Изучение реакции комплексообразования g-аминомасляной кислоты с ионами двухвалентных 3D- металлов

γ -Аминомасляная кислота (ГАМК,GABA) – важнейший тормозной нейромедиатор центральной нервной системы (ЦНС) человека и млекопитающих. ГАМК – биогенное вещество, содержится в ЦНС и принимает участие в нейромедиаторных и метаболических процессах в мозге [ru. Wikipedia. org >  Гамма-аминомасляная кислота].

Введение ГАМК вызывает тормозной процесс в коре головного мозга человека (центральное торможение), а у животных приводит к утрате условных рефлексов [1]. Известно, что соединения металлов с аминокислотами представляют особый интерес для использования в животноводстве. Ионы металлов в сочетании с аминокислотами становятся менее токсичными и могут катализировать различные биохимические процессы. Установлено, что использование хелатных соединений повышает усвоение цинка, меди, железа и марганца [Селионова М.Н., Головкина Е.М. / Использование хелатов микроэлементов  с аминокислотами в молочном скотоводстве].

Изучена         гипогликемическая активность цинковых солей оротовой и γ- аминомасляной кислот, оротовой и ε-аминокапроновой кислот, N-ацетил-ε-аминокапроновой кислоты в опытах на крысах с аллоксановым диабетом. Показано, что цинковые соли аминокислот обладают гипогликемическим (сахароснижающим) действием. Исследуемые цинковые соли аминокислот были синтезированы в лаборатории органического синтеза ВНЦ БАВ [journal microelements, ru > Микроэлементы в медицине. 2011 / В.П. Котегов, А.В. Сульдин, М.В. Липина, Н.А. Иванова, К.К. Поршнев].

Разработаны ноотропные средства, представляющие собой (RS)-N-пантоил- γ -аминомасляную кислоту и ее соли (в том числе цинковую соль), которые могут быть использованы в медицинской практике (неврологии и психиатрии) [2]. Цинковую соль авторы [2] получают действием на кальциевую соль (RS) –N-пантоил- γ -аминомасляной кислоты в водно-спиртовой среде водным раствором сульфата цинка с последующей выдержкой в течение 36 часов при комнатной температуре.

Хелатная форма цинка усваивается эффективнее, чем оксид и сульфат цинка, и имеет следующие преимущества: высокая биодоступность и усвояемость; эффективное действие при болезнях; поддержание необходимого уровня микроэлемента в организме [www. goros 21. ru / Преимущества хелатной формы цинка перед другими его неорганическими соединениями].

Цинк – очень важный микроэлемент, обладающий антиоксидантными свойствами, нормализует обмен веществ, регулирует деятельность репродуктивной системы. Он играет важную роль в процессах кроветворения, в поддержании нормальной работы иммунной системы и деятельности желез внутренней секреции, активизирует деятельность головного мозга [Zinc Glycinate].

у -Аминомасляная и е -аминокапроновая кислоты образуют комплексы хелатного характера с солями меди, имеющие темно-синюю окраску [Pandiawet. ru. Химические свойства аминокислот]. Хелптный комплекс меди используется в качестве источника микроэлемента меди. Медь играет важную роль в окислительно-восстановительных реакциях и защите организма от воздействия свободных радикалов. Медь – функциональный компонент ряда важнейших ферментов (в том числе лизинооксидазы). Недостаток меди приводит к диминерализации костной ткани. Медь играет важную роль в процессах биосинтеза гемоглобина. Недостаток меди, как и железа может привести к возникновению анемии [Хелатный комплекс меди. Листок вкладыш].

Железодефицитная анемия – наиболее распространенное заболевание нашего времени. Дефицит железа в организме приводит к снижению уровня гемоглобина в периферической крови. К развитию железодефицитной анемии приводит также недостаточность микроэлементов, среди которых наиболее важна медь, участвующая в процессе кроветворения, в синтезе гемоглобина. Важное значение в повышении биологической доступности минеральных веществ и обеспеченности организма микроэлементами имеют хелатные соединения [3]. Авторы [3] исследовали влияние тирозината меди на количественное распределение железа и меди в органах и тканях на фоне постгеморрагической анемии у белых крыс. Проведен направленный синтез комплексного соединения тирозина с медью и изучена реакция с сульфатом меди (II) в кислой среде. Показано, что хелат-комплекс меди с тирозином способствует повышению статуса меди в органах и тканях белых крыс и увеличению отложения металла в тканевых депо.

Аминокислотный хелат марганца – это доступная форма марганца, микроэлемента, необходимого для развития скелета, укрепления суставов, костей и мышечных тканей. Марганец необходим для людей с анемией на фоне недостаточности железа [4].

Из анализа литературных данных следует, что лекарственные средства, включающие ГАМК и биогенные металлы (в том числе цинк и медь) являются эффективными препаратами и используются в медицинской и ветеринарной практике.

Однако в доступной литературе отсутствуют сведения о методах синтеза комплексонатов ГАМК цинка, меди, марганца. Для изучения их биологических свойств нами проведены экспериментальные исследования по разработке способов получения комплексонатов и выделению в индивидуальном виде.

Материалы и методы . Для изучения реакции комплексообразования были использованы следующие реактивы: у -аминомасляная кислота-ZiG-MA-ALDRiCh CheMiE GmbH USA, содержание основного вещества >  99 %; сульфаты: марганца, MnSO 4 • 5H 2 O; меди, CuSO 4 • 5H 2 O; цинка, ZnSO 4 ^ 7H 2 O марки «хч».

• 1.    Синтез комплексоната марганца (II) у -аминомасляной кислоты. Раствор 1,17 г (0,00485 моль) сульфата марганца (II), MnSO 4 • 5H 2 O в 15 мл воды (рН 4) нагревают до 45-50 ° С в течение 20 минут. К гомогенному раствору гидролизата (рН 3) прибавляют 1 г (0,0097 моль) ГАМК, нагревают реакционную смесь до 45 ° С 30 минут и выдерживают при комнатной температуре 2 часа. Затем гомогенный раствор упаривают, остаток промывают этанолом и кристаллизуют. Получают 1,31 г (92,0 %) комплексоната дигидрата

• 2.    Синтез комплексоната меди (II) у -аминомасляной кислоты а) К раствору 0,5 г (0,00485 моль) ГАМК в 10 мл воды прибавляют 0,58 г (0,0024 моль) сульфата меди (II), CuSO 4 • 5H 2 O, 0,18 г (0,0022 моль), ацетата натрия и выдерживают при температуре в течение 2-3 часов. Гомогенный раствор (рН 5) ярко синего цвета упаривают, остаток растворяют в воде и высаживают этанолом. Выпавшие игольчатые голубые кристаллы отфильтровывают, промывают этанолом и сушат при комнатной температуре. Получают 0,52 г (71,23 %) комплексоната дигидрата Cu[C₄H₈O₂N]₂ • 2H 2 O. Содержание азота (%) : найдено – 9,10; вычислено – 9,21.

• 3.    Синтез комплексоната цинка у -аминомасляной кислоты. К раствору 0,5 г (0,002 моль), кальциевой соли ГАМК в 10 мл воды (рН 8) прибавляют раствор 0,57 г (0,002 моль) сульфата цинка, ZnSO₄ • 7H 2 O в 5 мл воды. Реакционную смесь перемешивают и выдерживают при комнатной температуре в течение 4-5 часов. Наблюдается выпадение осадка сульфата кальция, который фильтруют и сушат. Осадок дает качественную реакцию на катионы кальция с оксалатом аммония и на сульфат-анионы с хлоридом бария. Фильтрат после отделения сульфата кальция упаривают, белый кристаллический остаток промывают этанолом и сушат. Получают 0,21 г (63,63%) комплексоната цинка, [C 4 H 8 O 2 N] 2 Zn. Содержание азота (%): найдено – 10,28; вычислено – 10,40.

[C 4 H₅O₂N]₂Mn • 2H 2 O. Содержание азота (%) : найдено – 10,70; вычислено – 10,81.

Дигидрат комплексоната Mn (II) ГАМК кристаллический продукт светлорозового цвета, хорошо растворяется в воде, не растворяется в спирте. При температуре 130-132 ° С плавится (протекает дегидратация), при 178 ° С -наблюдается начало разложения, 190 ° -обугливание.

Дигидрат комплексоната Cu (II) ГАМК, игольчатые кристаллы голубого цвета, хорошо растворяется в воде, не растворяется в этаноле, ацетоне. При температуре 134 °С - разлагается. б) Раствор 0,58 г (0,0024 моль) сульфата меди (II), CuSO4 • 5H2O в 10 мл воды (рН 4) нагревают до 35-40 °С в течение 20 минут. К гомогенному раствору гидролизата (рН 3) прибавляют 0,5 (0,00485 моль) ГАМК, перемешивают до полного растворения. Полученный гомогенный реакционный раствор ярко синего цвета выдерживают при комнатной температуре в течение 3-х часов и упаривают. Остаток растворяют в воде, высаживают этанолом, фильтруют, промывают этанолом и сушат при комнатной температуре. Получают 0,51 г (70,0 %) комплексоната дигидрата Cu[C4H8O2N]2 • 2H2O. Содержание азота (%): найдено – 9,05; вычислено – 9,21.

Дигидрат Сu (II) ГАМК – голубые кристаллы, температура плавления 133-134 ° С.

Комплексонат цинка ГАМК – белый кристаллический продукт, хорошо растворяется в воде, не растворяется в этаноле, ацетоне. Температура разложения 210-212 ° С; температура плавления субстрата (кальциевой соли ГАМК) 96-97 ° С.

Результаты исследований. Комплексонат марганца (II) у -аминомасляной кислоты получают действием на реакционный водный раствор гидролизата сульфата марганца (II) у -аминомасляной кислотой в кислой среде (рН3) [4].

Реакция протекает по схеме:

2NH _ CH _ CH _ CH _ COOH

to+ [MnSO + 2HOH    Mn(OH) + H SO ]

рН < 7

_       [NH2_ CH2 _ CH2 _ CH2 _ COO _ ]2 Mn2                          (1)

Реакция проводится в гомогенной кислой среде и образующийся в процессе гидролиза Mn(OH) 2 не подвергается окислению. При температуре реакции 45

° С, времени 30 минут и последующей выдержки 2 часа (комнатная температура) комплексонат марганца (II) ГАМК дигидрат получают с выходом 92 % в виде кристаллов розоватого цвета. Продукт хорошо растворяется в воде, не растворяется в спирте, ацетоне. Плавится при температуре-132 ° С.

Структура комплексоната марганца (II) ГАМК подтверждена качественными реакциями на NH2-группу:с хлоридом железа (III) образуется хелат красного цвета; с сульфатом меди (II) в слабокислой среде с добавлением ацетата натрия – хелат ярко синего цвета; с раствором нингидрина наблюдается окрашивание в фиолетовый цвет; на ионы Mn2+: при действии водного раствора гидроксида натрия выпадает бледно-розовый осадок Mn(OH)2, который быстро переходит в осадок темно-бурого цвета MnO(OH)2.

Комплексонат меди (II) ГАМК получают в кислой среде двумя методами: 2а) действием на ГАМК сульфатом меди (II) и ацетатом натрия (рН 5) [5]; 2б) действием на гомогенный раствор гидролизата сульфата меди (II) (рН 3) ГАМК.

Реакции протекают по схеме:

to[CuSO + 2HOH    Cu(OH) + H SO ]

2NH _ CH _ CH _ CH _ COOH +

pH < 7 ( _ 2H O) CuSO (Ац.Na)

( _ H2SO4) pH < 7

[NH _ CH_ CH_ CH_ COO _ ] Cu

При соотношении субстрата и реагента (2 : 1) в молях (методы 2а, 2б) в кислой среде реакция протекает в гомогенной фазе. В мягких условиях (выдержка при комнатной температуре 3 часа) комплексонат меди (II) ГАМК получают с выходом 70-71 % в виде игольчатых кристаллов голубого цвета с температурой плавления 133-134 ° С. Продукт хорошо растворяется в воде, не растворяется в спирте (очищается высаживанием из водного раствора этанолом).

Структура комплексоната меди (II) ГАМК подтверждена качественными реакциями: на NН 2 группу – с FeCl 3 образуется хелат красного цвета; на ионы Cu²⁺ – с K 4 [Fe(CN) 6 ] образуется осадок Cu 2 [Fe(CN) 6 ] красно-бурого цвета.

Разработанный ранее нами [6,7] эффективный способ получения комплексонатов а-аминокислот с биогенными металлами в щелочной среде в реакциях с у-аминомасляной кислотой менее технологичный.

При использовании в качестве реагента реакционную смесь сульфата меди (II) и гидроксида натрия (рН 10) комплекообразование ГАМК с ионами Cu²⁺ протекает медленнее, чем образование гидроксида меди (II). При этом происходит выпадание обильного труднорастворимого осадка Cu(OH) 2 , процесс переходит в гетерогенную фазу и выход целевого продукта снижается.

Для синтеза комплексоната цинка ГАМК в качестве субстрата использована полученная нами кальциевая соль ГАМК и реагента – сульфат цинка. Реакция протекает в водной среде в гомогенной фазе.

Схема реакции:

[NH - CH 2 - CH 2 - CH 2 - COO -hCa + ZnSO._; >

~ _o^ --> [NH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - COO -] 2 Zn

—N aSO4

При эквимольном соотношении субстрата и реагента в мягких условиях – в водной среде, при комнатной температуре и выдержке 4-5 часов, получают комплексонат цинка ГАМК с выходом ~ 64 % в виде белых кристаллов. Продукт хорошо растворяется в воде , не растворяется в спирте, ацетоне. При температуре 210-212 ° С разлагается.

Структура комплексоната цинка ГАМК подтверждена качественными реакциями: на NH 2 -группу (реакции с FeCl 3 , СuSO₄); на ионы Zn²⁺ – c K 3 [Fe(CN) 6 ] 2 ,образуется желто-коричневый осадок Zn 3 [Fe(CN) 6 ] 2 с NaOH – белый гелеобразный осадок Zn(OH)₂. Выпавший из реакционной смеси осадок СаSO 4 дает качественные реакции: на Ca²⁺ с оксалатом

2— аммония – осадок cac2O4 и на SO с хлоридом бария – осадок BaSO4.

При использовании в качестве реагента реакционную смесь сульфата цинка и гидроксида натрия (рН 10) и субстрата ГАМК происходит выпадание обильного труднорастворимого гелеобразного осадка Zn(OH) 2 , процесс переходит в гетерогенную фазу и выделение целевого продукта осложняется.

Заключение. Исследована реакция комплексообразования у-аминомасляной кислоты с ионами марганца (II), меди (II), цинка. Показано, что способ синтеза комплексонатов марганца, меди ГАМК основан на использовании в качестве реагентов гидролизатов сульфатов соответствующих металлов в кислой среде; способ получения комплексоната цинка ГАМК основан на реакции замещения при действии на кальциевую соль ГАМК сульфатом цинка. В результате экспериментальных исследований выявлены факторы, влияющие на процесс комплексообразования: технологические приемы смешивания субстрата и реагента, их соотношение, гомогенность реакционной смеси, рН реакции, температурные режимы. В оптимальных условиях целевые продукты получают с хорошими выходами, что позволяет проводить изучение их биологических свойств.

Резюме

В результате экспериментальных исследований выявлены факторы, влияющие на процесс комплексообразования: технологические приемы смешивания субстрата и реагента, их соотношение, гомогенность реакционной смеси, рН реакции, температурные режимы.

STUDY OF Γ-AMINOBUTYRIC ACID COMPLEX FORMATION WITH IONS OF BIVALENT