ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 5, с. 349-353
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ =
УДК 544.5
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АКЦЕПТОРОВ ЗАРЯДА НА ПРОЦЕСС РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКОГО КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ИНДОЛ-СЕРИН © 2015 г. Л. Н. Жигунова, Г. В. Ничипор, О. В. Шевцова
Государственное научное учреждение "Объединенный институт энергетических и ядерных исследований — Сосны"НАНБеларуси 220109, Беларусь, Минск, ул. Академика А.К. Красина, 99 E-mail: lara.zhigunova@mail.ru Поступила в редакцию 01.07.2014 г. В окончательном виде 17.02.2015 г.
Значительный интерес к радиационно-химическому карбоксилированию системы индол—серин обусловлен перспективой ее использования для получения незаменимой аминокислоты — триптофана. В данной работе исследуется влияние акцепторов заряда — дифенила и перекиси водорода на кинетику радиолиза системы. Установлено, что сольватированный электрон оказывает определяющую роль в механизме образования триптофана.
DOI: 10.7868/S0023119315050198
Растущие потребности в аминокислотах предполагают ведение поисков новых эффективных и экономически выгодных методов их синтеза. Эта задача является весьма актуальной, в частности, для получения триптофана. Как и все аминокислоты, Р-индолиламинопропионовая кислота (триптофан) может быть получена путем гидролиза белоксодержащих субстратов, микробиологическим, химико-энзиматическим и химическим методами. Наиболее старым способом получения Р-индолиламинопропионовой кислоты является выделение ее из гидролизата белоксодержащих субстратов. Однако триптофан присутствует в белках в незначительных количествах и, кроме того, при гидролизе белков происходит его частичное разрушение, поэтому получение триптофана гидролизным методом малоэффективно, от него практически отказались.
Успехи получения триптофана микробиологическим синтезом, достигнутые в последние годы, до настоящего времени полностью не устранили существенные недостатки этого метода — трудность в подборе, выделении и адаптации микроорганизмов.
Химические способы получения Р-индолил-аминопропионовой кислоты [1, 2] имеют ряд общих недостатков: используются дефицитные продукты, получаемые в малых количествах; характеризуются многостадийностью процессов.
В отличие от вышеперечисленных методов при облучении ионизирующей радиацией процесс получения триптофана протекает в одну стадию, что и делает его наиболее перспективным
для получения Р-индолиламинопропионовой кислоты, а учитывая высокую стоимость и большие потребности в триптофане, подобное направление может оказаться весьма перспективным.
Целью настоящей работы является изучение влияния акцепторов заряда на механизм образования Р-индолиламинопропионовой кислоты при карбоксилировании спирто-водной системы индол—серин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Радиолиз осуществляли у-лучами радиоактивного изотопа 60Со на у-установке УГУ-420А в статических условиях при мощности дозы 1.2 Гр/с.
Изучаемую систему, состоящую из спиртового раствора индола и водного раствора серина в соотношении 1 : 1, насыщенную углекислым газом и подвергшуюся радиационной обработке, исследовали методом тонкослойной хроматографии для определения аминокислот, а концентрации НДМА (нитрозодиметиламин) и его предшественников анализировали на программно-аналитическом комплексе КАНАС-2 [3]. Погрешность определения составила ±5%.
В качестве акцепторов заряда использованы дифенил и продукт радиолиза воды — перекись водорода.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Зависимость содержания триптофана от концентрации акцептора заряда — дифенила при ра-
[с]тр, ммоль/мл 30 20 10
6 8 10 [с]дф, х10-3 м/л
Рис. 1. Изменение концентрации триптофана от добавок дифенила.
диационно-химическом карбоксилировании в системе индол—серин представлена на рис. 1.
Из рис. 1 следует, что в рассматриваемой системе с увеличением концентрации дифенила содержание конечного продукта за счет протекания реакции сольватированного электрона с дифени-лом уменьшается:
+ е.
aq
(1)
Н2О
Н2О2 + ОН + Н + e-q + Н2
[с]тр, моль/мл 20
15
10
5
Для уточнения механизма образования Р-ин-долиламинопропионовой кислоты проведены исследования по влиянию другого акцептора заряда, являющегося продуктом радиолиза воды — перекиси водорода.
На рис. 2 представлена зависимость образования триптофана в системе индол—серин от концентрации перекиси водорода. Из рисунка видно, что за счет взаимодействия перекиси водорода с сольватированным электроном, согласно реакции (2), также происходит снижение концентрации триптофана, как и в случае дифенила:
е^ + Н2О2 ^ 'ОН + ОН-, К = 1.2 х 1010. (2)
Поскольку исследуемые растворы содержат органические примеси с общей концентрацией не более 0.3 мас. %, непосредственное действие ионизирующей радиации на индол, серин, дифе-нил незначительно. При этом более чем 99.7% ускоренных электронов, возникших в среде в качестве вторичных, взаимодействуют с молекулами воды, производя химически активные корот-коживущие частицы: гидратированный электрон
(е-„), атомы Н и радикалы ОН по реакции (3):
[C]H2O2, м/л
Рис. 2. Влияние добавок перекиси водорода на выход триптофана в системе индол—серин.
мы и ОН-радикалы в исследуемой системе будут преимущественно взаимодействовать с этанолом. Сольватированный электрон не взаимодействует с этанолом, но взаимодействует либо с индолом либо с серином. Поэтому только при взаимодействии сольватированного электрона с индолом и серином могут образовываться индольный радикал и радикал аланина взаимодействие которых между собой дает триптофан (реакции (4)—(6)).
Предположим, что сольватированный электрон, взаимодействуя с индолом, может отрывать Н-атом (либо через образование анион-аддукта, либо непосредственно) при этом будет образовываться молекулярный водород и ОН- (реакция 4):
+ е
-- k1 aq
N
I
H -C-
(4)
J
+ иЫ20 + OH- + H2.
N
I
Н
Гидроксиаминокислоты, такие как серин и треонин, вступая в реакции с сольватированным электроном, как и алифатические спирты могут подвергаться диссоциативному распаду с элиминированием ОН- (реакция 5) [4]:
ОН
^ ■ -2, (3)
с радиационно-химическими выходами 0.7; 2.8; 0.55; 3.0; 0.45 молекул/100 эВ соответственно [4—8]. Рассмотрим механизм образования триптофана в исследуемой системе. В спиртово-водном растворе концентрация этанола намного превышает концентрации серина и индола, поэтому Н-ато-
I H
C—C—COO- + е-
H2 I S
nh2
H
(5)
— H2C--C—COO- + иЫ2о + OH-.
I
NH2
При написании реакции (5) мы учли, что взаимодействие сольватированного электрона по
Таблица 1. Константы скорости реакций л/(моль с) еаф Н, ОН с органическими веществами при комнатной температуре [9]
Вещество еад Н ОН О-
Глицин 5.0 х 109 при рН 1; 2; 3 [5] 7.8 х 106 при рН 6.2-8.5 [5] 1.8 х 106 при рН 11; 11.8 [5] 4.8 х 107 при рН 2 [5] 9.0 х 104 при рН 7 [5] 1.2 х 107 при рН 1-3 [5] 1.7 х 107 при рН 5.8-6.7 [5] 2.0 х 1010 при рН 9.5-12 [5] 5.6 х 108 при рН 14 [5]
Индол 1.9 х 108 при рН 7.7 [10] 4.1 х 109 при рН 1 [11] 3.2 х 1010 при рН 9 [12] -
В, /-серин <3 х 107 при рН 6.1 [13] (2.5 ± 1.1) х 106 при рН 1.0 [17] 3.2 х 108 при рН 6 [14] -
Дифенил 1.2 х 1010 при рН 9[15] 5.0 х 109 при рН 3 [15] 1.0 х 1010 [16] -
карбоксильной группе органических кислот происходит эффективно только тогда, когда эта группа протонирована. В нашем случае при рН 6—7 в аминокислоте карбоксил находится в диссоциированном состоянии и не реакционноспособен по отношению к электрону.
Механизм образования триптофана в смеси серин—индол можно представить как взаимодействие радикалов, образующихся по реакциям (4) и (5), которое приводит к образованию триптофана по реакции (6):
-С-
J
Н
I
+ С Н
1
Н
—с—СОО-
I
КН2
Н
-С-С-СОО-Н2 | КН2
(6)
Данные, представленные в табл. 1, использованы для расчета вероятностей взаимодействия сольватированных электронов, ОН-радикалов и Н-радикалов с серином, индолом и дифенилом. Результаты этих расчетов представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 1, взаимодействие глицина с сольватированным электроном показывает, что константа скорости этой реакции существенно зависит от рН раствора. Такая зависимость характерна и для константы скорости взаимодействия сольватированного электрона с индолом. Для рассматриваемого процесса константа скорости реакции известна при рН 7.7 и 11, в нашей анализируемой системе рН 6.5, поэтому мы оценили ее величину, исходя из суммарного экспериментального радиационно-химического выхода аланина
и триптофана в системе индол—серин с учетом механизма реакций (1)—(6). Полученное значение константы скорости взаимодействия сольва-тированного электрона с индолом составило 0.7 х 108 л/(моль с). Вероятность взаимодействия соль-ватированного электрона с индолом в исследуемом растворе рассчитана с учетом этой константы скорости и представлена в табл. 2.
Сравнение вероятностей взаимодействия соль-ватированного электрона с серином, индолом и ди-фенилом в исследованной области концентраций дифенила показывает (табл. 2), что сольватирован-ный электрон будет взаимодействовать с дифени-лом с вероятностью, сравнимой с вероятностями его взаимодействия с серином и индолом. В этом случае процесс образования радикалов из серина и индола по реакциям (4) и (5) в присутствии дифе-нила подавляется, и, соответственно, образование триптофана по реакции (6) уменьшается. Вероятность взаимодействия радикалов Н и ОН с дифенилом мала по сравнению с вероятностью их взаимодействия с серином и индолом.
Аналогичным путем можно показать, что при введении добавок перекиси водорода в систему индол—серин в результате эффективного взаимодействия сольватированного электрона с переки-
Таблица 2. Вероятность взаимодействия сольватированных электронов, Н и ОН радикалов в исследуемой системе
Вещество еад Н ОН
Серин 3.1 х 106 2.5 х 105 2.5 х 107
Индол 0.7 х 107 4.1 х 108 3.2 х 109
Дифенил 0.96 х 108 4.0 х 107 8.0 х 107
Таблица 3. Зависимость выхода ß-индолиламинопро-пионовой кислоты от концентрации дифенила
[с]диф, м/л [с]тр, ммоль/мл мол/100 эВ ±G
0 14.3 0.6 0.09
2 х 10-3 10.0 0.33 0.07
4 х 10-3 6.9 0.22 0.05
6 х 10-3 7.3 0.24 0.05
8 х 10-3 5.8 0.2 0.04
сью водорода подавляется процесс образо
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.