stare solidă este o structură a învelişului foarte bine ordonată care
deseori determină atribuirea denumirii de pământ organic. Am
prezentat aici sinteza în prezenţa unui posibil „oaspete” organic a
[H3NCH2CH2NH3]2-[H4L(H2O)3]H2O, a compusului molecular [H4L]4- şi
apă. Apa este eliminată din cavitate prin deprotonarea unui dintre
atomii de oxigen fenolic ai macrocidului şi 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
soluţie. Structura cristalină a complecşilor moleculari a fost
determinată, incluzând primul dication şi 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 echivalenţi de etilendiamină în apă
permite precipitarea sării etilendiamoniu organică sub forma unui solid
alb:
Structura moleculară a compusului cristalin arată prezenţa
moleculelor de apă interiorul calixarenei.
Formarea compusului ce include apă este mult mai favorabil
iar, analizele elementare ale lui 1 uscat confirmă prezenţa 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 cavităţii aromatice a sistemelor biologice.
Dacă 2,5 echivalenţi de etilentiamină sunt adăugaţi la H8L, o
jumătate fenolică este deprotonată din centrul calixarenei, permiţând
formarea unei soluţii galben pal de sare organică.
Reţeaua de legături de hidrogen produce împachetarea
învelişului calixarenei ducând la o creştere 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
reţea, 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
Recunoaşterea selectivă a substanţelor organice de interes
biologic, cum ar fi zaharurile şi aminoacizii, prin receptori sintetici,
reprezintă un interes major în chimia bioorganică şi supramoleculară.
În trecut erau folosite calixarenele şi ciclofanii solubili în apă, pentru a
include specii încărcate sau neîncărcate, însă s-au obţinut foarte
puţini receptori de sinteză ce complexează aminoacizii în soluţii
apoase.
Tetrasulfonatocalix [4] arena 1, mobilă conformaţional este
capabilă să formeze complecşi de incluziune cu câteva specii
încărcate sau neîncărcate, atât în stare solidă cât şi 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 cavităţii calixarenei.
Acest fapt pare să fie determinat de necesitatea grupărilor
neîncărcate ale aminoacizilor de a ieşi 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 explicaţie este aceea că, datorită mărimii mici a
grupării metil (R), L-Ala ar trebuie să implice şi încapsularea grupărilor
amino cu sarcină pozitivă în interiorul cavităţii 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 cercetaţi. Acest
rezultat confirmă importanţa prezenţei sarcinii în legarea apolară a
„musafirilor” în interiorul cavităţii 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 conformaţie mobilă, în timp ce compusul 4 nu
complexează nici L-Val şi nici L-His prezentând o mai mică eficienţă
faţă de aminoacizii cercetaţi. Cei mai eficienţi receptori pentru
aminoacizi sunt sulfonatocalix [4] arenele 1 şi 2 care au o eficienţă
comparabilă, deşi compusul în formă conică este mai puţin eficient în
recunoaşterea L-Leu.
În toate cazurile incluziunea aminoacizilor are loc printr-un rest
alifatic sau aromatic şi se face corespunzător interacţiilor CH- (L-
Leu, L-val) şi interacţiilor - (L-Phe, L-His, L-Trp).[20]
CAPITOLUL IIICOMPLEXAREA UNOR COMPUŞI AMINICI CU RECEPTORI
MACROCICLICI
Aminele sunt printre cele mai importante molecule din sistemul
natural viu. Multe amine active biologic conţin amoniu substituit. În
biologia moleculară, studiul compuşilor cu amoniu substituit este o
problemă importantă pentru înţelegerea interacţiilor dintre moleculele
biologice şi aplicaţiile lor în metodele de separare.
Multe studii se bazează pe designul şi sinteza unei mari
varietăţi de macrocicli funcţionali ca eterii coroană, azoeterii coroană,
criptonzii şi calixarenele, care sunt capabili să recunoască
manifestarea activităţii catalitice de interes biologic a amoniului gazdă
(aminoacizi şi peptide). Proprietăţile de atracţie ale receptorilor
macrociclici sintetici, ce sunt capabili să formeze complecşi cu
numeroşi compuşi prin interacţii noncovalente sunt utilizate pentru o
mai bună înţelegere a fenomenelor date de specificitatea biochimică,
în special în domeniul recunoaşterii moleculare.
Liganzii macrociclici sunt capabili să formeze complecşi stabili
şi selectivi cu substratul potrivit prin legături de hidrogen, interacţii
ionice şi/sau interacţii hidrofobice. Forţele care contribuie la
stabilizarea complexului format între gazda macrociclică şi oaspete
sunt de natură noncovalentă. Aceştia au fost utilizaţi intensiv la
separarea selectivă a cationilor metalelor alcaline şi alcalino-
pământoase, a ionilor metalelor grele şi a compuşilor amoniului din
amestecul format cu solvenţi de extracţie sau membrane lichide.
[21,22]
În chimia supramoleculară, membranele lichide sunt utilizate
frecvent la evoluarea proprietăţilor de complexare şi transport a
receptorilor. Membranele lichide folosite la separarea aminoacizilor şi
peptidelor au avantajul unui transport intensificat dat de utilizarea
unor transportori selectivi de formă cationică dizolvaţi în solvenţi
organici. Transportorii utilizaţi au în compoziţia lor şi ligandul
macrociclic. Apropierea de modelul sistemului de transport biologic
necesar pentru enantiomerii aminoacizii poate fi realizată prin
utilizarea membranelor lichide ce conţin eteri coroană chirali.
Separarea compuşilor optic activi prin membrane lichide este de un
interes deosebit în momentul de faţă.
Calixarenele derivate, binecunoscuţi receptori, sunt capabile
să interacţioneze cu molecula gazdă organică şi să formeze
complecşi cu cationii cuaternari de amoniu.
Importanţa extracţiilor lichid-lichid este dată de separările de
ioni. Factorii care pot influenţa interfaţa lichid-lichid în sistem bifazic
sunt: tensiunea interfazică, potenţialul şi viscozitatea. Pentru
studierea structurii interfeţei dintre doi solvenţi nemiscibili se utilizează
metode spectrscopice. Unul din cele mai importante proprietăţi ale
liganzilor (calixarene, criptanzi, eteri coroană) ca molecule extractante
este afinitatea lor pentru interfaţa şi comportarea lor ca surfactanţi.
3.1. Complexarea unor compuşi aminici cu eteri coroană
Este bine cunoscut faptul că mărimea inelului, natura şi poziţia
atomilor donori a eterilor coroană au o mare influenţă la formarea
complecşilor cu diferiţi compuşi. Influenţa diferiţilor eteri coroană (18C
6, 15C 5, B18C 6) asupra complexării cu amine neprotonate (n-
butilamină, n-dibutilamină şi N-metilbenzilamină) în metanol a fost
studiată prin titrări colorimetrice. Valorile constantelor de stabilitate
obţinute sunt aproape identice. Complexarea 15C 5 cu aminele
menţionate este favorizată de contribuţia entropică. În cazul 18C 6,
valorile mari ale entalpiilor au fost obţinute pentru amine primare, iar
pentru aminele secundare s-au obţinut valori mici. Complexarea
aminelor primare cu 18C 6 este favorizată de contribuţia entropică. În
cazul aminelor secundare complexarea cu 18C 8 este favorizată de
contribuţia entropică şi defavorizată de contribuţia 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 ataşaţi de gruparea benzo a eterului
coroană B18C6.
Randamentul transportului aminelor studiate utilizând 18C6,
B18C6 şi DB18C6 ca transportori prin membrană lichidă de 1,2-
dicloretan, este relativ scăzut, între 25 – 40% pentru metilamină şi n-
propilamină cu B18C6 şi 19 – 25% pentru dietilamină şi n-propilamină
cu DB18C6. Transportul aminelor depinde de transportul utilizat, de
cation şi anion.
Un aspect interesant privind complexarea diferiţilor eteri
coroană şi aminobenzoeteri coroană constă în posibilitatea formării
unor agregate de eteri coroană amina substituită prin complexarea cu
aminobenzo eteri coroană protonaţi în soluţie. 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 componenţi importanţi ai proteinelor şi au o
importanţă deosebită în cadrul sistemelor naturale vii. Proprietăţile lor
chimice şi fizice, ambele de interes în biologie şi farmacie trebuie bine
cunoscute pentru a înţelege mecanismul reacţiilor din cadrul
proceselor în care sunt implicaţi.
Valorile constantelor de stabilitate, entalpiilor şi entropiilor au
fost determinate pentru complecşii formaţi de unii aminoacizi (L--
alanina, L-cisteina, glicina, L-leucina, L-izoleucină, L-metionin, L-
fenilalanină, L-serină, L-valină şi L-triptofan) cu receptori macrociclici
(18C6 şi B18C6) în metanol. Comparând constantele de stabilitate
pentru reacţiile aminoacizilor cu eter coroană 18C6 cu cele obţinute la
reacţiile dintre aminoacizi şi B18C6 se observă că valorile acestora
sunt aproximativ egale sau în cazul B18C6 un pic mai mici. Valorile
entalpiilor sunt mult mai mici pentru reacţiile cu 18C6, dar sunt
compensate de componenta entropică. În general aminoacizii
manifestă caracter amfionic în medii apoase neutre. În soluţii cu
metanol, aminoacizii se găsesc în formă amfionică, iar concentraţia
acesteia poate fi influenţată de condiţii acide, neutre sau bazice.
Anumite aspecte experimentale au fost studiate din punctul de vedere
al ambilor solvenţi de extracţie şi al transportului aminoacizilor
macrociclici (18C6, B18C6 şi DB18C6) în 1,2-dicloretan. Rezultatele
sugerează o bună corelaţie între proprietăţile structurale ale
aminoacizilor şi caracteristicile fizico – chimice.
Distribuţia unor complecşi formaţi de -aminoacizi cu 18C6 şi
a ionului pereche în sistemul bifazic apă/1,2 dicloretan a fost corelată
cu proprietăţile aminoacizilor (hidrofobicitate, constante de aciditate
pKa1, pKa2 şi pI) utilizând analiza de regresie liniară şi multiliniară.
Corelaţia dintre constantele de extracţie în sistem bifazic şi
hidrofobicitate aminoacizilor, log P (hidrofobicitatea se exprimă ca un
logaritm al coeficienţilor de repartiţie dintre 1-octanol şi apă) este
prezentată în Figura 8.
-3.0 -2.5 -2.0 -1.53.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
L-Phe
L-Phe
DL-Trp
DL-Trp
L-Leu
L-Leu
L-Met
L-Met
L-Val
L-Val
Gly
Gly
18C6 DB18C6
log
Kex
log Px
Figura 8 Corelaţia dintre constantele de extracţie şi hidrofobicitatea aminoacizilor
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5
30
40
50
60
70
80
L-Phe
L-Phe
L-Phe
L-Leu
L-Leu
L-Met
L-Met
L-Met
L-Val
L-Val
L-Val
L-Ala
L-Ala
L-Ala
18C6 B18C6 DB18C6
Tran
spor
t (%
)xx
log Px
Figura 9 Relaţia dintre hidrofobicitate şi randamentul transportului prin membrane lichide
După cum se observă în Figura 8, există o bună liniaritate
între valorile constantelor de extracţie ale aminoacizilor şi
hidrofobicitatea lor, atunci când se utilizează 18C6 şi DB18C6 drept
extractanţi. Figura 9 prezintă relaţia dintre valorile obţinute la
transportul aminoacizilor prin membranele lichide utilizând ca
transportori 18C6, B18C6 şi DB18C6 şi hidrofobicitatea, logP.
Rnadamentul transportului aminoacizilor cu 18C6 ca o funcţie a
hidrofobicităţii lor se prezintă în următoarea ordine:
L-Phe L-Leu L- Met L- Val L- Ala.
Se poate observa o bună corelaţie între transportul unor
aminoacizi şi hidrofobicitatea lor în cazul în care se utilizează ca
transportori prin membrane lichide atât B18C6 cât şi DB 18C6, dar
valorile obţinute vor fi mai mici decât în cazul utilizării 18C6.
Dezvoltarea receptorilor sintetici pentru peptide şi aminoacizi
derivaţi a divinil şi mai importantă deoarece studiul interacţiilor
intermoleculare prin comlecşii mici de tip moleculă – peptidă conduce
la înţelegerea multor interacţii biologice de tip peptidă – proteină.
Lipkowski[23] şi colab. a studiat termodinamica complexării unor
peptide mici cu 18C6 în apă. Utilizând difractometria cu raze X asupra
complecşilor peptidelor amfionice cu 18C6 s-a arătat că aceşti
complecşi se formează prin legături de hidrogen. Au fost studiate şi
unele date experimentale (constante de stabilitate, entalpii şi entropii
ale reacţiilor) obţinute la complexarea glicil – L – leucinei, ce are ca
solvent de extracţie metanolul, cu 18C6, B18C6 şi DB18C6, în
prezenţa ionului picrat, în 1,2 dicloretan. Structura ligandului,
constantele de stabilitate, constanta de extracţie şi natura solventului
au fost interpretate şi comparate cu valorile corespunzătoare
aminoacizilor ce au format această peptidă. În tabelul 4 sunt
prezentate constantele de extracţie ale Gly-L-Leu în 1,2-dicloretan cu
18C6, B18C6, Db 18C6 şi criptand [2.2.2], utilizând acid picric.
Tabel nr. 4 Constante de extracţie ale glicil – leucin în 1,2 – dicloretan cu liganzi macrociclici.
Liganzilog Kex L-leucina
glicyl-L-leucina18C6 5,260,02 5,760,01
B18C6 5,050,3 4,300,05DB18C6 4,890,07 4,150,05[2.2.2] 5,100,2 4,430,04
Cligand=2,5x10-3-10-2M; Cpeptide=1,0x10-3M; [acid picric]=8,0x10-5M; Caminoacid=6,0x10-4M; pH2,02 Temperatura:251C
Cel mai eficient ligand dintre cei testaţi pentru Gly-L-Leu este
18C6. parametri care influenţează procesul de extracţie al Gly-L-Leu
cu liganzi macrociclici sunt următorii: natura cationului, forma şi
mărimea complementară a ligandului cu ionul marginal, dimensiunea
anionului şi tipul atomului donor.
Tabel nr. 5 Constante de stabilitate şi parametri termodinamici H şi TS pentru complexarea unor aminoalcoli şi aminoacizi cu liganzii 18C6 şi [2.2.2] în metanol la 25C.
Ligand Amine Log K -H TS
18C
n-NH2C4H9 2,600,05 31,50,3 -16,70,6NH2(CH2)2OH 2,310,10 29,72,1 -16,62,7NH2(CH2)4OH 2,470,41 35,92,5 -21,94,9NH2(CH2)6OH 2,660,12 33,80,1 -18,70,8
l-ala- 34,12,0+NH3(CH2)6OH 2,810,22 60,40,7 -44,41,9
l-ala 3,240,01 46,22,6 -27,82,7-ala 4,190,24 52,21,1 -28,42,5pent 3,560,06 62,40,5 -42,200,9oct 3,530,08 69,60,6 -49,51,0
[2.2.2] NH2(CH2)2OH 2,550,09 17,41,3 -2,91,8NH2(CH2)4OH 2,610,10 20,81,5 -5,92,0NH2(CH2)6OH 2,590,08 17,50,9 -2,81,4
l-ala 3,110,09 16,00,8 1,61,2-ala 4,830,05 39,70,9 -12,21,1
pent 3,690,07 40,71,2 -19,71,6oct 4,140,04 38,10,7 14,60,9
3.2 Complexarea aminelor cu criptanzi
Mărimea cavităţii 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 complecşi mai puternici cu specii organice decât liganzii
macrociclici. Este cunoscut faptul că stabilitatea şi selectivitatea
ambilor complecşi depinde de mărimea inelului macrociclic. Criptaţii
depind de structura ligandului macrobiciclic şi pot fi extraşi în solvenţi
organici prin cuplarea cu anioni organici sau anorganici.
Randamentele transporturilor metilaminei, dietilaminei,
dimetilaminei şi n-propilaminei complexate cu criptand [2.2.2] prin
membrană lichidă de 1,2-dicloretan sunt relativ ridicate, în cazul
metilaminei şi 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 şi 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 şi valorile constantelor de stabilitate ale complecşilor formaţi
din aminoacizii mai sus menţionaţi cu criptand [2.2.2] sunt aproape
identice cu valorile obţinute în cazul complexării cu 18C6. O excepţie
constă în valorile entalpiei, acestea fiind mult mai mici în comparaţie
cu cele obţinute la complexarea cu 18C6.
Reacţia dintre anumiţi aminoalcooli (etnolamină, 4-amino-1-
butanol şi 6-amino-1-hexanol) şi aminoacizi neproteici (-alanină, acid
5-amino-pentanoic şi acid 8-amino-octanoic) cu criptand [2.2.2] a fost
studiată prin titrări colorimetrice. Valorile entalpiilor sunt mai mari în
cazul aminoacizilor, în comparaţie cu aminoalcoolii. Autoprotonarea
grupării amino este responsabilă pentru aceste rezultate. Totuşi
numărul grupărilor metilen aflate între gruparea amino şi gruparea
carboxil nu are nici o influenţă asupra constantelor cu stabilitate şi a
parametrilor termodinamici în cazul criptandului [2.2.2].
Valoarea constantei de extracţie, 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 extracţie al peptidelor
utilizând criptanzi este realizabil şi comparabil cu cel realizat de eterii
coroană.
Au fost analizate şi extracţiile unor -aminoacizi în formă
protonată (L-leucină, L-izoleucină, L-fenilalanină, L-metionina, L-
valina şi L--alanina) în cloroform cu criptand [2.2.2] ca complex ion
pereche şi anion picrat drept ion …. Valorile constantelor de extracţie
obţinute cu criptand [2.2.2] sunt bune, dar nu mai mici decât cele
obţinute 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 obţinute sugerează influenţa mărimii
ligandului şi tipului atomului donor asupra constantelor de extracţie
ale aminoacizilor nu sunt suficient de diferite pentru a permite o
separare individuală prin extracţie.
3.3 Complexarea aminelor cu calixarene
Calixarenele sunt preparate din fenoli şi aldehide prin
condensare acid-catalizată. Ele pot recunoaşte speciile anionice şi
cationice la fel de bine ca şi pe moleculele neutre. Aceşti receptori au
posibilitatea să formeze complecşi biologici, manifestându-şi
extractabilitatea şi selectivitatea. În continuare voi prezenta studii
dedicate chimiei calixarenelor şi în special incluziunea moleculară a
substraturilor biologice, cum ar fi aminele şi aminoacizii cu aceşti
receptori.
Chang et al [26] a utilizat calixarenele derivate ca transportori
selectivi la separarea prin membrane lichide de cloroform a
aminoacizilor şi a stabilit un mecanism schematic ce descrie interacţia
dintre etil ester atât cu fenilalanina cât şi cu triptofan în prezenţa calix
[6] arenei. Rezultatele obţinute sugerează etoxicarbonilmetilul
substituit la p-terţ-butil calix [6] arenă poate fi utilizat ca transportor la
separarea şi determinarea unor aminoacizi importanţi.
Shikai et al [27] a demonstrat că homocalix [3] arena
manifestă proprietatea de recunoaştere enantiomerică faţă de etil
ester fenilalanina. Privind legătura realizată între NMe şi calixarene,
acelaşi autor a consemnat cationul cuaternar de amoniu.
Recunoaşterea selectivă a butilaminelor cu esteri substituiţi la
p-terţ-butilcalix [6] arenă în comparaţie cu dibenzo –18-coroană-6 a
fost studiată utilizând metoda extracţiei cu solvent standard de picrat
de butilamoniu în diclormetan.
Hexaesterii 1 – 4 interacţionează cu butilamoniul după cum
urmează: n-butil iso-butil-sec-butilterţ butil, fapt care poate fi
explicat de efectele sterice.
Recent, calixarenele, datorită capacităţii lor de recunoaştere şi
separare, atras atenţia şi asupra proprietăţii lor de a fi buni extractanţi
pentru compuşii aminici. Okada[28] şi colab. au preparat noi derivaţi
ai calix [4] arenei şi i-au utilizat la extracţia selectivă şi transportul
unor aminoacizi etil esteri în cloroform. Eficienţa acestor extracţii a
fost explicată prin hidrofobicitatea aminoacizilor, iar extrabilitatea lor a
fost determinată prin măsurători RMN şi UV.
Aceşti receptori recunosc chiralitatea L-aminoacizilor în timpul
transportului. Din acest motiv, Lee[29] şi colab. a studiat
termodianamica extracţiilor cu solvenţi ale cationilor alchilamoniu cu
alchilcalix [6] arilesteri.
În anumite rapoarte se studiază activitatea electrochimică a
unor compuşi macrociclici ionoforici cum ar fi compuşii calix [4]
arendichinonă în prezenţa diferitor ioni alchilamoniu. A fost de
asemenea studiată capacitatea acestor receptori redox de a forma
complecşi aminici protonaţi, legaţi prin multiple legături de hidrogen şi
relaţia dintre proprietăţile substanţei oaspete şi intensificarea activităţii
electrochimice. Un interes deosebit este acordat aplicaţiilor
macrociclilor chinonei modificate în electronica moleculară şi în
domeniul senzorilor potenţiometrici şi studierii transferului electronic
în sistemele biologice.
A fost prezentat şi un studiu privind simulări ale dinamicii
moleculare şi complecşilor cu NH şi a cationului NH când sunt legaţi
de calix[6] arenă în cloroform cu acetatul drept ion contrar. A fost
elucidată structura şi localizarea compusului oaspete în substanţa
gazdă. Solubilitatea în apă a calix [6] arenei hexsulfonate (Fig.6) face
ca legăturile dintre cationii cuaternari de amoniu şi 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
găseşte în interiorul cavităţii aromatice a receptorului.
Antipin[30] şi colab. a sintetizat noi receptori selectivi pentru
aminoacizi utilizând calix [4] arenă pe bază de -amina fosfonat.
Aceşti compuşi manifestă o remarcbilă selectivitate ca transportori ai
aminoacizilor aromatici de formă amfionică prin membrană lichidă
susţinute de un suport poros de polimer.
Kubo[31,32] şi colab. a realizat calixarene cromogenice ce
îmbunătăţesc receptorii optici pentru cationiţii şi aminele importante
din punct de vedere biologic şi/sau chimic. Calixarenele, macrocicli
derivaţi de fenol, sunt utilizate la realizarea sistemelor optice folosite
la detecţia vizuală şi la separarea pe baza diferenţei enantiomerice a
aminelor şi aminoacizilor.
3.4 Complexarea aminelor cu aza eteri coroană
Eterii coroană de tip donor – mixt (diazoeterii coroană)
manifestă proprietăţi transportoare faţă de cationul amoniu din
compuşii aminici importanţi din punct de vedere biologic.
Tsukebe[33] a arătat legăturile cationului şi proprietăţile
transportoare ale unor macrocicli poliaminici şi poliamidici pentru
sărurile aminoacizilor ester derivaţi.
Raporturile transportului metilaminei, dietilaminei,
dimetilaminei şi 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 şi L-valină)
cu monoaza – 18C6 şi 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 reacţie
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 contribuţia entropică. Comparând
valorile constantelor de stabilitate ale complexării aminoacizilor
menţionaţi cu 18C6, monoaza – 18C6 şi criptand [2.2.2] cu valorile
constantelor de stabilitate ale aceloraşi aminoacizi complexaţi 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 şi monoaza-18C6 în metanol este log K= 3,15. Entalpia
reacţiei dintre peptidă, cu aminoacizii corespunzători (glicină şi
leucină) şi monoaza – 18C6 este mai scăzută decât în cazul utilizării
18C6. constanta de stabilitate a complecşilor formaţi este influenţată
de structura ligandului şi proprietăţile peptidei.[35,36]
CAPITOLUL IVEXTRACŢIA CU SOLVENŢI A AMINOACIZILOR FOLOSIND LIGANZI
MACROCICLICI
4.1. Caracteristici generale ale aminoacizilor
Aminoacizii constituie alfabetul structurii proteice şi determină
multe din proprietăţile importante ale proteinelor. În afara celor
douăzeci de aminoacizi cunoscuţi ca elemente constitutive ale
proteinelor există mulţi aminoacizi care îndeplinesc alte funcţii în
celule.
Formula structurală generală a alfa-aminoacizilor întâlniţi în
proteine este:
Toţi au ca numitor comun o grupare carboxil liberă şi 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 şi metionina.
- clasa aminoacizilor polari neutri - mai solubili decât cei
nepolari, grupările funcţionale neutre pot forma legături de H cu apa :
glicocol, serina, treonina, cisteina, tirozina, asparagina, glutamina.
- clasa aminoacizilor bazici (încărcaţi pozitiv) prezintă sarcini
net pozitive la pH 7 : arginina, lizina, histidina. '
- clasa aminoacizilor acizi (încărcaţi negativ) - prezintă
sarcină negativă la pH 6-7: acid aspartic, acid glutamic.
Cunoaşterea proprietăţilor acido-bazice este foarte importantă
în alegerea şi analizarea proprietăţilor proteinelor, în unele cazuri
separarea, identificarea şi dozarea diferiţilor aminoacizi, determinarea
secvenţei 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 solvenţi nepolari. Aceste proprietăţi sunt exact
cele la care ne aşteptam să le întâlnim, considerând că reţeaua
moleculară a aminoacidului în stare cristalină este stabilizată prin
forţe de natură electrostatică de atracţie între grupări cu sarcini opuse
ca în cazul reţelelor cristaline ale sărurilor cu puncte de topire ridicate,
ca de exemplu NaCI. Dacă aminoacizii ar cristaliza într-o formă
neionică, ei ar fi stabilizaţi prin forţe Van der Waals, mult mai slabe şi
ar avea puncte de topire joase. Aceste consideraţii, cât şi multe alte
dovezi au condus la concluzia că aminoacizii se găsesc în soluţii
apoase neutre şi cristalizează din aceste soluţii mai degrabă ca ioni
dipolari sau amfioni decât ca molecule nedisociate, fapt indicat şi de
constantele dielectrice ridicate şi de momentele de dipol mari, care
reflectă prezenţa atât a sarcinii negative cât şi a sarcinii pozitive în
aceeaşi moleculă.
Când un aminoacid amfionic cristalin, de exemplu alanina,
este dizolvat în apă, el poate acţiona atât ca un acid (donor de
protoni) (a), cât şi 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 amfoliţi, având proprietăţi amfotere,
comportarea acido-bazică a amfoliţilor 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 distanţate pentru a se obţine două trepte net
separate. Fiecare treaptă prezintă un punct de echivalenţă unde
modificarea pH-ului când se adaugă cantităţi crescute de bază este
minim. Valorile pKa aparente pentru cele două trepte de disociere pot
fi determinate din punctele de echivalenţă ale fiecărei trepte.
La pH = pKa;, punctul de echivalenţă al primei trepte, donorul
de protoni (figura stânga) şi acceptorul de protoni (figura dreapta) se
găsesc în concentraţii echimoleculare:
R- -COOH R- -COO-
NH3+ NH2
La pH = pKa2, donorul de protoni şi acceptorul de protoni se
găsesc în concentraţii 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 şi 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 şi nu migrează în câmp electric, acesta fiind
numit pH izoelectric (pHj).
Toţi aminoacizii monoaminomonocarboxilici prezintă această
comportare.
Din valorile pKa rezultă observaţii generale:
1) Gruparea carboxil din poziţia alfa a aminoacizilor
monoaminomonocarboxilici are o aciditate mai mare decât gruparea
carboxil a acizilor alifatici corespunzători, aciditate crescută datorită
grupării amino din poziţia alfa şi sarcinii sale pozitive care produce un
puternic efect de câmp, crescând astfel tendinţa H carboxilic de a se
disocia ca proton;
2) Gruparea alfa amino a aminoacizilor monoaminomono
carboxilici este o bază mai slabă decât gruparea amino a aminelor
alifatice corespunzătoare ;
3) Aminoacizii cu radicali neîncărcaţi au valori pKa1 şi pKa2
aproape identice;
4) 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
şi anume între pH = 1,3 – 3,3 şi 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 prezenţă 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 uşor cu grupările amino
libere, neprotonate ale aminoacizilor, rezultând derivaţi 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 reacţie a grupării amino foarte larg folosită este reacţia cu
ninhidrina, care poate fi folosită la dozarea unor cantităţi foarte mici
de aminoacizi. Acesta poate reacţiona cu două molecule de
ninhidrină, rezultând un produs intens colorat.
Separarea cantitativă şi estimarea fiecărui aminoacid dintr-un
amestec complex, cum este hidrolizatul unei proteine, este o
problemă deosebită când este abordată prin metode clasice:
precipitare fracţionată, cristalizare, distilare.
Metodele cromatografice sunt aplicabile nu numai la
separarea, identificarea şi analiza cantitativă a amestecurilor de
aminoacizi, dar şi a peptidelor, proteinelor, nucleotidelor, acizi
nucleici, lipide, zaharuri, etc.
Metodele cromatografice şi electroforetice se bazează pe
cunoaşterea solubilităţii relative Şi a comportării acido-bazice a
diferiţilor aminoacizi. Spectrele de absorbţie – parametru folosibil în
analiza chimică – se obţin în UV, nici unul din cei 20 de aminoacizi
întâlniţi în proteine nu prezintă absorbţie 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 repartiţie în procesul de extracţie
Extracţia complecşilor cationici din soluţie apoasă în solvenţi
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
conţine un aminoacid în formă protonată şi un anion A, iar în faza
organică conţine iniţial un ligand macrociclic, L, capabil să
complexeze aminoacidul în formă cationică.
În funcţie de pH, aminoacizii, R-NH2, în care:
R: - -COOH R’
pot fi transferaţi în soluţie 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 şi structura compatibilă cu
procesul de extracţie, 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 extracţie Kex:
în care prin W şi S sunt simbolizate fazele sistemului (apoasă
respectiv organică), iar prin parantezele pătrate, concentraţiile în mol/I
ale speciilor implicate în proces.
Anionul A- poate fi baza conjugată a unui acid organic HA şi se
formează în soluţie pe baza echilibrului :
HA+HOHA-+H3O+
caracterizat de constanta de aciditate Ka:
Această constantă determină domeniul de pH la care
predomină A- în soluţie. Ligandul macrociclic se repartizează între
cele două faze ale sistemului lichid-lichid în baza echilibrului :
(L)w(L)s
caracterizat de constanta de repartiţie :
Pe baza echilibrelor individuale prezentate în relaţiile (1), (2),
(3) şi (4) poate fi determinat echilibrul global al extracţiei de ioni [R-
NH L]A-
(R-NH3+)w+(A-)w+(L)s(R-NH3LA)s
având constanta de extracţie Kex
Din echilibrul (9) rezultă că faza apoasă trebuie să realizeze
condiţiile de pH care, în baza echilibrului (1) şi (5) să asigure
existenţa simultană a speciilor R-NH3+ şi A.
Specia HA furnizoare a anionului de cuplaj, A, trebuie aleasă
funcţie de valoarea pH-ului la care aminoacidul este protonat. În cazul
extracţiei aminoacizilor cu eteri coroană şi criptanzi pH-ul optim este 2
pentru că asigură formarea atât a speciei R -NH cât şi A- în proporţii
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 extracţie a aminoacizilor
Datorită valorilor mici ale constantelor ce implică speciile
încărcate în solventul organic, echilibrul semnificativ al extracţiei se
defineşte astfel:
(R-NH3+)w+(A-)w (R-NH3
+A-)s
cu constantele de extracţie Kex:
4.3. Raportul de distribuţie al aminoacizilor în sistemul solvent – apă
Raportul de distribuţie (D) al aminoacizilor între cele două faze
(organică şi apoasă) este o mărime ce se defineşte 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 proporţie de 99,9%
ceea ce conduce la concluzia că în astfel de condiţii:
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 proporţie 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 solvenţi organici (cloroform, docloretan) prin
intermediul cationului –NH3.
Extracţia devine posibilă numai dacă scade pH-ul astfel încât
(-COO) să se transforme în (-COOH).
Valoarea raportului de distanţare depinde de pH în domeniul
din jurul va(orii pH-ului pKa = 2 şi că în acest domeniu de pH relaţia
(6) ia forma :
Din relaţiile 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 relaţii reprezintă două trepte care au pantele
egale cu 1, fapt care, dovedit experimental, indică raportul de
combinare a speciilor componente de 1:1:1 şi care permite calculul
constantei Kex din intersecţia cu axa ordonatei (metoda grafică).
4.4. Factorii ce influenţează procesele de extracţie
4.4.1. Influenţa structurii ligandului macrociclic utilizat ca extractant
Structura liganzilor macrociclici care imprimă, de fapt
proprietăţile lor implicate în procesul de extracţie, trebuie să joace un
rol important şi complex. Selectivitatea liganzilor macrociclici pentru
cationi în sistem bifazic lichid-lichid nu este întotdeauna în
concordanţă cu selectivitatea prin recunoaştere dimensională în fază
apoasă. Pentru metalele alcaline şi alcalino-pământoase, se poate
afirma că, în cazul utilizării unui anume solvent organic, potrivirea
dimensională dintre cationul compensat şi cavitatea intramoleculară a
ligandului macrociclic joacă un rol important în extracţia perechilor de
ioni. Dacă concordanţa dintre stabilitatea complexului şi extrabilitatea
perechii de ioni nu este constantă, alte fenomene ce concură la
extracţie se manifestă pregnant, estompând influenţa stabilităţii.
Fenomenul de solvatare a ionului complexat joacă adesea un
rol important în procesul de extracţie.
Studii de spectrometrie RMN şi IR au arătat că la extracţia în
nitrobenzen: a complecşilor metalelor alcaline şi alcalino-pământoase
cu eteri coroană şi criptanzi cuplaţi cu anionul de dipricrilaminat, are
loc o coextracţie a unei părţi din moleculele de apă de hidratare ale
acestor cationi.
Eterii coroană provoacă o extracţie a unui număr mai mare de
molecule de apă de hidratare în comparaţie cu criptanzii, şi, de aici,
se constată o ; comportare diferită a celor două categorii de liganzi
macrociclici.
4.4.2. Influenţa reapariţiei liganzilor macrociclici
Liganzii macrociclici cu constanta de repartiţie K mică,
participă în procente de extracţie în care constantele de extracţie Kex
sunt mari. O valoare mică a constantei de repartiţie a ligandului liber
reprezintă o solubilitate mare în apă a acestuia, ceea ce duce la
posibilitatea ca şi complexul extractibil să fie solubil în apă şi deci
extractabilitatea este micşorată. Această contradicţie se datorează
cunoaşterii incomplete a procesului de extracţie a complecşilor 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 activităţi şi
nu în concentraţii. Dependenţa raportului de distribuţie şi implicit a
randamentului de extracţie de tăria ionică (şi în general de
concentraţia globală a fazelor), ca a unor efecte sinergetice arată
odată în plus complexitatea insuficient cunoscută a procesului de
extracţie.
În funcţie de constanţa de repartiţie, ligandul macrociclic este
selecţionat pentru un proces de extracţie.
Cunoaşterea sau determinarea constantei de extracţie Kex sau
a raportului de distribuţie D reprezintă, în prezent criteriul sigur de
selecţie al ligandului. Pentru extracţia aminoacizilor cu liganzi
macrociclici, repartiţia liganzilorj macrociclici în sistemul bifazic
CHCL3-apă este condiţionată de valoarea pH-ului.
La pH > 6 ligandul macrociclic se va regăsi relativ egal
repartizat în ambele faze (apoasă şi organică). La pH acid (pH = 2)
ligandul macrociclic se regăseşte preferenţial repartizat în apă.
4.4.3. Influenţa cationului în procesul de extracţie
Liganzii macrociclici pot complexa, în interiorul cavităţii lor,
cationi anorganici şi organici prin legături de natură electrostatică.
Stabilitatea complecşilor formaţi este controlată de numărul
heteroatomilor din ciclu şi de potrivirea dimensională dintre diametrul
cavităţii ligandului (B 18-coroană-6) şi diametrul cationului complexat
(R NH ).
Aceşti cationi complecşi sunt extraşi sub formă de pereche de
ioni în solvenţi organici, prin cuplarea cu anion adecvat.
Procesul complexării între un ligand L şi un cation Mn+ într-un
solvent S, poate fi reprezentat prin ecuaţia generală :
(L)solv+(Mn+mS) (Mn+L)solv+mS
unde Kj şi Kd sunt definite drept constantele de viteză ale formării şi
respectiv, disocierii complexului. Raportul celor două constante de
viteză Kj/Kd, dă constanta de stabilitate Ks.
Constanta de stabilitate termodinamică, K, se exprimă prin
relaţia:
unde fc, fL şi fM sunt coeficienţii de activitate ai celor trei specii
prezentate (complex, ligand, cation). Aceşti coeficienţi sunt în general,
necunoscuţi, de aceea se utilizează constanta de stabilitate exprimată
prin concentraţii:
Constanta Ks este o constantă de stabilitate medie pentru un
sistem aflat în echilibru termodinamic pe baza conformaţiei ligandului
şi a complexării.
Valorile constantei de stabilitate Ks reflectă, printre altele,
selectivitatea formării complexului. Aceasta este legată de abilitatea
ligandului macrociclic de a diferenţia diferiţi cationi. O măsură a
selectivităţii unui anumit ligand în raport cu doi cationi metalici diferiţi
M şi M o reprezintă raportul dintre constantele de stabilitate ale
complecşilor M1L şi M2L şi se exprimă prin relaţia:
Pentru determinarea experimentală a constantelor de
stabilitate pentru complecşii formaţi de liganzii macrociclici tip coroană
cu cationii metalelor alcaline, alcalino-pământoase şi ai unor metale
tranziţionale au fost utilizate multe metode : titrare potenţiometrică,
conductometrie, polarografie, calorimetrie, spectometrie optică, RMN,
extracţia cu solvenţi. Aceste metode au fost discutate în lucrări de
sinteză [37,38].
4.4.4. Influenţa anionului în procesul de extracţie
Complecşii formaţi de liganzii macrociclici cu cationi ai
metalelor sau cu cationi organici sunt ei înşişi cationici purtând de
cele mai multe ori sarcina cationului complexat.
Extracţia lor în solvenţi organici se face sub formă de pereche
de ioni cu un anion ce are structura şi proprietăţi favorabile extracţiei.
Aceşti anioni de cuplaj au masa moleculară mare Şi caracter lipofil.
În diverse procese de extracţie ale cationilor complecşi au fost
utilizaţi anioni ca : picrat, tetrafenilborat, dipicrilaminat, dinitrofenolat,
ca şi anioni anorganici, de dimensiuni relativ mari : ClO , I-, N03, etc.
Odată cu accentuarea caracterului hidrofob anionului de
cuplaj, extracţia devine mai eficientă, în timp ce selectivitatea pentru
un anumit cation scade.[39]
Selecţia anionului organic, pentru extracţia aminoacizilor are la
bază, pe de o parte, coeficientul molar de absorbţie ridicat al
anionilor, iar pe de altă parte, coincidenţa domeniului de pH în care
trebuie să coexiste în soluţie acest anion cu cationul aminoacidului
protonat.
4.4.5. Influenţa solventului
Influenţa solventului organic asupra extractibilităţii perechilor
de ioni este datorată, înainte de toate constantei sale dielectrice.
Solvenţii cu constanta dielectrică mică împiedică disocierea perechii
de ioni; favorizând astfel extracţia.
De asemenea solubilitatea solventului organic în apă trebuie
să fie mică pentru a evita pierderile de solvent.
Randamentul de extracţie şi chiar selectivitatea liganzilor
macrociclici în procesul de extracţie sunt puternic influenţate de
natura solventului.
4.4.6. Influenţa pH-ului în extracţia complecşilor aminoacizilor
Dacă se studiază extracţia complecşilor aminoacizilor într-o
soluţie apoasă B-18-coroană-6 şi 15-coroană-5 în cloroform în funcţie
de pH se confirmă faptul că extracţia optimă se realizează la un pH
acid (pH = 2), pH la care coexistă aminoacidul protonat, forma
anionică a partenerului de cuplaj şi totodată gruparea carboxilică a
aminoacidului nedisociată.
4.5. Extracţia şi transportul aminoacizilor prin membrane lichide
Aminoacizii constituie una din cele mai importante clase de
compuşi naturali de interes biologic, amplu implicaţi atât în procese
biochimice cât şi în industria medicamente(or, alimentară şi
cosmetică.
Aminoacizii pot traversa membranele lichide sub formă
cationică sau sub formă anionică, în compania unui contraion.
4.5.1 Extracţia şi transportul aminoacizilor sub formă de complecşi cationici
În ultimii ani mai mulţi compuşi macrociclici, eteri coroană sau
criptanzi, au atras atenţia. datorită specificităţii lor pentru cationii
amoniu primari şi secundari în ceea ce priveşte utilizarea lor ca agenţi
de extracţie şi transport specifici pentru membrane lichide.
4.5.1.1. Complecşi 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 derivaţilor
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).
Aminoacizi (esteri)
Anion (contraion)
Viteza de transport x106 mol/ha b c
Tri OEt HCl 6 5,7 5,4Leu O Et HCl 5,6 6,2 7,2Ala O Et HCl 8,2 6,6 7,2Gly O Et HCl 8,7 8,7 9,3Pro O Et HCl 5,3 6,7 6,6
NaCl 0,5 0,5 0,7KCl 0,8 0,4 0,4
NH4Cl 2,5 0,9 1,0Tabelul 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 şi dicloretileterului, intervenit în
sinteza compusului şi confirmat a fi un eter policiclic.
S-a observat că DB18C6 formează complecşi stabili cu
metalele alcaline şi alcalino-pământoase Şi că aceşti complecşi se
dizolvă în solvenţi organici nepolari. Această descoperire duce la
sinteza unei serii de compuşi polieteri macrociclici care au fost
denumiţi eteri coroană (crown ethers) după configuraţia lor
stereochimică.
Mai târziu eterii coroană şi-au găsit aplicaţii şi în extracţia şi
transportul unor compuşi organici cum ar fi : acizi organici,
aminoacizi, peptide.
Stabilitatea eterilor coroană cu diferiţi cationi este dependentă
de următorii factori :
- mărimea relativă a ionilor şi cavitatea eterilor coroană;
- tipul, numărul şi amplasarea heteroatomilor la locurile lor de
legare în inelul eterului coroană;
- flexibilitatea conformaţională a inelului;
- sarcina electrică a cationului;
- interacţia ion - solvent.
Eterii coroană formează complecşi 1:1 (inel : ion) cu cationii,
dar pot forma şi complecşi 2:1 (inel : ion) sau 1:2 (inel : ion).
Structurile compuşilor complecşi aminoacid-eter coroană-
contraion/apă s-au determinat cu RX. S-a ajuns la concluzia că
aminoacizii există în complex ca amfion şi sunt înlănţuite cu 18-C-6
prin gruparea amino - NH prin legături i N-H...O , gruparea - COO-,
aflată în poziţia alfa, ia parte la legături de H cu moleculele de apă.
4.5.1.2. Complecşi ai aminoacizilor cu dinonil naftelen sulfonat
(DNNS)
Un aminoacid în formă cationică (AA+) aflat în faza apoasă
acidă (soluţie HCI 0,1 N), care reprezintă faza sursă, poate fi
transportat şi extras în membrana lichidă utilizând un purtător încărcat
negativ T- (DNNS-), dinonil naftalen sulfonat, realizându-se procesul
de extracţie.
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 reextracţie.
Cationul K+ este transportat simultan în sens invers 1a
interfaţa faza sursă - membrană unde este schimbat cu AA+ şi
procesul se repetă.
Se constată că aminoacizii sunt transportaţi împotriva
gradientului de concentraţie 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. Extracţia şi transportul aminoacizilor sub formă de complecşi anionici
Dat fiind că aminoacizii pot exista şi în formă anionică în soluţii
bazice, s-a încercat extracţia Şi transportul acestora prin membrane
lichide sub formă de complex ion-pereche folosind contraion un cation
organic cu volum mare.
4.5.2.1. Complecşi metalici ai liganzilor macrociclici cu
aminoacizi
O nouă clasă de transportori ionici care fac posibilă creşterea
vitezei fluxului prin membrane lichide datorită eliberării de ioni şi
transportului de aminoacizi prin intermediul complecşilor ligand-metal
a fost studiată de numeroşi cercetători în diverse moduri.
S. Shinkai[40] şi colaboratorii studiază transportul
aminoacizilor în formă anionică prin membrane lichide de cloroform
utilizând ca transportori complecşi metalici ai ligandului. [19]
Este interesant sistemul de transport şi 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 şi eliberat în faza acceptoare ca un aminoacid în formă de
amfion.
Complexul L-Ca2+ are posibilitatea de a extrage aminoacizii din
faza apoasă sursă ţi 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 şi hidroxid de litiu.
4.5.2.2. Complecşi ai aminoacizilor cu săruri cuaternare de
amoniu
J.M. Lehn şi colaboratorii, precum si I. Tabushi şi colaboratorii
au studiat fenomene de extracţie şi transport prin membrane lichide
având ca transportori săruri cuaternare de amoniu.[41,42]
Astfel J.M. Lehn şi colaboratorii prezintă studii în legătură cu
transportul unor aminoacizi şi dipeptide prin membrane de toluen
împotriva gradientului de concentraţie. 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:
Faza sursă(sol. KOH 0,1 N)
MembranaFaza acceptoare(sol. HCl 0,1N)
R- -COO-K+
NH2
Cl-K+
(N+, Cl-)
R- -COO-N+
NH2
R- -COO-
NH3+
2 H+Cl-
Aminoacizii în formă anionică, carboxilat, sunt transportaţi din
faza apoasă sursă (soluţie bazică KOH) în faza apoasă acceptoare
(soluţie 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 interfaţa membrană - faza
sursă unde este schimbat cu aminoacidul carboxilat.
Creşterea concentraţiei de AA+ în faza apoasă acidă este
măsurată ca o funcţie în timp pentru diferiţi aminoacizi utilizând
metode spectrometrice (UV, RMN) sau titrare cu ninhidrină (rezultă
compuşi coloraţi).
Se observă o dependenţă liniară. Curbele sunt observate la
început (înainte ca sistemul să ajungă la o stare staţionară) şi
aproape de sfârşitul procesului, când concentraţia aminoacidului în
faza sursă devine minimă.
Măsurarea coeficienţilor de distribuţie a aminoacizilor între
faza sursă bazică KCI 0,1 N şi membrana conţinând N; în toluen a
arătat că ratele relative ale transportului AA- de la stânga la dreapta
urmează ordinea coeficienţilor de distribuţie. Astfel, specificitatea
procesului este controlată prin echilibrul termodinamic ce are loc între
faza sursă şi membrană.
Paşii cinetici importanţi, şi anume transferul din faza sursă în
membrană şi din membrană în faza acceptoare, respectiv extracţia şi
reextracţia par a fi suficient de similari pentru diferiţi aminoacizi, astfel
încât doar concentraţia de (AA-, N+) în membrană diferenţiază
substratele diferite.
Rezultate similare se menţin şi 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 diferenţă
de circa 20% în rata de transport între fenilalanilglicină şi
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 condiţiile descrise înainte.
Schimbările în suprafaţa interfeţelor determină schimbări
proporţionale ţi în ratele de transport.
Se impune ca formarea Şi disocierea complexului substrat-
transportor, complex de tip ion-pereche să fie procese foarte rapide.
Rezultatele duc la anumite concluzii, precum şi la prospecte
pentru investigaţii suplimentare:
1. este demonstrat transportul aminoacizilor în formă anionică
opus anionului clorură;
2. este observat transportul împotriva gradientului de
concentraţie alimentat de energie chimică, transport cuplat;
3. specificitatea procesului este controlată termodinamic prin
echilibrul distribuţiei între faza apoasă iniţială şi membrană;
4. efectele sterice în speciile substrat-transportor influenţează
specificitatea extracţiei şi a transportului;
5. structura transportorului, modelată prin sinteză organică
permite controlarea specificităţii extracţiei şi a transportului;
6. efectele cinetice asupra specificităţii proceselor sunt
similare cazurilor în care aminoacidul este sub formă cationică;
7. transportul chirospecific ce permite separarea amestecurilor
racemice, poate fi observat utilizând fie o membrană optic activă, fie
un ion purtător chiral;
8. experimente similare pot fi realizate pe diferite tipuri de
molecule.
CAPITOLUL VPARTEA EXPERIMENTALĂ
5.1 Consideraţii generale
Studiul extracţiei lichid – lichid a unor specii chimice prezintă
un interes deosebit, scopul fiind determinarea condiţiilor optime
pentru o concentrare eficientă şi o bună separare a acestora.
În cazul de faţă s-a studiat comportarea a trei aminoacizi
derivatizaţi în prezenţa anionului tropeolin OO la pH=2, atunci când
se realizează extracţia cu liganzii macrociclici benzo – 18 – coroană –
6 şi Kriptofix [2.2]
Aminoacizii derivatizaţi studiaţi 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 cavităţii lor cationi
anorganici prin legături de natură electrostatică la atomii de oxigen din
lanţul polieteric. Se formează astfel, complecşi cationici a căror
stabilitate este controlată de numărul heterocationilor din ciclu şi de
potrivirea dimensională dintre diametrul cavităţii ligandului şi diametrul
cationului complexat. Aceşti cationi complecşi sunt extraşi apoi sub
formă de pereche de ioni în solvenţi organici, prin cuplare cu un anion
adecvat (anionul tropeolină OO).
Mărimea cavităţii ligandului criptand [2,2] corespunde cu
mărimea grupării –NH3+ a aminoacidului deci se vor forma complecşi
puternici a căror stabilitate şi selectivitate depinde de structura
ligandului macrociclic şi pot fi extraşi în solvenţi organici prin cuplarea
cu anioni organici sau anorganici.
În lucrarea de faţă s-au determinat constantele extracţie ale
unor aminoacizi derivatizaţi cu B18C6 şi Kryptofix [2.2] în vederea
stabilirii condiţiilor experimentale de separare prin membrane lichide.
De asemenea s-au determinat randamentele de transport ale
aminoacizilor derivatizaţi prin membrană lichidă de cloroform,
utilizând B18C6 ca transportor în prezenţă de tropeolin 00.
5.2. Aparatură şi reactivi
Determinările s-au realizat observându-se spectrele de
absorbţie în vizibil la 400 nm obţinute cu ajutorul spectrofotometrului
V-530 Jasco UV/VIS.
Pentru extracţie s-au folosit pâlnii de separare, iar pentru
transport am folosit o celulă membranară în formă de U
Aminoacizii folosiţi (L-LeuOMeHCl, L-IleOMeHCl, L-
CysOMeHCl, L-ValOMeHCl, L-PheOMeHCl) – firma Fheka;
Kryptofix [2.2], B18C6 şi cloroformul, de puritate 99%, au fost produşi
de firma cherck.
5.3. Influenţa pH-ului asupra extracţiei complecşilor aminoacizilor cu liganzi macrociclici
Din studiul extracţiei aminoacizilor dintr-o soluţie apoasă cu
liganzi macrociclici în solvenţi organici, în funcţie de pH se confirmă
faptul că extracţia optimă se realizează la un pH acid la care coexistă
aminoacidul protonat şi forma anionică a partenerului de cuplaj.
Realizându-se experimentul extracţia complecşilor formaţi de
aminoacizii derivatizaţi, mai sus menţionaţi, cu B18C6 şi Kryptofix
[2.2] în cloroform, se constată că extracţia este optimă la pH=2.
Influenţa pH-ului asupra extracţiei complexului L-lucina cu
B18C6 în prezenţa anionului tropeolui OO.
- soluţia 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 şi
se citeşte spectofotometric absorbanţa faţă de cloroform saturat cu
apă distilată.
Cu ajutorul absorbanţei se calculează coeficienţii molari de
absorbţie () după relaţia:
A – absorbţia
c – concentraţia A- (tropeolin OO)
l – grosimea cuvei
În tabelele următoare sunt prezentate valorile coeficienţilor de
extincţie pentru complecşii aminoacizilor derivatizaţi studiaţi cu B18C6
(Tabel 1) şi Kryptofix [2.2] (Tabel 2) în prezenţa anionului tropeolin
OO în cloroform.
Tabel 1Aminoacid (lmol/cm) Kex log Kex
L-Leu OMe+HCl 21630 0,214106 5,29L-Ile OMe+HCl 17050 0,278106 5,44
L-Phe OMe+HCl 23500 0,287106 5,45L-Cys OMe+HCl 6410 0,04106 4,46L-Val OMe+HCl 24880 0,06106 4,59
Tabel 2Aminoacid (lmol/cm) Kex log Kex
L-Leu OMe+HCl 17480 0,0097106 3,99L-Ile OMe+HCl 16310 0,0260106 4,28L-Val OMe+HCl 18550 0,0034106 3,76
5.4.2. Determinarea constantei de extracţie
Prin măsurarea concentraţiei de R-NH4+LA- în faza organică de
extracţie şi cunoscând coeficientul molar de absorbţie () s-au putut
calcula şi concentraţiile la echilibru, aspect ce a permis calcul
constantei de extracţie, Kex ale complecşilor formaţi de aminoacizii
derivatizaţi cu liganzii macrociclici în prezenţa anionului tropeolin OO.
Rezultatele sunt prezentate în tabelele 1 şi 2.
Pentru determinarea constantelor de extracţie se prepară
următoarelor soluţii:
PROBA: Într-un balon cotat cu 25 ml se prepară o soluţie
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 soluţie
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
Extracţiile 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 absorbanţilor fazei organice a
probei şi a martorului, faţă de cloroform, se calculează constanta de
extracţie Kex(2).
Prin realizarea mediei aritmetice a valorilor celor două
constante de extracte se obţine Kex caracteristică sistemului.
Extracţiile se realizează în acelaşi mod şi pentru soluţiile
B18C6 de concentraţii 10-2M şi 510-3M.
Constantele de extracţie se calculează conform relaţiei:
; unde [AALA]org=
[AALA]org – concentraţie complexului în faza organică
[AA]w – concentraţia aminoacidului în faza apoasă
[L]org –concentraţia anionului în faza organică
[A-] – concentraţia anionului în faza apoasă
Echilibrul procesului de extracţie:
[AA]w+[L]org+[A-]w [AALA]org
5.5. Transportul aminoacizilor derivatizaţi prin membrane lichide
Transportul aminoacizilor derivatizaţi s-a realizat într-o celulă
membranară în formă de U, utilizând 5 ml fază sursă, 20 ml
membrană lichidă şi 5 ml fază receptoare, agitând timp de 4 ore.
Faza receptoare este reprezentată de o soluţie de LiOH de
concentraţie de 0,1M, concentraţia corespunzătoare unui pH=13.
Faza sursă este reprezentată de o soluţie de aminoacid. S-a
preparat şi o soluţie martor pentru a observa cât din anionul tropeolin
OO se transportă.
Soluţia reprezentând proba a fost preparată într-un balon cotat
de 25 ml şi conţine: 2,5 ml aminoacid (510-3M), 12,5 m tropeolin (10-4
M), 5 ml HCl (0,05N) şi apă distilată.
Soluţia martor a fost preparată într-un balon cotat de 25 ml şi
conţine: 12,5 ml tropeolin OO (10-4M), 5 ml HCl (0,05N) şi apă
distilată.
Membrana este constituită dintr-o fază lichidă organică
(cloroform) în care s-a dizolvat transportorul B18C6 de concentraţie
10-2 M dispusă între două faze apoase: una care conţine aminoacidul,
specia care este transportată, definită ca o fază sursă şi cealaltă fază
care acceptă specia transportată definită ca fază receptoare (soluţie
de LiOH 0,1N).
După ce transportul a avut loc se recoltează câte 5 ml din
fiecare fază şi se citesc absorbanţele, faţă de apa distilată. Se iau 5
ml şi din membrana lichidă şi se face citirea spectrofotometrică a
absorbanţei faţă 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 citeşte absorbanţa soluţiei iniţiale
de aminoacid. Valorile randamentelor obţinute în cazul a trei
aminoacizi şi a probei martor sunt date în tabelul 3.
Tabel 3: Randamentele de transport ale aminoacizilor derivatizaţi prin membrana lichidă de cloroform utilizând B18C6 ca transportor în prezenţa tropeolin OO.
Aminoacid B18C6L-Leu OMe+HCl 96L-Ile OMe+HCl 63
L-Cys OMe+HCl 43Proba MARTOR 21
[AAOMe*HCl]=510-4M
[B18C6]=10-2M
[tropeolin OO]=510-5M
[LiOH]=0,1 N
5.6. Concluzii
Rezultatele obţinute în urma experimentelor de extracţie a
celor cinci aminoacizi derivatizaţi (L-LeuOMeHCl, L-IleOMeHCl, L-
CysOMeHCl, L-ValOMeHCl, L-PheOMeHCl) utilizând ca agenţi de
extracţie B18C6 şi criptandul [2.2], comercializat de firma Merck sub
denumirea Kriptofix [2.2], în prezenţa tropeolin 00 ca anion pereche
precum şi transportul prin membrană lichidă a trei dintre aceşti
aminoacizi au dus la următoarele concluzii:
aminoacizii derivatizaţi se extrag dintr-o fază apoasă acidă
într-un solvent organic ce conţine eterul coroană B18C6.
B18C6 este un agent de extracţie bun deoarece toţi cei 5
aminoacizi s-au extras, iar constantele de extracţie au avut valori
optime;
valoarea constantelor de extracţie ale aminoacizilor
derivatizaţi descresc în următoarea secvenţă:
L-Phe>L-Ile>L-Leu>L-Val>L-Cys
criptandul [2.2] extrage trei dintre aminoacizi, iar valorile
constantelor de extracţie au fost mai mici, cu valori între 3,76…4,28,
dar kryptofix [2.2] poate fi folosit ca agent de extracţie pentru unii
aminoacizi derivatizaţi.
valoarea constantelor de extracţie ale aminoacizilor
derivatizaţi descresc în următoarea secvenţă:
L-Ile>L-Leu>L-Val
transportul aminoacizilor derivatizaţi prin membrană lichidă
de cloroform utilizând ca transportor B18C6 are loc cu randamente
bune şi în unele cazuri excelente (L-LeuOMeHCl 96%)
BIBLIOGRAFIE
1. C.J Pedersen> J Am Chem. Soc., 7017 (1967)
2. A. Villiers, Compt. Rend, Acad. Sci. Paris, 112, 536-538, (1981)
3. F. Schardinger, Z. Unters. Nahr. Geanussne, 6, 865-880, (1903)
4. F. Cramer, Angew. Chem., 64, 437-447, (1952)
5. W.L. Hinze, Sep. Purif. Methods, 10, 159, (1981)
6. B. Chankvetadze, G. Endresz şi G. Blaschhe, Chem. Soc. Rev.,
25, 141-153, (1996)
7. Y. Yamashoji, M. Ita şi M. Tanaka, Chemistry Express, 8, 285-
288, (1993)
8. H.A. Benesi şi J.H. Hildebrand, J. Am. Chem. Soc., 71, 2703,
(1949)
9. H. Karantani, Chem. Lett. (Jpre), 377, (1986)
10 . Drioli, M. Natoli, I. Koter şi F. Trotta, Biotech Bioeng., 46,
415-420, (1995)
11 C.H. Lee, Sep. Sci. Tehnol, 16, 25, (1981)
12 H. Hirai, M. Komiyama şi H. Yamamoto, I. Incl Phenom.,
2, 655-660, (1984)
13 H. Hirai, H. Yamanoto şi M. Komiyama, Kobunschi
Ronbunshin, 43, 109-112, (1986)
14 T. Migata, T. Iwamota şi T. Uragami, J. Appl. Polym. Sci.,
51, 2007-2014, (1994)
15 A. Yamasaki şi K. Mizogrichi, J. Appl. Polym. Sci, 51,
2957-2062, (1994)
16 B.L. Poh şi Y Mooi Chow, J. Ind. Phenom, 14, 85-90,
(1992)
17 H.J. Sahneider, D. Gütles şi U. Scheider. Angew Chem.,
Int. Ed. Engl., 5, (1986); J. Am. Chem. Soc, 110, 6449-6454
(1988)
18 C.D. Gutsche şi L.J. Bamer., J. Am. Chem. Soc. 107,
6052-6059 (1985)
19 Pascal C. Leverd, Patrick Berthault, bonique Lance şi
Martine Nielich, Eur. J. Org. Chem., 133-139, (2000)
20 Giseppe Arena, Annalinda Contina, Fabio Giuseppe
Gulina, Antonia Magri, Francesca Sansone, Domenica Scitto şi
Rocco Ungara, Tetrahedron Letters HO, 1597-1600, (1999)
21 L. Muitihac şi C. Luca: Rev. Roum. Chem., 36, 85, (1991)
22 H.J. Buschmann, L. Mitehac şi R. Mitehac: Sep. Sci.
Tehnol., 34, 331, (1999)
23 J. Lipkorveski, O.V. Kulikov şi W. Zielenkiwcz; Supamol.
Chem., 1,73, (1992)
24 L. Mutihac, R. Mutihac şi H.J. Buschniann: J. Ind.
Phenom. 23, 167, (1995)
25 H.J. Buschmann şi L. Mutihac: Rev. Roum. Chem., 42,
121 (1997)
26 S.K. Chang, H.S. Hwang, H. Son, J. Youk şi Y.S. Kang;
J. Chem. Commun, 217 (1991)
27 S. Skinkai: Tetrahidron, 49, 8933, (1993)
28 Y. Okada, Y. Kasai şi I. Nishinuera: Tetrahedron Lett., 36,
555, (1995)
29 J.H: Lee, T. Kim, S.K. Chang şi J. I. Choe: Supromol.
Chem., 4,315, (1995)
30 I.S. Antipin, I.I. Stoikor, E.M. Pinkhassik, N. Fitseva, I.
Stibor şi A.I. Konovalov: Tetrahedrom Lett., 38, 5865, (1997)
31 Y. Kuba, S. Maeda, S. Tokita şi M. Kuba: Nature 382,
522, (1996)
32 Y. Kuba, S. Hamoguchi, K. Kotani şi K. Yoshida:
Tetrahedron Lett, 32, 7419, (1991)
33 H. Tsukube: J. Chem. Soc., Chem. Commun, 970, (1983)
34 H. Tsukube: J. Chem. Soc., Perkin Trans, 1, 89, (1989)
35 H. J. Buschmann, E. Schollmeyer şi L. Mutihac: Anales de
Quimica, Int. Ed., 93, 182, (1997)
36 L. Mutihac, H.J. Buschmann şi R. Mutihac: Anales de
Quimica, Int. Ed., 95, 288, (1998)
37 Y. Takeda, K. Katsuta, Y. Yvone şi T. Hakushi, Bull.
Chem. Soc. Jpn, 61, 627, (1988)
38 D. M. Dishong, G. J. Diamond, J. Am. Chem. Soc., 105,
586, (1983)
39 R. Prasad, K. Sirkar, Handbook of Industrial Membrane
Technology, Nayes Data Corp., (1990)
40 S. Shinkay, A. A. Eddy, Biochem. J., 122, 701, (1971)
41 J. M. Lehn şi J. P. Sauvage, J. Amer. Chem. Soc., 97,
6700, (1975)
42 J. Tabushi, J. Kabuke, Y. Imuta, J. Am. Chem. Soc., 103,
6152, (1981)
43 J. M. Coelhosa şi IPSG Crespo, M. J. T. Carrondo,
Separation Science and Tech, 31, 491-511, (1996)