CC BY
58
Науки о Земле
УДК 546.06
Кузнецова Надежда Сергеевна
Nadezhda Kuznetsovа
Бурнашова Наталья
Николаевна Nataliya Burnashova
Тютрина Светлана Владленовна Svetlana Tyutrina
СИНТЕЗ, ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НОВОГО БИОЦИДНОГО ПРЕПАРАТА И КОМПОЗИТОВ НА ЕГО ОСНОВЕ
SYNTHESIS, STUDY OF A NEW BIOCIDE PREPARATION'S PROPERTIES AND COMPOSITES BASED ON IT
Синтезировано новое комплексное соединение — дицитратоборат гуанидиния, изучены его состав, строение, физико-химические свойства с помощью методов ИК-спектроскопии, термического, рентгеноструктурного и элементного анализов, кондуктометрии, квантово-химического моделирования. Доказана биоцидная активность в отношении кишечной палочки, золотистого стафилококка, дрожжеподобных грибов методами биотестирования. На основе силикатного (глинистого) сырья Забайкальского края и синтезированного координационного соединения получены композиты различными способами (с применением механоак-тивации и ультразвуковых колебаний), изучены их свойства. Исследование расширяет ассортимент антисептических препаратов, новый композит имеет перспективно широкий спектр применения за счет своих сорбционных свойств и биоцидной активности: улучшение качественных показателей природных, бытовых, сточных вод, бассейнов, водохранилищ, почвенных объектов
Ключевые слова: дицитратоборат гуанидиния, физико-химические и биоцидные свойства, композиты, силикатное сырье Забайкалья, ультразвуковые колебания
A new complex compound - ditsitratoborat gua-nidinium is synthesized; its composition, structure , physical and chemical properties are studied with the help of IR-spectroscopy, thermal, X-ray diffraction and elemental analysis, conductivity, quantum-chemical modeling. Biocidal activity against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and yeasts bioassay methods is proved. On the basis of silicate clay and raw materials of Transbaikalie and synthesized coordination compound organic- inorganic composites are obtained in various ways (with the use of mechanical activation and ultrasonic vibrations), their properties are studied. The present invention extends the range of antiseptic preparations, the resulting composite is promising a wide range of applications due to its sorption properties and biocidal activity: qualitative improvement of natural, domestic, wastewater, swimming pools, reservoirs, soil objects
Key words: ditsitratoborat guanidinium, physico-chemical and biocidal properties, composites, silicate raw materials of Transbaikalie, ultrasonic vibrations
Биокоординационная химия является
актуальным направлением в науке, а создание биоцидных мономеров и полимеров на основе органонеорганических соединений — перспективной тенденцией, так как широкое распространение устойчивых штаммов микробов ко многим бактерицидным веществам и возможность их эпидемического распространения стало серьезной проблемой для медицины. В связи с этим актуальным является поиск биоцидных средств широкого спектра действия, эффективных и безопасных для человека, резистентность к которым будет развиваться ограниченно или отсутствовать полностью. Одним из направлений решения этой задачи является использование не только мономеров, но и полимеров, композитов на их основе [11, 12], которые могут оказывать комбинированное воздействие на патологические агенты, являясь более активными и менее опасными для других живых организмов по сравнению с традиционными де-зинфектантами. Кроме того, синтез новых биоцидных комплексных соединений позволит выявить взаимосвязь их химического строения с биологической активностью.
Одной из наиболее перспективных групп биоцидов являются производные гуа-нидина в связи с их обширной сферой действия, экологической безопасностью и большей результативностью [4, 5, 11]. Особое строение реакционного центра обеспечивает необходимый баланс между биоцидным действием антисептика в отношении микроорганизмов и низкой токсичностью в отношении животных и человека.
Цель работы: получение новых экологически безопасных соединений биоцидно-го действия на основе гуанидина, изучение их свойств и биологической активности.
Материалы и методы
Новое комплексное соединение дицит-ратоборат гуанидиния (ДЦБГ) получено при нагревании до 60 0С на водяной бане смеси водных растворов борной и лимонной кислот с последующим добавлением к ней гуанидина гидрохлорида в молярных соотношениях 1:2:1 соответственно. Через 5 мин происходит кристаллизация раство-
ра при комнатной температуре. Кристаллы выдерживают в растворе в течение 1 суток, затем их отделяют фильтрованием, промывают водой, спиртом, эфиром и сушат на воздухе. Оно представляет устойчивое на воздухе до 220 оС твердое вещество, растворимое в воде и нерастворимое в органических растворителях [1].
Элементный анализ выполняли на полуавтоматическом С, N, H-анализаторе. Бор определяли после сожжения вещества в присутствии карбоната натрия алкали-метрическим титрованием с маннитом с потенциометрическим окончанием. Термический анализ соединения выполняли на синхронном термоанализаторе NETZCH STA 449 F1 Jupiter®. Образцы подвергались нагреву в платиновых тиглях в воздушной атмосфере со скоростью нагрева 10 оС/мин 30...1000 оС. ИК спектры регистрировали с помощью ИК-Фурье спектрометра FTIR-8400S «Shimadzu» в пределах 4000.400 см-1 в виде таблеток с хорошо прокаленным бромидом калия. Электропроводность водных растворов изучали с помощью кондуктометра К1-4 УПК УПИ при рабочей частоте 1 кГц.
Квантово-механические расчёты электронно-пространственного строения осуществляли полуэмпирическим методом РМ3. Алгоритм расчёта реализован с помощью пакета программы HYPERCHEM 8.08 при полной оптимизации геометрии молекулы. Структура комплекса минимизирована по энергиям ММ+-методом [8].
Минимальную подавляющую концентрацию соединения на дрожжеподобные грибы рода Кандида, золотистый стафилококк и кишечную палочку исследовали методом серийных разведений в мясопеп-тонном бульоне. Данные получены в бактериологической лаборатории ГОУ ВПО ЧГМА Минздравсоцразвития России.
С помощью методов биотестирования определяли токсичность синтезированного продукта. Использован биологический метод определения экотоксикантов, описанный О.Ф. Вятчиной с соавт. [9], основанный на тест-реакции пенообразо-вания микроорганизмами Saccharomyces
еегеу181ае при добавлении глюкозы к культуре. В качестве тестируемых веществ использовали растворы различной процентной концентрации (0,001; 0,01; 0,1; 1; 3): дицитратобората гуанидиния и его композитов на основе силикатного сырья Забайкалья.
Композиты получали согласно методу, описанному в работе С.С. Бадмаевой [10] и с применением воздействия ультразвука в режиме стоячей волны. Сырьем была на-тивная глина месторождения Кыринского района (Средний Хонгорок, артель Бальджа Забайкальского края). Силикатным анализом установлен химический состав глины: Я1О2 - 57,96; А12О3 - 14,88; Fe2О3 - 7,25; МёО - 2,06; СаО - 1,19; К2О - 3,70; ^2О - 0,62; FeО - 1,44; МпО - 0,07; Т1О2 -0,89; Р2О5 - 1,19; п.п.п. - 8,28 (масс.%). С целью улучшения взаимодействия органического и минерального компонентов глину предварительно модифицировали (многократно отмывали дистиллированной водой, удаляли карбонаты с помощью соляной кислоты, обрабатывали раствором хлорида натрия, высушивали и прокаливали). Далее получали композит двумя способами: в первом случае в водную суспензию монтмориллонита добавляли органический компонент в соотношении 85:15 %
соответственно (от массы сухой глины) , перемешивали 4 ч на магнитной мешалке. Осадок отделяли центрифугированием, промывали дистиллированной водой и сушили при комнатной температуре. Второй метод получения композита заключался в замене стадии 4-часового перемешивания на 10-минутную активацию ультразвуком с частотой 23 кГц. Время физико-химической операции подобрали эмпирически и обосновали методом ИК-спектроскопии, определением величины электропроводности синтезированных композитов [3, 8].
Результаты и обсуждение
В результате изучения элементного состава нового вещества установлено соотношение компонентов, %: С - 35,16; Н -4,15; N - 9,27; В - 2,39. Вычислено, %: С - 34,59; Н - 3,99; N - 9,31; В - 2,44.
Результаты термического анализа (рис. 1) свидетельствуют, что соединение устойчиво до 220 °С. В интервале 220...280 °С происходит интенсивное разложение вещества, сопровождаемое потерей массы до 44 %. Выше 300 °С продолжается горение оставшейся органической части молекулы. В остатке после прокаливания борный ангидрид В2О3, потеря массы по ТГ при 998 °С составляет 81,43 %.
Рис. 1. Термограмма дицитратобората гуанидиния
ИК-спектр соединения (рис. 2) содержит полосу поглощения при 943 см-1, характерную для валентных колебаний связи В-О в боркислородном тетраэдре. Полосы поглощения в области частот 1700... 1730 см-1 обусловлены валентными колебаниями С=О- связи в карбоксильной группе, связанной с атомом бора и свободной соответственно. Полосы поглощения в области 2500.3000 см-1 и 1360.1460 см-1 отвечают валентным колебаниям связи О-Н в карбоксильной группе и деформационным
колебаниям связи С-Н соответственно. Валентные колебания связи С-О обусловливают появление максимумов при 1065 и 1083 см-1. Полосы поглощения при 1330 и 1648 см-1 относятся к валентным колебаниям связей С-М и С=М в структурном фрагменте гуанидина СН^3+ соответственно. Полоса при 1584 см-1 принадлежит деформационным колебаниям связи М-Н, а в области частот 3200.3414 см-1 — к валентным колебаниям связи М-Н в СН„М+-
Ь 3
Кондуктометрические исследования водных растворов полученного соединения [6] в интервале концентраций 0,0005.0,0320 моль/л указывают, что вещество обладает величиной электропроводности, характерной для слабых электролитов (рис. 3).
С использованием квантово-хими-ческого моделирования [8], элементного, термического, рентгеноструктурного анализов, ИК-спектроскопии подтверждена формула дицитратобората гуанидиния — СН6М3[(С6Н6О7)2В ] и его пространственное строение (рис. 4).
По сравнению с гуанидином солянокислым и дицитратоборатом оксихиноли-ния (ДЦБО) новое соединение значительно более эффективно по силе антимикробного действия (см. таблицу).
Методом ИК-спектроскопии исследовано влияние ультразвуковых воздействий на органо-силикатные композиционные соединения [2, 4]. Подтверждено, что данные соединения не отличаются от своих аналогов. На рис. 5 приведен ИК-спектр монтмориллонита, использованного в качестве сырья для нового композита.
Л, Ом^сл^моль"1
Рис. 3. Зависимость электропроводности водных растворов дицитратобората
гуанидиния от концентрации
Рис. 4. Формула и пространственное строение дицитратобората гуанидиния
Минимальная подавляющая концентрация дицитратобората гуанидиния и дицитратобората оксихинолиния на различные культуры микроорганизмов
№ Название культуры МПК, мкг/мл
п/п микроорганизма ДЦБГ ДЦБО 8-оксихинолин Гуанидин гидрохлорид
1 Кишечная палочка (АТСС 25922) 0,300 250 15,6 -
2 Золотистый стафилококк (25923) 0,030 250 500,0 0,090
3 Дрожжеподобные грибы рода Кандида 0,003 - - 0,009
Примечание: МПК — минимальная подавляющая концентрация; ДЦБГ — дицитратоборат гуанидиния; ДЦБО — дицитратоборат оксихинолиния; «—» — исследуемое вещество не задерживало рост бактерий
Рис. 5. ИК-спектр монтмориллонита
Анализ данного спектра показывает, что основные видимые полосы поглощения относятся к ковалентным связям ЯьО и Н-О. ИК-спектры органоглины,
модифицированной ДЦБГ по известной методике и при активации ультразвуковыми колебаниями приведены на рис. 6 и 7 соответственно.
Более подробный анализ результатов инфракрасной спектроскопии, сравнительная характеристика композиционных материалов, синтезированных различными способами, описаны ранее в нашей работе [2]. Выполненное исследование показало, что методика получения композитов с использованием ультразвуковых колебаний эффективна и экономически целесообразна, а алюмосиликаты Забайкалья представляют прекрасное сырье для их производства.
Проведенное биотестирование подтвердило антимикробную активность ДЦБГ. Новый ацидокомплекс гуанидиния начал проявлять свое токсическое действие при концентрации 1 % (снижение пенообразо-вания 8аееИагошуее8 еегеу181ае в 2,5 раза по сравнению с контролем) и далее оно усиливалось, причем его органо-неорганические композиты характеризовались сопоставимой активностью [7].
Рис. 7. ИК-спектр монтмориллонита, модифицированного дицитратоборатом
гуанидиния (10 мин УЗ воздействия)
Заключение
Впервые синтезировано новое координационное соединение — дицитратоборат гуанидиния, с помощью физико-химических исследований установлены его структура и строение, доказана антимикробная активность. На основании использования методов ИК-Фурье спектроскопии предло-
Литература_
1. Бурнашова Н.Н., Хатькова А.Н., Тютрина С.В., Дабижа О.Н., Кузнецова Н.С. Дицитратоборат гуанидиния, проявляющий антимикробные свойства: патент № 2474584 РФ, МПК С07F 5/02 А61К 31/69. Патентообладатель ФГБОУ ВПО ЗабГУ.
2. Тютрина С.В., Кузнецова Н.С., Бурнашова Н.Н. Спектральная характеристика силикатов Забайкальского края и композитов на их основе, полученных при воздействии ультразвуковых колебаний // Фундаментальные исследования. Москва, 2012. № 9. С. 460-464.
3. Кузнецова Н.С., Бурнашова Н.Н., Дабижа О.Н., Тютрина С.В. Синтез и исследование новых экологически безопасных гуанидинсодержащих нанокомпозитных материалов на основе силикатного сырья Забайкалья // Байкальский материа-ловедческий форум: материалы всерос. науч. конф. с междунар. участием. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2012. С. 93-95.
жена упрощенная методика синтеза органо-силикатных композиционных материалов на основе глинистого сырья Забайкальского края и ацидокомплекса гуанидиния. Полученный композит имеет обширную область применения за счет сочетания сорбцион-ных свойств и биоцидной активности.
_References
1. Burnashova N.N., Khatikova A.N., Tyutrina S.V., Dabizha O.N., Kuznetsova N.S. Ditsitrato-borat guanidiniya, proyavlyayushhiy antimikrobnye svoystva: patent № 2474584 RF, MPK S07F 5/02 A61K 31/69. Patentoobladatel FGBOU VPO ZabGU. (Ditsitratoborat guanidinium exhibiting antimicrobial properties: Patent number 2474584 RF, MPK S07F 5/02 A61K 31/69. Patent holder FGBOU VPO ZabGU).
2. Tyutrina S.V., Kuznetsova N.S., Burnashova N.N. Fundamentalnye issledovaniya. (Fundamental researches). Moscow, 2012. no 9. P. 460-464.
3. Kuznetsova N.S., Burnashova N.N., Dabizha O.N., Tyutrina S.V. Baikalskiy materialovedcheskiy forum: materialy vseros. nauch. konf. s mezhdunar. uchastiem.(Ba\kal Material Science Forum: Materials of the All-Russian Scientific Conference with international participation). Ulan-Ude: Izd: BNTs SO RAN, 2012. P. 93-95.
4. Бурнашова Н.Н., Тютрина С.В., Кузнецова Н.С. Синтез и применение в промышленности орга-но-неорганических нанокомпозиционных материалов // Кулагинские чтения: материалы XI Международ. науч.-практ. конф. Чита: ЗабГУ, 2011. Ч. IV. С.156-158.
5. Бурнашова Н.Н., Кузнецова Н.С., Тютрина С.В. Синтез, исследование биоцидной активности комплексных солей гуанидиния и создание композитов на их основе // Наукоемкие химические тех-нологии-2012: матер. XIV междунар.научно-техн. конф. Москва: Изд-во МИТХТ, 2012. С. 391.
6. Тютрина С.В., Кузнецова Н.С. Изучение электропроводности дицитратобората глициния кондуктометрическим методом // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов: сб. ст. XIII Международ. науч.-практ. конф. Чита: ЗабГУ, 2013. Ч. 5. С. 91-95.
7. Кузнецова Н.С., Бурнашова Н.Н., Тютрина С.В. Изучение токсичности дицитратобората гуани-диния и некоторых других соединений методом биотестирования // Проблемы устойчивого развития региона: материалы VII школы-семинара молодых ученых России. Улан-Удэ: БИП СО РАН, 2013. С. 277-279.
8. Бурнашова Н.Н., Дабижа О.Н. Синтез и структура дицитратобората гуанидиния // Ученые записки. Серия Естественные науки. Чита: ЗабГГ-ПУ, 2012. № 1 (42). С. 170-175.
9. Вятчина О.Ф., Жданова Г.О. Новая тест-реакция для определения некоторых классов загрязнителей в окружающей среде // Известия Иркутской государственной экономической академии. Иркутск, 2011. № 1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.eizvestia.isea.ru/reader/ar-ticle.aspx?id=7568
10. Бадмаева С.В. Синтез Al- и Fe/Al- интерка-лированных монтмориллонитов и исследование их физико-химических свойств: автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.04. Иркутск: БИП СО РАН, 2005. 22 с.
11. Хаширова С.Ю. Гуанидинсодержащие полимеры и нанокомпозиты на их основе: автореф. дисс... докт. хим. наук: 02.00.06. Нальчик: Кабардино-Балкарский гос. ун-т, 2009. 48 с.
12. Четвериков С.В., Петуров В.И. Теоретическое исследование возможностей повышения стойкости инструмента из композита // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// www.science-education.ru/116-r12432
4. Burnashova N.N., Tyutrina S.V., Kuznetsova N.S. Kulaginskie chteniya: materialy XI Mezhdunar-od. nauch.-prakt. konf. (Kulagin readings: Materials of the XI International Scientific and Practical Conference). Chita: ZabGU, 2011. Vol. IV. P. 156-158.
5. Burnashova N.N., Kuznetsova N.S., Tyutrina S.V. Naukoemkie himicheskie tehnologii-2012: materialy XIV mezhdunar.nauchno-tehnicheskoy konf. (Science-intensive chemical technologies-2012: materials of the XIV international scientific-technical conference). Moscow: Izd-vo MITHT, 2012. P. 391.
6. Tyutrina S.V., Kuznetsova N.S. Kulagin-skie chteniya: tehnika i tehnologii proizvodstven-nyh protsessov: sbornik statey XIII Mezhdunarod. nauch.-prakt. konf. (Kulagin readings: equipment and technologies of production processes: Collected articles of the XIII International. scientific-practical conference). Chita: ZabGU, 2013. Ch. 5. P. 91-95.
7. Kuznetsova N.S., Burnashva N.N., Tyutrina S.V. Problemy ustoychivogo razvitiya regiona: materialy VII shkoly-seminara molodyh uchenyh Rossii. (Problems of sustainable development of the region: materials of the VII school-seminar of young scientists of Russia). Ulan-Ude: BIP SO RAN, 2013. P. 277279.
8. Burnashova N.N., Dabizha O.N. Uchenye zapiski. Seriya Estestvennye nauki. (Scientific notes. Series of Natural Sciences). Chita: ZabGGPU, 2012. no 1 (42). P. 170-175.
9. Vyatchina O.F., Zhdanova G.O. Izvestiya Ir-kutskoy gosudarstvennoy ekonomicheskoy akademii. (News of Irkutsk State Economic Academy). Irkutsk, 2011. no 1. Available at: http://www.eizvestia.isea. ru/reader/article.aspx?id=7568
10. Badmaeva S.V. Sintez Al- i Fe/Al- interka-lirovannyh montmorillonitov i issledovanie ih fiziko-himicheskih svoystv: avtoref. dis. ... kand. him. nauk: 02.00.04. (Synthesis of Al - Fe/Al - intercalated montmorillonite and investigation of their physical-chemical properties: Abstact. dis. ... cand. chem. sciences: 02.00.04). Irkutsk: BIP SO RAN, 2005. 22 p.
11. Khashirova S.Yu. Guanidinsoderzhash-hie polimery i nanokompozity na ih osnove: avtoref. diss... dokt. him. nauk: 02.00.06. (Guanidinoac-etate polymers and nanocomposites: Abstract diss... doct. chem. sciences: 02.00.06). Nalchik: Kabardino-Balkarsky gos. un-t, 2009. 48 p.
12. Chetverikov S.V., Peturov V.I. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. (Modern problems of science and education. 2014. no 2). Available at: http://www.science-education.ru/116-r12432.
Коротко об авторах_
Кузнецова Н. С., канд. биол. наук, доцент каф. «Химия», Забайкальский государственный университет, г. Чита, РФ [email protected]
Научные интересы: биохимия, биологически активные вещества, методы биотестирования, медицинская химия
_Briefly about the authors
N. Kuznetsovа, candidate of biological sciences, assistant professor, Chemistry department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: biochemistry, biologically active substances, methods of bio-testing, medical chemistry
Бурнашова Н.Н., старший преподаватель, каф. «Химия», Забайкальский государственный университет, г. Чита, РФ [email protected]
Научные интересы: аналитическая химия, комплексные соединения
N. Burnashova, senior teacher, Chemistry department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: analytical chemistry, complex compounds
Тютрина С.В., канд. техн. наук, доцент каф. «Химия», Забайкальский государственный университет, г. Чита, РФ [email protected]
Научные интересы: композиты, силикатное сырье Забайкальского края, ультразвуковое воздействие
S. Tyutrina, candidate of engineering sciences, assistant professor, Chemistry department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: composites, silicate raw materials of Transbaikalie, ultrasonic influence
