Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Недостаток железа в питании вызывает заболевание растений, называемое железодефицитным хлорозом. Для коррекции этого заболевания используют растворы солей железа, которые при низких концентрациях малоэффективны, а при высоких – токсичны. В этих целях применяют также хелаты железа с различными синтетическими комплексонами. Однако последние, обладая высокой реакционной способностью, образуя растворимые в воде соединения с другими металлами и радионуклидами, способствуют миграции их в окружающую среду и вызывают экологические проблемы. В этой связи разработка новых безопасных и эффективных железосодержащих препаратов представляется важной и актуальной задачей. Реальную альтернативу синтетическим комплексонам представляют гуминовые вещества (ГВ) [1]. Железо может быть связано с гуминовыми веществами в виде комплексов, а также может присутствовать в составе гуминовых матриц в форме стабилизированных высокодисперсных гидратированных оксидов [2]. Высокую реакционную и сорбционную способность этим веществам обеспечивают основные структурные единицы, такие как ароматическое ядро и периферические функциональные группы. Эффективность использования синтезированных на основе ГВ препаратов предопределяют их многофункциональность, биологическая доступность и стабильность. Применение препаратов имеет особое преимущество, поскольку известно, что они снижают токсичность загрязняющих веществ и повышают устойчивость растений к химическому стрессу, стимулируют развитие корней и вызывают увеличение биомассы корней [3]. Гуминовые вещества представляют супрамолекулярные ансамбли, состоящие из однотипных по строению, но различающихся по структурным фрагментам и специфическим свойствам органических соединений, которые могут быть рассмотрены в нативных и модифицированных формах [4].

Цель исследования – изучение состава и характеристических свойств отдельных образцов гуминовых веществ с целью подбора органических прекурсоров для получения железосодержащих препаратов и предопределения формы железа в этих препаратах.

Материалы и методы исследования

В качестве органических прекурсоров для получения железосодержащих биоактивных препаратов были выбраны следующие гуминовые вещества: гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК), оксигуминовые кислоты (ОГК), гуминовые вещества продуктов анаэробной ферментации органического сырья (ГВм). Методы получения ГК, ФК и ОГК описаны в работе [5], а ГВм – в [6].

Препараты подвергались элементному анализу на автоматическом анализаторе (Carlo Erba, Италия). Содержание функциональных групп определяли методами химического анализа, описанными в работе [5]. ИК-спектры поглощения снимали в диапазоне 400–4000 см-1 на спектрометре LR-200 (Thermo Nicolet, USA) с использованием KBr. Спектры 13С ЯМР измеряли в растворах в среде 0.3 М NaOD/D2O на спектрометре Bruker Aspect 3000 с наблюдаемой частотой 100 МГц с использованием пульсирующей программы CPMG. 1H ЯМР спектры записаны на Bruker DMX 500 ЯМР – спектрометре при 303 К с использованием резонансной частоты, в которых магнитное поле (Н0) создается с помощью сверхпроводящего соленоида, работающего при температуре жидкого гелия, период релаксации 15 с.

Результаты исследования и их обсуждение

Гуминовые вещества не представлены индивидуальными химическими соединениями, поэтому элементный состав (углерод, водород, азот, кислород) является одним из их идентификационных признаков. Выражение элементного состава в массовых процентах не дает полного представления о роли отдельных элементов в построении молекул. Более информативное представление можно получить из соотношения содержания элементов в атомных процентах. Как показали результаты анализов (табл. 1), в ряду рассматриваемых прекурсоров наиболее высоким содержанием углерода обладают гуминовые кислоты. Наиболее низкое значение H/C для ГК указывает на преобладание в структуре этих соединений ароматических фрагментов. Для характеристики гуминовых веществ используют также атомное отношение O/C, величина которого зависит от содержания кислородсодержащих функциональных групп в их составе Значение O/C для ФК, ОГК и ГВм выше, чем для ГК, что свидетельствует о значительном вкладе периферических фрагментов в структуру этих образцов гуминовых веществ. В исследуемых образцах ГВ от 61,57 % до 79,60 % кислорода распределено между тремя типами функциональных групп: карбоксильными, фенольными, карбонильными (табл. 2). Доля кислорода, входящего в состав функциональных групп, выше для оксигуминовых кислот. Не все атомы кислорода, входящие в состав исследуемых препаратов, выявляются в указанных функциональных группах.

Таблица 1

Элементный состав гуминовых прекурсоров

Таблица 2

Характеристика состава функциональных групп в гуминовых препаратах

Рис. 1. УФ-видимые спектры гуминовых препаратов: ГК (1), ФК (2)

Оставшуюся часть кислорода следует отнести к структурным фрагментам ГВ, включающим эфирные, сложноэфирные, спиртовые, метоксильные и другие группы. Кроме того, в ядерной части молекулярного строения ГВ могут присутствовать хинонные группировки, а также кислородсодержащие гетероциклические структуры [7]. Наиболее высокое содержание кислорода, входящего в эту часть структурных фрагментов, наблюдается для ГВм. Значения рК ионизации для карбоксильных групп исследуемых препаратов варьируют в пределах от 4,49 до 5,61 и для фенольных групп – от 7,98 до 8,95. Благодаря разнообразию способов связывания в гумусовых веществах мономерных структурных единиц, различающихся по своей химической природе, протоногенные центры могут оказаться на участках, характеризующихся различным электронным строением и энергетической характеристикой. Большое значение при этом имеет сопряжение электронов кислорода функциональных групп с π-электронной системой ароматических структурных фрагментов макромолекул, которое вызывает снижение на кислороде эффективного отрицательного заряда и вследствие этого служит причиной их повышенной протоногенности [8].

В электронных спектрах всех исследуемых препаратов наблюдается понижение интенсивности поглощения с увеличением длины волны, что объясняется, как правило, присутствием в структуре подобных соединений хромофоров, которые поглощают во всей анализируемой области [9]. В некоторых из них проявляется плечо вблизи 275 нм (рис. 1).

Поглощение при 275 нм относят к π – π* электронному переносу в фенольных структурах, ароматических углеводородах с двумя и более кольцами, а также к конъюгированным ароматическим кольцам. Еще одним важным из диагностических критериев ГВ, которое не зависит от концентрации, определяется только структурой и соотносится со степенью конденсированности ароматических фрагментов, является коэффициент цветности E4/E6. Коэффициент цветности E4/E6 определяют по отношению поглощения при 465 нм к таковому при 665 нм. В наших исследованиях пониженные значения соотношения E4/E6 равные 2,50 и 3,3 наблюдаются для ГК и ГКм соответственно. ОГК и ФК характеризуются более высокими величинами соотношения E4/E6 (5,00 и 4,50), подтверждающими, что основная часть хромофоров в их структуре сконцентрирована в карбоксильных, карбонильных С=О и ароматических С=С.

ИК-спектры исследуемых препаратов имеют характерный облик и предоставляют определенные сведения о природе структурных фрагментов, природе связей и общем мотиве построения [10]. В спектрах ГК (рис. 2, а) имеется широкая и интенсивная полоса в области 3450–3300 см–1, относящаяся к гидроксильным ОН и NН группам, образующим водородные связи. Характеристическая полоса с максимумом 1720–1700 см–1 относится к С=О карбоксилов альдегидов и кетонов. В области 1470–1370 см–1 имеются несколько полос. Эти полосы обусловлены деформационными колебаниями С –Н, О–Н и С–О групп. Поглощение между 1250 см–1 и 1246 см–1 относится к вибрационным колебаниям О–Н и С–О карбоксильных групп.

Рис. 2. ИК-спектры гуминовых кислот (а), фульвокислот (b) и оксигуминовых кислот (с)

Рис. 3. 13С ЯМР спектры препаратов: ГК(1), ФК (2), ГВм (3), ОГК(4)

Деформационные колебания спиртовых гидроксилов четко проявляются при 1150–1050 см–1. Имеются слабоинтенсивные полосы между 900–750 см–1, которые обычно относят к деформационным колебаниям С–Н в ароматических структурах.

ИК-спектры ФК и ОГК (рис. 2, b, с) отличаются присутствием относительно четких и дискретных пиков при определенных длинах волн, что указывает на их более высокую молекулярную организацию по сравнению с другими гуминовыми веществами. В этих же спектрах содержатся интенсивные полосы поглощения в области проявления спиртовых гидроксилов и простых эфиров (1130–1110 см–1). ФК и ОГК помимо того, что в значительной степени обогащены карбоксильными, фенольными и карбонильными группами, они содержат также хиноидные (1640–1600 см–1), а также метоксильные (1460–1450 см–1) группы. Значительный вклад карбонилсодержащих фрагментов (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, эфиры) в структуру исследуемых гуминовых препаратов выражается интенсивной полосой при 1705 см–1 и 1430 см–1. Эти полосы хорошо выражены в ИК-спектрах ОГК и ГК.

Отнесение сигналов в спектрах ЯМР гуминовых прекурсоров проводилось согласно данным, описанным в работе [11]. Как показали данные 13C ЯМР- спектроскопии (рис. 3), в структуре всех рассматриваемых образцов четко просматриваются ароматические фрагменты. Выявлено усиление ароматических сигналов в 13С ЯМР спектрах в следующем ряду: ОГК > ФК > ГК > ГВм. Наблюдаются различия в интенсивности сигналов, относящихся к алкил-замещенным и незамещенным ароматическим структурам. Содержание углерода в Ar-O, N в отдельных образцах препаратов варьирует в интервале 5,9–11,9 %. Незамещенная ароматическая часть в структуре исследуемых препаратов характеризуется самым высоким содержанием углерода.

В ФК и ОГК наблюдается повышенное содержание кетонных и хинонных групп. Углерод С=О в ФК составляет 6,5 %. Во всех других исследуемых образцах содержание этих групп ниже и углерод, входящий в их состав, находится на уровне 4,2–5,6 %. В составе всех препаратов имеются карбоксильные и сложноэфирные группы. Доля CCOOH-H,R составляет от 16,7 % до 19,5 % от общего содержания углерода (табл. 3).

Спектры 1Н ЯМР препаратов представлены на рис. 4.

Протоны гуминовых веществ подразделяют на два основных типа: подвижные протоны функциональных групп (СООН, СAr –ОН и СAlk –ОН), спиртовых (ОН) фрагментов и протоны углеродного скелета, среди которых выделяют ароматические (СAr –Н), алифатические (СAlk –Н). Содержание ароматических протонов в исследованных препаратах различается незначительно и характеризуется высоким уровнем (от 49,6 % до 56,5 %). Однако следует заметить, что максимальное содержание Н-замещенных ароматических фрагментов наблюдается для препарата ОГК, а для ГВм оно ниже, чем для других препаратов.

Различия наблюдаются для соотношения скелетных протонов СArH/HAlk., которое максимально в случае ОГК (1,74), минимально для ГВм (1,34). Для других препаратов это соотношение находится в диапазоне между указанными величинами (табл. 4).

Рис. 4. 1Н ЯМР спектры препаратов: ГВм (1), ГК (2), ОГК (3), ФК (4)

Таблица 3

13С ЯМР спектральные интегралы для гуминовых препаратов

Таблица 4

1H ЯМР спектральные интегралы для гуминовых препаратов

*α-СН – протоны алифатических групп в α положении к электроотрицательным группам или ароматическому кольцу.

Данные 1Н ЯМР спектроскопии также показывают, что сигналы алкильных фрагментов изменяются в порядке, противоположном изменению ароматических С-Н. При рассмотрении алифатической части структуры гуминовых препаратов обнаруживается, что для всех образцов и вне зависимости от соотношения СAr – Н/НAlk в области 3,2–2,05 м.д выявляются от 8,2 % до 9,8 % алифатических протонов. Это указывает на общий принцип строения алифатической части ГВ, для которой характерно наличие СН-групп в α положении к электроотрицательным группам ароматического ядра. Все подвижные протоны функциональных групп проявляются в области 6,0–4,8 м.д. Такие протоны более выраженно проявляются в ГК, ФК, ОГК. В других препаратах количество функциональных групп с подвижными протонами незначительно ниже.

Заключение

Рассмотренные гуминовые вещества имеют однотипное молекулярное строение, характеризуются присутствием в их структуре ароматических фрагментов разной степени конденсированности. Наблюдаются различия в интенсивности сигналов, относящихся к алкил-замещенным и незамещенным ароматическим структурам. Содержат множество кислородсодержащих функциональных групп, прикрепленных к ароматическим или алифатическим фрагментам. В составе этих групп выявлены два основных типа подвижных протонов: а) протоны, принадлежащие функциональным группам (СООН, CAr–ОН и CAlk–ОН) и спиртовым (ОН) фрагментам; б) протоны углеродного скелета, среди которых выделяют ароматические (СAr–Н), алифатические (СAlk–Н). Реакционная способность гуминовых веществ, предназначенных для использования в качестве прекурсоров железосодержащих препаратов, будет определяться их вышеуказанными характеристическими особенностями.