Экстракционно-спектрофотометрическое определение пуриновых алкалоидов в водных растворах с применением алифатических спиртов

Кофеин, теофиллин, теобромин входят в состав некоторых пищевых продуктов. Кроме того, широко применяются в фармацевтике в качестве стимуляторов физической и умственной деятельности, диуретиков, сосудорасширяющих средств, при лечении различных отравлений, коронарной недостаточности. Содержание алкалоида в препарате строго нормируется. При передозировке (более 300 мг в сутки) алкалоиды вызывают состояние тревоги, тремор, головную боль, сердечные экстрасистолии. Для установления безопасности алкалоидсодержащих пищевых продуктов и фармацевтических препаратов необходима разработка экспрессной и легковыполнимой методики определения пуриновых алкалоидов в водных средах.

Жидкостная экстракция длительное время применяется для извлечения и концентрирования органических соединений разных классов из водных растворов [1].

Содержание алкалоидов в водных объектах находится на уровне микроколичеств. Для снижения пределов обнаружения необходима стадия предварительного концентрирования, часто осуществляемая методом

жидкостной экстракции. Однако известные способы экстракции с применением гидрофобных растворителей не обеспечивают достаточную полноту извлечения и высокие коэффициенты концентрирования сульфоазокрасителей из водных сред [2]. Нами разработаны системы на основе гидрофильных растворителей, характеризующиеся повышенными экстракционными характеристиками.

Обязательным условием экстракции растворителями, частично или полностью смешивающимися с водой, является введение до экстракции в водный раствор высаливателя. Соли способствуют образованию самостоятельной органической фазы, повышают количественные характеристики экстракции – коэффициенты распределения ( D ) и степень извлечения ( R , %).

Известен коэффициент распределения кофеина, теобромина и теофиллина в системе хлороформ – вода (21,4; 0,40 и 0,30 [3], при этом степень извлечения алкалоидов из водных растворов хлороформом не превышает 10 %. Для повышения коэффициентов распределения алкалоидов нами применена экстракция алифатическими спиртами (С 3 – С 9 ) и вы-саливатель (сульфат аммония) [4].

Готовили водно-солевой раствор алкалоида с концентрацией 0,05 мкг/см³. Навеску алкалоида фармакопейной чистоты (5 мг) помещали в мерную колбу вместимостью 100 см³, растворяли в небольшом объеме воды и доводили до метки насыщенным раствором высаливателя. В качестве экстрагентов применяли спирты нормального строения (пропиловый, бутиловый, пентиловый, гексиловый, гептиловый, октиловый, нониловый). К 10 см³ полученного водносолевого раствора алкалоида добавляли 1 см³ спирта, экстрагировали на вибросмесителе (5 мин, 20±1 ºС). После разделения фаз измеряли оптическую плотность равновесного водносолевого раствора на УФ-спектрофотометре (SHIMADZU UV MINI-1240, кварцевая кювета, l = 1 см, λ = 272 нм) [5]. Максимум светопогло-щения, предварительно установленный по спектральным характеристикам растворов алкалоидов, одинаков при определении компонента в водном и водно-солевом растворах.

Коэффициенты распределения вычисляли по уравнению [6]:

D=cо, cв где со и св – концентрации алкалоида в органической и водной фазах.

Алкалоиды – высокогидратированные соединения, легко растворяются в воде и практически не извлекаются гидрофобными растворителями. Нами применена экстракция пуриновых алкалоидов алифатическими спиртами, максимальный эффект достигается в системе с наиболее гидрофильным н.пропиловым спиртом (табл.1) при извлечении наиболее гидратированного кофеина (рис.1).

В качестве высаливателя применяли сульфат аммония. Этот электролит оказывает наибольшее высаливающее действие на экстракцию алкалоидов по сравнению с другими изученными нами солями вследствие более высокой растворимости в воде по сравнению, например, с сульфатом натрия, хлоридом натрия или сульфатом лития (табл.2) [7].

С повышением растворимости соли возрастает конкурирующее влияние соответствующих ионов. Это приводит к уменьшению гидратации, следовательно, растворимости экстрагируемого вещества в воде и усилению высаливающего эффекта [8].

Т а б л и ц а 1

Коэффициенты распределения пуриновых алкалоидов ( n = 3, P = 0,95)

Спирт	Кофеин	Теобромин	Теофиллин
н.пропиловый	39,7±2,5	33,1±2,6	30,1±2,5
н.бутиловый	20,0±1,7	17,8±2,1	16,4±2,1
н.пентиловый	11,5±1,2	10,0±1,8	6,1±1,8
н.гексиловый	4,9±0,9	4,5±1,4	3,1±1,5
н.гептиловый	3,2±0,8	2,4±0,6	2,3±1,1
н.октиловый	2,6±0,5	2,0±0,4	1,2±0,7
н.нониловый	1,1±0,3	0,8±0,3	0,5±0,2

Т а б л и ц а 2

Некоторые характеристики высаливателей

Высаливатель	Моле-куляр-ная масса	Растворимость г/100 см3 Н 2 О, 200С	Плотность, г/см3
Na 2 SO 4	142,1	19,2	2,70
NaCl	58,4	36,0	2,16
Li 2 SO 4	109,9	34,2	2,03
(NH 4 ) 2 SO 4	132,2	75,4	1,77

Механизм распределения алкалоидов между водной и органической фазами во многом определяется его структурой и природой экстрагента. Присутствие воды в равновесных фазах обусловливает процессы сольватации и гидратации алкалоидов и высаливателя [9]. Сольватация алкалоидов объясняется образованием водородных связей между атомами кислорода в структуре кофеина и свободными электронными парами атома водорода ОН-групп спиртов.

В гомологическом ряду спиртов с увеличением длины углеводородного радикала их экстрагирующая способность по отношению к алкалоидам снижается. Это объясняется ослаблением водородной связи между экстрагентом и распределяемым веществом, уменьшением количества ОН–групп, снижением гидрофильности спирта [7] (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость коэффициентов распределения кофеина (1), теобромина (2) и теофиллина (3) от числа С-атомов в спиртах нормального строения

Т а б л и ц а 3 Определение алкалоидов в водном растворе, ( n = 3, P = 0,95)

Алкалоид	Введено, мкг	Найдено, мкг	Sr
Кофеин	50,0	48,4±9,62	0,08
Теобромин	50,0	49,6±10,55	0,09
Теофиллин	50,0	48,8±12,03	0,10
Кофеин	2,00	1,87±0,54	0,12
Теобромин	2,00	1,91±0,72	0,15
Теофиллин	2,00	1,89±0,82	0,17

В гомологическом ряду алкалоидов количественные характеристики экстракции снижаются в ряду:

кофеин > теобромин > теофиллин.

Это объясняется наибольшей поляризацией молекулы кофеина в растворе, и, следовательно, максимальной гидрофильностью по сравнению с теобромином и теофиллином

Рис.2. Структурные формулы кофеина ( а ), теобромина ( б ), теофиллина ( в )

Таким образом, установлена возможность извлечения кофеина гидрофильными растворителями из водных сред. Разработанная методика легковыполнима, экспрессна (30-40 мин). Воспроизводимость полученных данных проверена методом «введено– найдено» (табл. 3).

Минимально определяемые концентрации алкалоидов по предлагаемой методике находятся на уровне 0,05 мкг/см3.