ЯМР анализ состава эфирного масла ели в процессе его испарения

УДК 543.429.23:581.19:582.475.2

Е. Д. Скаковский, кандидат химических наук, доцент (ИФОХ НАН Беларуси);

С. А. Ламоткин, кандидат химических наук, доцент (БГТУ);

Л. Ю. Тычинская, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник (ИФОХ НАН Беларуси);

О. А. Молчанова, старший научный сотрудник (ИФОХ НАН Беларуси);

С. В. Матвейчук, старший научный сотрудник (ИФОХ НАН Беларуси);

Ю. М. Сорокина, старший научный сотрудник

ЯМР АНАЛИЗ СОСТАВА ЭФИРНОГО МАСЛА ЕЛИ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ИСПАРЕНИЯ

Методом ЯМР на ядрах 1Н и 13С проведен сравнительный анализ состава эфирного масла ели в процессе его испарения на воздухе в течение 12 недель. Идентифицированы и количественно определены 12 основных компонентов эфирного масла. Установлено, что изменение состава эфирного масла в условиях эксперимента отражается в количественном содержании компонентов и обусловлено главным образом испарением легколетучих соединений. Незначительно проявляются в новых продуктах окислительные и полимеризационные процессы.

Comparative analysis of the composition of essential oil of fir during its evaporation in air for 12 weeks by method of NMR 1H and 13C was carried out. 12 major essential oil components were identified and quantified. It was found that the compositional change of essential oil is reflected experimentally in the quantitative content of components, and caused mainly by evaporation of highly volatile compounds. The oxidation and polymerization processes in new products approve themselves slightly.

Введение. Эфирное масло ели стимулирует иммунитет, расслабляет, помогает справиться с нервозностью, быстрее восстанавливать здоровье после болезни и благодаря высокому содержанию борнилацетата, еловое эфирное масло обладает значительной антимикробной активностью, особенно в отношении стафилококка.

В процессе хранения возможно изменение свойств эфирного масла, обусловленное действием света и кислорода, поскольку его компоненты легко вступают в реакции окисления, изомеризации и полимеризации. Кроме того, из-за различной летучести компонентов должно изменяться количественное содержание их в смеси.

В настоящее время для контроля состава и качества эфирных масел преимущественно используются хроматографические методы [1, 2]. Несмотря на их универсальность, для получения достоверных результатов при анализе сложных смесей необходимо использовать колонки с различными наполнителями и иметь в наличии индивидуальные компоненты анализируемых смесей, что увеличивает время анализа.

Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в этом плане имеет значительные преимущества. Современные спектрометры обладают высокой чувствительностью, позволяют анализировать сложные составы на разных ядрах за достаточно небольшой промежуток времени, давая достоверные результаты [3].

Цель настоящей работы - сравнительный анализ состава эфирного масла ели в процессе его испарения методом ЯМР.

Основная часть. Образцы хвои отбирали в осенне-зимние месяцы с елей, произрастающих в районе г. Минска. В этот период выход эфирного масла достигает максимального значения, а его состав стабилизируется [4].

Отобранную хвою отделяли от стволиков, измельчали до размера ~ 5мм и методом гидродистилляции отгоняли эфирное масло, которое затем сушили при помощи хлористого кальция. Полученное эфирное масло в количестве 15 г заливали в химический стакан емкостью 100 мл и диаметром 40 мм.

Открытый стакан в течение 12 недель выдерживался при температуре (18 ± 1)°С. Через определенные промежутки времени из стакана отбирали пробу в количестве 0,03 г и растворяли в 0,5 мл дейтерохлороформа для анализа методом ЯМР-спектроскопии. Перед проведением анализа стакан с эфирным маслом взвешивали.

Спектры ЯМР записывали в количественном режиме на спектрометре AVANCE-500 (Bruker) с рабочей частотой 500 и 126 МГц для ядер 'Н и 13С соответственно. Запись проводили при температуре 293 К, в качестве внутреннего стандарта в 1 Н спектрах использовали сигнал СНС13 (5 = 7,27 м. д.), 13С - сигнал растворителя (5 = 77,7 м. д.).

Для отнесения сигналов в спектрах использовали методики корреляционной спектроскопии COSY-45, NOESY, HSQC и HMBC. Все экспериментальные данные получены и обработаны с использованием пакета программ XWIN-NMR 3.5.

Таблица 1

Химические сдвиги JH (5, м. д.) компонентов эфирных масел хвои ели обыкновенной

Соединение Номер атома углерода

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I - 7,13 7,15 - 7,15 7,13 2,34 2,89 1,26 1,26 - -

II 5,27; 5,08 6,40 - 2,25 2,22 5,18 - 1,64 1,73 5,04; 5,03 - -

III - 6,16 5,76 2,08 1,78; 1,41 2,46; 2,31 4,78; 4,76 1,67 0,93 0,94 - -

IV - 5,42 2,08; 1,91 2,11 1,81; 1,50 2,05; 1,97 1,67 - 4,73 1,75 - -

V 0,64 2,36; 1,97 - 5,26 2,19; 1,81 0,74 - 1,62 1,05 0,79 - -

VI 1,96 - 5,20 2,26; 2,19 2,10 - 2,37; 1,19 1,69 1,30 0,87 - -

VII - 4,82 2,30; 0,91 1,62 1,69; 1,19 1,89; 1,25 - 0,85 0,82 0,78 - 2,01

VIII 2,70 - - 1,93 1,73; 1,42 1,67; 1,27 1,72; 1,23 1,09 1,06 4,75; 4,52 - -

IX 2,48 - 2,55; 2,27 1,87; 1,84 2,00 - 2,34; 1,45 4,65; 4,59 1,27 0,75 - -

X - 3,98 2,25; 0,93 1,61 1,71; 1,23 1,88; 1,23 - 0,85 0,84 0,83 - -

XI - - 2,29; 1,78 2,03 1,89; 1,29 1,62; 1,34 - 0,85 0,90 0,77 - -

XII - 1,58; 1,41 1,93; 1,41 1,32 1,93; 1,41 1,58; 1,41 0,93 - 1,15 1,15 - -

Для идентификации и количественного определения содержания компонентов эфирных масел были записаны спектры различных тер-пеновых соединений, 12 из которых присутствовали в заметных количествах в исследуемых образцах и были нами проанализированы.

Поскольку изученные соединения являются многоспиновыми системами и имеют достаточно сложные спектры ЯМР, было сделано полное отнесение сигналов в спектрах. В табл. 1 и 2 приведены химические сдвиги 'Н и 13С ЯМР идентифицированных терпенов. Литературные данные по химическим сдвигам 'Н и 13С ЯМР

для некоторых соединений хорошо согласуются с полученными результатами.

Визуальное наблюдение испаряющегося эфирного масла показало, что через 4 недели на его поверхности появилась полимерная пленка.

Зависимость изменения веса навески от времени испарения показана на рис. 1. Из рисунка видно, что первые четыре недели эта зависимость линейная, а затем скорость испарения падает, что, по-видимому, связано с удалением более летучих компонентов и появлением полимерной пленки, препятствующей испарению.

Таблица 2

Химические сдвиги 13С (5, м. д.) компонентов эфирных масел хвои ели обыкновенной

Соединение Номер атома углерода

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I 135,8 129,7 126,9 146,5 126,9 129,7 21,6 34,4 24,8 24,8 - -

II 113,7 139,7 146,8 32,1 27,4 124,8 132,4 26,4 18,4 116,3 - -

III 134,8 121,4 30,2 128,2 27,3 32,1 20,8 122,3 24,1 20,3 - -

IV 134,3 121,3 31,5 41,8 28,6 31,3 24,1 150,8 109,1 21,5 - -

V 17,4 21,5 132,0 120,1 25,5 19,2 17,4 24,3 29,0 13,9 - -

VI 47,7 145,2 116,7 32,2 41,4 38,7 32,0 23,7 27,1 21,5 - -

VII 49,2 80,4 37,3 45,4 28,6 27,6 48,3 20,3 19,4 14,0 171,9 21,8

VIII 47,6 166,9 42,5 48,8 24,5 29,6 38,1 30,1 26,6 99,8 - -

IX 52,5 152,7 24,3 24,3 41,1 41,3 27,6 106,7 26,8 22,5 - -

X 50,1 77,9 39,6 45,7 28,9 26,6 48,6 20,8 19,3 14,0 - -

XI 58,2 220,2 43,8 43,6 27,6 30,4 47,2 9,8 20,3 19,7 - -

XII 74,1 32,0 23,3 33,4 23,3 32,0 28,1 70,2 29,4 29,4 - -

Рис. 1. Зависимость веса навески от времени испарения

Изменение компонентного состава установлено с помощью 1Н ЯМР-спектроскопии. На рис. 2 показаны спектры: а - исходного эфирного масла, б - после 12 недель испарения. Спектры заметно отличаются и, главным обра-

зом, уменьшением интенсивности ряда линий с течением времени. Не обнаружено появление новых линий, но в области ароматических протонов выросли интенсивности линий неидентифицированных компонентов.

Аналогичные результаты дает анализ спектров 13С (рис. 3): а - исходное эфирное масло, б - после 12 недель испарения. Однако, благодаря большему спектральному диапазону можно утверждать, что наряду с испарением происходит окисление, поскольку появляются новые линии 5 = 62,62 и 73,30 м. д., соответствующие кислородным соединениям.

Кроме того, широкая подложка под линиями расположенными в диапазоне 18-35 м. д., может относиться к метиновым и метиленовым атомам углерода полимерных соединений.

Однако эти изменения не являются преобладающими по сравнению с простым уменьшением содержания некоторых компонентов.

6,0 4,0 2,0 5, м. д.

Рис. 2. 1Н ЯМР спектры растворов в CDCl3 эфирного масла ели обыкновенной: а - исходный образец; б - образец после упаривания в течение 12 недель

Рис. 3. 13С ЯМР спектры растворов в CDCl3 эфирного масла ели обыкновенной: а - исходный образец; б - образец после упаривания в течение 12 недель

Изучение протонных и углеродных спектров эфирного масла хвои ели обыкновенной показало, что в его составе преобладают соединения, структурные формулы которых приведены на рис. 4. Приведенная нумерация углеродных атомов этих компонентов соответствует нумерации в табл. 1 и 2. Этими соединениями являются: пара-цимол (I), мирцен (II), в-фелландрен (III), лимонен (IV), Д3-карен (V), а-пинен (VI), борнилацетат (VII), камфен (VIII), в-пинен (IX), борнеол (X), камфора (XI) и эвка-липтол (XII).

В табл. 3 показан состав эфирного масла хвои ели в зависимости от сроков испарения и температуры кипения его компонентов.

Анализ таблицы показывает, что по мере испарения эфирного масла постепенно уменьшается доля идентифицированных компонентов (94,689,2%), по-видимому, из-за увеличения доли сек-свитерпенов, которые нами не анализировались, а также окисленных и полимерных продуктов.

Однако даже в последнем образце (40,9% от исходного веса) преобладают идентифицированные исходные соединения.

CH

6

5

(

H3C

1 2 3 4 5 6 7 ^CH3

H2C=CH-C-CH2-CH2-CH=C 3

CH2

10 2

II

CH

9

3

7

CH2 [h

6^ >,2

^ ^3

H3C IIICH3

7

CH3

ll

6^ **4,2

5

3

H3C0 IVCH2

H3C

CH3 10 3

CH3

1<K310

9136__Lch

5

VI

10

CH3

8t-br«0_CLClH3

HsCM>CH3°

4

VII

VIII

10

^CH2 3 9

„ 'CH3 CH3 3

V

X

XI

XII

Рис. 4. Структурные формулы основных компонентов эфирного масла хвои ели обыкновенной

7

6

5

3

Таблица 3

Состав эфирного масла ели в зависимости от сроков испарения

Соединение Т °С Содержание, мольные %

исходный 1н 2н 4н 6н 8н 10н 12н

I 177 0,7 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6 1,8 1,9

II 167 4,6 4,5 4,3 4,1 3,9 3,7 3,5 3,4

III 172 2,7 2,6 2,5 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9

IV 176 17,7 18,5 19,3 20,2 20,5 20,4 19,4 16,2

V 172 8,8 8,4 7,9 7,2 6,6 6,1 5,5 5,2

VI 156 16,4 14,8 13,2 10,3 8,2 6,3 4,2 3,0

VII 225 10,7 11,6 13,0 15,9 18,2 21,6 28,1 34,6

VIII 159 13,1 12,4 11,6 9,7 8,1 6,0 3,2 1,5

IX 164 11,2 11,0 10,7 9,8 8,6 7,0 5,0 3,5

X 212 1,3 1,5 1,7 2,1 2,4 3,2 4,7 5,9

XI 204 1,2 1,4 1,5 1,8 2,1 2,3 2,5 2,6

XII 176 6,2 7,0 7,6 8,4 8,8 9,3 9,5 9,5

Динамика изменения содержания компонентов хорошо коррелирует с температурой кипения соединений. Так содержание наиболее низкокипящих соединений - а-пинена и камфена -сильнее всего уменьшается в смеси, а высококипящих - борнилацетата и борнеола - наиболее интенсивно увеличивается.

Заключение. Таким образом, испарение эфирного масла хвои ели при комнатной температуре в открытом сосуде практически является физическим процессом с незначительной долей окислительных и полимеризацион-ных процессов.

Литература

1. Хроматография. Практическое приложение метода: в 2 ч. / Э. Хефтман [и др.]; под

ред. Э. Хефтмана. - М.: Мир, 1986. Ч. 2. С.229-250.

2. Владыкина Д. С., Ламоткин С. А., Саморядов А. В. Хроматографический анализ состава эфирных масел ели в условиях техногенного загрязнения г. Минска // Труды БГТУ. Сер. IV, Химия, технология орган. в-в и биотехнология.

2010. Вып. XVIII. С. 26-30.

3. Применение спектроскопии ЯМР для анализа состава эфирного масла хвои сосны / Е. Д. Скаковский [и др.] // ЖПС. 2006. Т. 73, № 2. С.246-249.

4. Гуринович Л. А., Пучкова Т. И. Эфирные масла: химия, технология, анализ и применение - М.: Школа Косметических Химиков, 2005. 192 с.

Поступила 25.02.2014