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.