Библиографическое описание:

Сафиуллина А. А., Бодрова А. С., Кудашева Ф. Х., Иванов С. П. Извлечение короткоцепочечных жирных кислот из водных растворов метил-трет-бутиловым эфиром // Молодой ученый. — 2014. — №7. — С. 21-24.

Водные растворы короткоцепочечных жирных кислот С2-С6 экстрагировали метил-трет-бутиловым эфиром. Рассчитаны количественные характеристики (коэффициенты распределения, степень извлечения процесса), построены изотермы экстракций для карбоновых кислот — от уксусной до капроновой, включая изокислоты: изомасляную, изовалериановую, изокапроновую. Исследовано влияние высаливателя сульфата аммония на эффективность экстракции, для каждой кислоты построены графики зависимости логарифма отношений констант распределения lgDs/Dот концентрации высаливателя, найдены коэффициенты высаливания.

ВВЕДЕНИЕ

Короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК) — это низшие карбоновые кислоты (от уксусной до капроновой, а также изокислоты: изомасляная, изовалериановая, изокапроновая), они содержатся в организме человека, где образуются главным образом из неперевариваемых углеводов или аминокислот в кишечнике бактериальной ферментацией [1]. В последнее время растет интерес к жирным кислотам, так как выяснилось, что они являются биомаркерами во многих заболеваниях, а также нарушений метаболизма, как гипогликемии и ацидоза. Изучение спектра КЖК в сыворотке крови также позволяет изучить исходное состояние микробного пейзажа кишечника, произвести сравнительный анализ дисбиотических нарушений у людей с различными хроническими заболеваниями пищеварительного тракта [2].

В связи с этим перед современной медициной встала задача разработки точной и экспрессной методики для определения КЖК в крови человека. Определение микроколичеств КЖК в крови на фоне большого числа примесей требует правильного выбора способа подготовки анализируемой пробы к анализу. Наиболее эффективным в данном случае оказалось применение способа жидкостной экстракции, который к тому же является и наиболее простым в техническом исполнении [3]. Экстракционное извлечение КЖК из растворов с малой концентрацией с целью последующего определения физико-химическими методами анализа остается малоизученным. Для повышения степени экстрагирования из водных растворов часто применяют высаливание, процессы высаливания-всаливания при экстракции органических компонентов достаточно хорошо изучены [4]. Однако отсутствие данных по высаливанию карбоновых кислот ограничивает применение этой методики при определении КЖК в сыворотке крови человека.

Жидкостно-жидкостная экстракция имеет особенное значение в определении карбоновых кислот в плазме крови человека методом ГЖХ, где требуется максимально полно извлечь в органическую фазу полярные компоненты и оставить в водной среде малополярные. В большинстве методик предлагается использовать в качестве экстрагента диэтиловый эфир [5]. И это можно объяснить тем, что в ряду гомологичных экстрагентов с увеличением молекулярной массы константы распределения должны понижаться, так как понижаются их мольные концентрации, т.е фактически уменьшается число активных групп в объеме растворителя (т.н. упаковочный эффект). Поэтому самой высокой экстракционной способностью должен обладать диэтиловый эфир, а затем уже эфиры с большей молекулярной массой.

Но диэтиловый эфир очень летуч (Ткип = 34.6 ºС), что налагает большую погрешность и переоценку кислот в органической фазе. Нами было предложено использование метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в качестве экстрагента, в виду того, что он менее летуч (Ткип = 55.2ºС), доступен, малотоксичен [6], и абсолютно не образует перекисных соединений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Микрошприцом точно отмеряли рассчитанные объемы карбоновых кислот в пластмассовые пробирки на 15 мл с плотно завинчивающейся крышкой, в каждую стеклянной пипеткой внесли по 1 мл бидистиллированной воды, хорошо перемешивали. В водные растворы карбоновых кислот различной концентрации (1 мл) вносили стеклянными пипетками по 1 мл 0,1 н. соляной кислоты и 2 мл метил-трет-бутилового эфира. Перемешивали в течении 25 минут, затем оставляли на 10 минут для полного расслоения фаз. Медицинскими стерильными шприцами на 1000 мкл (инсулиновыми) отбирали верхнюю фазу, переносили в пронумерованные центрифужные микропробирки и проводили газо-хроматографический анализ. Пипеткой на 1 мл отбирали нижний слой водной фазы и повторно экстрагировали 1 мл метил-трет-бутиловым эфиром, отбирали верхний органический слой, проводили газо-хроматографический анализ.

Для приготовления водно-солевых растворов водные растворы кислот объемом 1 мл помещали в пластмассовые пробирки на 15 мл с плотно завинчивающимися крышками, затем вносили стеклянными пипетками по 1 мл раствора высаливателя сульфата аммония различной концентрации (5,8 М; 4,0 М; 3,0 М; 2,0М; 1,0М; 0,5М в 0,1 н. соляной кислоте) и 2 мл метил-трет-бутилового эфира. Далее экстракцию проводили по вышеописанной методике.

Анализ проводили на газовом хроматографе Shimadzu GC-2014 с пламенно-ионизационным детектором, кварцевой капиллярной колонкой HP-Innowax (Agilent) 30 метров, с внутренним диаметром 0.25 мм, толщиной пленки 0.25 мкм. Режим с делением потока. Газ-носитель — гелий, скорость общего потока 50 мл/мин, скорость потока колонки 1,07 мл/мин, линейная скорость 28,4 см/с. Температура испарителя 240 ºС, Температура детектора 240 ºС. Режим термостатирования колонки: от 80 ºС повышали до 150 ºС со скоростью 6 ºС в минуту, термостатировали в течении одной минуты, затем снова повышали до 200 ºС со скоростью 15 ºС в минуту, и выдерживали 15 мин при 200 ºС. Объем вкола 0,4 мкл. Для предотвращения загрязнения и порчи колонки каждые пять раз промывали капиллярную колонку смесью муравьиной кислоты (12 %) в МТБЭ.

Расчеты вели по формулам: D = У/Х

D — коэффициент распределения

Х — концентрация кислоты в водной фазе.

У — концентрация кислоты в органической фазе

E — степень извлечения, %

Po — константа распределения

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

В хроматограф с пламенно-ионизационным детектором нежелательно закалывать водные растворы во избежание порчи детектора, кроме того, присутствие воды способствует уносу неподвижной жидкой фазы с колонки. Поэтому, при определении коэффициента распределения кислот D, который равен отношению равновесных аналитических концентраций кислоты в органической и водной фазах, в качестве концентрации кислоты в водной фазе мы принимали значение концентрация кислоты в органической фазе после второго экстрагирования. Такое приближение справедливо для кислот с высокой степенью извлечения, для самых низкоцепочечных кислот — уксусной и пропионовой — концентрацию в водной фазе определяли по разнице исходных значений и концентрации в органической фазы после первой экстракции.

Для растворов карбоновых кислот различной концентрации измеряли коэффициенты распределения и строили изотермы экстракций. На рисунке 1 изображены изотермы экстракции изокапроновой кислоты в координатах Y=f(X), lgY= f(lgX) и D = f(X).

Рис. 1. Изотермы экстракции изокапроновой кислоты метил-третбутиловым эфиром

Исходные концентрации брали от 8 до 120 мкмоль/мл, коэффициенты корреляции составляли 0,967–0,991. Вид графиков свидетельствует об отсутствии процессов полимеризации и диссоциации кислот в органической и водной фазе. В этом случае коэффициенты распределения практически равны константе распределения Ро, не зависящей от равновесных концентраций кислоты в органической и водной фазах и являющейся фундаментальной константой. Константу распределения находили по отсечению D на оси ординат графика D = f(X).

Отсечение на оси ординат графика lgY= f(lgX) равен логарифму константы распределения lgP0, что следует из схемы,  отражающей процесс распределения молекул кислоты (RCOOH) из водной в органическую фазу с некоторой константой распределения, которую можно представить как Ро = У/Хn. Логарифмируя, получим уравнение lg Y = lgP0 + nlgX. [7]

В таблице 1 отображены константы распределения и степени извлечения короткоцепочечных жирных кислот из водных растворов метил-третбутиловым эфиром. Установлено, что наиболее эффективно экстрагируются кислоты с большим числом углеродных атомов, и что изокислоты по сравнению с неразветвленными кислотами извлекаются в большей степени.

Таблица 1

Коэффициенты распределения (Po), степени извлечения (R) и коэффициенты высаливания (k)* КЖК метил-трет-бутиловым эфиром.

Кислота

Ро

E, %

k

уксусная

0,85

45,9

0,081

пропионовая

2,4

70,6

0,112

масляная

4,1

80,4

0,153

изомасляная

4,2

80,8

0,169

валериановая

20,2

95,3

0,175

изовалериановая

24,4

96,1

0,198

капроновая

58,5

98,3

0,295

изокапроновая

62,1

98,4

0,297

* высаливатель — сульфат аммония

Была построена зависимость логарифма константы распределения от числа углеродных атомов в кислоте. Данная зависимость описывалась прямой с тангенсом угла наклона 0,460.

Рис.2. Зависимость lgРо от числа углеродных атомов в КЖК при экстракции МТБЭ

Изучено распределение КЖК в системах МТБЭ–высаливатель–водный раствор. В идентичных условиях установлены коэффициенты распределения (D), исследовано влияние концентрации высаливателя на величину D. Влияние концентрации высаливателя в водной фазе на величину D экстрагируемого вещества отражает уравнение Сеченова: lg(Ds/D)=kCs, где D — коэффициент распределения экстрагируемого вещества при нулевой концентрации высаливателя в водной фазе; Ds — коэффициент распределения экстрагируемого вещества в растворе с высаливателем, С — концентрация соли в водной фазе, моль/л;k — коэффициент высаливания.

Насыщение водного раствора кислот сульфатом аммония приводит к значительному возрастанию коэффициентов распределения. Установлено, что с повышением числа углеродных атомов в кислоте, константа высаливания возрастает, константы высаливания изокислот выше, чем константы высаливания карбоновых кислот нормального строения, что отражено в таблице 1.

Литература:

1.                 Ewaschuk J. B., Gordon A. Z., et al., J of Chrom. B., Vol. 781, (2002), p. 39–56.

2.                 Cruwys J. A., Dinsdale R.M, Hawkes F. R. et al., J of Chrom. A., Vol. 945, (2002), p. 195.

3.                 Коренман И. М. Экстракция в анализе органических веществ. М., «Химия», 1977. — С. 145–147.

4.                 Москвин Л.Н, Родинков О. В. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии. Долгопрудный, «Интеллект», 2011. — С. 57–70

5.                 B. Bleiberg, J. J. Steinberg, S. D. Katz, et al., J of Chrom. B., Vol 568, (1991), р. 301–308

6.                 Егуткин Н. Л., Файзрахманова И. М., Сыркин А. М. Закономерности экстракции фенола и двухатомных фенолов метил-трет-бутиловым эфиром // Каталог докладов Международной конференции «Экстракция органических соединений», Воронеж 2005. — С. 139.

7.                 Чарыков. А.К., Осипов. Н. Н. Карбоновые кислоты и карбоксилатные комплексы в химическом анализе. Л., «Химия», 1991. — С. 99–139.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle