ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 1, с. 53-57
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 543.48:547.814.5
ЦВЕТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ
КВЕРЦЕТИНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
© 2015 г. А. Н. Чеботарев1, Д. В. Снигур
Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, химический факультет 650)82 Украина, Одесса, ул. Дворянская, 2 1Е-таИ: alexch@ukr.net Поступила в редакцию 02.10.2013 г., после доработки 20.02.2014 г.
Методом химической цветометрии изучены кислотно-основные свойства кверцетина в водных растворах и определены его константы диссоциации (рК). Значения рК отнесены к соответствующим функциональным группам кверцетина, и предложена вероятная схема их диссоциации. Построена диаграмма распределения ионно-молекулярных форм кверцетина в диапазоне рН 1 — 13.
Ключевые слова: кверцетин, химическая цветометрия, константы ионизации, диаграмма распределения.
БОТ: 10.7868/80044450215010077
Флавоноиды представляют собой одну из самых многочисленных и распространенных групп природных веществ, в значительных количествах накапливающихся в растениях [1, 2]. Эти поли-фенольные соединения являются сильными ан-тиоксидантами [3, 4]. Растущий интерес к флаво-ноидам обусловлен их широкой фармакологической активностью. Знание констант диссоциации флавоноидов позволяет понять их фармакологическое поведение и оценить характер (направление, интенсивность) электростатических взаимодействий с компонентами биологических систем, а также транспортные свойства веществ в живых организмах [5—7]. В качестве объекта исследования нами выбран кверцетин, который является слабой пятиосновной кислотой Н5А и находит применение не только в качестве компонента биологически активных добавок и лекарственных препаратов, но и как аналитический реагент [8].
ОН
НО.
ОН
[5 П он
ОН О
Можно было ожидать, что физико-химические характеристики, и в первую очередь рК такого распространенного и широко используемого соединения надежно определены. Однако на сегодняшний день не все функциональные группы
(ФГ) кверцетина охарактеризованы соответствующими значениями рК, а имеющиеся сведения разрознены, что затрудняет выбор согласующихся между собой результатов. Кроме того, кверце-тин может существовать в протонированной по карбонильному атому кислорода катионной форме Н6А+ [9, 10]; соответствующая константа про-тонизации (рК = 2.28) определена спектрофото-метрически [9]. Отсутствие надежных данных о кислотно-основных свойствах ФГ кверцетина в определенной степени усложняет описание процессов их взаимодействия с компонентами химических систем как неорганической, так и органической природы. В работе [11] систематизированы данные о рК кверцетина, полученные в 1954—2008 гг., и отмечено, что значения рК некоторых ОН-групп, установленные разными исследователями с привлечением независимых методов, отличаются на 2—4 единицы. Такую аномалию можно объяснить, по меньшей мере, двумя причинами: 1) легкой окисляемостью кверцетина, особенно в щелочной среде, и 2) близостью кислотно-основных свойств ряда его ФГ. Последняя проблема наиболее трудно разрешима при определении рК классическими физико-химическими методами. Для уменьшения и возможного устранения мешающих факторов предложены различные варианты модификации потенциометрического и спек-трофотометрического методов. Авторы работы [11] рекомендуют в процессе потенциометриче-ского титрования в водно-спиртовые растворы кверцетина добавлять неионогенное ПАВ и барбо-тировать реакционную смесь азотом. Таким спосо-
бом получены значения рК 6.62 ± 0.04 и 9.69 ± 0.25, не отнесенные к соответствующим ФГ. В работах [13, 14] для расчета рК в водном растворе был использован экстраполяционный подход, основанный на потенциометрическом определении рК в присутствии различного количества ПАВ (рК 6.51 ± ± 0.03, 3-ОН-группа) [12] или при различном содержании метанола в исследуемом растворе (рК 7.59 ± 0.06, 7-ОН-группа, и 9.33 ± 0.04) [13]. Показана [14] возможность спектрофотометри-ческого определения рК кверцетина в атмосфере азота. В работе [15] применили метод капиллярного электрофореза (КЭ), а значения рК 7.19 (7-ОН), 9.36 и 11.56 рассчитаны на основе зависимостей времени миграции компонентов системы от рН ведущего электролита. При этом частичное окисление кверцетина не влияет на результаты, поскольку продукты окисления детектируются независимо. Однако КЭ не позволяет охарактеризовать все ФГ кверцетина соответствующими константами.
Следует отметить, что в цитируемых источниках отнесение рК к конкретным ФГ выполнено частично. Использование модифицированных методик позволяет преодолеть одну из указанных выше проблем и определить рК ФГ, заметно отличающихся по кислотности. Однако ни один из предложенных вариантов модифицированных потенциомет-рических и спектрофотометрических методик не позволяет определить рК, характеризующие равновесия между близкими по кислотно-основным свойствам формами кверцетина. Альтернативный вариант решения перечисленных выше проблем — использование метода химической цветометрии (МХЦ). Суть МХЦ заключается в расчете цветовых координат равновесных ионно-молекуляр-ных форм на основе имеющихся спектрофото-метрических характеристик кислотно-основных систем. Метод позволяет различать спектрально близкие формы исследуемых веществ и получать новые данные о них [16, 17]. Показаны [17, 18] перспективы использования МХЦ для определения рК синтетических органических реагентов в растворах. Возможность цветометрического определения рК в растворах красителей природного происхождения (на основе экстрактов из растительного сырья) на примере антоцианидинов пеларгонидина и циа-нидина рассмотрена нами в работах [19, 20].
Настоящая работа посвящена детальному изучению протолитических равновесий в водных растворах кверцетина методом химической цве-тометрии и определению рК его ФГ в широком диапазоне кислотности среды.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Растворы и реагенты. Использовали реактивы квалификации не ниже ч. д. а. Исходный раствор кверцетина с концентрацией 5 х 10-4 моль/л готовили растворением точной навески реагента в
50%-м этаноле непосредственно перед использованием. Необходимую кислотность создавали добавлением растворов серной кислоты и гид-роксида натрия.
Аппаратура. Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре СФ-56 (ОКБ "ЛОМО-Спектр", С.-Петербург) в кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 см в интервале длин волн 380—780 нм. Кислотность среды контролировали стеклянным электродом ЭСЛ-63-07 в паре с хлоридсеребряным электродом сравнения ЭВЛ-1М3 на иономере И-130, отградуированном по стандартным буферным растворам.
Методика. Для определения pK в ряд мерных колб емк. 50 мл вносили по 10 мл исходного раствора кверцетина. В каждом растворе создавали соответствующее значение кислотности среды в диапазоне рН 1—12 с интервалом 1 ед. рН и разбавляли водой до метки. С целью предотвращения окисления кверцетина кислородом воздуха через исследуемые растворы пропускали азот со скоростью ~5 мл/мин. При нечетком разделении максимумов и для большей дифференциации значений pK, дискретность изменения кислотности уменьшали до 0.10 ед. рН. Ионную силу растворов поддерживали постоянной на уровне 0.05 введением рассчитанного количества KCl. С учетом разбавления исходного раствора, содержание этанола в фотометрируемом растворе не превышало 10%. Известно [21], что содержание до 10% спирта заметно не влияет на величину pK, а полученные значения констант диссоциации кверцетина можно отнести к водным растворам. В качестве альтернативного цветометрии использовали спектрофотометриче-ский метод при идентичных условиях эксперимента.
Расчеты. Использовали следующие цветомет-рические функции (ЦФ): X, Y, Z — координаты цвета в системе CIEXYZ; L, A, B — координаты цвета в системе CIELAB; насыщенность цвета (S) и удельное цветовое различие (SCD). Последние ЦФ для исследуемых растворов получали, исходя из координат цвета X, Y, Z, рассчитанных на основании зарегистрированных спектров светопогло-щения по методу избранных ординат с помощью базового программного обеспечения спектрофотометра. Значения SCD растворов кверцетина определяли по формуле:
SCD = , (1)
ApH
где АрН = рН1 — рН2, AS = |S1 — S2|, S1 и S2 — насыщенность цвета исследуемых растворов при рН1 и рН2 соответственно.
Для определения pK спектрофотометрическим методом полученные электронные спектры поглощения обрабатывали с помощью программы SpectroCalc-H5A. Алгоритм расчета pK основан на
ЦВЕТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ
55
методах итерации и множественного линеиного регрессионного анализа по методу наименьших квадратов и пригоден для исследования веществ даже в случае значительного перекрывания полос в спектрах поглощения отдельных форм [22].
Значения pK кверцетина теоретически прогнозировали, исходя из структур его ионно-моле-кулярных форм с оптимизированной геометрией, в среде программных пакетов Marvin 5.9.1. и ACDLabs Professional 6.0. Расчет pK основан на возможностях метода QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship — количественная взаимосвязь структура-свойство), которые используют в качестве дескрипторов промежуточные результаты квантово-химических расчетов [23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам проведенных спектрофото-метрических исследований в атмосфере воздуха и инертной атмосфере азота, а также соответствующих расчетов построены кривые зависимостей значений цветометрической функций 8СБ растворов кверцетина от кислотности среды (рис. 1, кривые 1 и 2). Как видно, указанные кривые имеют идентичную форму и одинаковое число максимумов различной интенсивности. Значения рН, соответствующие максимумам на кривой 1, совпадают с аналогичными значениями на кривой 2. Наличие шести максимумов на представленных графических зависимостях однозначно указывает на существование в растворе семи ион-но-молекулярных форм красителя, находящихся в динамическом равновесии в зависимости от кислотности среды. Значения рН, соответствующие каждому максимуму, численно равны значениям рК ФГ кверцетина в растворе (таблица).
Заметное по
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.