Исследование механоактивированного глюконата кальция методами ЭПР и ИК-спектроскопии

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОГО ГЛЮКОНАТА КАЛЬЦИЯ МЕТОДАМИ ЭПР И ИК-СПЕКТРОСКОПИИ

Г.Г. Гумаров, В.Ю. Петухов, Г.Н. Коныгин, Д.С. Рыбин, Е.П. Жеглов Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН gumarov@kfti.knc.ru

Методами ЭПР и ИК-спектроскопии изучены физико-химические превращения, происходящие в глюконате кальция при механохимической обработке. ЭПР исследования показали, что в результате такого воздействия в образцах образуются парамагнитные центры свободнорадикальной природы, при этом их концентрация немонотонно зависит от времени измельчения. Данные ИК-спектроскопии свидетельствуют о деструкции молекулы глюконата кальция, причем разрыв молекул происходит вблизи атома кальция, с последующим образованием 5-глюконолактона.

ВВЕДЕНИЕ

Химические соединения металлов с углеводами играют важную роль в биохимических реакциях, протекающих в организме человека. Типичным представителем этих соединений является глюконат кальция, который используется в практической медицине для лечения заболеваний, связанных с нарушением обмена кальция. Повышение биоусвояемости содержащих кальций соединений медицинского назначения до сих пор остается актуальной проблемой здравоохранения. В последнее время было показано, что механоактивация глюконата кальция приводит к значительному повышению его терапевтической эффективности при лечении заболеваний, обусловленных дефицитом кальция [1, 2].

Известно, что механоактивация может повышать терапевтическую эффективность препаратов [3[. Одним из следствий механоактивации может быть то, что вещество приобретает способность преодолевать биологические барьеры, т.е. биодоступность [4]. Изучение причин повышения биоусвояемости конкретных лекарственных препаратов представляет как научный, так и практический интерес. Механическое воздействие на вещество может служить источником многочисленных превращений, таких как аморфизация, конформационные превращения, полиморфные переходы и т.п., что может быть причиной увеличения эффективности лекарственных препаратов [5]. Целью настоящей работы явилось исследование физико-химических превращений, происходящих в глюконате кальция при его механохимической обработке.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения работы использовался глюконат кальция производства ЗАО Белвитамины. Механоактивированные порошки получали по методике, описанной в [6]. Время измельчения составляло от 2 мин до 3 ч.

Анализ элементного состава исходных и измельченных образцов проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой AES-ICP SPECTROFLAME. Структурно-фазовый анализ проводили методом рентгеновской дифракции (РД) на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированном Си Ка-излучении.

Спектры ЭПР записывали на спектрометре Varian Е-12 на частоте ~ 9.5 ГГц в температурном диапазоне 77 - 300 К. Образцы порошков глюконата кальция заполняли кварцевую ампулу длиной более высоты резонатора с целью помещения одинакового количества вещества в одной половине ТЕ104 - резонатора спектрометра при каждом измерении. Для проведения количественных измерений во вторую половину резонатора помещали угольный эталон.

Инфракрасные (ИК) спектры пропускания снимали на ИК Фурье-спектрометре ФСМ-1202 при разрешении 1 см-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рентгеновских дифрактограммах исходного глюконата кальция наблюдался характерный для кристаллического состояния набор структурных рефлексов. Для образцов, подвергнутых механохимической обработке в течение от 2 до 20 мин, интенсивность дифракционных пиков уменьшалась, и возникало аморфное гало. После 30 мин обработки дифракционные пики полностью исчезали, и дальнейшее увеличение времени помола не приводило к каким-либо изменениям рентгеновских дифрактограмм, что свидетельствует об образовании рентгеноаморфного состояния образцов.

Исходный глюконат кальция не обнаружил каких-либо парамагнитных центров, регистрируемых методом ЭПР. После механохимической обработки в спектре ЭПР, записанном при комнатной температуре, появилась линия поглощения с ^-фактором g = 2.0051 ± 0.0002 и шириной АН = 8.7 ± 0.5 Э (см. рис. 1). Интенсивность линии поглощения зависела от времени помола: вначале интенсивность сигнала возрастает, достигая максимума, а затем - незначительно уменьшается. Типичная зависимость от времени помола приведена на рис. 2.

Рис. 1. Спектр ЭПР механо-активированного глюконата кальция. Время измельчения 2 часа.

0,03

0,02

0,01

0,00

А /

/ /

/

20 40 60 80 100 120 Время измельчения

Рис. 2. Зависимость интенсивности сигнала ЭПР от времени измельчения.

Содержание примесных элементов при измельчении в пределах ошибки методики определения не менялось относительно исходного состояния. Таким образом, в целом, загрязнения образцов материалом измельчающих тел (сосудов и шаров) не происходило. Поэтому появление парамагнитных центров не обусловлено привнесением в активированные образцы посторонних примесей. Учитывая значение g-фактора, можно считать, что появление сигнала ЭПР при механоактивации обусловлено образованием свободных радикалов.

Ширина линии поглощения, также как и g-фактор, при изменении времени помола не изменялись. Таким образом, первоначально при увеличении продолжительности измельчения происходит накопление числа парамагнитных центров одинаковой физико-химической природы. Дальнейшее замедление скорости накопления парамагнитных центров (см. рис. 2) и незначительное уменьшение их количества при обработке более 60 минут может быть связано с различными радикальными реакциями, такими как рекомбинация, распад и т.п. По данным ЭПР, для образца глюконата кальция при 60 минутах измельчения концентрация парамагнитных центров (максимальная) составила ~2*1016 г-1. Обычно, равновесная концентрация радикалов несколько выше, в частности, для линейных полимеров она составляет (1-5)*1018 г-1 [3]. Такое различие можно объяснить тем, что скорость механической деструкции, и, следовательно, скорость образования радикалов снижается при уменьшении молекулярной массы вещества. Исходя из малой концентрации радикалов, можно ожидать малую вероятность их

взаимной рекомбинации. При этом уменьшение их числа при временах измельчения, больших 60 минут, происходит, по всей видимости, благодаря реакции распада радикала, т.е. разрушению молекулярной структуры, содержащей парамагнитный центр. Следует также отметить, что парамагнитный центр оказался стабильным и долгоживущим: интенсивность линии поглощения не изменялась в течение года с момента механоактивации препарата.

Форма линии, определенная методом линейных анаморфоз, является практически лоренцевой для всех образцов, полученных при любых временах измельчения. Обычно для радикалов времена спин-решеточной релаксации много больше времени спин-спиновой релаксации, и результирующая ширина линии обусловлена ею. Прямое диполь-дипольное взаимодействие между отдельными спинами при установленной нами концентрации будет пренебрежимо мало. В этом случае, причины однородного уширения линии ЭПР, по-видимому, следует искать во взаимодействии парамагнитных центров со спинами протонов.

Результаты инфракрасной спектроскопии глюконата кальция [7] согласуются с данными рентгеноструктурного анализа и указывают на аморфизацию системы после 20 мин активации. Однако происходящее при аморфизации сглаживание линий ИК-спектров значительно затрудняет идентификацию образующихся при механообработке химических соединений, особенно если их содержание существенно меньше объемной доли матричного соединения. После экстракции в этаноле механоактивированного в течение 3 ч глюконата кальция с последующим испарением растворителя на ИК- спектрах разрешается полоса 1735 см-1, соответствующая 5-глюконолактону, которая отсутствует в исходном кристаллическом состоянии.

Хорошо известно [ ], что механическое воздействие на вещество может служить источником его многочисленных превращений, связанных, с разрывом и образованием валентных связей и деформацией валентных углов, с разрушением и возникновением более слабых межмолекулярных взаимодействий (разупорядочение, аморфизация кристаллической структуры, конформационные превращения, полиморфные переходы). В органических соединениях имеются два типа связей: прочные межатомные (ковалентные) связи внутри молекул и относительно слабые межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы, водородные). Естественно, под действием механических напряжений в первую очередь должны рваться более слабые межмолекулярные связи. Однако, в частицах глюконата кальция межмолекулярные связи образуются по всей длине молекул и суммарная энергия, необходимая для их разрыва, становится соизмеримой с энергией разрыва валентных связей. При этом механические воздействия будут вызывать разрывы связей обоих типов. Разрыв межмолекулярных связей (возможно с образованием новых) приводит к аморфизации, на что указывают данные рентгеновской дифракции. Разрыв же валентных связей, кроме всего прочего, приводит к формированию парамагнитных центров. Исходя из данных ИК-спектроскопии, мы предполагаем, что в процессе механоактивации у части молекул глюконата кальция происходит разрушение связей Са-0 между катионом кальция и анионом глюконовой кислоты с последующей циклизацией последней. Ограниченная диффузионная подвижность молекул в твердой фазе, может приводить к большей временной стабильности свободных радикалов в активированной системе.

ВЫВОДЫ

Обнаружено появление сигнала ЭПР с §=2.005 и шириной линии ~8.5 Э от глюконата кальция, подвергнутого механохимической обработке. Предполагается, что появление парамагнитного центра обязано образованию свободного радикала,

возникновение которого, вероятно, связано с разрывом связи Ca-O с последующим образованием 5-глюконолактона.

Установлено, что с увеличением времени измельчения происходит накопление числа парамагнитных центров без изменения его физико-химической природы. Для исследованных образцов глюконата кальция максимальная концентрация парамагнитных центров, по данным ЭПР, составила 2*1016 г-1. При дальнейшем увеличении времени измельчения происходит распад парамагнитных центров, приводящий к незначительному уменьшению сигнала ЭПР.

Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ № 07-03-96005-р_урал_а.

1. Коныгин Г.Н., Гильмутдинов Ф.З., Дорофеев Г.А., Стрелков Н.С., Тюлькин Е.П., Поздеев В.В., Максимов П.Н., Филиппов А.Н. // Материалы конф. "Актуальные вопросы детской хирургии", Ижевск: Изд-во ИГМА, 2003.-С. 5659.

2. Коныгин Г.Н., Стрелков Н.С., Тюлькин Е.П., Поздеев В.В., Максимов П.Н., Филиппов А.Н., Шишкин С.Б., Гильмутдинов Ф.З., Дорофеев Г.А., Елсуков Е.П.: // Патент РФ № 2268053, 2004.

3. Дубинская А.М. // Успехи химии.- 1999.-T. 68.- С. 708-724.

4. Е.А. Варенцов, Ю.А. Хрусталев // Успехи химии.- 1995.-T. 64.- C. 834.

5. М.Л. Езерский. А.В. Савицкая. // Журн. физ. хим.- 1992.- T.66.- C. 3109.

6. Коныгин Г.Н., Гильмутдинов Ф.З., Быстров С.Г., Карбань О.В., Дорофеев Г.А., Елсуков Е.П., Шаков А.А., Стрелков Н.С., Тюлькин Е.П., Поздеев В.В., Шишкин С.Б., Максимов П.Н., Филиппов А.Н., Корепанова В.В. // Химия в интересах устойчивого развития.- 2005.-№ 13.- C. 1249-252.

7. Рыбин Д. С., Г. Н. Коныгин, Е. П. Елсуков, В. В. Аксенова, Д. Р. Шарафутдинова, Ю.Я. Ефремов // Химия в интересах устойчивого развития.-2007.- № 2.- C. 163-167.

INVESTIGATION OF MECHANICALLY ACTIVATED CALCIUM GLUCONATE BY EPR AND IR-SPECTROSCOPY

G.G. Gumarov, V.Yu. Petukhov , G.N. Konygin, D.S. Rybin, E.P. Zheglov Kazan Physical Technical Institute of RAS gumarov@krti.knc.ru

The physical and chemical transformations in calcium gluconate under the mechanochemical processing were investigated by EPR and IR-spectroscopy. It was shown that paramagnetic centers of free radical nature were formed in samples as a result of such treatment, their concentration depending nonmonotonically on the milling time. Data of IR-spectroscopy testify to a destruction of the molecule of calcium gluconate. The breaking of intermolecular bonds occurs near the calcium atom, followed by the formation of 5-gluconolactone.