СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА (III) С АЗОПРОИЗВОДНЫМИ ГОССИПОЛА

АННОТАЦИЯ

В статье приведены сведения о применении азопроизводного госсипола (АПГ) в качестве реагента на ионы железа (+3) в присутствии универсального буферного раствора. Подобраны оптимальные условия комплексобразования реагента с металл-ионами. Исследовано влияние посторонних мешающих ионов. Предложена методика спектрофотометрического определения ионов железа (+3), которая применена к анализу образцов  природной воды.

ABSTRACT

The article provides information on the use of a nitrogen-containing gossypol derivative as a reagent for iron ions (+3) in the presence of a universal buffer solution. The optimal conditions for the complex formation of the reagent with metal ions are selected. The effect of extraneous interfering ions has been studied. A technique for the spectrophotometric determination of iron ions (+3) is proposed, which is applied to the analysis of a sample of natural water.

Ключевые слова:  госсипол, аналитический реагент, ионы железа, посторонние ионы, спектрофотометрический метод, комплексообразование. 

Keywords: gossypol, a nitrogen-containing derivative of gossypol, analytic reagent, iron, spectrophotometric method, complexation.

Уникальным по химической структуре и физиологическому действию является госсипол – полифенольное соединение растений рода Gossypium  и близких к нему родов семейства мальвовых. Госсипол и его производные обладают широким спектром физиологической активности. Некоторые из них широко используются в медицинской практике в качестве препаратов противовирусного (3%-ный линимент госсипола), антигерпетического (3%-ная мазь мегосина), иммуносупрессивного действия (таблетки Батридена). Вышесказанное свидетельствует о целесообразности поиска новых физиологически активных веществ среди соединений, синтезированных на основе госсипола [1-2].

Производные госсипола, полученные в результате конденсации госсипола с соответствующими алифатическими, ароматическими и гетероциклическими аминами, являются основаниями Шиффа госсипола. Для Шиффовых оснований госсипола изучены методы получения, взаимосвязь противовирусной и интерферониндуцирующей активности со строением азометиновых соединений, среди них выявлены наиболее активные производные госсипола [2-4]. Синтезированы и исследованы [5] комплексы основания Шиффа рацемического госсипола с 5-гидрокси-3-оксапентиламином (ГСБГ) с Н⁺ и катионами одновалентных металлов а также, масс-спектрометрическим методом ESI и полуэмпирическим расчетом PM5. Исследуемое основание Шиффа существует в растворе хлороформа в енамин-енаминовой таутомерной форме. После протонирования таутомерная форма переходит в имин-иминную. Молекула ГСБГ образует комплексы 1:1 с катионами Li⁺, K⁺ и Rb⁺, в которых предпочтительна таутомерная форма енамин-енамин. Обсуждаются структуры протонированного основания Шиффа и его комплекса с катионами Li⁺ и K⁺, а также соответствующие водородные связи в этих структурах.

Иминогруппа является весьма полезным активным центром многих биологических систем [6-8]. В качестве примера такого применения можно привести обширные исследования производных Шифового основания госсипола, проведенные Przybylski et al. с применением многие спектроскопических, теоретических и рентгеновских методов анализа [7-9].

В связи с этим особое внимание уделяется созданию экологически безопасных аналитических реагентов на основе природных физиологически активных веществ при обнаружении и разделении тяжелых и редких металлов в природных источниках, отходах производства и сточных водах.

Актуальной проблемой является выбор селективных (в частности к металлам платиновой группы) лигандов на основе физико-химического анализа закономерностей влияния различных факторов на избирательность комплексообразования: тип координирующей группы и природа донорного атома азотсодержащего производного госсипола, кислотность и ионный состав растворов.

Целью настоящей работы явилась разработка экспресных, избирательных и высокочувствительных спектрофотометрических методик определения железа (III) с использованием азопроизводных  госсипола  (АПГ).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методы исследования. рН-метрия, спектрофотометрия, методы прямого количественного определения с помощью спектрофотометрических измерений (метод градуировочного графика).

Химические реактивы, материалы и оборудование. В работе использовали реагенты квалификации х.ч.  и  ч.д.а.

Приготовление растворов: Растворы хлорное железа 0,01 М готовили растворением навесок солью (квалификации х.ч.) в дистиллированной воде. Рабочие растворы n·10^{-4 M} готовили растворением исходных растворов. Исходный раствор аналитического реагента АПГ готовили растворением в ацетоне точной навески реагента, предварительно очищенного двойной перекристаллизацией из водно-ацетонового раствора. Чистоту реагента проверяли методом восходящей хроматографии на бумаге[10].

Использовали органические растворители квалификации х.ч. или предварительно очищали перегонкой; чистоту контролировали по температуре кипения.

Спектры поглощения растворов комплекса Ме-R регистрировали на спектрофотометре “UV/Vis spectrophotometr Optizen-III”. Кислотность растворов контролировали на рН-метре KSL–1100-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Азопроизводние госсипола  (АПГ) oкpaшeны в красно-бурый цвет; с иoнaми железо oбpaзуют цвeтныe кoмплeксныe сoeдинeния, кoтopыe пpи oпpeдeлeнных услoвиях имeют характерное окрашивание. Этo свoйствo производных гoссипoлa пoзвoляeт испoльзoвaть eгo в aнaлитичeскoй химии для кaчeствeннoгo и кoличeствeннoгo oпpeдeлeния иoнoв мeтaллoв.

Рисунок 1. Структура (4,4 '- ((1E, 1'E) - (8,8'-диформил-1,1', 6,6 ', 7,7'- гексогидрокси-5,5'-диизопропил-3, 3'-диметил- [2,2'-бинафталин] -4,4'-дийл) бис (диазен-2,1-дийл)) бис (4,1-фенилосульфонил)) бис (ацетиламид) натрия (АПГ). Брутто формула: C₄₆H₄₂N₆O₁₄S_2,  М.м. 966.

Наиболее изученным производными госсипола являются основания Шиффа на его основе, часть из которых применяется в количественных методах анализа и выделении госсипола [11].

В работах [12-13] для аминов госсипола предложена бензоидная структура, хотя для этого класса соединений характерны явления таутомерии, при которой сигматропный перенос протона ведет к более или менее сдвинутому, в ту или иную сторону, бензоидно-хиноидному равновесию.

При действии солей двух и многовалентных металлов на водно-ацетоновые или водно-спиртовые растворы госсипола образуются госсиполаты этих металлов, в большинстве случаев очень трудно растворимые в воде. Напротив, в некоторых органических растворителях (спирты, эфиры, кетоны, бензол, толуол, хлороформ и ) эти госсиполаты, как правило, в той или иной степени, растворимы [11].

Реакции образования госсиполатов тяжелых металлов до сих пор недостаточно изучены. В большинстве случаев точно не установлен даже состав образующихся продуктов. Исключением в этом отношении являются реакции образования азосоединения госсиполатов моновалентного металла-серебра.

В работе [14] методом потенциометрии определены константы устойчивости комплексов госсипола и десяти его оснований Шиффа с катионами Ag⁺. Было установлено, что ионы серебра и азосоединения госсипола взаимодействуют друг с другом в молярном отношении 1:1, 1:2, 2:1 и 3:2. Изучены физико-химического свойства и строение комплексов методами потенциометрии и  масс-спектроскопии (а также, ESI FT-IR as Well as PM5 Semi-empirical) [14] .

Исследования показывают, что большая часть госсиполатов окрашена в желтый цвет различных оттенков. Иные окраски имеют следующие госсиполаты: госсиполат ртути II окрашен в зеленый цвет, железа III в темно-зелёный (почти черный цвет), хрома, молибдена, сурьмы III, олова и железа II- в темно-коричневый с красноватым  оттенком [15].  

Для изучения спектрофотометрической реакции комплексобразования железа (+3) с реагентом АПГ, прежде всего, были подобраны оптимальные условия. Оптическая плотность ацетонового раствора реагента и ионного ассоциата реагента с железом ( измеряли, соответственно, при λ_{мах(реагент)} = 415 нм и λ_{мах(комп)}=400 нм  на спектрофотометре относительно холостого раствора. Молярный коэффициент поглощения  при 400 нм составлял .

Одним из основных условий реакции комплексообразования является кислотность среды. Поэтому для получения воспроизводимых результатов применяют буферные растворы с различными значениями рН.

Для установления оптимального значения рН были приготовлены различные по составу и величинам рН буферные растворы.

Оптическая плотность комплекса увеличивается с увеличением рН растворов.

Таблица 1.

Зависимости оптической плотности комплексного соединения (  от рН среды  раствора (Т_Fe³⁺ =50 мкг/мл, n=5; t=22°C; l=1 cм)

Рисунок 1. График зависимости оптической плотности комплексного соединения ( от рН среды раствора

Максимальная оптическая плотность комплекса наблюдается в узком интервале рН раствора (рН=3,02 Исходя из этого, оптимальным был выбран рН= 3,02 и из экспериментальных данных видно, что максимальный выход комплекса наблюдается при использовании универсального буферного раствора, который применяли в дальнейших исследованиях (Рис.1).

Рассчитан молярный коэффициент поглощения и определена чувствительность по Сенделу [16]. При оптимальных условиях составлен градуировочный график, который линеен в диапазоне концентраций 5-68мкг/25мл  (Рис.2.).

Отложением полученных значений на осях координат получают ряд точек, лежащих на одной прямой, угловой коэффициент которой, согласно теории, должен равняться числу координируемых центральным ионом частиц. Былo устaнoвлeнo, чтo выбpaнныe услoвия были спeцифичны для иoна железа, что обусловливается самим ионом и природой реагента.

Рисунок 2. Подчинение комплекса железа(III) с реагентом АПГ закону Бера

 Растворы комплексов железа () подчиняются закону Бера в интервале 5-68 мкг/25мл (таб.2). На этой основе были разработаны новые спектрофотометрические методы определения железа с азопроизводными  госсипола.

Таблица 2.

Некоторые аналитические характеристики комплекса Fe-АПГ 

 Молярные отношения установлены методом молярных отношений и методом насыщения с переменной концентрацией одного из компонентов (металл-реагент).

Peзультaты исслeдoвaния пoкaзaли, чтo фoтoмeтpичeская реакция с иoнaм железа  пoкaзaла cреднюю кoнтpaстнoсть.

Нa oснoвe paзpaбoтaнных спeктpoфотометрических мeтoдoв был пpoвeдeн aнaлиз сoстaвa мнoгoкoмпoнeнтных мoдeльных растворов, содержащих ионы Fe⁺³.

В составе питьевой воды с железом могут всречаться также тяжёлые металы, такие,  как хром, марганец, кобальт, медь и некоторые другие. Поэтому необходимо было выяснить влияние посторонных ионов на спeктpoфотометрическое определение железа с реагентом АПГ(см. тaбл. 3).

Тaблицa 3.

Влияние посторонных веществ на определение железо (С_Fe=50мкг,  n=5, P=0,95;)

Из данных таблицы 4 видно что определению железо в виде комплекса не мещают ионы кобальта (1:1 и 1:10), марганца (1:1) и хрома (1:1 и 1:10), сильно мещают ионы марганца (1:10), меди (1:1 и 1:10). Мешающее влияние посторонных ионов устраняют маскировкой соответственно пиридином и фторидом натрия (табл. 4).

Тaблицa 4.

Влияние посторонних веществ на определение железа (С_Fe=50мкг,  n=5, P=0,95;)

Из полученных данных следует, что разработанная методика может быть применена для определения железа в присутствии таких ионов, как кобальт, марганец, хром и др., а с применением маскирующих реагентов может быть также применена к анализу объектов, содержащих марганец и медь. Предлагаемая методика спектрофотометрического определения ионов железа (+3) применена к анализу oбpaзцов пpиpoдных вoд.

Тoчнoсть и вoспpoизвoдимoсть peзультaтoв определения ионов железа (III) в пробах воды по разработанной методике с применением метода добавок, сравнена с таковыми, предписанными Государственным стандартом Республики Узбекистан (Гос стандарт РУз 950:2011) “Вода питьевая”  (см. тaблицу 5).

Тaблицa 5.

Oпpeдeлeниe иoнoв железа в пpoбах вoды paзpaбoтaнным мeтoдoм и сpaвнeниe со стандартом

Как видно, результаты определения ионов железа (III) в стандартных образах питьевой воды с применением разработанной методики хорошо воспроизводимы и точны, что соответствует требованиям, предъявляемым к методам анализа, предусматриваемых национальным государственным стандартом.

Выводы

Таким образом, можно прийти к следующим выводам:

-  разработан новый спектрофотометрический метод определения железа с помощью АПГ.

- подобраны оптимальные условия комплексобразования реагента с железом (+3).

- исследовано влияние посторонних мешающих ионов.

- предложена методика спектрофотометрического определения ионов железа (+3), которая применена к анализу питьевой воды. Разработанная методика определения железа с помощью АПГ отличаются высокой избирательностью и воспроизводимостью с s_r  не превышающим 0,009, что указывает на метрологически обоснованную рекомендацию предлагаемых методик для анализа питьевых вод.

Список литературы:

1. Вичканов С.А., Петерс В.В., Мартынова Р.Г. Изучение противовирусных свойств госсипола в эксперименте и клинике / Новые лекарственные препараты. 1983.  №1. С. 2-5.
2. Вартанян Р.В., Сергеева Э.М., Чешик С.Г.. Оценка терапевтической эффективности препарата Кагоцел у детей младшего и дошкольного возраста с острыми респираторными вирусными инфекциями //Детские инфекции. 2011. №1. С. 36-41.
3. 3 Сологуб Т.В., Цветков В.В. Кагоцел в терапии гриппа и острых респираторных вирусных инфекций: анализ и систематизация данных по результатам доклинических и клинических исследований //Терапевтический архив.  2017. 89 (08). C. 113-119.
4. Mukhamediev, M.G., Auelbekov, S.A., Sharipova, Z.T., Babaev T.M., Aslanov Kh.A., Musaev U.N. Polymer complexes of gossypol and their antiviral activity.// Pharm Chem J. 1986. 20. P.276–278. https://doi.org/10.1007/BF00758817
5. Przybylski P., Bejcar G., Schroeder G., Brzezinski B. Complexes of Schiff base of gossypol with 5-hydroxy-3-oxapentylamine and some monovalent cations studied by ESI MS as well as PM5 semiempirical methods // Journal of Molecular Structure. -2003. -654 (1).   –P.245–252.
6. Przybylski P., Brzezinski B. The Complexes Between Schiff Base of Gossypol with L-Phenylalanine Methyl Ester and Some Monovalent Cations Studied by ¹H NMR, ESI MS, FT-IR as Well as PM5 Semi-empirical Methods // J. Mol. Struct. – 2003. -Vol.654.-P.167–176.
7. Przybylski, P., Schroeder G., Brzezinski B. // Complexes of Schiff Base of Gossypol with 5-Hydroxy-3-oxapentylamine and Ca2⁺, Ba2⁺ or Pb2⁺ Cations Studied by NMR, FT-IR, ESI MS as Well as PM5 Semiempirical Methods, Ibid. -2003. -Vol.658. -P.115–124.
8. Przybylski P., Schroeder G., Brzezinski B. // The Schiff Base of Gossypol with 2-(Aminomethyl)-18-crown-6 Complexes and H+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ Cations Studied by ESI MS, 1 H NMR, FT-IR and PM5 Semiempirical Methods, Ibid. -2004. Vol.699. –P.65–77.
9. Przybylski P., Schroeder G., Pankiewicz R., Brzezinski B., Bartl F. // Complexes of Schiff Base of Gossypol with nButylamine and Some Monovalent or Bivalent Cations Studied by ESI MS, NMR, FT-IR as Well as PM5 Semiempirical Methods, Ibid.. – 2003. Vol.658. –P.193–205.
10. Ю.К.Юрьев “Практические работы по органической химии” Издат. МГУ. М.: -1964. -420 c.
11. Маркман А.Л., Ржехин В.П. Госсипол и его производные. – М. : Пищ. пром-ть, 1965. – 250 с.
12. Dechary J.M., Brown L.E. Subetituted arylimune derivaties of gossypol // J.Amer. Oil Chem. Soc. -1956. –Vol. 33. –P.76-78.
13. Alley P.W, Shirley D.A. Some new anil derivateis of gossypol // J.Org. chem,  -1959. - Vol 24 (10). –P.1534-1536.
14. Przybylski Р., Kira J., Schroeder G., Brzezinski B., Bartl F. Molekular struktures and stability constants of gossypol and its aza-derivative complexes with silver (I) cations studiet by potentiometric, ESI MS, NMR, and AM1 d semiempirical methods // J. Phys Chem A. 2008. -112 (35). P.8061-8069.
15. Aбдуpaхмaнoвa У.К., М.P.Aскapoвa Aнaлитичeскиe свoйствa гoссипoлуксуснoй кислoты // Universum: химия и биoлoгия: электрон. научн. журн. – 2020. 12(78). –С.30-35.
16. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа./ Л.: Химия, .-1986. -317 стр.