Молекулярное комплексообразование циклодекстринов с бензойной кислотой, кверцетином и куркумином в водно-органических растворителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат наук Кабиров Джовидон Нурмахмадович

• Кабиров Джовидон Нурмахмадович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кабиров Джовидон Нурмахмадович

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Комплексы включения циклодекстринов с бензойной кислотой и ее производными

1.2. Комплексы включения циклодекстринов с флавоноидами

1.3. Сольватация и протолитические равновесия участников молекулярного

комплексообразования в водно-органических растворителях

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Изотермическая калориметрия титрования

2.1.1. Исследование реакций образования молекулярных комплексов бензойной кислоты, кверцетина и куркумина с циклодекстринами в растворителях вода-этанол и вода-диметилсульфоксид

2.2. Метод фазовой растворимости

2.3. 1Н ЯМР-спектроскопии бензойной кислоты с в-циклодекстрином в растворителе вода-диметилсульфоксид переменного состава

2.4. УФ-спектроскопия

2.5. Дифференциальная сканирующая калориметрия

2.6. ИК-спектроскопия

2.7. Используемые реактивы

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Термодинамические параметры комплексообразования бензойной кислоты, кверцетина и куркумина с циклодекстринами в растворителях

вода-этанол и вода-диметилсульфоксид

3.1.1. Термодинамические параметры комплексообразования бензойной кислоты с в- и у-циклодекстринами в растворителе вода-этанол и вода-диметилсульфоксид переменного состава

3.1.2. Термодинамические параметры комплексообразования кверцетина и куркумина с гидроксипропил-Р-циклодекстрином в растворителе вода-этанол переменного состава

3.2. Анализ сольватационных вкладов реагентов в изменение термодинамических параметров молекулярного комплексообразования

3.2.1. Влияние сольватации реагентов на реакцию образования комплекса [БК Р-СБ] в растворителях вода-этанол и вода-диметилсульфоксид

3.2.2. Влияние сольватации реагентов на реакции образования комплексов [ОСТ ИР-р-СБ] и [СШС ИР-р-СБ] в растворителе вода-этанол

3.3. Влияние циклодекстринов и растворителей вода-диметилсульфоксид и вода-этанол на выходы комплексов включения и на растворимость бензойной кислоты, кверцетина и куркумина

3.4. Структурные и термические характеристики комплексов включения

3.4.1. Результаты 1Н ЯМР-спектроскопии бензойной кислоты с Р-циклодекстрином в растворителе вода-диметилсульфоксид

3.4.2. Результаты ДСК комплексов бензойной кислоты с Р-циклодекстрином и куркумина с гидроксипропил-Р-циклодекстрином

3.4.3. Результаты ИК - спектроскопии комплексов [БК Р-СБ] и [ОСТ ИР-Р-

СБ]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярное комплексообразование циклодекстринов с бензойной кислотой, кверцетином и куркумином в водно-органических растворителях»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы исследования.

Информация о термодинамических и структурных характеристиках комплексов включения бензойной кислоты (БК), кверцетина (ОСТ) и куркумина (СЦЕС) с циклодекстринами (СЭ) в водно-органических растворителях необходима при разработке инновационных фармацевтических композиций на основе гидрофобных полифенольных биоактивных молекул. Полифенолы природного происхождения - флавоноиды ОСТ и СЦЯС широко используются в фармацевтике благодаря своим антиоксидантным свойствам, однако их низкая растворимость в воде ограничивает их биодоступность. В присутствии СЭ растворимость фенольных кислот и флавоноидов, а также их устойчивость к гидролизу, термо- и окислительной деструкции повышается в результате образования комплексов включения типа «гость-хозяин». СЭ имеют гидрофильную внешнюю поверхность и сквозную гидрофобную полость, по своим размерам сопоставимую с размерами многих органических соединений.

Оптимизировать уникальные свойства СЭ как солюбилизаторов гидрофобных органических молекул при проведении процессов инклюзионного комплексообразования возможно за счет целенаправленного использования растворителя и рН. Кроме того, в неводных средах растворимость производных фенола выше, чем в воде, что может также благоприятствовать процессам инклюзионного комплексообразования. Эффект влияния среды позволит изменить сольватное состояние реагентов и целенаправленно регулировать устойчивость комплексов и энергетику реакций их образования.

Исследование процессов образования комплексов включения гидрофобных молекул с циклодекстринами на примере взаимодействий бензойной кислоты как модельной структурной единицы фенольных производных, полифенолов кверцетина и куркумина с нативными и

модифицированными циклодекстринами в водно-органических растворителях позволит выявить возможности использования растворителя как фактора управления процессами инклюзионного комплексообразования.

Целью настоящей работы является установление закономерностей и выявление особенностей влияния сольватации реагентов на устойчивость молекулярных комплексов Р-циклодекстрина (Р-СБ), гидроксипропил-Р-циклодекстрина (ИР-Р-СБ) и у-циклодекстрина (у-СБ) с БК, ОСТ, СШС и на термодинамические характеристики реакций их комплексообразования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• определить термодинамические характеристики ДН0, Дг^0, 7ДГ5°) реакций образования комплексов включения БК, ОСТ и СЦЯС с Р-СБ, ИР-Р-СБ и у-СБ в растворителях вода-этанол (И20-БЮИ) и вода-диметилсульфоксид (И20-БМ80) переменного состава;

• провести анализ влияния сольватации реагентов на изменение энергии Гиббса, энтальпии и энтропии реакций образования молекулярных комплексов при переходе от воды к растворителям И20-БЮИ и И20-0М80;

• определить термические и спектральные характеристики комплексов включения [БК р-СБ], [ОСТ ИР-р-СБ] и [СШС ИР-р-СБ] в кристаллическом состоянии;

• определить растворимость БК и СЦЯС в растворителях Н20-ЕЮН и H20-DMS0 переменного состава в присутствии Р-СБ и ИР-Р-СБ соответственно.

Научная новизна.

Впервые определены термодинамические параметры ДН0, Дг^0,

7ДГ5°) реакций образования комплексов включения [БК Р-СБ], [БК у-СБ], [ОСТ ИР-р-СБ] и [СШС ИР-р-СБ] в растворителях И20-ЕЮИ и И20-БМ80 переменного состава при различных значениях рИ. Установлено, что

увеличение концентрации ЕЮН в растворителе H2O-EtOH обуславливает снижение устойчивости комплексов [БК Р-CD] и ^СТ ИР-Р-СБ] преимущественно за счет усиления сольватации БК и ОСТ. Устойчивость комплексов БК с у-СБ в растворителе Н20-ВМБ0 выше, чем с Р-СБ.

Теоретическая и практическая значимость. Получены надежные и достоверные термодинамические параметры ДН0, Дг^0, 7ДГ5°) реакций образования комплексов включения СБ с БК, QCT и CURC в растворителях Н20-ЕЮН и Н20-0МБ0 переменного состава, которые могут быть использованы для оценки устойчивости комплексов включения СБ с БК и с полифенолами в неводных средах; могут быть применены в качестве справочных термодинамических данных для разработки технологий синтеза новых фармкомпозиций на основе полифенолов и СБ, а также для использования в учебных и научных целях при подготовке студентов и аспирантов, изучающих физическую химию и теоретические основы химической технологии.

Методология и методы исследования. Методологию исследования составили положения сольватационно-термодинамического подхода, основанного на взаимосвязи термодинамических характеристик реакций комплексообразования и сольватации реагентов. Для обоснования полученных результатов исследования автором были использованы научные труды отечественных и зарубежных исследователей в области изучения проблем химии растворов, процессов комплексообразования и сольватации, физической и структурной химии.

Для проведения исследований были использованы такие методы как: изотермическая калориметрия титрования, дифференциальная сканирующая калориметрия, 1Н ЯМР-, УФ- и ИК-спектроскопия, метод фазовой растворимости, проведена математическая обработка результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) термодинамические характеристики реакций образования комплексов включения [БК р-СБ], [ОСТ НР-р-СБ], [СШС НР-р-СБ] в растворителе H2O-EtOH переменного состава и комплексов включения [БК Р-СБ], [БК у-СБ] в растворителе H2O-DMSO переменного состава;

2) результаты анализа сольватационных вкладов реагентов в изменение устойчивости комплексов включения [БК Р-СБ], [ОСТ НР-Р-СБ], [СиЯС НР-Р-СБ] и в изменение термодинамических характеристик реакций их образования в соответствующих растворителях;

3) спектральные и термические характеристики комплексов [БК Р-CD] и [СиЯС НР-Р-СБ] в кристаллическом состоянии.

Достоверность полученных результатов обеспечена надежностью работы аппаратуры (работоспособность научного оборудования проверялась по результатам калибровок); воспроизводимостью результатов экспериментов; сходимостью ряда значений с имеющимися в литературе данными; публикацией основного экспериментального материала и обсуждения полученных результатов в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий.

Апробация результатов. Основные положения работы были представлены на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: XI Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново 2017, 2019); XXI Всероссийской конференции молодых ученых-химиков (с международным участием) (Нижний Новгород 2018); XIII Международной научной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Суздаль 2018); Международной конференции «Комплексные соединения и аспекты их применения» (Душанбе, Таджикистан 2018); 5-й Центральной и восточно-европейской конференции по термическому анализу и калориметрии (СЕЕС-ТАС5) и 14-й

Средиземноморской конференции по термическому анализу и калориметрии (Medicta 2019) (5th Central and Eastern European Conference on Thermal Analysis and Calorimetry & 14th Mediterranean Conference on Calorimetry and Thermal Analysis) (Рим, Италия 2019); XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург 2019); XVI International conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia (RTAC-2020) (Moscow 2020).

Личный вклад автора. Основу диссертации составляют результаты экспериментальных исследований и теоретических обобщений, выполненных при непосредственном участии автора. Постановка целей и задач исследования, разработка экспериментальных подходов, обобщение результатов и их обсуждение, а также написание научных статей выполнены автором совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 4 статьи в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 204 наименования. Работа изложена на 152 страницах и содержит 59 рисунков и 57 таблиц.

Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР (тема № FZZW-2020-0009), при финансовой поддержке РФФИ и ВАНТ [проект №19-53-54004], и Министерства иностранных дел и международного сотрудничества Италии [гранты для иностранных граждан, не проживающих в Италии, и итальянских граждан, проживающих за рубежом, № 946-22/10/2018].

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫМ ОБЗОР ВВЕДЕНИЕ

Разработка новых лекарственных средств является одним из стратегических направлений развития фармацевтической промышленности Российской Федерации. При создании лекарственных препаратов нового поколения основное внимание ученых обращается на достижение высокой биодоступности, адресной доставки, низкой токсичности, а также регулируемого высвобождения фармакологически активного компонента из лекарственной формы. Достижение перечисленных требований, предъявляемых к современным инновационным препаратам, может быть достигнуто путем микрокапсулирования с помощью СБ.

Циклодекстрины представляют собой циклические олигосахариды природного происхождения, обладающие внутренней молекулярной полостью и внешней поверхностью, сформированной гидроксильными группами (рис. 1.1, 1.2 и табл. 1.1).

б

д

Рисунок 1.1 - Схематическое строение молекулы циклодекстрина. Таблица 1.1 - Геометрические параметры циклодекстринов.

а

в

г

Циклодекстрины Размерность, нм

а б в г д

а-СБ 0.45 1.32 0.57 1.37 0.78

Р-СБ 0.61 1.49 0.78 1.53 0.78

у-СБ 0.77 1.61 0.95 1.69 0.78

Рисунок 1.2 - Структуры трёх основных циклодекстринов.

Благодаря своему строению, CD способны к образованию водорастворимых комплексов включения с различными органическими субстратами. Различное влияние водной и неводной сред на молекулярное комплексообразование позволяет предположить возможность изменения селективной способности СЭ и использование растворителя для получения молекулярных комплексов с заданными устойчивостью и энергетикой реакций их образования. Такое предположение основывается на понимании роли растворителя не только как среды, но и как участника химических взаимодействий.

В данном обзоре представлен анализ литературных источников по исследованию взаимодействий циклодекстринов с представителями различных классов биологически активных молекул-«гостей», которые уже используются в фармацевтических композициях или представляются перспективными для разработки новых лекарственных препаратов.

1.1. Комплексы включения циклодекстринов с бензойной кислотой

и ее производными

Термодинамические характеристики процессов образования комплексов включения циклодекстринов с БК и ее производными в воде [119] и структуры образующихся комплексов в кристаллическом состоянии [2026] представлены в многочисленных литературных источниках. В большинстве из них указывается на образование комплексов стехиометрии 1: 1 за счет преобладания ван-дер-ваальсовых взаимодействий и Н-связывания между молекулами-гостями и циклодекстринами. В работах [1-7] исследовано комплексообразование нативных и гидроксипропилированных а-, в- и у-циклодекстринов с бензойной кислотой и ее производными (рис. 1.3) в водном растворе методами изотермической калориметрии титрования, денсиметрии, 1Н ЯМР и УФ-спектроскопии при 298.15 К.

бензойная кислота (БК)

орто-аминобензойная кислота (оАБК)

соон

н,м

мета- пара-

аминобензойная аминобензойная кислота (мАБК) кислота (пАБК)

Рисунок 1.3 - Структурные формулы бензойной кислоты и ее производных.

Стандартные термодинамические параметры комплексообразования БК и ее производных с циклодекстринами систематизированы в работе [27] и представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Термодинамические параметры комплексообразования (1gK0, ДгО°, ДН°, Дг5°) циклодекстринов с бензойной и аминобензойными кислотами в воде при 298.15 К [27].

Комплекс ДгО°, кДж/моль ДгН°, кДж/моль кДж/моль Метод

1 2 3 4 5 6

БК/а-СБ 2.95±0.08 -16.9±0.5 -38.8±0.5 -21.9±0.7 калориметрия

2.95±0.02 -16.9±0.1 - - 1Н ЯМР

Продолжение Таблицы 1.2

1 2 3 4 5 6

БК/а-СБ 2.9±0.1 -16.7±0.6 - - денсиметрия

БК/НР-а-СБ 2.9±0.3 -16.3±1.5 -29.2±0.5 -12.9±1.6 калориметрия

2.86±0.07 -16.3±0.4 - - 1Н ЯМР

2.8±0.2 -15.7±1.2 - - денсиметрия

БК/р-СБ 2.6±0.1 -14.7±0.7 -13.4±0.4 1.3±0.8 калориметрия

2.6±0.1 -14.6±0.6 - - 1Н ЯМР

2.4±0.2 -13.5±1.1 - - денсиметрия

БК/НР-Р-СБ 2.8±0.2 -15.7± 1. 1 -14.3±0.4 1.4±1.2 калориметрия

2.65±0.09 -15.1±0.5 - - 1Н ЯМР

2.6±0.2 -14.5±1.1 - - денсиметрия

БК/НР-у-СБ(1:2) 3.9±0.3 -22.0±1.7 -24.1±0.7 -2.1±1.8 калориметрия

4.3±0.1 -24.5±0.6 - - 1Н ЯМР

4.3±0.1 -24.6±0.6 - - денсиметрия

мАБК/а-СБ 1.8±0.2 -10.3±1.1 -21.9±0.6 -11.6±1.3 калориметрия

1.8±0.4 -10.3±2.3 - - 1Н ЯМР

1.7±0.2 -9.7±1.1 - - денсиметрия

мАБК/НР-а-СБ 2.0±0.2 -11.4±1.1 -16.7±0.3 -5.3±1.1 калориметрия

2.0±0.1 -11.4±0.6 -15.9±0.7 -4.5±0.9 УФ- спектрофотометрия

мАБК/НР-а-СБ 1.8±0.1 -10.3±0.6 - - 1Н ЯМР

_1 - - - денсиметрия

мАБК/р-СБ 1.8±0.1 -10.3±0.6 -2.2±0.1 8.1±0.6 калориметрия

1.8±0.3 -10.3±1.7 - - 1Н ЯМР

1.85±0.03 -10.6±0.2 - - УФ- спектрофотометрия

1.8±0.2 -10.3±1.1 - - денсиметрия

мАБК/НР-Р-СБ 1.9±0.3 -10.8±1.7 - - 1Н ЯМР

2.0±0.1 -11.4±0.6 -0 -11.4 УФ- спектрофотометрия

1.9±0.1 -10.8±0.6 - - денсиметрия

мАБК/НР-у-СБ - - -0 -7.5 калориметрия

Продолжение Таблицы 1.2

1 2 3 4 5 6

мабк/hp-y-CD 1.3±0.1 -7.5±0.6 - - 1H ЯМР

_1 - - - денсиметрия

пАБК/a-CD 3.2±0.2 -18.3±1.1 -41.0±0.4 -22.7±1.2 калориметрия

3.1±0.6 -17.7±3.4 - - 1H ЯМР

2.8±0.2 -16.0±1.1 - - денсиметрия

пАБК/HP-a-CD 3.2±0.2 -18.3±1.1 -36.5±0.5 -18.2±1.2 калориметрия

3.1±0.3 -17.7±1.7 - - 1H ЯМР

2.9±0.3 -16.6±1.7 - - денсиметрия

пАБК/ß-CD 2.9±0.1 -16.6±0.6 -14.2±0.2 2.4 калориметрия

2.8±0.6 -16.0±3.4 - - 1H ЯМР

2.8±0.3 -16.0±1.7 - - денсиметрия

пАБК/HP-ß-CD 2.9±0.2 -16.6±1.1 -11.7±0.3 4.9±1.1 калориметрия

2.8±0.4 -15.9±2.3 - - 1H ЯМР

2.6±0.3 -14.8±1.7 - - денсиметрия

пабк/hp-y-CD(1:2) 3.8±0.2 -21.7±1.1 -32.9±0.6 -11.2±1.3 калориметрия

4.3±0.2 -24.5±1.1 - - 1H ЯМР

4.1±0.4 -23.4±2.3 - - денсиметрия

1 - расчет К оказался затруднительным из-за небольших объемных изменений.

Образование комплексов включения со стехиометрией 1:1 было обнаружено в большинстве случаев, за исключением HP-y-CD, который способен образовывать с БК и её производными комплексы 1:2. Полученные данные свидетельствуют о проникновении карбоксильной группы бензойной кислоты внутрь макроциклической полости, причем ее встраивание в полость Р-СБ более глубокое, чем в полость а-СБ. Это может быть объяснено большим диаметром полости Р-СБ по сравнению с а-СБ. Полученные термодинамические параметры были проанализированы с точки зрения влияния структуры циклодекстринов на процесс молекулярного связывания. Было обнаружено, что комплекс включения БК с а-СБ энтальпийно стабилизирован. Гидроксипропильные группы способствуют связыванию БК

с ИР-Р-СБ и препятствуют его комплексообразованию с ИР-а-СБ и ИР-у-СБ [2].

Комплексообразование гидроксипропил-Р-циклодекстрина с мета- и пара-аминобензойными кислотами, в основном, обусловлено энтропийным фактором [6], что авторы связывают с дегидратацией растворенных веществ, происходящей при глубоком проникновении аминобензойных кислот в полость ИР-Р-СБ. Введение гидроксипропил- и метилзаместителей в молекулу Р-СБ приводит к незначительному повышению устойчивости образующихся комплексов [5].

Авторами работ [8, 9] было исследовано влияние инклюзионного комплексообразования на флуоресценцию производных бензойной кислоты. В работе [8] влияние Р-СБ на спектры поглощения и флуоресценции 3,4,5-тригидроксибензойной кислоты (ТИВ) было изучено в буферных растворах при различных значениях рН (рИ=1, рИ=7 и рИ=10). Установлено, что ТНВ также образует с P-CD комплекс включения стехиометрии 1:1. Структура комплексов, предложеная авторами [8], представлена на рис. 1.4. Двойная люминесценция наблюдается при рН=1 и рН=7. Это показывает, что при этих значениях рН присутствует внутримолекулярный перенос заряда (рис. 1.5). Спектральные характеристики и константы связывания представлены в таблице 1.3.

рН -1 рН ~7 рН -10

Рисунок 1.4 - Предпологаемые структуры комплексов [ТНВ Р-СБ] [8].

I II

Рисунок 1.5 - Биполярная структура ТНВ [8].

Таблица 1.3 - Максимумы поглощения и флуоресценции ТНВ при разных концентранциях Р-СБ [8].

№ Ср-СБ, (М) рН ~ 1 рН ~ 7 рН ~ 10

^погл е ^флуор ^погл е ^флуор ^погл е ^флуор

1 Вода (без Р-СБ) 271.0 3.93 367 260.8 3.92 342 340б 449

216.0 4.37 213.0 4.43 262 3.79

217 3.97

2 0.001 271.0 3.90 366 268.2 3.92 346 340б 446

216.4 4.36 450 214.8 4.43 450 269 3.72

3 0.010 270.4 3.84 365 270.1 3.88 365 342 443

217.4 4.29 450 216.6 4.36 450 279 3.71

4 длина волны возбуждения 270 260 280

5 2.61 2.79 2.64 3.17 2.48 2.58

6 АО (кДж моль-1) -15.2 -16.2 -15.3 -18.4 -14.4 -15.0

В работе [9] спектральные характеристики 5-амино-2-меркаптобензимидазола (ЛМБ7) были исследованы в водных растворах Р-СБ при рН = 6.9 и рН = 1.1, рассчитаны константы связывания [ЛМБ7 Р-СБ] и изменения свободной энергии Гиббса реакции его образования при Т = 303 К (табл. 1.4). Интенсивность поглощения и интенсивность флуоресценции нейтральных и моноциклических форм ЛМБ7 усиливается за счет образования комплекса включения, при котором молекула ЛМБ7 захватывается в полость P-CD при обоих значениях рН (рис. 1.6).

12 1в 12 16 а б

Рисунок 1.6 - MOPAC/AM1 (a) оптимизированная структура AMBZ, (б) оптимизированная структура AMBZH©, (в) схема комплекса включения (1:1) AMBZ с р^ и (г) схема комплекса включения (1:1) AMBZH© с р^ [9].

Таблица 1.4 - Константы устойчивости [AMBZ P-CD] и изменения свободной энергии Гиббса реакции его образования при 303 К [9].

Параметры pH=6.9 pH=1.1

По данным поглощения (X, нм) По данным флуоресценции (X, нм) По данным поглощения (X, нм) По данным флуоресценции (X, нм)

242 304 370 294 237 335

1§К 2.07 2.07 1.67 2.08 2.11 1.64

ДG, кДж моль-1 -12.01 -12.01 -9.706 -12.09 -12.21 -9.504

В работах [11, 13, 22] применены методы ^ ЯМР и ^ ЯМР для

исследования структуры комплексов включения циклодекстринов с паразамещенными аминобензойными кислотами.

^ ЯМР данные [11] свидетельствуют о преимущественном глубоком включении карбоксильной группы в полость а-циклодекстрина со всеми замещенными бензойными кислотами независимо от природы заместителей. Протоны в орто- и мета-положениях по отношению к карбоксильной группе показывают максимальные сдвиги. Анализ результатов ЯМР комплексов включения некоторых 4-замещенных бензальдегидных производных бензойной кислоты с P-CD [22] показал, что центр ароматического кольца молекулы-«гостя» находится в полости P-CD на уровне Н-5.

Для комплекса включения [БК Р-СБ] константа устойчивости была определена на основе индуцированных химических сдвигов всех возможных протонов и составила = 1.69 [13]. Полученная из расчетов молекулярной механики структура, по мнению авторов, является оптимальным представлением о геометрии комплекса в растворе (рис. 1.7).

а) ' 7 х ' б)

Рисунок 1.7 - Наиболее вероятные структуры комплекса включения [БК Р-CD] в воде, полученные по данным молекулярной механики [13].

В работах [14, 28-31] методом УФ-спектроскопии изучено молекулярное комплексообразование Р-циклодекстрина с пара-аминобензойной кислотой и протолитические равновесия пара-аминобензойной кислоты в присутствии СБ при различных температурах. Рассчитаные константы кислотной ионизации составили для п-АБК (рКа1 = 2.28±0.07, рКа2 = 4.8±0.1) и для п-АБК в присутствии р-СБ (рКа1 = 1.74±0.05, рКа2 = 5.1±0.1) [28].

Полученные результаты находятся в хорошем соответствии со значениями констант кислотной ионизации для п-АБК (рКа1 = 2.38, рК^ = 4.89), представленными в работе [29]. Уменьшение константы кислотной ионизации Ка2 п-АБК в присутствии Р-СБ подтверждает взаимодействие протона карбоксильной группы п-АБК с гидроксильными группами Р-СБ [30]. Наблюдаемое уменьшение значения рКа1 п-АБК в присутствии Р-СБ, очевидно, обусловлено стабилизацией протонированной аминогруппы п-АБК в гидрофобной полости Р-СБ [31].

Рассчитанные в [14] константы устойчивости комплексов включения п-АБК- Р-СБ при 289, 292 и 313 К, а также термодинамические параметры (АО0,

ДИ°, ДЗ0) его образования представлены в табл. 1.5. Устойчивость комплексов возрастает с понижением температуры.

Таблица 1.5 - Константа устойчивости комплекса включения п-АБК/p-CD и термодинамические параметры его образования [14].

T, К К (М-1) AG0, кДж моль-1 AH0, кДж моль-1 AS0, Дж моль-1 К-1

289 176±28 -12.4 -19.3 -24

292 158±25 -12.3

313 97±15 -11.8

Исследованию инклюзионного комплексообразования производных аминобензойных кислот с a-CD, P-CD, гидроксипропил-а-циклодекстрином (HP-a-CD) и HP-P-CD в различных средах посвящены работы [15-17, 25]. Комплексы включения изучены методами УФ-спектроскопии, флуориметрии, полуэмпирических квантовых расчетов (AMI), FT-IR, 1H ЯМР и сканирующей электронной микроскопии. Все исследованные АБК образуют комплексы включения 1:1 в водном растворе при рН~1 и смесь комплексов включения 1: 1 и 1:2 при рН~7. Двойная люминесценция, возникающая при pH~1, указывает на то, что внутри полостей CD присутствуют как группы NH3+, так и COOH-аминобензойных кислот.

Образование комплекса включения «Р-циклодекстрин-пара-аминобензойная кислота» было исследовано методами спектроскопии (FTIR, UV-vis, флуоресценция, 1H ЯМР), дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) и рентгеновской порошковой дифракцией [24]. Наблюдалось повышение термической стабильности включенной в полость циклодекстрина пара-аминобензойной кислоты.

В работе [32] исследовано взаимодействие между бензойной кислотой, метил- и пропил-парабеном, использующихся в качестве консервантов пищевой промышленности, и производных P-CD. Константы устойчивости для комплексов были определены методом изотермической калориметрии

титрования (табл. 1.6). По мнению авторов, полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования необходимого количества консервантов в присутствии CD.

Таблица 1.6 - Константы устойчивости, К (М-1) комплексов включения различных CD, с БК, метил-парабеном и пропил-парабеном в 50 мМ лимонной кислоте при рН=2.1 для БК и в 50 мМ уксусной кислоте при рН=5.0 для метили пропил-парабен при 298.15 К.

Объекты Р-СБ, (М-1) ЗББ-Р-СБ, (М-1)

БК 678±48 [32] 924±107 [32]

306 [1] -

372 [33]

339 [34]

370 [35]

546 [36]

120 [37]

Метил-парабен 772±53 [32] 1519±86 [32]

969 [38] -

Пропил-парабен 1548±178 [32] 3165±232 [32]

В работах [25, 26] представлена информация о кристаллической структуре комплексов «Р-циклодекстрин-приозводные аминобензойной кислоты». Пространственная группа комплекса Р-циклодекстрин-п-аминобензойная кислота в кристаллическом состоянии соответствует стехиометрии «хозяин:гость» 1:1, а Р-циклодекстрин-о-аминобензойная кислота 2:3 [25]. В обоих кристаллах имеются молекулы воды, расположенные вблизи краев полости и в междоузлиях между молекулами Р-циклодекстрина, участвующими в образовании межмолекулярных водородных связей (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Рентгеновская структура комплекса включения 1:1 хозяин-гость между P-CD и п-аминобензойной кислотой (а), кристаллическая структура комплекса включения хозяин-гость 2:3 между P-CD и о-аминобензойной кислотой (б) [25].

В работах [20, 21, 38] применены методы вычислительной химии для иссследования структуры и устойчивости комплексов включения с участием циклодекстринов. Результаты полуэмпирических расчетов, проведенных в [20, 38] с использованием метода AM1 для комплексов включения а- и Р-циклодекстринов с бензойной кислотой и фенолом показывают, что комплексы а-циклодекстрина с обеими молекулами-«гостями» в положении «head-firs» более стабильны, чем в положении «tail-first», в то время как комплекс Р-циклодекстрина с фенолом в позиции «tail-first» более устойчив (рис. 1.9).

Рисунок 1.9 - Два возможных пути проникновения в полость CD для БК и фенола [20].

В работе [21] расчеты РМ3 были проведены для комплексов а-циклодекстрина с нитробензолом, бензойной кислотой, бензоат-анионом, 4-нитрофенолом и 4-нитрофенолат-анионом. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показали, что комплекс а-CD с бензойной кислотой более устойчив, чем комплексы а-СБ-нитробензол. В свою очередь, комплекс «а-СЭ-4-нитрофенолат» более стабилен, чем «а-СЭ-4-нитрофенол» (табл. 1.7).

Таблица 1.7 - Константы устойчивости комплексов a-CD с молекулами-гостями» в водном растворе при 298 К [21].

Молекулы-«гости»

№

ДО, кДж/моль

Нитробензол

2.03

11.6

БК

2.91

16.6

Бензоат-ион

1.15

6.5

4-нитрофенол

2.39

13.7

4-нитрофенолат-ион

3.39

19.4

В работе [23] комплекс включения Р-СБ с бензойной кислотой охарактеризован кристаллографически. Два Р-СБ сокристаллизуются с двумя

молекулами БК, 0.7 молекул этанола и 20.65 молекул воды в триклинной пространственной группе [2(СбН1о05>-2(С7Иб02)-0.7(С2НбО)-20.65Н20]. В кристаллической решетке Р-СЭ образует димеры 0-2(ш)_1/0-3(ш)_1-0-2(и)_2/0-3(и)_2, стабилизированные прямыми водородными связами (интрадимер) и косвенными водородными связами 0-6(ш)_1-0-6(и)_2 с одной или двумя связанными между собой молекулами воды (интердимер).

1.2. Комплексы включения циклодекстринов с флавоноидами

Флавоноиды - это полифенольные соединения, в молекулах которых присутствует более чем одна фенольная группа. Флавоноиды встречаются повсеместно в продуктах растительного происхождения [39] и могут иметь полезные для здоровья эффекты [40] в основном из-за их антиоксидантных свойств [41-46] и ингибирующей роли на различных стадиях развития онкологических заболеваний [47]. В настоящее время известно и описано более 4000 различных флавоноидов. Структурные формулы представителей флавоноидов- кверцетина, рутина и куркумина представлены на рис. 1.10.

а) б) в)

Рисунок 1.10 - Структурные формулы: кверцетин (а), рутин (б) и куркумин (в).

Общей проблемой использования флавоноидов является их малая растворимость в воде благодаря гидрофобным свойствам этих молекул. Поэтому в научной литературе отводится особое внимание решению этой проблемы путем повышения их растворимости за счет комплексообразования с циклодекстринами.

Комплексы включения флавоноидов с различными циклодекстринами исследованы в водном растворе [48-56] и в кристаллическом состоянии [48, 49, 52, 56].

В работе [48] методом флуоресцентной спектроскопии изучалось комплексообразование и антиоксидантная активность основных полифенолов яблони: хлорогеновой кислоты (CA), рутина (RUT) и кверцетина (QCT) с Р-циклодекстрином. Все полифенолы образовали комплексы стехиометрии 1:1. Их константы устойчивости уменьшались в ряду молекул-«гостей» QCT>CA>RUT (табл. 1.8).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кабиров Джовидон Нурмахмадович, 2021 год

K (M-1) lgK Источники

Капиллярный 100.0 2.00 [93]

электрофорез

Флуориметрия 251.0 2.40 [93, 94]

Фазовая растворимость 262.0 2.42 [84]

Тонкослойная 132.6 2.12 [92]

хроматография

Таблица 1.25 - Изменение энергии Гиббса реакций образования комплексов RUT и венорутона с CD [92].

AG (кДж/моль) HP-P-CD M-P-CD P-CD

T, K 293 303 313 323 293 303 313 323 293 303 313 323

Венорутон -11.0 10.8 10.9 10.1 12.2 11.7 10.6 10.7 10.5 10.6 11.0 9.20

RUT -13.0 11.7 11.7 11.2 12.1 11.1 11.2 11.0 11.9 12.0 11.0 10.0

Таблица 1.26 - Изменения энтропии и энтальпии реакций образования комплексов RUT и венорутона с CD [92].

HP-p-CD M-p-CD p-CD

ArH, кДж/моль ArS, Дж/моль ArH, кДж/моль ArS, Дж/моль ArH, кДж/моль ArS, Дж/моль

Венорутон -20.3 -0.03105 -29.5 -0.05915 -23.1 -0.04175

RUT -30.6 -0.06165 -22.9 -0.03735 -32.6 -0.06910

В работе [95] методы тандемной масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией (ESI-MSn) и фазовой растворимости были использованы для исследования реакций образования комплексов рутина с а, в- и у-циклодекстринами. Устойчивость депротонированных комплексов в газовой фазе уменьшается в ряду RUT-P-CD> RUT-a-CD> RUT-y-CD. Константы устойчивости, рассчитанные методом фазовой растворимости для комплексов RUT с а-, в- и y-CD стехиометрии 1:1 в растворе при 250C, составляют 185.9 М-1, 273.2 М-1 и 87.7 М-1 соответственно.

В работах [96-101] изучено комплексообразование куркумина (CURC) с в-CD методами FTIR, FT-Raman, DSC, 1H и 2D ROESY ЯМР, рентгеновской дифракции, фотоакустической спектроскопией, сканирующей электронной микроскопией и методом термогравиметрического анализа.

В работе [97, 98] комплекс включения CURC с в-CD охарактеризовали с помощью 1H и 2D ROESY ЯМР анализа и данные этих методов подтвердили результатами молекулярного моделирования. Результаты спектров 1Н ЯМР и ROESY показали наличие пика между пиками протона Н-3 в-CD и группой ароматических колец CURC, что свидетельствует о гидрофобных взаимодействиях между ароматическими кольцами CURC и полостью в-CD. По результатам ЯМР было обнаружено, что CURC взаимодействует с в-CD в соотношении 1:2 [97] (рис. 1.14).

о о

Рисунок 1.14 - Структура комплексов включения CURC^-CD со стехиометрией 1:2 [97].

Также было показано, что в комплексе включения [СЦКС Р-СБ] два ароматических кольца СЦКС взаимодействуют с двумя P-CD через водородные связи. Это показывает, что кратчайшее расстояние между СЦКС и Н-3 и Н-5 Р-СБ составляет 1.78 и 3.51 А для одной стороны и 1.90 и 2.59 А для другой. Это согласуется с результатом 2D ЯМР. Стехиометрия 1:1 или 1:2 комплекса включения [СЦЯС Р-СБ] определялась из диаграммы фазовой растворимости. Для комплекса со стехиометрией 1:1 константа устойчивости комплекса составила 167 М-1, энтальпия реакции образования этого комплекса рассчитана и составила -15.89 кДж/моль на основе молекулярного моделирования [98].

В работе [100] комплекс СЦЯС с Р-СБ получили, используя способы со-осаждения, вымораживания, и выпаривания растворителя. Комплексообразование увеличило растворимость СЦЯС в 31 раз. Комплекс включения [СиЯС Р-СБ] показал увеличение фотостабильность СЦЯС при воздействии света на 18%, чем у чистого СиЯС. Полученный комплекс был также устойчив к изменениям рН.

В работе [101] исследовали внутриклеточное поглощение и противораковую активность комплекса включения [СЦЯС Р-СБ]. Установлено, что самоорганизация [СЦЯС Р-СБ] усиливает доставку СЦЯС и повышает его терапевтическую эффективность по сравнению со свободным СШС (рис. 1.15).

Рисунок 1.15 - Схематическое изображение молекулярной инкапсуляции СШС и р-СБ со стехиометрией 1:1 (а) и 1:2 (б) [101].

а)

б)

В работе [99] установлено образование комплекса CURC с P-CD со стехиометрией 1:2. Значение константы устойчивости этого комплекса, составило 4-104 М-1.

Противовоспалительная активность комплекса включения CURC с HP-P-CD и M-P-CD была оценена для лечения воспалительных заболеваний кишечника подопытных мышей [102]. Исследования фазовой растворимости и растворения in vitro показали, что CURC имеет более высокое сродство к HP-P-CD, чем к другим CD (табл. 1.27). Комплекс включения [CURC HP-P-CD] оказался мощным ангиоингибирующим соединением. Исследование фазовой растворимости проводили методом, описанным в [103]. Таблица 1.27 - Константа устойчивости куркумина с циклодекстринами [102].

CD K (M-1)

P-CD 134.0

y-CD 153.0

HP-p-CD 424.1

M-p-CD 401.8

В работе [104] методом иУ-у1Б спектроскопии было исследовано, влияние спиртовых со-растворителей на комплексообразование СИЯС с НР-Р-СЭ и НР-у-СЭ. Определены константы устойчивости и стехиометрия комплексов включения в буферных средах, содержащих различные количества спиртовых со-растворителей и альгинатов. Результаты показали стехиометрию 1:1 между СИЯС и обоими циклодекстринами, исследованными в буферной среде, содержащей 10% (об./об.) спиртовых со-растворителей, хотя между СиЯС и НР-Р-СЭ предполагалось комплексообразование 1:2 (хозяин:гость). Присутствие 0.1% (мас./об.) альгината натрия или альгината пропиленгликоля, по-видимому, не изменяет стехиометрию образующихся комплексов. Было обнаружено, что куркумин имеет более чем в 30 раз высокую константу устойчивости с НР-у-СЭ по

сравнению с НР-Р-СБ в буфере, содержащем 0.5% ЕЮН. В фосфатном буфере

при рН=5.0, константы устойчивости для СИЯС с HP-P-CD и HP-y-CD в 0.5%

этаноле составляют 980 М-1 и 33708 М-1, соответственно [104]. Обнаружены

большие различия в константах устойчивости между СИЯС и СБ в различных

со-растворителях. Уменьшение константы устойчивости наблюдалось по мере

увеличения длины молекулы добавленного со-растворителя. Кроме того,

уменьшение констант устойчивости наблюдалось при добавлении альгинатов

в случае НР-у-СБ в концентрации 0.5% или 5% (об./об.) ЕЮН. Тенденция была

противоположной в случае НР-Р-СБ, где увеличение константы устойчивости

наблюдалось на 30%^90% в присутствии альгинатов (табл. 1.28).

Таблица 1.28 - Константы устойчивости комплексов СИЯС с HP-P-CD и с НР-y-CD в водно-органических растворителях с содержанием 10% (об./об.) со-растворителей [104].

Со-растворитель СБ К (М-1)

метанол НР-р-СБ 1613±21

метанол НР-у-СБ 17675±1270

этанол НР-р-СБ 1578±88

этанол НР-у-СБ 7530±326

1-пропанол НР-р-СБ 535±61

1-пропанол НР-у-СБ 1992±131

глицерин НР-р-СБ 38± <1

глицерин НР-у-СБ 7748±387

*РЕО 200 НР-р-СБ 304±25

*РЕО 200 НР-у-СБ 1842±173

*РЕО 400 НР-р-СБ 189±25

*РЕО 400 НР-у-СБ 775±98

*РЕО - полиэтиленгликоль.

Таблица 1.29 - Константы устойчивости комплексов СЦЯС с HP-P-CD и НР-у-CD в присутствии 0.1% (мас./об.) альгината при различных концентрациях этанола (0.5%, 5.0% и 10% (об./об.)) в фосфатном буфере при рН=5.0 [104].

Растворитель %, сорастворителя (об./об.) СБ К (М-1)

ЕЮН-Н2О 0.5 НР-р-СБ 980±22

ЕЮН-8Л-Н2О 1330±168

ЕЮН-РОА-Н2О 1661±157

ЕЮН-Н2О 5.0 1113±182

ЕЮН-8Л-Н2О 1459±159

ЕЮН-РОА-Н2О 2122±256

ЕЮН-Н2О 10 1578±88

ЕЮН-8Л-Н2О 1525±57

ЕЮН-РОА-Н2О 1197±82

ЕЮН-Н2О 0.5 НР-у-СБ 33708±387

ЕЮН-8Л-Н2О 16382±274

ЕЮН-РОЛ-Н2О 22877±284

ЕЮН-Н2О 5.0 27680±387

ЕЮН-8Л-Н2О 8666±454

ЕЮН-РОЛ-Н2О 11716±475

ЕЮН-Н2О 10 7530±326

ЕЮН-8Л-Н2О 5609±136

ЕЮН-РОЛ-Н2О 5986±316

8Л - альгинат натрия; РОЛ - пропиленгликоль альгинат.

Результаты исследования [104] показали значительные различия в устойчивости комплексов [СиЯС ИР-Р-СБ] и [СЦЯС НР-у-СБ] в водно-органических растворителях (табл. 1.29). Результаты продемонстрировали важность оптимизации систем растворителей при использовании СБ в качестве носителей лекарственных средств.

В работе [105] ряд куркуминоидов, в том числе СЦЯС, был изучен с целью определения растворимости, фазового распределения, гидролитической и фотохимической стабильности в растворах CD. Все исследованные производные более устойчивы к гидролитическому разложению в растворах в присутствии CD, чем СЦЯС, и это соотношение

изменяется в ряду HP-P-CD>M-P-CD»HP-y-CD. Напротив, фотохимические исследования показали, что СИЯС, как правило, более стабилен, чем его производные. Куркуминоиды с боковыми группами на фенильной части имеют более высокое сродство к НР-у-СБ, чем к P-CD. Исследования способности связывания и удаления свободных радикалов показали, что куркумин более активен, чем его производные, и что свободная фенольная гидроксильная группа может играть в процессе связывания радикалов основную роль. При этом две половины симметричной молекулы куркумина действуют как две отдельные единицы и поглощают по одному радикалу каждая.

В работе [106] были выделены в твердой фазе и исследованы комплексы куркумина с НР-а-СБ, НР-Р-СБ и НР-у-СБ. Снижение интенсивности вибраций ароматического кольца и смещение положения пика от 1626 см-1, наблюдаемое в спектре комбинационного рассеяния, дало новое понимание типа взаимодействий, происходящих в водорастворимом комплексе. Предложена новая структура для комплексов включения (рис. 1.16).

Рисунок 1.16 - Схема образования комплекса включения куркумина с циклодекстринами [106].

Результаты работы [107] показывают, что куркумин с Р-СБ образует комплекс включения со стехиометрией «хозяин-гость» 2:1 с достаточно высокой константой комплексообразовании 5.53^ 105 М-1. Термодинамические

параметры комплексообразования куркумина с Р-циклодекстрином представлены в таблице 1.30.

Таблица 1.30 - Термодинамические параметры реакции образования комплекса включения [СиЯС Р-СБ] при различных температурах [107].

Т (К)

293 308 318 328 338

К, -105 (М-1) 13.22 12.69 12.43 12.03 11.67

АС0 (кДж/моль) -32.20 -32.50 -32.86 -32.81 -32.79

Рассчитанные из температурной зависимости константы устойчивости значения АИ° и Д5° составили -28.09 кДж/моль и 0.014 кДж/моль-К соответственно.

В работе [108] исследовали профили растворимости куркумина в воде и эффекты его гидратации и дегидратации в присутствии у-СБ и НР-у-СБ в растворе. Было обнаружено, что комплекс [СЦЯС НР-у-СБ] с константой устойчивости 1.58^ 104 М-1 является более стабильным, чем комплекс [СЦЕС у-СБ]. Расчеты т зШео, включая молекулярный докинг, моделирование методом Монте-Карло и молекулярную динамику показали, что молекулы воды играют важную роль в комплексообразовании «хозяин-гость», повышая аффинность связывания СЦЯС с циклодекстринами посредством образования водородных связей. Для комплекса, гидратированного СЦЯС с НР-у-СБ определена минимальная свободная энергия Гиббса связывания (Абша = -9.93 ккал^моль) и установлено, что связывание происходит, в основном, за счет гидрофобных сил. Эти результаты могут помочь в разработке векторной доставки лекарственных средств на основе циклодекстринов.

В работе [109] методы БИЯ и УФ-видимой адсорбционной спектроскопии в сочетании с жидкостной хроматографией были применены для исследования эффективности инкапсулирования куркумина молекулами Р-СБ и у-СБ. Эти методы показали, что эффективность инкапсуляции выше в случае у-СБ, вероятно, из-за лучшего соответствия размера СиЯС с размерами

полости y-CD (рис. 1.17). Спектры комбинационного рассеяния показывают, что инкапсуляция происходит на уровне ароматических колец через Н-связи при одновременной таутомеризации плоской кето-енольной формы в неплоскую дикето-форму СиЯС. Эти изменения могут привести к повышению химической стабильности, биодоступности и биологической активности куркумина.

Рисунок 1.17 - Химическая структура кето-енол и дикетоизомеров куркумина [109].

В работе [110] влияние светового излучения и температуры в зависимости от времени экспозиции на стабильность свободного СЦЕ£ и капсулированного куркумина в у-СЭ было изучено с помощью хроматографии, УФ-У1б и рамановской спектроскопии. Куркумин разрушается под действием светового излучения, но устойчив к термическому воздействию. Разрушение куркумина обусловлено двумя возможными эффектами: деметоксилированием и изомеризацией кето-енола в дикетоформу, образование которых было отмечено также в работе [109]. Показано, что комплексообразование куркумина с у-СЭ защищает СЦЕС от фотодеградации.

В ряде работ описаны некоторые фармацевтические технологии для получения новых материалов медицинского назначения на основе комплексов СиЯС с циклодекстринами [111-114].

В работе [111] исследован комплекс включения CURC с SBE-P-CD в водном растворе и в твердом состоянии и определена его константа устойчивости (1455 М-1). Как и другие циклодекстрины, SBE-P-CD значительно увеличивает растворимость CURC в воде от 0.56 до 102.78 г/мл при 25°C. Согласно [111] способ лиофилизации является наилучшим для получения комплекса в твердом состоянии. Тестирование in vitro на клеточной линии рака печени человека (HepG-2) показало, что комплексообразование положительно влияет на противораковую и антиоксидантную активность CURC [111].

В работе [112] для повышения растворимости CURC, а также для повышения скорости проникновения CURC в кожу была разработана методика получения комплексых наночастиц P-CD-куркумин на прозрачном геле (P-CD-CURC-N). Эффективность инкапсуляции CURC была увеличена за счет увеличения концентрации CURC в присутствии P-CD до 20%. Средний размер частиц с оптимальной концентрацией CURC составил 156 нм.

В работе [113] оценивали три методики комплексообразования CURC с HP-P-CD и SBE-P-CD: замораживание, выпаривание и автоклавирование. Метод автоклавирования для комплексообразования оказался наиболее эффективным с точки зрения времени обработки и эффективности инкапсуляции CURC. Растворимость CURC в растворах CD после автоклавирования была в 2-4 раза выше, чем в других методах. Повышенная растворимость CURC в растворяющих средах объясняется образованием комплекса включения CURC с CD. Исследования было проведено методами ЯМР, ДСК, рамановской спектроскопии и рентгеновской дифракции (XRD). Методы ЯМР и рамановская дифракция подтвердили включение молекулы CURC в полость SBE-P-CD, наблюдая межмолекулярное взаимодействие между гидрофобными ароматическими кольцами CURC и протонами внутри полости молекулы SBE-P-CD. ДСК и XRD дополнительно подтвердили потерю кристалличности и образование аморфных комплексов включения.

В работе [114] нановолокна (NF), обладающие структурой «ядро-оболочка», были сконструированы методом электроспиннинга с использованием комплекса включения куркумина, как модельного гидрофобного фармпрепарата, с HP-ß-CD в качестве «ядра» и полимером (поли(Ь-молочной кислоты), PLLA) в роли «оболочки» (CURC/HP-ß-CD-IC-sPLLA)-NF), где IC - комплекс включения. Структуру, содержащую CD-IC CURC и HP-ß-CD формировали в молярном соотношении 1:2. Из наноструктуры состава CURC/HPßCD-ICsPLLA-NF CURC высвобождается медленно. Однако его высвобождаемое количество намного больше, чем из композиции PLLA-CURC-NF, при pH=1 и pH=7.4 Улучшенная антиоксидантная активность CURC/HPßCD-IC-sPLLA-NF в смеси метанол:вода связана с улучшением растворимости, достигаемым в системе на водной основе. Медленная реакция высвобождения куркумина из CURC/HPßCD-IC-sPLLA-NF в метаноле связана с тем, что оболочка препятствует быстрому высвобождению. С другой стороны, из-за повышенной растворимости CURC/HPßCD-IC-sPLLA-NF в растворителе метанол-вода, его антиоксидантная активность немного выше, чем в композиции PLLA-CURC-NF. Таким образом, электропрядение нановолокон «ядро-оболочка» с ядром CD-IC может обеспечить медленное высвобождение фармацевтически активного компонента, а также повышение растворимости для гидрофобных фармакологически активных молекул.

1.3. Сольватация и протолитические равновесия участников

молекулярного комплексообразования в водно-органических

растворителях

В работе [115] исследована растворимость ß-CD в водно-органических смесях. ß-CD показывает аномально низкую растворимость в воде (1.85 г/100 мл). Для повышения растворимости ß-CD были использованы различные методы, в том числе добавление мочевины [116], солей металлов [117, 118],

этанола [119] и 2-пропанола [120]. Были описаны эффекты некоторых других распространенных растворителей [121]. Использование со-растворителей при образовании соединений включения циклодекстрина представляется перспетивным [122, 123]. В частности, в работе [124] установлено, что время жизни флуоресценции в комплексах пирен/циклодекстрина зависит от природы спирта, используемого в качестве со-растворителя.

Растворимость Р-СБ в водных смесях диметилсульфоксида, метанола, этанола, тетрагидрофурана и ацетонитрила представлена в таблице 1.31.

Таблица 1.31 - Растворимость (г/100 мл) Р-СБ в водных растворах органических растворителей [115].

%, (об./об.), со- растворителя МеОН ЕЮН БМ8О СНвСК ТНБ

0 1.60 1.60 1.8 1.60 1.60

10 1.00 1.82 2.0 3.11 2.10

20 0.71 2.01 2.1 3.70 2.20

30 0.50 2.20 2.2 2.60 1.88

40 0.40 1.80 2.7 1.80 1.30

50 0.34 1.30 6.3 0.88 0.90

60 0.26 0.80 16.0 0.30 0.50

65.7 - - 47.0 - -

70 0.10 0.29 0.10 0.20

72.4 - - 76.5 - -

80 0.05 0.10 0.05 0.19

81.5 - - 75.0 - -

90 0.00 0.05 74.5 0.00 0.05

96 - - 73.0 - -

100 0.00 0.00 50.0 0.00 0.00

Для смесей вода-2-пропанол зависимость растворимости Р-СБ от температуры приведена в таблице 1.32.

Таблица 1.32 - Растворимость (г/100 мл) Р-СБ в водных растворах 2-пропанола при различных температурах [115].

%, (об./об.), 2-РгОН Т = 210С Т = 250С Т = 300С Т = 350С

0 1.60 1.80 2.30 2.50

5 3.41 4.30 5.61 6.30

10 4.80 6.03 8.30 9.21

15 6.00 7.40 10.70 11.60

20 7.00 8.10 11.40 13.30

25 7.00 8.70 11.90 14.20

30 6.90 8.30 11.60 13.50

40 3.60 6.10 8.00 9.20

50 2.32 3.01 3.99 4.90

60 1.10 1.40 1.60 1.82

70 0.40 0.50 0.50 0.60

80 0.10 0.20 0.20 0.20

90 0.02 0.10 0.10 0.10

100 0.00 0.00 0.00 0.00

В работе [125-127] проведено калориметрическое исследование процессов растворения а-СБ и Р-СБ в воде, диметилоформамиде фМР), DMSO и в водных растворах этанола переменного состава при 298.15 К. Молярные энтальпии растворения кристалических циклодекстринов в Н20, ЭМБ, БМБО и водных растворах ЕЮН использовали для определения стандартных энтальпий растворения (табл. 1.33).

Таблица 1.33 - Стандартные энтальпии растворения, Д5огН^, СБ в Н20, БМБ и БМБО при температуре 298.15 К.

При к5о1Нт, кДж/моль

а-СБ в Н2О -59.6 ± 1.8 [125] -62.69 [126]; -60 [127]

Р-СБ в Н2О -72.8 ± 0.1 [125] -75.52 [126]

р-СБ в БМБ -126.5 ± 1.6 [125] -125.56 [126]

р-СБ в БМБО -154.8 ± 0.9 [125] -

Сравнивая стандартные молярные энтальпии растворения Р-СБ в растворителях (табл. 1.33), можно отметить увеличение экзотермичности в следующем порядке: Н2О<ВМР<ВМЗО. Гидродинамический радиус Р-СБ в указанных растворителях также увеличивается в том же направлении [128]. Аналогичная зависимость наблюдается также для донорных чисел исследуемых растворителей [129] и растворимости Р-СБ, которые составляют: 1.8 г/100 мл (Н2О ), 32 г/100 мл (ОМБ) и 35 г/100 мл (БМБО) соответственно при температуре 298.15 К [130].

На основании полученных результатов [125] можно отметить, что взаимодействие между Р-СБ и молекулами ЭМБ или БМБО является более сильным, чем взаимодействие Р-СБ с молекулами Н20. Эти растворители способны сольватировать внешнюю часть молекулы Р-СБ в Н20, ЭМБ и БМБО [128, 131, 132].

В работе [133] калориметрическим методом исследованы процессы растворения БК в смесях вода-этанол и вода-изопропанол, а также протолитические равновесия БК. Растворимость БК в воде составляет 2.66-102 моль/кг, а энтальпия растворения (Д80Н) составляет 25.28 кДж/моль. Были рассчитаны термодинамические функции диссоциации и переноса БК из воды в смеси вода-этанол и вода-изопропанол при 298.15 К (табл. 1.34 и 1.35).

Таблица 1.34 - Термодинамические функции диссоциации БК в смесях вода-этанол и вода-изопропанол 298.15К [133].

ШО-БЮИ ШО-ьРгОИ

(об./об.

), со- ДО, ДН, -7М, ДО, ДН, -7М,

раство кДж моль-1 кДж моль-1 кДж моль-1 кДж моль-1 кДж моль-1 кДж моль-1

рителя

1 2 3 4 5 6 7

0 23.948 0.422 23.526 23.948 0.422 23.526

10 24.667 -0.804 25.471 24.479 -0.934 25.413

Продолжение Таблицы 1.34

1 2 3 4 5 6 7

20 26.734 -1.250 27.984 27.870 -2.146 30.016

30 29.782 1.900 27.882 29.017 5.092 23.925

40 31.307 4.601 26.706 30.787 7.286 23.501

50 32.608 4.449 28.159 32.134 5.887 26.247

60 34.024 2.974 31.050 - 3.986 -

70 35.851 0.190 35.661 - - -

Таблица 1.35 - Термодинамические параметры переноса бензойной кислоты из воды в смеси вода-этанол и вода-изопропанол при 298.15 К [133].

ШО-ЕЮН ШО-ьРгОН

(об./об. ), со-раствор ителя АО, кДж моль-1 АН, кДж моль-1 ТАЛ, кДж моль-1 АО, кДж моль-1 АН, кДж моль-1 ТАЛ, кДж моль-1

10 -1.15 5.25 6.40 -1.38 9.17 10.55

20 -2.68 16.68 19.36 -4.30 29.32 33.62

30 -5.38 23.04 28.42 -7.72 15.16 22.88

40 -7.54 16.50 24.04 -9.33 6.76 16.09

50 -9.73 8.75 18.48 -10.69 -2.52 8.17

60 -10.77 4.17 14.94 -11.48 -4.98 6.50

70 -11.76 -0.91 10.85 -12.19 -7.00 5.19

Сольватные состояния молекулы БК в воде и водно-спиртовых смесях показаны на рисунке 1.18.

Н-связь

а) б)

Рисунок 1.18 - Сольватные состояния молекулы бензойной кислоты в воде (а) и водно-спиртовых смесях (б) [133].

В работе [134] методом химической цветометрии изучены кислотно-основные равновесия ОСТ в водных растворах и определены его константы диссоциации (рК). Полученные значения рК сопоставлены с рК, определенными другими методами (табл. 1.36). Значения рК отнесены к соответствующим функциональным группам кверцетина, и предложена вероятная схема их диссоциации.

Таблица 1.36 - Константы диссоциации кверцетина [134].

Метод рКс=он+ рКъ-он Р^5-ОН Р^7-ОН РК3'-ОН РК4'-ОН

Цветометрия 1.8 ± 0.1 6.4 ± 0.1 8.1 ± 0.1 9.0 ± 0.1 9.6 ± 0.1 11.3 ± 0.1

Спектрофотометрия - 6.6 ± 0.1 8.1 ± 0.1 - - 11.4 ± 0.1

*08РЯ - 6.5 ± 0.6 8.1 ± 0.6 9.1 ± 0.3 9.5 ± 0.2 -

*0иап1йа11уе 81хис1;иге - РгореЛу Яе айопБЫр - количественная взаимосвязь

структура-свойство.

Известно [134], что кверцетин окисляется кислородом воздуха в довольно широком диапазоне рН, причем с увеличением рН скорость этого процесса возрастает. Установлено, что в щелочной среде разрушается у-

пироновый фрагмент с образованием флороглюцина, 2,4,6-триоксибензойной и 3,4-дигидроксибензойной кислот [135]. Спектрофотометрическим методом не удается определить значения рК близких по кислотности гидроксильных групп в положениях 3' и 7, а также константу протонизации карбонильного атома кислорода (табл. 1.36). По совокупности результатов цветометрических и спектрофотометрических исследований, а также на основании данных расчетов предложена вероятная схема ионно-молекулярных равновесий кверцетина в растворах в широком интервале рН=1-13 (рис. 1.19).

о о

рН > 9

Рисунок 1.19 - Вероятная схема ионно-молекулярных равновесий кверцетина в широком интервале pH=1-13 [134].

Проведенные квантово-химические расчеты в программе HyperChem Pro 6 полуэмпирическим методом CNDO позволяют судить о протекании последующей ступенчатой диссоциации ОН-групп в положениях 3' и 4' с образованием в растворе анионных форм HA4- и А5- соответственно. Существующие в водном растворе ионно-молекулярные формы кверцетина находятся в динамическом равновесии в зависимости от кислотности среды и

могут быть представлены в виде соответствующей диаграммы долевого распределения (рис. 1.20).

а, %

Рисунок 1.20 - Диаграмма распределения ионно-молекулярных форм кверцетина в растворе: I - И6Л+, II - И5Л, III - Н4А-, IV - И3Л2-, V - И2Л3-, VI -НА4-, VII - Л5- [134].

Как видно из рисунка 1.20, в узком интервале рН 8-10 в водном растворе

кверцетина одновременно могут существовать пять-шесть его кислотно-основных форм, что значительно затрудняет определение значений рК, характеризующих равновесия между этими формами, оптическими и электрохимическими методами. Об этом свидетельствует отсутствие в литературе сведений о рК близких по кислотности гидроксильных групп в положениях 7 и 3'. Однако наложение такого числа протолитических равновесий не препятствует определению рК цветометрическим методом (табл. 1.36), который позволяет регистрировать тонкие различия в спектральных характеристиках индивидуальных кислотно-основных форм кверцетина в виде соответствующих значений цветометрических функций.

В работе [136] спектрофотометрическим методом изучено влияние рН и времени на изменение спектров поглощения молекулярной и диссоциированной по первой гидроксигруппе форм двух флавоноидов -кверцетина и рутина. Показано, что молекулярная форма кверцетина (рН=3-6) устойчива в водном растворе в течение 10 мин, а оптическая плотность диссоциированной формы (рН=8-10) в зависимости от рН быстро уменьшается уже в первые минуты. Интенсивность поглощения света

молекулярной и диссоциированной форм рутина практически не изменяется на протяжении 10-20 минут. Установлено, что добавление в раствор сульфита натрия позволяет предотвратить окисление и стабилизировать оптическую плотность кверцетина в первые 1-2 минуты, что позволит изучать его протолитические свойства и взаимодействие с другими веществами.

В работе [137] установлено, что СЦКС в водных растворах меожет быть в различных формах. Чтобы получить оптимальную стабильность его молекулярной формы, рН следует поддерживать ниже 7 (рис. 1.21). Однако в этом диапазоне рН растворимость куркумина в водной среде низкая.

Н4А+

НзА

Н2А-

НА2

3-

А

Рисунок 1.21 - Формы куркумина в водном растворе.

Когда рН<1, СиЯС имеет красный цвет, что указывает на

протонированную форму Н4А+ (рис. 1.21). СиЯС в растворе при рН 1-7 имеет

желтый цвет. В этом диапазоне рН большинство молекул куркумина

находятся в нейтральной форме (Н3А) [137]. При данных концентрациях

водорастворимость СЦЯС в этой области рН низкая. Куркумин осаждается

примерно через 3 дня хранения, и разложение куркумина происходит

медленно.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Изотермическая калориметрия титрования

Метод изотермической калориметрии титрования является в настоящее время единственным экспериментальным методом, позволяющим одновременно определять константу устойчивости комплексов, энтальпию комплексообразования и вклад энтропии в изменение энергии Гиббса комплексообразования (AG=AH-TAS).

В данной работе калориметрические эксперименты были выполнены на изотермическом калориметре титрования TAM III (TA Instruments, США) с модулем титрования, снабженным реакционной ячейкой объемом 20 мл и предназначенным для проведения экспериментов по исследованию взаимодействий в жидких средах в изотермическом режиме. TAM III позволяет регистрировать тепловые эффекты, составляющие доли микроватт. Такая высокая чувствительность прибора достигается благодаря высокой точности термостатирования (25.0000±0.0002°C), использования высокочувствительных термопар и дифференциальной (или двойной) схемы измерений [138, 139].

Скорость, объем, и количество впрысков подбирались индивидуально для каждого опыта. Параметры проведения эксперимента (скорость и количество подаваемого титранта, количество добавок титранта, временной интервал между единичными титрованиями) вводились в программу ТАМ III, которая обеспечивала автоматическую работу микрокалориметрической системы. Значения количества тепла, выделенного или поглощенного при добавлении раствора титранта в калориметрическую ячейку, автоматически регистрировалось программным обеспечением ТАМ III. Количество тепла рассчитывали, как интеграл площади сигнала (пика) единичного впрыска.

На рисунке 2.1 приведен пример химической калибровки ТАМ III -титрование водного раствора 18К6 раствором BaCl2, представленной в

диалоговом окне программы ТАМ Assistant. Реакция образования комплекса [Ba18K6]2+ в воде относится к одной из тестовых реакций, рекомендованных IUPAC для проверки работы калориметрических систем титрования [140, 141]. Полученные в результате калибровки термодинамические параметры реакции образования [Ba18K6]2+ (lgK = 3.24±0.30 и АГЯ = -30.9±1.0 кДж/моль) хорошо согласуются с рекомендованными величинами: lgK = 3.50±0.08 и АГЯ= -31.5±1.2 кДж/моль [141].

Рисунок 2.1 - Кривые тепловыделения при титровании водного раствора 18-краун-6 раствором BaCl2, представленной в диалоговом окне программы ТАМ Assistant.

2.1.1. Исследование реакций образования молекулярных комплексов бензойной кислоты, кверцетина и куркумина с циклодекстринами в растворителях вода-этанол и вода-диметилсульфоксид

Применимость данного метода для определения термодинамических параметров реакции образования комплексов [БК P-CD], [БК y-CD], [QCT HP-P-CD] и [CURC HP-P-CD] в водно-органических средах лимитирована низкой растворимостью CD в растворителях с высоким содержанием органического компонента, что ограничило диапазон исследуемых составов растворителей.

Для получения надежных значений lgK0 и АН из данных калориметрических титрований необходимо подобрать концентрационные

условия эксперимента таким образом, чтобы выход комплекса изменялся в наиболее широких пределах. С этой целью по программе «RRSU» [142] предварительно рассчитывали ожидаемый выход комплекса при наиболее вероятных значениях ^[БК р-СБ], 1^[БК у-СБ], НР-р-СБ],

^^[СиЯС НР-Р-СБ] и заданных концентрациях реагентов.

Применение традиционного калориметрического титрования с последовательным добавлением титранта в калориметрическую ячейку не всегда позволяло получать необходимое для расчета термодинамических параметров соотношение концентрационных условий реагентов во время одного эксперимента по титрованию. Поэтому для получения надежных значений термодинамических параметров комплексообразования, кроме методики титрования были проведены серии экспериментов, заключавшиеся в однократном добавлении титранта в ячейку с последующей перезагрузкой калориметрической ячейки. Однократное добавление титранта в ячейку с последующей регистрацией тепловыделения и перезагрузкой калориметрической ячейки позволяет создать оптимальные концентрационные условия. Данная методика успешно применялась ранее для калориметрического исследования комплексообразования «хозяин-гость» 18-краун-6 и криптанда [2.2.2] с некоторыми аминокислотами и пептидами, а также для комплексов Си(11) с глицил-глицил-глицином [143, 144].

В каждом составе водно-органического растворителя было выполнено 10-12 однократных добавок раствора титранта, находящегося в шприце, к растворам переменной концентрации, находящегося в калориметрической ячейке ^смеш).

Тепловой эффект разведения раствора титранта в соответствующем растворителе (Оразв) измеряли в отдельном калориметрическом эксперименте и учитывали при определении теплового эффекта комплексообразования

смеш)-

О,компл = 0,смеш - 0,разв (2.1)

Осмеш - тепловой эффект смешения раствора титранта с раствором в ячейке; 0разв - тепловые эффекты эксперимента по разбавлению раствора титранта в смешанном растворителе соответствующего состава, содержащегося в ячейке.

Комплексообразование БК с Р-СБ изучено в растворителе вода-EtOH (XEtoн = 0.00, 0.10, 0.20, 0.03 мол. д.); БК с р^ и у^ определены в растворителе H2O-DMSO (XDмso = 0.00, 0.05, 0.10, 0.20 мол. д.). Растворы готовили непосредственно перед измерениями, в фосфатном буфере при рН = 3.6 и 1.65, для реакции образования комплекса [БК P-CD] и [БК y-CD] в соответствующих растворителях.

В калориметрическом эксперименте по методике титрования начальная концентрация БК в ячейке находилась в диапазоне 9.56^ 10-4 ^ 8.04 • 10-4 моль/л. Концентрация P-CD в шприце находилась в диапазоне 3.38^ 10-4 ^ 3.55^ 10-3 моль/л. Пример первичных экспериментальных данных представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Пример первичных экспериментальных данных по комплексообразованию P-CD с БК в растворителе H2O-DMSO, ХЬмда=0.05 мол.д., pH = 1.65, Т = 298.15^ БК в ячейке, P-CD в шприце.

№ Аналитические концентрации Qсмеш Qкомпл

р^, 10-3 моль/л БК, 10-3 моль/л (мДж) (мДж)

1 2 3 4 5

1 0 0.956 0 0

2 0.338 0.944 6.553 6.665

3 0.668 0.931 6.122 6.234

4 0.990 0.919 5.427 5.539

5 1.303 0.908 5.079 5.191

6 1.608 0.896 4.475 4.587

7 1.906 0.885 4.516 4.628

Продолжение Таблицы 2.1

1 2 3 4 5

8 2.197 0.875 4.063 4.175

9 2.480 0.864 4.109 4.221

10 2.757 0.854 3.663 3.775

11 3.028 0.844 3.700 3.812

12 3.292 0.834 3.619 3.731

13 3.550 0.824 3.189 3.301

В калориметрическом эксперименте по методике однократного добавления титранта в ячейку с последующей перезагрузкой калориметрической ячейки, начальная концентрация БК в ячейке находилась в диапазоне 5.92-10-1 ^ 1.83^ 10-2 моль/л. Концентрация Р-СБ в шприце находилось в диапазоне 1.44^ 10-2 ^ 1.80^ 10-2 моль/л. Пример первичных экспериментальных данных приведен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Пример первичных экспериментальных данных по комплексообразованию БК с Р-СБ в растворителе H2O-EtOH при Хеюн = 0.20 мол. д., рН = 3.6, Т = 298.15К.

Аналитические концентрации -Qсмеш, ^коми^

р-СБ, 10-2 моль/л БК, 10-1 моль/л мДж мДж

Р-СБ в ячейке и БК в шприце

1.420 0.078 249.7 375.2

1.420 0.078 249.7 369.7

0.570 0.078 249.7 165.1

0.570 0.078 249.7 151.8

0.570 0.116 258.0 155.9

0.570 0.116 258.0 138.8

БК в ячейке и Р-СБ в шприце

0.020 0.493 -12.0 23.1

0.020 0.301 -12.0 18.7

0.020 1.340 -12.0 14.0

0.020 0.180 -12.0 8.9

Проведение экспериментов в буферном растворе позволило исключить возможные кислотно-основные равновесия реагентов. При XEtOH = 0.30 мольной доли и выше, согласно данным калориметрического титрования, комплексообразование не происходит.

Растворы дСГ и ИР-р-СО в растворителе H2O-EtOH ^^ = 0.00, 0.05, 0.10, 0.20 мол. д.) готовили непосредственно перед измерениями, в фосфатном буфере при pH = 7.0 и pH = 3.6.

Начальная концентрация HP-P-CD в шприце составляла 1.45^ 10-2 ^ 1.59^ 10-2 моль/л. Начальная концентрация QCT в ячейке составляла 1.19^ 10-4 ^ 2.25^10-4 моль/л. Во всех экспериментах состав растворителя в шприце и в ячейке был одинаковым. Результаты калориметрического титрования показали, что комплексообразование происходит в смесях H2O-EtOH состава XEtOH = 0.00, 0.05 и 0.10 мол. д. (табл. 2.3). Однако, не было обнаружено образование комплекса, при XEtoн > 0.20 мол. д. при pH = 7.0 и при XEtoн > 0.10 мол. д. при pH=3.6.

Таблица 2.3 - Пример первичных экспериментальных данных по комплексообразованию QCT с HP-P-CD в растворителе H2O-EtOH, Хт^ = 0.10 мол. д., pH = 7.0, Т = 298.15^ QCT в ячейке, Ш-р^ в шприце.

Аналитические концентрации qсмеш (мДж) qкомпл (мДж)

№ QCT, 10-3 моль/л HP-P-CD, 10-4 моль/л

1 2 3 4 5

1 0.223 0.485 3.322 2.522

2 0.223 0.967 2.725 1.925

3 0.222 1.446 2.581 1.781

4 0.221 1.922 1.914 1.114

5 0.220 2.395 1.805 1.005

6 0.220 2.865 1.664 0.864

7 0.219 3.331 1.582 0.782

Продолжение Таблицы 2.3

1 2 3 4 5

8 0.218 3.795 1.570 0.770

9 0.217 4.255 1.417 0.617

10 0.217 4.713 1.296 0.496

11 0.216 5.167 1.256 0.456

12 0.215 5.619 1.201 0.401

13 0.215 6.068 1.162 0.362

14 0.214 6.513 1.132 0.332

Анализ зависимости суммарной теплоты комплексообразования (ЭДюмпл) от концентрации HP-ß-CD представлен на рисунках 2.2 и 2.3. Об образовании молекулярного комплекса [QCT HP-ß-CD] косвенно свидетельствует вид зависимости Е^компл) = £ (HP-ß-CD) (рис. 2.2).

—о—а) —о—б) -й-в)

15

0 2 4 6 8

С(НР-Р-СО)'10Л моль/л

Рисунок 2.2 - Общий тепловой эффект взаимодействия QCT и HP-P-CD в растворителе Н20 - ЕЮН в зависимости от общей молярной концентрации НР-р^ в ячейке: а) - в Н2О при Т = 298.15 К, рН = 7.0; б) - при Хеюн = 0.05 мол. д., при Т = 298.15 К, рН = 7.0; в) - при ХЕюН = 0.10 мол. д., при Т = 298.15 К, рН = 7.0.

При наличии слабых молекулярных взаимодействий зависимость сумарной теплоты комплексообразования Х)^компл) от концентрации НР-Р-СЭ является линейной (рис. 2.3).

нэ-б)

15

Рисунок 2.3 - Общий тепловой эффект взаимодействия QCT и HP-P-CD в растворителе Н20 - ЕЮН в зависимости от общей молярной концентрации ИР-р^ в ячейке: а) - при Хеюн = 0.10 мол. д., при Т = 298.15 К, рН = 3.6; е) - при Хеюн = 0.20 мол. д., при Т = 298.15 К, рН = 7.0.

Образование комплекса включения между CURC и НР-Р-СЭ было исследовано в растворителе Н2О-ЕЮН состава Хеюн = 0.10 мол. д. с использованием двух разных фосфатных буферов при рН = 7.4 и рН = 5.0. Во всех калориметрических измерениях концентрация СОКС составляла в диапазоне 8^10-6 моль/л ^ 1.Ф10-4 моль/л, в то время как диапазон концентраций для HP-P-CD был 1.2^10-3 моль/л ^ 1.2^ 10-2 моль/л. Растворы готовили непосредственно перед измерениями.

2.2. Метод фазовой растворимости

Методом фазовой растворимости были исследованы растворимости кверцетина и куркумина в присутствии ИР-Р-СБ в водно-этанольном растворителе и БК в присутствии Р-СБ в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителе.

Для количественной оценки комплексообразования в системах [БК Р-СБ], ^СТ НР-Р-СБ] и [СЦЕС НР-Р-СБ] рассчитывали величину константы устойчивости комплексов методом Хигучи-Коннорса [103]. Согласно этому методу константу устойчивости комплекса определяют исходя из диаграммы растворимости по уравнению:

к = Ь л (2.2)

5о(1 - Ь )

где So - растворимость БК, QCT и СиЯС в воде или в водно-органических растворителях соответственно, Ь - тангенс угла наклона зависимости растворимости БК, QCT или СЦЯС от концентрации СБ. Из экспериментальных данных были определены выходы комплексов [БК Р-СБ] и ^СТ НР-Р-СБ] в растворителе Н20-ЕЮН и константы устойчивости комплексов между СЦЕС с НР-Р-СБ и БК с Р-СБ в водно-органических растворителях.

Растворимость БК была определена в воде и в бинарном растворителе вода-БМБО (Хбмбо = 0.00, 0.02, 0.05 мол. д.), содержащем Р-СБ-переменной концентрации. БК в избытке по отношению к Р-СБ, помещали в реакционный стакан, содержащий 25 мл раствора Р-СБ с переменной концентрацией 0^10 мМ и непрерывно перемешивали в течение 24 часов в термостатируемом боксе при Т = 298.15±0.05 К. После установления равновесия растворы центрифугировали. Далее раствор пропускали через фильтр с диаметром пор 0.2 мкм, разбавляли соответствующем растворителем и анализировали спектрофотометрически для определения концентрации свободного и связанного БК. Каждый эксперимент повторяли 3-5 раз, после чего рассчитывали среднее значение растворимости БК. Выход комплексов включения (У) рассчитывали, по данной формуле:

у = т([БК Р-срР • 100%. (2.3)

ш(ВК)+ш(р-СО) v '

Фосфатные буферы готовили растворением 0.201г KCl, 7г NaCl, 1.42г Na2HPO4 в 500 мл бидистиллированной воды (DDW). Раствор перемешивали на магнитной мешалке в течение 30 минут при комнатной температуре и доводили до конечного объема 1 л. Два фосфатных буфера готовили по-разному: первый раствор фосфатного буфера (PBS) доводили до pH=7.4 (PBS/этанол 8:2 (об/об); Tween®80 0.5% (масса/об); аскорбиновая кислота и лимонная кислота 1: 1 (масса/масса), 0.1% (масса/об)). Второй раствор PBS был доведен до pH=5.0 (PBS/этанол 8:2 (об/об); Tween®80 0.5% (масса/об)). К насыщенным растворам CURC (приготовлены с использованием фосфатного буфера) добавляли HP-ß-CD, последовательно увеличивая его концентрацию от 3 мМ до 15 мМ. Были получены комплексы включения [CURC HP-ß-CD], образование которых было подтверждено экспериментами по методу растворимости. Избыточное количество CURC суспендировали в 5 мл раствор фосфатного буфера, содержащий HP-ß-CD, в диапазоне концентраций 3^15 мМ (табл. 2.4). Суспензии готовили в закрытых флаконах при комнатной температуре в течение 24 часов в темноте при постоянном перемешивании при 100 об/мин. После этого растворы фильтровали через мембрану 0.22 мкм и отфильтрованный раствор анализировали спектрофотометрическим методом для количественного определения солюбилизированного CURC (UV-1800, Shimadzu Laboratory World, Япония; X=426 нм в фосфатном буфере).

CURC и HP-ß-CD растворяли в молярном соотношении 1:1 в каждом буферном растворе и оставили на перемешивание (100 об/мин) при комнатной температуре на 24 часа в темноте. Во время перемешивания каждую колбу покрывали алюминиевой фольгой для предотвращения фотодеградации CURC. После этого растворы фильтровали (0.22 мкм) и количество солюбилизированного CURC определяли количественно с помощью спектрофотометрического анализа (Х=426 нм). В таблице 2.4 приведены первичные спектрофотометрические данные по комплексообразованию

СШС с НР-р^ в растворителе Н2О-ЕЮН (Хеюн = 0.10 мол. д.) при Т = 298.15 К в фосфатном буфере при рН = 7.4 и рН = 5.0.

Таблица 2.4 - Первичные спектрофотометрические данные: комплексообразование СШС с HP-P-CD в растворителе Н2О-ЕЮН ХЕЮН = 0.10 мол. д. при Т = 298.15 К, фосфатный буфер, рН = 7.4 и 5.0.

Начальные концентрации А

СШС, 10-3 моль/л НР-р-СБ, 10-3 моль/л

рН = 7.4

2.71 0.00 0.034

2.71 2.99 0.249

2.71 5.93 0.411

2.71 8.99 0.604

2.71 14.9 0.924

рН = 5.0

2.71 0.00 0.036

2.71 2.99 0.261

2.71 5.93 0.552

2.71 8.99 0.736

2.71 14.9 1.253

Коэффициенты распределения кверцетина в водно-диметилсульфоксидном растворителе определены методом межфазного распределения вещества между двумя несмешивающимися фазами: водно-диметилсульфоксидного раствора и н-гексана.

В ходе эксперимента в колбу с пришлифованными крышками помещали равные аликвоты водно-органического раствора кверцетина и гексана. Содержимое колбы перемешивалось с помощью магнитной мешалки в течение 8 часов при постоянной температуре (298.2 ± 0.1 К). После отстаивания (15 часов) отбирали пробу нижнего слоя гетерогенной системы

(кверцетин + растворитель Н2О-ОМБО), в котором спектрофотометрически определяли равновесную концентрацию кверцетина в водно-диметилсульфоксидном слое (^СТ]Н20'ШЮ). Для этой цели строили калибровочные графики зависимости оптической плотности водно-диметилсульфоксидного раствора кверцетина от его концентрации (рис. 2.4). Для каждого состава растворителя графики зависимостей были аппроксимированы линейно методом наименьших квадратов. Аппроксимационные уравнения были использованы для расчета ^СТ]Н20' °т0. Все измерения проводились на двухлучевом УФ-спектрофотометре SPECORD М400 при длине волны 334.5 нм в кюветах толщиной 1 и 10 мм при концентрации кверцетина от 0.000028^0.00014 моль/л в интервале оптических плотностей 0.15^2.00. Пример абсорбционной кривой водно-диметилсульфоксидного раствора кверцетина приведен на рисунке 2.5.

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

а

А=-1.91310-4 + 11560.033[0СТ]Н2°-Ш5

ост , моль/л

—1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0,000020,000040,000060,000080,000100,000120,00014

Рисунок 2.4 - Калибровочный график для определения [QCT]H20~DMS0 (X = 334.5 нм; QCTucx от 0.000028 моль/л-0.00014 моль/л, Т = 298.2 К, рН = 6.86).

240 280 320 360 400

Рисунок 2.5 - Экспериментальная кривая УФ спектра поглощения кверцетина (ОСТисх = 0.0001293 моль/л) в водно-диметилсульфоксидном растворе (хэмбо = 0.1 м. д.) при температуре 298.2 К и рН = 6.86 (фосфатный буфер).

Равновесную концентрацию РСТ в слое гексана ([QCT]Hex) определяли по формуле (2.4), принимая, что объем реакционной среды в ходе эксперимента оставался постоянным:

^СТ]Нех = QCTисх - ^СТ]Н2°-ВШ0, (2.4)

где [QCT]Hex - равновесная концентрация кверцетина в слое гексана, моль/л, QCTисх - исходная концентрация кверцетина в водно-диметилсульфоксидном слое до образования гетерогенной смеси, моль/л, [QCT]H20'DMS0 - равновесная концентрация кверцетина в водно-диметилсульфоксидном слое гетерогенной системы, моль/л.

Для расчета энергии Гиббса переноса веществ из одного растворителя в другой используются значения коэффициентов распределения изучаемых соединений между двумя несмешивающимися растворителями. Коэффициенты распределения кверцетина между несмешивающимися фазами и изменение энергии Гиббса кверцетина при его переносе из воды в водно -диметилсульфоксидные растворы (Дцб^^СТ)) рассчитывали по уравнениям:

К = [QCT]Hex / 2(2.5)

К2 = [QCT]Hex / ^СТ] H20 (2.6)

А1т00^СТ)Н20^т0 = КГЫ(^СТ]Н20/ЮСТ]Н20-шю) = ЯТпК/Къ (2.7) где К1 и К2 - коэффициент распределения РСТ в системах гексан-вода и гексан-водно-диметилсульфоксидный растворитель соответственно, ^СТ]Н20 - равновесная концентрация кверцетина в водном слое гетерогенной системы, моль/л. Погрешности определялись как стандартное среднеквадратическое отклонение для 3 параллельных опытов. Полученные значения энергии Гиббса переноса кверцетина принимались за стандартные, что обусловлено низкими концентрационными условиями и отсутствием концентрационных зависимостей в условиях эксперимента.

2.3. ЯМР-спектроскопия бензойной кислоты с р-циклодекстрином в растворителе вода-диметилсульфоксид переменного

состава

Спектры 1Н ЯМР регистрировали на спектрометре JNМ-ЕСА-400 («ШОЬ», Япония) при частоте 400 МГц и температуре 298 К. В качестве растворителей использовались дейтерированные вода и диметилсульфоксид (атомная доля дейтерия > 99.9%). При изучении комплексообразования спектры 1Н ЯМР были сняты в чистой дейтерированной воде и в растворителе Э2О - ЭМБО-ёб переменного состава (мольная доля ЭМБО 0.00, 0.05 и 0.10).

Первичные данные по химическим сдвигам 1Н для всех серий в растворителе В2О-ОМ8О-ё6 приведены в таблицах 2.5, 2.7 и 2.9. Относительные химические сдвиги 1Н приведены в таблицах 2.6, 2.8 и 2.10.

В каждой серии концентрация Р-СЭ оставалась неизменной (0.0135 моль/л), а концентрация бензойной кислоты варьировалась в диапазоне д = СБК/Ссп от 0^1.4 (2.0). Данные по изменению относительных химических сдвигов использовались для расчета констант устойчивости образующихся комплексов включения. Для расчета констант устойчивости комплексов состава 1:1 использовалась формула (2.8):

Д„абл= 1 Л„ (1 + V- + - + V- + ^ - (2.3)

где Анабл - наблюдаемый относительный химический сдвиг протона Р-СБ, Ля - предельный индуцируемый комплексообразованием химический сдвиг протона Р-СБ, Ссо - концентрация Р-СБ в растворе, К - константа комплексообразования. Обработка данных серии методом наименьших квадратов дает значения Дя и Расчет проводился по зависимостям для протона, имеющего наибольший диапазон изменения химического сдвига в серии (3 или 5).

Таблица 2.5 - Наблюдаемые химические сдвиги протонов Р-СБ для системы [БК р-СБ] в Б20 (м.д.).

С(БК)/С(Р-СБ) Р-СБ

Н1 Н5 Н6 Н3 Н2 Н4

0 4.941 3.837 3.75 3.726 3.521 3.455

0.4 4.924 3.755 3.736 3.661 3.502 3.445

0.6 4.916 3.746 3.723 3.626 3.493 3.44

0.8 4.913 3.7299 3.7227 3.608 3.49 3.439

1 4.909 3.7125 3.7193 3.589 3.484 3.436

1.2 4.903 3.692 3.723 3.567 3.477 3.433

1.4 4.901 3.69 3.721 3.564 3.476 3.431

Таблица 2.6 - Относительные наблюдаемые химические сдвиги протонов Р-СБ для системы [БК Р-СБ] в Э20 (м.д.).

С(БК)/С(Р-СБ) Р-СБ

Н1 Н5 Н6 Н3 Н2 Н4

0 0 0 0 0 0 0

0.4 -0.017 -0.082 -0.014 -0.065 -0.019 -0.01

0.6 -0.025 -0.091 -0.027 -0.1 -0.028 -0.015

0.8 -0.028 -0.1071 -0.0273 -0.118 -0.031 -0.016

1 -0.032 -0.1245 -0.0307 -0.137 -0.037 -0.019

1.2 -0.038 -0.145 -0.027 -0.159 -0.044 -0.022

1.4 -0.04 -0.147 -0.029 -0.162 -0.045 -0.024

Таблица 2.7 - Наблюдаемые химические сдвиги протонов Р-СБ для системы [БК Р-СБ] в растворителе В2О-ОМ8О-ёб ХОМ8О-ёб=0.05 мол. д. (м.д.).

С(БК)/С(Р-СБ) Р-СБ

Н1 Нб Н5 Н3 Н2 Н4

0 4.957 3.768 3.778 3.683 3.536 3.474

0.2 4.952 3.751 3.761 3.656 3.532 3.471

0.4 4.947 3.754 3.747 3.636 3.527 3.467

0.6 4.941 3.744 3.733 3.616 3.522 3.464

0.8 4.941 3.744 3.728 3.607 3.521 3.465

1 4.935 3.737 3.717 3.591 3.518 3.460

1.2 4.934 3.741 3.713 3.586 3.517 3.460

1.4 4.934 3.741 3.711 3.581 3.515 3.460

1.6 4.930 3.737 3.704 3.570 3.512 3.458

1.8 4.929 3.736 3.702 3.568 3.512 3.457

2 4.926 3.726 3.697 3.560 3.509 3.459

Таблица 2.8 - Относительные наблюдаемые химические сдвиги протонов Р-СБ для системы [БК Р-СБ] в растворителе Б2О-ВМ8О-ёб ХвМВО-ёб=0.05 мол. д. (м.д.).