научная статья по теме АНОДНОЕ ПОВЕДЕНИЕ АЛКАЛОИДОВ ПУРИНОВОГО РЯДА НА УГЛЕСИТАЛЛОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ В КИСЛОТНЫХ РАСТВОРАХ Химия

Текст научной статьи на тему «АНОДНОЕ ПОВЕДЕНИЕ АЛКАЛОИДОВ ПУРИНОВОГО РЯДА НА УГЛЕСИТАЛЛОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ В КИСЛОТНЫХ РАСТВОРАХ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2015, том 51, № 2, с. 190-196

УДК 544.653.2:543.552:547.857.4

АНОДНОЕ ПОВЕДЕНИЕ АЛКАЛОИДОВ ПУРИНОВОГО РЯДА НА УГЛЕСИТАЛЛОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ В КИСЛОТНЫХ РАСТВОРАХ © 2015 г. Л. К. Шпигун1, Е. Ю. Андрюхина, М. А. Суранова

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия

Поступила в редакцию 13.03.2014 г.

Методом циклической вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала выполнено исследование анодного поведения природных пуриновых алкалоидов, относящихся к группе М-метилпро-изводных ксантина, на углеситалловом электроде в водных растворах разбавленных кислот. Рассмотрены условия и обсужден механизм необратимого электроокисления этих веществ в кислой среде. Показаны возможности регистрации четких пиков окисления изученных алкалоидов на фоне аскорбиновой кислоты и парацетамола — электрохимически активных веществ, нередко сопутствующих им в составе лекарственных препаратов. Приведены результаты определения теофиллина и кофеина в некоторых готовых лекарственных формах.

Ключевые слова: пуриновые алкалоиды, ксантин, электрохимическое окисление, углеситалловый электрод, циклическая вольтамперометрия, лекарственные препараты

Б01: 10.7868/80424857015020139

ВВЕДЕНИЕ

В широком смысле алкалоиды — это азотсодержащие вещества растительного происхождения, которые должны удовлетворять следующим основным условиям: атом азота должен быть частью гетероциклической системы и проявлять значительную фармакологическую активность. К настоящему времени выделено свыше 10000 алкалоидов разнообразных структурных типов. Среди них широкое распространение получили так называемые пуриновые алкалоиды, к числу которых относится небольшая группа М-метил-производных ксантина [1]. Эти природные вещества обладают ярко выраженной физиологической активностью и играют большую роль в химии лекарственных средств и пищевых продуктов [2—4]. По химическому строению названные алкалоиды близки к веществам, встречающимся в животном организме, что в известной степени объясняет многосторонность их действия, отсутствие кумуляции при длительном применении, а также их малую токсичность.

Фундаментальный интерес представляет изучение химической реакционной способности алкалоидов пуринового ряда, так как их гетероаромати-ческая бициклическая система состоит из двух конденсированных колец, одно из которых (пи-римидиновое) является я-электронодефицитным,

1 Адрес автора для переписки: shpigun@igic.ras.ru (Л.К. Шпигун).

а другое (имидазольное) — я-электроноизбыточ-ным [5]. Не случайно, электрохимическое поведение этих веществ является предметом многочисленных исследований [6—11]. Важность таких исследований обусловлена еще и тем, что процессы электроокисления пуриновых алкалоидов могут служить моделью их ферментативных превращений в биологических системах [12].

В данном сообщении представлены результаты сравнительного изучения анодного поведения группы биологически важных пуриновых алкалоидов и их прекурсора — ксантина (табл. 1) на углеситалловом электроде (УСЭ) в водных растворах различных кислот.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Растворы и реактивы

Исходные растворы ксантина (0.5 мМ), теофиллина (0.01 М), теобромина (2.5 мМ) и кофеина (0.01 М) готовили ежедневно растворением точных навесок препаратов (Acros Org.) в растворах кислот. Водные растворы кислот (H2SO4, H3PO4, HClO4, HCl и CH3COOH) готовили из концентрированных кислот квалификации "ос. ч." или "ч." (Sigma-Acros Org.). Другие использованные органические вещества были квалификации "ос. ч.". Все растворы готовили на бидистиллиро-ванной воде, из которой предварительно удаляли кислород, и хранили в темных емкостях в холо-

Таблица 1. Структуры природных пуриновых алкалоидов и их прекурсора — ксантина

Структура вещества

O

R3

/ 3

5- N7 />8

N^ N

1 9 R2

R1 R2 R3

Н Н Н

СН3 СН3 Н

СН3 СН3 СН3

Н СН3 СН3

Систематическое наименование

Ксантин (3,7-дигидро-пурин-2,6-дион) Теофиллин (1,3-диметил-3,7-дигидро-1Н-пурин-2,6-дион) Кофеин (1,3,7-триметил-1Н-пурин-2,6 (3Н,7Н)-дион) Теобромин (3,7-диметил-2,3,6,7-тетра-гидро-1Н-пурин-2,6-дион)

дильнике. Растворенный кислород удаляли током азота ("ос. ч.").

Приборы и электроды

Все электрохимические измерения проводили с помощью вольтамперометрического комплекса ЭКОТЭСТ-ВА (ООО "Эконикс-Экс-перт", Москва), управляемого персональным компьютером с помощью программ MDEV, в трех-электродной ячейке при комнатной температуре (23 ± 2°C). В качестве рабочего электрода использовали УСЭ (ООО НТФ "Вольта") с рабочей поверхностью A = 7.065 мм2. Углеситалл — изотропный по свойствам пироуглеродный материал, состоящий из наноразмерных сферических частиц углерода с добавлением бора [13]. Предварительную обработку УСЭ проводили анодно-катодной поляризацией в 0.1 М HClO4 в пределах 0.0—1.5 В. Непосредственно перед измерениями электрод циклировали в растворе фонового электролита. Вспомогательным электродом служил проволочный платиновый электрод (ЭВП 1), электродом сравнения — хлоридсеребряный электрод R-173 (Kyoto Electronics). Циклические вольтамперо-граммы регистрировали при скорости развертки потенциала в пределах 0.01—0.30 В/с.

Для регистрации электронных спектров поглощения исследуемых растворов использовали спектрофотометр модели 6705 (Bibby Scientific Ltd.).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Методом циклической вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала установлено, что все изученные пуриновые алкалоиды, растворенные в водных растворах разбавленных кислот, необратимо окисляются в области анодной поляризации УСЭ в пределах 0.8—1.5 В. На рис. 1 представлены циклические вольтамперограммы, регистрируемые для этих соединений в 0.25 М растворе фосфорной кислоты. Видно, что все они дают один анодный пик (Епа) с максимумом при 1.30-1.44 В (отн. А§/А§С1).

Исходя из литературных данных можно полагать, что наблюдаемый процесс представляет собой окислительный гидролиз, протекающий с отрывом 4 электронов и 4 протонов [14-17]. Конечными продуктами окисления М-метилксантинов предположительно являются метильные производные аллоксана и мочевины [18]. Общая схема электроокисления изученных веществ в кислой среде упрощенно (без учета протонирования ими-дазольного цикла и образования интермедиатов) может быть представлена следующим образом:

O

R3

R

O

N

N

/ N

+3H2O

N

I

R2

N

—4e, -4Н

0

O^N^O

1

R2

O NHR3

+ O4 nh2

Очевидно, что окислительный процесс сопровождается разрушением сопряженной системы я-связей. При этом наиболее вероятно, что сначала происхо-

125 100 75

3 50 м

25

0

-25

800 1000 1200 E, мВ

1400

Рис. 1. Циклические вольтамперограммы, полученные для 1.0 мМ пуриновых алкалоидов (1 — теофиллин; 2 — кофеин; 3 — теобромин) на УСЭ в 0.25 М растворе фосфорной кислоты (V = 25 мВ/с).

А

Е, мВ

Рис. 2. Анодные ветви циклических вольтамперо-грамм 0.1 мМ ксантина (1) и 0.1 мМ теофиллина (2) в 0.1 М растворе фосфорной кислоты (V = 100 мВ/с). Вставка: соответствующие УФ-спектры поглощения (в ед. оптической плотности А) ксантина (1) и теофиллина (2).

дит разрыв двойной связи —С8=М9— имидазольного кольца, а затем разрыв двойной связи —С4=С5—.

Сопоставление экспериментально полученных циклических вольтамперограмм М-метил-ксантинов с циклической вольтамперограммой ксантина (Епа = 1.10 В) показало, что они схожи между собой. Однако положение максимума анодного пика зависит от структурных особенностей этих веществ. В частности, на рис. 2 представлены анодные ветви циклических вольтамперограмм ксантина и теофиллина (0.1 М Н3Р04), на которых видно, что потенциал пика окисления теофиллина сдвинут в положительном направлении почти на 200 мВ по сравнению с потенциалом пика окисления ксантина. Примечательно, что подобные изменения (батохромный сдвиг полос поглощения) происходят и на УФ-спектрах этих веществ (вставка на рис. 2). Аналогичная картина наблюдается и для других изученных алкалоидов.

Теоретически эффект уменьшения окислительной способности в ряду ксантин > теофиллин > > кофеин ~ теобромин можно объяснить исходя из предположения, что введение метильных групп в бициклическую молекулу ксантина затрудняет разрыв двойной связи —С8=М9—. Кроме того, наличие заместителей может также стериче-ски препятствовать планарной ориентации молекулы на поверхности электрода. Тот факт, что кофеин

Рис. 3. Электронные УФ-спектры поглощения (в единицах оптической плотности А), полученные до (1) и после (2) электроокисления ксантина на УСЭ в 0.1 М Н3РО4. Вставка: УФ-спектры поглощения мочевины (3) и аллоксана (4).

и теобромин наиболее близки по своим электрохимическим характеристикам, можно объяснить наличием метильной группы в положении 7 ими-дазольного кольца, присутствие которой наиболее сильно сказывается на повышении электронной плотности у углеродного атома в положении 8 [5].

Для подтверждения механизма электроокисления изученных веществ было прослежено видоизменение УФ-спектров поглощения в процессе их электролиза на УСЭ в течение 120 мин. На рис. 3 представлены УФ-спектры, полученные до (спектр 1) и после (спектр 2) анодного окисления ксантина в 0.1 М Н3Р04. Можно видеть, что первоначальный спектр 1, характерный для структуры всех пуриновых производных, состоит из двух полос поглощения разной интенсивности с максимумами в области 198 и 269 нм, соответственно. В результате электроокисления ксантина удается наблюдать заметные спектральные изменения: исчезновение полосы поглощения при 269 нм, свидетельствующее о разрыве хромофорной группы — М9—С4=С5—С6=0. При этом на спектре видна широкая полоса поглощения, характеризующая спектральные характеристики продуктов электролиза. Заметное сходство этого спектра с индивидуальными УФ-спектрами ал-локсана и мочевины (вставка на рис. 3) может служить экспериментальным подтверждением предположения о том, что эти соединения (или их метилпроизводные) являются конечными продуктами анодного окисления ксантина и его производных в кислотной среде.

Таблица 2. Сопоставление потенциалов пиков анодного окисления ксантина и его М-метилпроизводных в водных растворах различных кислот (V = 0.1 В/с)

Вещество Н3РО4 НС

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»