Синтез, идентификация, физико-химические свойства и биологическая активность производных легких фуллеренов с L-треонином
|
Введение
1 Обзор литературы..
1.1 Первые данные о структуре и синтезе фуллеренов
1.2 Строение фуллеренов С60 и С70.
1.2.1 Особенности структуры фуллеренов и правило изолированных пентагонов ...... 9
1.2.2 Особенности структуры фуллерена С60
1.2.3 Особенности структуры фуллерена С70
1.3 Методы синтеза фуллеренов
1.3.1 Плазменные методы
1.3.2 Омическое электрическое нагревание.
1.3.3 Индуктивное испарение графита
1.3.4 Коронный разряд
1.3.5 Испарение графита под воздействием пучка электронов
1.3.6 Крекинг углеводородов.
1.4 Методы выделения и разделения фуллеренов.
1.4.1 Разделение, основанное на pазличной политеpмической pаствоpимости
фуллеpенов С60 и С70
1.4.2 Разделение фуллеренов методом сублимации
1.4.3 Экстракция фуллеренов из сажи..
1.4.4 Хроматографический метод разделения фуллеренов...
1.5 Модели сборки фуллеренов.
1.6 Типы производных фуллеренов.
1.6.1 Эндоэдральные производные фуллеренов.
1.6.2 Экзоэдральные производные фуллеренов
1.7 Общие сведения об аминокислотах.
1.8 Строение аминокислоты треонина
1.9 Биосинтез треонина
1.10 Катаболизм треонина
1.11 Биологическая активность легких фуллеренов и их производных
1.11.1 Взаимосвязь размеров и формы молекул легких фуллеренов с их
биологической активностью.
1.11.2 Особенности химических свойств легких фуллеренов, обуславливающие их
биологическую активность
1.11.3 Фотофизические свойства легких фуллеренов.
1.11.4 Липофильность легких фуллеренов
1.12 Водорастворимые производные фуллеренов и их биологическая активность ..... 34
1.12.1 Фуллеренолы.
1.12.2 Карбоксилированные производные фуллеренов
1.12.3 Производные фуллеренов с аминокислотами
2 Экспериментальная часть
2.1 Синтез производных легких фуллеренов с L-треонином.
2.2 Идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином
2.3. Исследование свойств производных легких фуллеренов с L-треонином .............. 44
2.3.1 Объемные свойства водных растворов производных легких фуллеренов с Lтреонином при 25 oC
2.3.2 Удельная и молярная рефракции водных растворов производных легких
фуллеренов с L-треонином.
2.3.3 Политермическая растворимость производных легких фуллеренов с
L-треонином в воде и температурная зависимость плотности насыщенных
растворов
2.3.4 Изучение концентрационной зависимости электропроводности водных
растворов производных легких фуллеренов с L-треонином. Расчет кажущейся
степени диссоциации, концентрационных и термодинамической констант
диссоциации...
2.3.5 Определение размеров ассоциатов производных легких фуллеренов с Lтреонином в воде методом динамического светорассеяния ..
2.3.6 Исследование поверхностных явлений в водных растворах производного
легкого фуллерена C70 с L-треонином
2.4 Исследование биологической активности производных легких фуллеренов с Lтреонином
2.4.1 Изучение влияния производных легких фуллеренов с L - треонином на
физиолого-биохимические характеристики клеток человека
2.4.2 Изучение влияния производного легкого фуллерена C60 с L - треонином на
физиолого-биохимические характеристики растений
3 Обсуждение результатов
3.1 Идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином .......................... 55
3.2 Исследование свойств производных легких фуллеренов с L-треонином ............... 61
3.2.1 Объемные свойства водных растворов производных легких фуллеренов с Lтреонином при 25 oC
3.2.2 Удельная и молярная рефракции водных растворов производных легких
фуллеренов с L-треонином
3.2.3 Политермическая растворимость производных легких фуллеренов с
L-треонином в воде и температурная зависимость плотности насыщенных
растворов
3.2.4 Изучение концентрационной зависимости электропроводности водных
растворов производных легких фуллеренов с L-треонином. Расчет кажущейся
степени диссоциации, концентрационных и термодинамической констант
диссоциации.
3.2.5 Определение размеров ассоциатов производных легких фуллеренов с Lтреонином в воде методом динамического светорассеяния
3.2.6 Исследование поверхностных явлений в водных растворах производного
легкого фуллерена C70 с L-треонином.
3.2.7 Изучение цитотоксичности и противоопухолевой активности производных
легких фуллеренов с L - треонином на примере C60-L-треонина.
3.2.8 Изучение влияния производного С60 с L-треонином на гемолиз эритроцитов
крови человека спектрофотометрическим методом
3.2.9 Влияние производного фуллерена C60 с L-треонином на качественные
характеристики семян Lepidium sativum (кресс-салат; с. «Ажур)
3.2.10 Влияние производного фуллерена C60 с L-треонином на показатели
физиологического состояния и нетто-продуктивности Hordeum vulgare (яровой
ячмень; с. Ленинградский)
3.2.11 Изучение влияния производного фуллерена C60 с L – треонином на работу
антиоксидантной системы Hordeum vulgare (яровой ячмень; с. Ленинградский)........ 76
Результаты и выводы
Благодарности.
Список цитированной литературы
1 Обзор литературы..
1.1 Первые данные о структуре и синтезе фуллеренов
1.2 Строение фуллеренов С60 и С70.
1.2.1 Особенности структуры фуллеренов и правило изолированных пентагонов ...... 9
1.2.2 Особенности структуры фуллерена С60
1.2.3 Особенности структуры фуллерена С70
1.3 Методы синтеза фуллеренов
1.3.1 Плазменные методы
1.3.2 Омическое электрическое нагревание.
1.3.3 Индуктивное испарение графита
1.3.4 Коронный разряд
1.3.5 Испарение графита под воздействием пучка электронов
1.3.6 Крекинг углеводородов.
1.4 Методы выделения и разделения фуллеренов.
1.4.1 Разделение, основанное на pазличной политеpмической pаствоpимости
фуллеpенов С60 и С70
1.4.2 Разделение фуллеренов методом сублимации
1.4.3 Экстракция фуллеренов из сажи..
1.4.4 Хроматографический метод разделения фуллеренов...
1.5 Модели сборки фуллеренов.
1.6 Типы производных фуллеренов.
1.6.1 Эндоэдральные производные фуллеренов.
1.6.2 Экзоэдральные производные фуллеренов
1.7 Общие сведения об аминокислотах.
1.8 Строение аминокислоты треонина
1.9 Биосинтез треонина
1.10 Катаболизм треонина
1.11 Биологическая активность легких фуллеренов и их производных
1.11.1 Взаимосвязь размеров и формы молекул легких фуллеренов с их
биологической активностью.
1.11.2 Особенности химических свойств легких фуллеренов, обуславливающие их
биологическую активность
1.11.3 Фотофизические свойства легких фуллеренов.
1.11.4 Липофильность легких фуллеренов
1.12 Водорастворимые производные фуллеренов и их биологическая активность ..... 34
1.12.1 Фуллеренолы.
1.12.2 Карбоксилированные производные фуллеренов
1.12.3 Производные фуллеренов с аминокислотами
2 Экспериментальная часть
2.1 Синтез производных легких фуллеренов с L-треонином.
2.2 Идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином
2.3. Исследование свойств производных легких фуллеренов с L-треонином .............. 44
2.3.1 Объемные свойства водных растворов производных легких фуллеренов с Lтреонином при 25 oC
2.3.2 Удельная и молярная рефракции водных растворов производных легких
фуллеренов с L-треонином.
2.3.3 Политермическая растворимость производных легких фуллеренов с
L-треонином в воде и температурная зависимость плотности насыщенных
растворов
2.3.4 Изучение концентрационной зависимости электропроводности водных
растворов производных легких фуллеренов с L-треонином. Расчет кажущейся
степени диссоциации, концентрационных и термодинамической констант
диссоциации...
2.3.5 Определение размеров ассоциатов производных легких фуллеренов с Lтреонином в воде методом динамического светорассеяния ..
2.3.6 Исследование поверхностных явлений в водных растворах производного
легкого фуллерена C70 с L-треонином
2.4 Исследование биологической активности производных легких фуллеренов с Lтреонином
2.4.1 Изучение влияния производных легких фуллеренов с L - треонином на
физиолого-биохимические характеристики клеток человека
2.4.2 Изучение влияния производного легкого фуллерена C60 с L - треонином на
физиолого-биохимические характеристики растений
3 Обсуждение результатов
3.1 Идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином .......................... 55
3.2 Исследование свойств производных легких фуллеренов с L-треонином ............... 61
3.2.1 Объемные свойства водных растворов производных легких фуллеренов с Lтреонином при 25 oC
3.2.2 Удельная и молярная рефракции водных растворов производных легких
фуллеренов с L-треонином
3.2.3 Политермическая растворимость производных легких фуллеренов с
L-треонином в воде и температурная зависимость плотности насыщенных
растворов
3.2.4 Изучение концентрационной зависимости электропроводности водных
растворов производных легких фуллеренов с L-треонином. Расчет кажущейся
степени диссоциации, концентрационных и термодинамической констант
диссоциации.
3.2.5 Определение размеров ассоциатов производных легких фуллеренов с Lтреонином в воде методом динамического светорассеяния
3.2.6 Исследование поверхностных явлений в водных растворах производного
легкого фуллерена C70 с L-треонином.
3.2.7 Изучение цитотоксичности и противоопухолевой активности производных
легких фуллеренов с L - треонином на примере C60-L-треонина.
3.2.8 Изучение влияния производного С60 с L-треонином на гемолиз эритроцитов
крови человека спектрофотометрическим методом
3.2.9 Влияние производного фуллерена C60 с L-треонином на качественные
характеристики семян Lepidium sativum (кресс-салат; с. «Ажур)
3.2.10 Влияние производного фуллерена C60 с L-треонином на показатели
физиологического состояния и нетто-продуктивности Hordeum vulgare (яровой
ячмень; с. Ленинградский)
3.2.11 Изучение влияния производного фуллерена C60 с L – треонином на работу
антиоксидантной системы Hordeum vulgare (яровой ячмень; с. Ленинградский)........ 76
Результаты и выводы
Благодарности.
Список цитированной литературы
Важным направлением исследований в современном материаловедении является изучение углеродсодержащих материалов, среди которых фуллерены занимают одно из первых мест. При этом одними из самых активно развивающихся и многообещающих областей их возможного применения становятся биология и медицина.
Благодаря своему электронному строению, размеру молекул, липофильности и
физико-химическим свойствам фуллерены, в частности легкие фуллерены (С60 и С70),
могут рассматриваться в качестве основы для синтеза биологически активных
веществ. Однако их применение для решения конкретных практических задач
зачастую оказывается затруднительным в связи с ограниченной растворимостью С60 и С70 в воде и водных растворах.
В свою очередь, водорастворимые производные легких фуллеренов могут обладать уникальной биологической активностью и найти применение в качестве соединений-прототипов (lead compound) противораковых, нейропротекторных, противовирусных препаратов, обладать антиоксидантной и антибактериальной
активностью (рис.1).
В связи с этим, разработка методов функционализации фуллеренового кора, изучение структуры и свойств полученных соединений являются актуальными задачами в области органической, физической и биомедицинской химии.
Целью данной работы является синтез и идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином, а также изучение физико-химических свойств и биологической активности полученных соединений. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
a) разработка методики синтеза производных фуллеренов С60 и С70 с Lтреонином;
b) идентификация полученных образцов методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), ИК- и УФ-спектроскопии, элементного анализа,
термогравиметрии, масс-спектрометрии;
c) изучение физико-химических свойств и фазовых равновесий в системе,
содержащей производные легких фуллеренов с L-треонином, методами
кондуктометрии, рефрактометрии, пикнометрии, изотермического насыщения, динамического рассеяния света, пластинки Вильгельми, микроскопии под углом Брюстера, атомно-силовой микроскопии;
d) изучение цитотоксичности полученных соединений на клеточной линии
эпителия человека (HEK293) и на опухолевых клетках человека спектрофотометрическим методом с использованием тетразолиевого красителя (МТТ-тест);
e) изучение влияния производных легких фуллеренов с L-треонином на гемолиз эритроцитов крови человека спектрофотометрическим методом;
f) исследование влияния производного фуллерена C60 с L-треонином на
качественные характеристики семян, нетто-продуктивность и работу антиоксидантной системы растений.
Благодаря своему электронному строению, размеру молекул, липофильности и
физико-химическим свойствам фуллерены, в частности легкие фуллерены (С60 и С70),
могут рассматриваться в качестве основы для синтеза биологически активных
веществ. Однако их применение для решения конкретных практических задач
зачастую оказывается затруднительным в связи с ограниченной растворимостью С60 и С70 в воде и водных растворах.
В свою очередь, водорастворимые производные легких фуллеренов могут обладать уникальной биологической активностью и найти применение в качестве соединений-прототипов (lead compound) противораковых, нейропротекторных, противовирусных препаратов, обладать антиоксидантной и антибактериальной
активностью (рис.1).
В связи с этим, разработка методов функционализации фуллеренового кора, изучение структуры и свойств полученных соединений являются актуальными задачами в области органической, физической и биомедицинской химии.
Целью данной работы является синтез и идентификация производных легких фуллеренов с L-треонином, а также изучение физико-химических свойств и биологической активности полученных соединений. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
a) разработка методики синтеза производных фуллеренов С60 и С70 с Lтреонином;
b) идентификация полученных образцов методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), ИК- и УФ-спектроскопии, элементного анализа,
термогравиметрии, масс-спектрометрии;
c) изучение физико-химических свойств и фазовых равновесий в системе,
содержащей производные легких фуллеренов с L-треонином, методами
кондуктометрии, рефрактометрии, пикнометрии, изотермического насыщения, динамического рассеяния света, пластинки Вильгельми, микроскопии под углом Брюстера, атомно-силовой микроскопии;
d) изучение цитотоксичности полученных соединений на клеточной линии
эпителия человека (HEK293) и на опухолевых клетках человека спектрофотометрическим методом с использованием тетразолиевого красителя (МТТ-тест);
e) изучение влияния производных легких фуллеренов с L-треонином на гемолиз эритроцитов крови человека спектрофотометрическим методом;
f) исследование влияния производного фуллерена C60 с L-треонином на
качественные характеристики семян, нетто-продуктивность и работу антиоксидантной системы растений.
1. Разработаны методики синтеза водорастворимых аддуктов легких фуллеренов (С60 и С70) с L-треонином и проведена идентификация полученных соединений с помощью комплекса физико-химических методов (ВЭЖХ, ИК- и УФспектроскопия, термогравиметрия, элементный анализ).
2. Изучены физико-химические свойства растворов бинарной системы производное С60 с L-треонином – вода. Показано, что разбавленные водные растворы синтезированного соединения при низких концентрациях имеют высокие абсолютные значения парциальных молярных объемов, что свидетельствует о сильном
структурировании таких растворов. Установлено выполнение правил аддитивности
для удельных и молярных рефракций растворов производного С60 с L-треонином.
Показано, что аддукт фуллерена С60 с L-треонином в водных растворах является
слабым электролитом (термодинамическая константа диссоциации составляет 1,35·10-
5 отн. ед.). В водных растворах молекулы производных фуллеренов С60 и С70 с Lтреонином сильно ассоциированы (размеры ассоциатов составляют от сорока до пяти
тысяч нм в диапазоне концентраций 0,01-10 г/л).
3. Изучена диаграмма растворимости бинарной системы производное С60 с Lтреонином – вода в интервале температур 20-80 оС, установлен состав равновесного кристаллогидрата, показана хорошая совместимость аддукта фуллерена С60 с Lтреонином с водой (десятки и сотни г/л).
4. Исследовано влияние производного С60 с L-треонином на цитотоксичность и
пролиферацию клеток почечного эпителия человека (HEK293), а также опухолевых
клеток человека. Показано, что введение аддукта фуллерена С60 с L-треонином в
концентрационном диапазоне от 0,1 до 100 мкМ не вызывает токсического эффекта в
отношении клеток HEK293, но приводит к гибели опухолевых клеток карциномы
легкого и глиобластомы человека. Также обнаружено, что исследуемое соединение не
вызывает гемолиз эритроцитов человека и может рассматриваться как безопасное.
5. Изучено влияние производного С60 с L-треонином на физиологобиохимические характеристики растений. Установлено, что у растений под действием исследуемого соединения отмечается увеличение длины корней, «надземной части», числа стеблей и, в конечном итоге, общей биомассы и массы их органов: листьев,81
стеблей, корней – преимущественно на 24-100 %. Таким образом, производное
фуллерена С60 с L-треонином в концентрации 1 мг/л оказывает рост стимулирующий
эффект на растения на протяжении онтогенеза, обусловленный положительным
влиянием на эффективность работы их фотосинтетического аппарата, а также антиоксидантных систем
2. Изучены физико-химические свойства растворов бинарной системы производное С60 с L-треонином – вода. Показано, что разбавленные водные растворы синтезированного соединения при низких концентрациях имеют высокие абсолютные значения парциальных молярных объемов, что свидетельствует о сильном
структурировании таких растворов. Установлено выполнение правил аддитивности
для удельных и молярных рефракций растворов производного С60 с L-треонином.
Показано, что аддукт фуллерена С60 с L-треонином в водных растворах является
слабым электролитом (термодинамическая константа диссоциации составляет 1,35·10-
5 отн. ед.). В водных растворах молекулы производных фуллеренов С60 и С70 с Lтреонином сильно ассоциированы (размеры ассоциатов составляют от сорока до пяти
тысяч нм в диапазоне концентраций 0,01-10 г/л).
3. Изучена диаграмма растворимости бинарной системы производное С60 с Lтреонином – вода в интервале температур 20-80 оС, установлен состав равновесного кристаллогидрата, показана хорошая совместимость аддукта фуллерена С60 с Lтреонином с водой (десятки и сотни г/л).
4. Исследовано влияние производного С60 с L-треонином на цитотоксичность и
пролиферацию клеток почечного эпителия человека (HEK293), а также опухолевых
клеток человека. Показано, что введение аддукта фуллерена С60 с L-треонином в
концентрационном диапазоне от 0,1 до 100 мкМ не вызывает токсического эффекта в
отношении клеток HEK293, но приводит к гибели опухолевых клеток карциномы
легкого и глиобластомы человека. Также обнаружено, что исследуемое соединение не
вызывает гемолиз эритроцитов человека и может рассматриваться как безопасное.
5. Изучено влияние производного С60 с L-треонином на физиологобиохимические характеристики растений. Установлено, что у растений под действием исследуемого соединения отмечается увеличение длины корней, «надземной части», числа стеблей и, в конечном итоге, общей биомассы и массы их органов: листьев,81
стеблей, корней – преимущественно на 24-100 %. Таким образом, производное
фуллерена С60 с L-треонином в концентрации 1 мг/л оказывает рост стимулирующий
эффект на растения на протяжении онтогенеза, обусловленный положительным
влиянием на эффективность работы их фотосинтетического аппарата, а также антиоксидантных систем



