Materiały konferencyjne - bioorg
Transkrypt
Materiały konferencyjne - bioorg
BioOrg I Wielkopolskie Sympozjum Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów 05.12.2015 Wydział Technologii Chemicznej Politechnika Poznańska Materiały konferencyjne Poznań 2015 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Recenzenci: prof. dr hab. inż. Teofil Jesionowski dr hab. inż. Ewa Kaczorek dr hab. inż. Karolina Wieszczycka dr hab. inż. Agnieszka Zgoła-Grześkowiak Redakcja techniczna i skład: mgr inż. Wojciech Smułek ISBN 978-83-916087-1-5 2 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Patronat honorowy 3 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Spis treści Sekcja Biomateriały................................................................................................................................8 Komunikaty.......................................................................................................................................13 Postery ..............................................................................................................................................27 Sekcja Chemii Bioorganicznej.............................................................................................................117 Komunikaty ....................................................................................................................................118 Postery ............................................................................................................................................144 Sekcja Chemii Organicznej..................................................................................................................292 Komunikaty .....................................................................................................................................295 Postery .............................................................................................................................................313 4 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYKŁAD PLENARNY NIESTEROIDOWE LEKI PRZECIWZAPALNE - BIOAKTYWNE ZANIECZYSZCZENIA ORGANICZNE Danuta Wojcieszyńska Katedra Biochemii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Jagiellońska 28; 40-032 Katowice e-mail: [email protected] W latach 90 XX wieku, rozpoczęły się badania monitorujące zawartość farmaceutyków w wodach powierzchniowych i ściekach [1]. Pionierem tych badań był Ternes, który w roku 1998 opublikował pracę, w której wykazał obecność 32 leków i ich metabolitów w niemieckich rzekach i strumieniach [2]. Obecnie w wielu ośrodkach naukowych prowadzi się monitoring stanu wód pod kątem obecności farmaceutyków, zarówno w wodach powierzchniowych jak również w odpływach z oczyszczalni ścieków. Wykazano, że zawartość leków w ściekach, zarówno surowych jaki i oczyszczonych, waha się w zakresie od ng/dm3 do kilkuset μg/dm3 [3]. Ze względu na powszechność stosowania dużą grupę farmaceutyków identyfikowaną w wodach i ściekach stanowią niesteroidowe leki przeciwzapalne (NLPZ), w tym sprzedawane bez recepty: kwas acetylosalicylowy, paracetamol, ibuprofen, naproksen czy diklofenak. Głównym źródłem zanieczyszczeń środowiska tymi lekami są gospodarstwa domowe, szpitale, jednostki diagnostyczne, zakłady farmaceutyczne, czy farmy zwierząt hodowlanych [4]. Problem zanieczyszczenia środowiska niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi narasta ze względu na wzrastającą konsumpcję tych bioaktywnych substancji. Niesteroidowe leki przeciwzapalne są bardzo zróżnicowane pod względem chemicznym. Do najpopularniejszych zalicza się pochodne kwasu salicylowego, pochodne pirazolonu (fenazon, propyfenazon), para-aminofenonu (fenacetyna, paracetamol), kwasu fenylooctowego (diklofenak) i propionowego (ibuprofen, ketoprofen, naproksen) [1]. Mechanizm działania niesteroidowych leków przeciwzapalnych związany jest z ich hamującym wpływem na cyklooksygenazę, enzym odpowiedzialny za utlenianie naturalnych lipidów wchodzących w skład błon komórkowych do tzw. cyklicznych nadtlenków, które z kolei ulegają dalszym przemianom, dając trzy grupy aktywnych związków: prostaglandyny, prostacykliny i tromboksan [1,5]. Stosowane farmaceutyki ulegają w organizmie tzw. przemianom I i II fazy biotransformacji, a następnie są wydalane z organizmu w postaci macierzystej lub powstałych metabolitów. W fazie I najczęściej zachodzą: utlenienie, redukcja lub hydroliza w wyniku czego powstają związki bardziej hydrofilne z grupami aktywnymi, do których mogą się przyłączać w fazie II (tzw. fazie sprzęgania) kwas 5 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. glukuronowy, siarczany lub aminokwasy. W wyniku tych przemian często dochodzi do zmian fizykochemicznych właściwości leku, co wpływa na losy tych związków w środowisku [1, 6]. Wykazano, że niesteroidowe leki przeciwzapalne jako substancje biologicznie czynne mogą wywierać negatywny wpływ na organizmy wodne. Stwierdzono, iż nawet uznawany za bezpieczny i szybko rozkładany kwas acetylosalicylowy może zaburzać procesy rozrodcze rozwielitki i wioślarki. Zaobserwowano, że najbardziej toksyczny spośród tej grupy leków - diklofenak może wywoływać ostrą hepatotoksyczność, zmiany patologiczne w nerkach i skrzelach organizmów wodnych [7]. Ze względu na obserwowaną toksyczność na organizmy żywe niesteroidowych leków przeciwzapalnych obecnych w środowisku w niskich stężeniach, coraz więcej uwagi poświęca się metodom rozkładu tych związków. Metodami pozwalającymi na trwałe usuwanie NLPZ są procesy fotokatalitycznego utleniania (fotodegradacji), chlorynacji, chloraminacji i ozonowania [8]. W większości mechanizm tych procesów jest wolnorodnikowy i polega na generowaniu wysoce reaktywnych i jednocześnie mało selektywnych rodników hydroksylowych (HO•). Jako katalizatory powszechnie stosuje się TiO2, ZnO, SnO2, ZnS, CdS, z których największe zastosowanie ma TiO2. Dla zwiększenia wydajności procesów utleniania NLPZ często dochodzi do kompilacji metod. Przykładem może być degradacja paracetamolu w procesie ozonowania wspomaganego promieniowaniem UV. W układzie takim obserwowano pojawianie się 2-hydroksychinonu, acetamidu, benzochinonu i kwasów alifatycznych jako produktów rozkładu paracetamolu [1]. Ze względu na wysokie koszty i niską selektywność reakcji coraz więcej uwagi poświęca się metodom biologicznego oczyszczania środowisk z NLPZ. W tym celu podejmuje sie próby pozyskiwania mikroorganizmów o zwiększonych zdolnościach degradacyjnych. Już w latach 70. XX wieku opisano szczep Pseudomonas putida R1 zdolny do rozkładu salicylanów poprzez katechol lub kwas gentyzynowy. Od tej pory opisano wiele szczepów, zarówno grzybów jaki i bakterii, zdolnych do rozkładu tych związków [1]. Natomiast izolacja szczepów degradujących inne NLPZ ciągle natrafia na duże trudności. Jest to związane z tym, iż w odróżnieniu od salicylanów, pozostałe związki nie występują w przyrodzie. Dotychczas opisano jedynie kilka mikroorganizmów, głównie grzybów, zdolnych do transformacji bądź degradacji pochodnych kwasu antranilowego, heterocyklicznych i arylowych pochodnych kwasu octowego lub kwasu propionowego oraz pochodnych kwasów enolowych [1, 9, 10]. Spośród szczepów bakterii opisano jedynie szczepy rozkładające ibuprofen (Nocardia sp. NRRL 5646, Sphingomonas Ibu-2, Variovorax Ibu-1), paracetamol (Rhodococcus, Burkholderia sp. AK-4) oraz naproksen (Stenotrophomonas maltophilia KB2, Planococcus sp. S5) [11-13]. Analiza z wykorzystaniem spektroskopii masowej produktów pośrednich rozkładu ibuprofenu wykazała, że rozkład tego związku przebiega poprzez hydroksylację do pochodnych katecholu, które następnie ulegają rozkładowi poprzez rozszczepienie meta pierścienia aromatycznego. Natomiast 6 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. paracetamol najczęściej ulega mikrobiologicznemu przekształceniu do 4-aminofenolu, a następnie do hydrochinonu, który ulega rozszczepieniu do kwasów alifatycznych [11]. Badaniami nad rozkładem naproksenu zajął się zespół Katedry Biochemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Głównym celem badań była analiza enzymów zaangażowanych w rozkład tego związku. Otrzymane wyniki wskazują, że kluczowym enzymem rozkładu naproksenu jest 1,2-dioksygenaza hydroksychinonowa, a rozkład naproksenu poprzedzony jest hydroksylacją z udziałem dioksygenazy naftalenowej i monooksygenazy fenolowej. Badania te pozwoliły na zaproponowanie szlaku degradacji naproksenu [12, 13]. Pomimo licznych prac nad biodegradacją NLPZ, problem tych związków w środowisku nadal jest nierozwiązany. Nie udało się pozyskać mikroorganizmów zdolnych do rozkładu tych związków z dużą wydajnością, a wzrastająca konsumpcja tych leków przy jednocześnie braku skutecznych metod utylizacji skutkuje pojawianiem się NLPZ w wypływach oczyszczalni i w konsekwencji w ekosystemie. Być może rozwiązaniem byłoby zastosowanie zintegrowanych procesów chemicznego i biologicznego utleniania, jednak możliwe będzie to dopiero po pełnym poznaniu mechanizmów zarówno biologicznego jaki i chemicznego rozkładu NLPZ. Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (2013/09/B/NZ9/00244) Literatura: [1] U. Guzik i wsp. (2014) Mikrobiologiczna degradacja niesteroidowych leków przeciwzapalnych, Postępy Mikrobiologii 53(1):61-69 [2] T. Ternes (1998) Occurence of drugs in German sewage treatment plants and rivers, Water Research 32:3245-3260 (1998) [3] A. Nikolaou i wsp. (2007) Occurrence patterns of pharmaceuticals in water and wastewater environments, Analytical and Bioanalytical Chemistry 387:1225-1234 [4] T. Kosjek i wsp. (2007) Removal of pharmaceutical residues in a pilot wastewater treatment plant, Analytical and Bioanalytical Chemistry 387:1379-1387 [5] R. Międzybrodzki (2004) Kierunki poszukiwań i zastosowanie niesteroidowych leków przeciwzapalnych, Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej 58:438-448 [6] U. Guzik i wsp. (2013) Biotransformacja wybranych niesteroidowych leków przeciwzapalnych w środowisku, Bromatologia i Chemia Toksykologiczna 46:105-112 [7] A. Marchlewicz i wsp. (2015) Ibuprofen w środowisku - źródła, zagrożenia, biodegradacja, Ochrona Środowiska 37:65-70 [8] A. Veach i wsp. (2012) The influence of six pharmaceuticals on freshwater sediment microbial growth incubated at different temperatures and UV exposures, Biodegradation 23:497-507 [9] L. Lloret i wsp. (2010) Laccase-catalyzed degradation of anti-inflammatories and estrogens, Biochemical Engineering Journal 51:124-131 [10] A.I. Rodarte-Morales i wsp. (2011) Degradation of selected pharmaceutical and personal care products (PPCPs) by white-rot fungi, World Journal of Microbiology and Biotechnology 27:1839-1849 [11] A. Marchlewicz i wsp. (2015) Over-the-counter monocyclic non–steroidal anti–inflammatory drugs in environment sources, risks, biodegradation, Water, Air and Soil Pollution DOI 10.1007/s11270-015-2622-0 [12] D. Wojcieszyńska i wsp. (2014) Bacterial degradation of naproxen – undisclosed pollutant in the environment, Journal of Environmental Management 145:157-161 [13] D. Domaradzka i wsp. (2015) Cometabolic degradation of naproxen by Planococcus sp.strain S5,Water, Air and Soil Pollution 226:297, DOI 10.1007/s11270-015-2564-6 7 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOMATERIAŁY 8 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYKŁAD SEKCYJNY TWORZYWA SZTUCZNE W ŚWIETLE OCHRONY ŚRODOWISKA Dominik Paukszta Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska 60-965 Poznań, ul. Berdychowo 4 * e-mail: [email protected] Tworzywa sztuczne odgrywają w naszym życiu bardzo istotną rolę. Można zadać pytanie: czy dziś możemy się obejść bez tworzyw sztucznych? W budownictwie, w motoryzacji, w opakowalnictwie, w tekstyliach, w sportach wyczynowych, w przemyśle militarnym, w codziennym życiu? Odpowiedź jest jednoznaczna, wyroby z tworzyw sztucznych na trwałe stały się obecne w naszym życiu. Tworzywa w swej znacznej większości są tworzywami pochodzącymi ze źródeł nieodnawialnych i są materiałami nie ulegającymi biodegradacji. Czy to źle, czy za wszelką cenę należy dążyć do uzyskiwania materiałów biodegradowalnych pochodzących z odnawialnych źródeł? Bardzo często na temat tworzyw sztucznych i ich wpływu na środowisko wypowiadają się dziennikarze, także niektóre grupy tzw. "ekologów" mają własne zdanie na ten temat. Co gorsza, także naukowcy reprezentujący odmienne dziedziny nauki, nie mający dostatecznej wiedzy, formułują tezy bardzo negatywne na temat tworzyw sztucznych i nie oparte na danych naukowych. Do społeczeństwa kierowane są kłamliwe informacje, na przykład takie jak: • tworzywa sztuczne są największym zagrożeniem naszego wieku; • grozi nam zalew tworzyw, „utoniemy” w śmieciach z plastiku; • PVC wycofano z opakowań produktów spożywczych z uwagi na możliwość przedostawania się toksycznych związków do żywności; • plastikowe śmieci trafiają do żołądków ssaków, ptaków i ryb zbierając śmiertelne żniwo; • produkuje się olbrzymie ilości tworzyw sztucznych nie znając metod ich recyklingu i odzysku. Rolą naukowców pracujących w dziedzinie tworzyw sztucznych jest wyrażanie braku zgody na takie i podobne kłamstwa "ekowojowników". Jednymi z "najgoręcej" podejmowanych tematów są kwestie jednorazowych worków foliowych oraz zastosowania polimerów biodegradowalnych do produkcji opakowań. Warto zauważyć, że największą ilość tworzyw sztucznych, bo aż 40%, zużytkowuje przemysł opakowaniowy. Opakowania foliowe będące opakowaniami jednorazowymi, produkowane są z trzech rodzajów materiałów: z polietylenu, z polimerów zawierających związki powodujące degradację oraz z polimerów biodegradowalnych. Pierwszy rodzaj opakowań nadaje się do ponownego wykorzystania metodami recyklingu materiałowego. Folie drugiego rodzaju, nazywane są oksy-degradowalnymi lub oksy- 9 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. biodegradowalnymi. Są to tworzywa z dodatkami zwanymi prodegradantami, dodawanymi w celu przyspieszenia degradacji tworzyw po ich użyciu. Prodegradanty najczęściej są solami (stearynianami, ditiokarbaminainami) metali przejściowych zdolnych do zmiany stopnia utlenienia (Fe, Co, Mn i inne). Torebki foliowe z tymi związkami są oznaczone d2w lub TPDA (Totally Degradable Polymers Additives). Mankamentem tego typu tworzyw jest ich mała przydatność do dalszego przetwarzania. Trzeci rodzaj opakowań może znaleźć specjalne zastosowanie, na przykład do produkcji worków na odpady zielone. Takie opakowania wraz z biodegradowalną zawartością mogą zostać poddane bezpiecznemu składowaniu i kompostowaniu. Wśród naukowców i producentów tworzyw trwają dyskusje, czy stosowanie tworzyw biodegradowalnych do produkcji opakowań jest właściwym rozwiązaniem. Oczywiście, nie można w żaden sposób negować faktu, że te tworzywa stały się wręcz niezbędne w medycynie czy w wielu zastosowaniach bioinżynierii i inżynierii materiałowej. Można się jednak zastanowić, czy powinny stać się podstawowymi materiałami opakowaniowymi? Tworzywa biodegradowalne stosowane w opakowalnictwie, choćby takie jak PLA czy Mater Bi są dużo droższe od takich polimerów jak PP, PS lub PET. Ponadto, nawet ich nieznaczna ilość przy recyklingu polimerów niebiodegradowalnych wpływa bardzo niekorzystnie na właściwości recyklatów. Czas kompostowania tworzyw biodegradowlanych jest znacznie dłuższy niż biodegradacja biomasy, a do ich wytwarzania używa się znacznej ilości energii, najczęściej nie pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Ocenę wpływu danych wyrobów (nie tylko materiałów opakowaniowych) na środowisko przeprowadza się poprzez sporządzenie „całkowitego cyklu życia" (z ang. Life Cycle Assessment). Zbilansowanie kosztów ekologicznych przeprowadza się najczęściej w sześciu grupach: - całkowity nakład energii z uwzględnieniem zapotrzebowania na ropę, wiąże się bezpośrednio z emisją substancji szkodliwych emitowanych do powietrza podczas wytworzenia energii, - całkowita emisja substancji szkodliwych do atmosfery, - całkowite obciążenie chemiczne ścieków, - całkowita ilość stałych nie utylizowanych odpadów, - całkowite zużycie surowców (bez ropy), - całkowite zużycie czystej wody. Z ekobilansów jednoznacznie wynika, że tworzywa sztuczne wymagają znacznie mniejszego zużycia energii w porównaniu z materiałami klasycznymi (oszczędność ropy), a także w nieporównanie mniejszym stopniu zanieczyszczają powietrze i wodę. Świadomemu podejściu do użytkowania i przetwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych powinna przyświecać zasada "4R". Należy zauważyć, że tym samym zasadom podlegają nie tylko wyroby z tworzyw sztucznych, ale także wyroby z kompozytów, na przykład polimerów termoplastycznych napełnianych materiałami lignocelulozowymi. 10 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Reduce – REDUKUJ – oznacza oszczędność energii i zmniejszenie emisji CO2, podczas fazy użytkowania wyrobów z tworzyw, a także ograniczanie ilości odpadów i strat, dzięki rozwiązaniom zmniejszającym ilość zużywanego surowca i energii przy produkcji wyrobu (lżejsze butelki, cieńsze folie) – z zachowaniem wszystkich jego założonych funkcji. Reuse – UŻYWAJ POWTÓRNIE – liczne wyroby z tworzyw sztucznych są używane powtórnie, a nawet wielokrotnie: butelki, torby, pojemniki. Recycle – PODDAWAJ RECYKLINGOWI – oznacza recykling materiałowy zużytych wyrobów do produkcji nowych wyrobów. Recykling materiałowy, w najprostszym ujęciu, polega na ponownym przetworzeniu odzyskanych tworzyw do gotowych produktów. Nie ma tu miejsca ingerencja w budowę chemiczną polimeru, jednakże wszelkie procesy przetwórcze są powiązane z większą lub mniejszą degradacją tworzywa. Recover – ODZYSKUJ – oznacza odzysk surowców oraz odzysk energii poprzez współspalanie w instalacjach produkujących energię (ciepło lub prąd) lub poprzez produkcję paliw alternatywnych z odpadów. Odzysk surowców polega na rozłożeniu łańcuchów polimerowych na frakcje o mniejszej masie cząsteczkowej, które mogą być użyte ponownie jako surowce petrochemiczne, monomery lub surowce dla innych produktów chemicznych. Wiele emocji towarzyszy zagadnieniom spalania odpadów, w tym tworzyw sztucznych, przy okazji "straszeni" jesteśmy emisją dioksyn, Trzeba wiedzieć, że dioksyny powstają podczas spalania przy niedoborze tlenu w temperaturach poniżej 800 °C. Z tego powodu w spalarniach odpadów dioksyny nie powstają; istotne jest także szybkie obniżenie temperatury popiołów. Tworzyw nie można przekształcać metodami recyklingu materiałowego nieskończoną ilość razy, ponadto tworzywa mogą być zabrudzone, trudne do segregacji (na przykład folie wielowarstwowe), w takich przypadkach spalanie odpadów jest doskonałą drogą ich unicestwienia. Aby system recyklingu i odzysku w skali globalnej funkcjonował sprawnie, należy zapewnić: - uregulowania prawne, normy i przepisy dopuszczające do użytkowania wyroby pochodzące z recyklingu, - ciągłą i wystarczającą dostawę surowców dzięki zorganizowanej sieci gromadzenia i sortowania odpadów, - technologie i niezbędną aparaturę do recyklingu, - rynki zbytu dla produktów. - ekonomiczność recyklingu. Najgorszą drogą pozbywania się odpadów, w tym także tworzyw sztucznych jest składowanie. Prognozowany wzrost cen pobieranych za składowanie może być dodatkowym argumentem przemawiającym za recyklingiem lub odzyskiem. Programem docelowym jest minimalizacja strumienia odpadów przeznaczonych do składowania. Tworzywa sztuczne podczas składowania na ogół nie 11 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wytwarzają szkodliwych substancji. Są jednak zbyt cenne, by trafiały na składowiska. Problemem pozostaje zajmowana objętość oraz fakt braku degradacji w skali dziesiątków lat. Okazało się, że przy dużej świadomości społecznej popartej odpowiednimi regulacjami prawnymi, możliwe jest zminimalizowanie ilości odpadów kierowanych na składowiska, aż do zaprzestania budowy nowych. Należy mieć nadzieję, że pomimo wielu problemów zwiększać się będzie świadomość społeczna dotycząca użytkowania tworzyw oraz segregowania odpadów, że coraz rzadsze będą przypadki stosowania odpadów do spalania w domowych instalacjach grzewczych lub ich wyrzucania w lasach czy nad brzegami rzek i jezior. Także nowo powstające spalarnie odpadów komunalnych w znacznym stopniu poprawią gospodarkę w tej dziedzinie i wpłyną na stopniowe zmniejszanie się ilości odpadów kierowanych na składowiska. Praca finansowana z projektu: 03/32/DSPB/0503 Literatura: A. K. Błędzki (1997) Recykling materiałów polimerowych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa A. K. Błędzki, A. Jaszkiewicz (2009) Polimery biodegradowalne - teoria i praktyka, Materiały Konferencyjne: Recykling i odzysk materiałów polimerowych, w: Materiały - Technologie - Utylizacja, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie 15-19 S. Borysiak, D. Paukszta (2013) The influence of processing and polymorphism of lignocellulosic fillers on the structure and properties of composite materials – a review Materials 6, 2747-2767 N. Czaja-Jagielska, K. Pawlak-Lemańska, D. Paukszta, A. Wielicka-Regulska (2011) Hydro-biodegradable packagings for food products - a review, Polish Journal of Commodity Science, 1(26):80-89 Martínez-Romo, R. González-Mota, J. J. Soto-Bernal, I. Rosales-Candelas (2015) Investigating the Degradability of HDPE, LDPE, PE-BIO, and PE-OXO Films under UV-B Radiation, Journal of Spectroscopy Volume 2015, Article ID 586514, 6 pages P. Mastalerz (2000) Ekologiczne kłamstwa ekowojowników. Rzecz o szkodliwości kłamliwej propagandy ekologicznej, Wydawnictwo Chemiczne, Wrocław T.F.M. Ojeda E. Dalmolin, M.M.C. Forte, R.J.S. Jacques, F.M. Bento, F. A. O. Camargo (2009) Abiotic and biotic degradation of oxo-biodegradable polyethylenes Polymer Degradation & Stability 6(94), 965-970 J. Ryszkowska, K. Sasińska (2010) Kompozyty z folii oksybiodegradowalnej z recyklingu napełniane drewnem, Polimery, 55, 740-747 www.plasticeurope.org H. Żakowska (2012) Systemy recyklingu odpadów opakowaniowych - wybrane problemy prawno-organizacyjne i ekonomiczne w Polsce Polimery 9(57), 613-619 M. Tomczak 2013 Niezorientowane folie biodegradowalne Triniflex cPLA, Opakowanie 11, 24-25 12 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA NANOCZĄSTEK MAGNETYTU POKRYTYCH BIOPOLIMERAMI DLA IMMOBILIZACJI BIOLIGANDÓW Dorota Chełminiak1*, Marta Ziegler-Borowska1, Tomasz Siódmiak2, Halina Kaczmarek1, Anna Kaczmarek-Kędziera1 1 2 Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń Wydział Farmaceutyczny, Collegium Medicum im.Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Dr A. Jurasza 2, 85-089 Bydgoszcz * e-mail: [email protected] Ostatnie kilkanaście lat intensywnych badań prowadzonych w ramach nanotechnologii doprowadziło do opracowania nanomateriałów, które pozwoliły na ich zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, w tym w naukach biologicznych i medycznych. Jest to spowodowane ich specyficznymi właściwościami, do których zaliczamy m.in. powinowactwo chemiczne, superparamagnetyzm, podatność na modyfikacje chemiczne oraz biozgodność [1,2]. W ramach niniejszej pracy otrzymano szereg nanocząstek magnetycznych, pokrytych polimerami (chitozan, kolagen, skrobia) w formie wyjściowej i zmodyfikowanej. Nanocząstki otrzymano na drodze współwytrącania in situ. Materiał magnetyczny pokryty modyfikowanym chitozanem charakteryzuje się wysoką zawartością wolnych grup aminowych na swojej powierzchni. Magnetyczne nanocząstki zaprojektowane zostały do immobilizacji bioligandów, tj. enzymu - lipazy z Candida rugosa oraz albuminy ludzkiej. Dokonano pełnej charakterystyki otrzymanych materiałów (zdjęcia SEM, TEM, analiza rentgenograficzna XRD, ATR-FTIR, analiza termiczna). Zbadano stopień immobilizacji, aktywność lipolityczną oraz stabilność operacyjną zaimmobilizowanych na otrzymanych nanomateriałach bioligandów [3,4]. Lipazę zaimmobilizowaną na magnetycznych nanocząstkach wykorzystano do enancjoselektywnego rozdziału ibuprofenu. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer 014/15/D/NZ7/01805. Literatura: [1] D. Chełminiak, M. Ziegler-Borowska, H. Kaczmarek (2015) Nanocząstki magnetytu powlekane polimerami do zastosowań biomedycznych Cz. I. Otrzymywanie nanocząstek Fe3O4 z powłokami z polisacharydów, Polimery 60:12-17. [2] D. Chełminiak, M. Ziegler-Borowska, H. Kaczmarek (2015) Nanocząstki magnetytu powlekane polimerami do zastosowań biomedycznych Cz. II. Nanocząstki Fe3O4 z powłokami z polimerów syntetycznych, Polimery 60:87-94. [3] M. Ziegler-Borowska, D. Chełminiak, T. Siódmiak, A. Sikora, M.P. Marszałł, H. Kaczmarek (2014) Synthesis of new chitosan coated magnetic nanoparticles with surface modified with long-distanced amino groups as a support for bioligands binding, Materials Letters 132:63-65. 13 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [4] M. Ziegler-Borowska, T. Siódmiak, D. Chełminiak, A. Cyganiuk, M.P. Marszałł (2014) Magnetic nanoparticles with surfaces modified with chitosan-poly[N-benzyl-2-(methacryloxy)-N,N-dimethylethaminium bromide] for lipase immobilization, Applied Surface Science 288:641-648. 14 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT NOWE GERMANOWE WINYLOPOCHODNE SILSESKWIOKSANÓW ORAZ ICH KOMPLEKSY Z RUTENEM: SYNTEZA, STRUKTURA I REAKTYWNOŚĆ Dawid Frąckowiak1*, Patrycja Żak2, Grzegorz Spólnik3, Mikołaj Pyziak2, Bogdan Marciniec1,2 1 2 Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, Umultowska 89c, 61-614 Poznań Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Wydział Chemii, Zakład Chemii Metaloorganicznej, Umultowska 89b, 61-614 Poznań 3 Instytut Chemii Organicznej PAN, M. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa * e-mail: [email protected] W ciągu ostatnich 25 lat nastąpił wzrost zainteresowania poliedrycznymi oligomerycznymi silseskwioksanami (POSS), będącymi klasą hybrydowych związków krzemu [1]. Często przyjmuje się, że POSS są najmniejszymi możliwymi jednostkami krzemionki, jednak w przeciwieństwie do niej, zawierają w swojej budowie również podstawniki organiczne lub reaktywne grupy nieorganiczne. Budowa silseskwioksanów opiera się na powtarzających jednostkach RSiO3/2, które mogą łączyć się ze sobą tworząc bardziej uporządkowaną strukturę o ogólnym wzorze (RSiO3/2)n, gdzie n = 6, 8, 10. Ze względu na liczne zastosowania i łatwość modyfikacji to właśnie klatkowe, całkowicie skondensowane kubiczne silseskwioksany (RSiO3/2)8 są najczęściej spotykaną grupą POSS. Ostatnio wzrasta również znaczenie kompletnie skondensowanych POSS typu double-decker (Schemat 1). Schemat 1. Kubiczny sileskwioksan (RSiO3/2)8 oraz silseskwioksan typu double-decker. Przedmiotem komunikatu są nowe, winylopochodne germanowe silseskwioksanów oraz ich reaktywność w katalitycznej reakcji trans-metalacji [2]. Pierwsza grupa wspomnianych wyżej pochodnych to monowinylogermasilseskwioksany, które można zaliczyć do tzw. heterosilseskwioksanów (tj. silseskwioksanów, które oprócz atomów krzemu zawierają w swoim szkielecie inne heteroatomy), natomiast drugą grupę stanowią (winylogermoksy)silseskwioksany, których przedstawicielem jest (dimetylowinylogermoksy)heptaizobutylosilseskwioksan (Schemat 2) [3,4]. 15 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Schemat 2. Monowinylogermasilseskwioksany oraz (dimetylowinylogermoksy)heptaizobutylosilseskwioksan W komunikacie omówiona zostanie synteza winylogermanowych pochodnych POSS, a także preparatyka oraz charakterystyka ich kompleksów z rutenem. Przedyskutowana będzie również reaktywność tych związków w katalitycznej reakcji trans-metalacji ze styrenami, prowadzonej w obecności hybrydowych kompleksów rutenu (II) [4]. Germasilseskwioksany oraz germoksysilseskwioksany mogą być obiecującymi prekursorami dla nowoczesnych materiałów hybrydowych. Obecność ugrupowania Ge-O-Si znacząco zwiększa wartości współczynnika refrakcji względem analogicznych układów Si-O-Si, w których nie występuje atom germanu, dzięki czemu materiały takie są stosowane do wytwarzania wyspecjalizowanych szkieł spinowych, szklanych filmów, mikrosoczewek, laserów oraz warstw adhezyjnych [5]. Literatura: [1] C. Hartmann-Thompson (2010) Applications of polyhedral oligometric silsesquioxanes. Advances in silicon science, Springer Science + Business Media, Londyn. [2] B. Marciniec (2007) Catalytic coupling of sp2- and sp-hybridized carbon–hydrogen bonds with vinylmetalloid compounds, Accounts in Chemical Research 40:943-952. [3] Zgłoszenia patentowe polskie nr: P.410690, P.411195 oraz P.411196. [4] D. Frąckowiak, P. Żak, G. Spólnik, M. Pyziak, B. Marciniec (2015) New vinylgermanium derivatives of silsesquioxanes and their ruthenium complexes-synthesis, structure, and reactivity, Organometallics 34:3950-3958. [5] US Patent: 6248852. 16 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT KOMPOZYTY PLA Z HYBRYDOWYM NAPEŁNIACZEM KRZEMIONKA/LIGNINA Aleksandra Grząbka-Zasadzińska*, Łukasz Klapiszewski, Teofil Jesionowski, Sławomir Borysiak Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Produkcja tworzyw sztucznych w dużej mierze zależna jest od przemysłu petrochemicznego, dlatego też obecnie duży nacisk kładzie się na opracowywanie polimerów otrzymywanych z odnawialnych źródeł. W ostatnich latach obserwuje się również rosnące zainteresowanie nowymi typami biodegradowalnych napełniaczy. Jedną z grup takich materiałów są napełniacze nieorganiczno/organiczne [1]. Polilaktyd (PLA) jest biodegradowalnym polimerem inżynieryjnym wykazującym dobre właściwości wytrzymałościowe oraz stosunkowo łatwą przetwarzalność, co sprawia, że jest on najszerzej stosowanym termoplastycznym biopolimerem. PLA jest często wykorzystywany w przemyśle opakowaniowym oraz w zastosowaniach medycznych (w postaci włókien lub folii), także ze względu na fakt, że w podwyższonych temperaturach oraz wysokiej wilgotności ulega relatywnie szybkiemu procesowi biodegradacji [2]. PLA ma jednak również poważną wadę, jaką jest niska odporność termiczna (temperatura ugięcia pod obciążeniem dla PLA wynosi ok. 50–65 °C), która znacząco ogranicza dziedziny jego zastosowania. Wiadomo jednakże, że zastosowanie napełniaczy pozwala na przyspieszenie krystalizacji PLA i tym samym pokonanie tej wady. Napełniacze nieorganiczne stanowią atrakcyjne wzmocnienie, ponieważ powodują znaczącą poprawę właściwości termicznych, mechanicznych i także chemicznych biokompozytów, w których zostały użyte [3-5]. Jednym z najbardziej znanych i cenionych napełniaczy nieorganicznych jest krzemionka. Ze względu na odporność chemiczną, wysoką porowatość oraz twardość jest ona często wykorzystywana jako adsorbent i nośnik faz stacjonarnych [6]. Dodatkowo krzemionka w układach z polimerami przyczynia się do dużej poprawy właściwości wytrzymałościowych (np. wydłużenie przy zerwaniu, udarność z karbem) takich materiałów, podniesienia ich odporności chemicznej i stabilności termicznej, redukcji przepuszczalności gazów, także przy małych jej zawartościach, ale jednocześnie wykazuje tendencję do aglomeracji [7,8]. Lignina jest odnawialnym, amorficznym, polifenolowym biopolimerem otrzymywanym z drewna. Jest ponadto odpadem przemysłu papierniczego powstającym w metodzie „kraft” i dzięki temu może być tanim, dostępnym w dużych ilościach, napełniaczem [9]. Niestety zastosowania ligniny są bardzo ograniczone, bowiem ulega ona degradacji termicznej w temperaturze powyżej 170 °C i tym 17 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. samym jej właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu [10]. Co więcej, jako polimer naturalnego pochodzenia, lignina charakteryzuje się dużą chłonnością wody i małymi wartościami wydłużenia, co przyczynia się do problemów w procesie wytłaczania, ponieważ tworzą się pęcherze powietrza, które utrudniają przepływ polimeru przez dyszę. Obecnie przygotowanie funkcjonalnych napełniaczy hybrydowych łączących w sobie właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe nieorganicznej krzemionki z niedrogą, organiczną ligniną cieszy się coraz większym zainteresowaniem [7,8]. Uzyskane na drodze takiego połączenia materiały mogą być wykorzystywane jako napełniacze polimerowe bądź biosorbenty [7,11,12]. Stężenie napełniacza hybrydowego w matrycy polimerowej jest kluczowe i warunkuje uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych. Szczególne znaczenie ma również wpływ takiego napełniacza na strukturę supermolekularną, morfologię matrycy polimerowej, a także zjawiska zachodzące na granicy międzyfazowej polimer/napełniacz. Silne interakcje występujące na granicy międzyfazowej pozwalają na przenoszenie obciążeń powstających w układzie i tym samym zapobiegają pogorszeniu właściwości wytrzymałościowych. Materiały lignocelulozowe mogą być heterogenicznymi nukleantami krystalizacji wzdłuż granicy międzyfazowej, charakteryzującymi się dużą gęstością zarodków i mającymi bezpośredni związek z powstawaniem struktur transkrystalicznych. Uważa się, że obecność tych struktur wykazuje znaczący wpływ na otrzymywanie kompozytów o dobrych parametrach [13,14]. Dlatego właśnie celem niniejszych badań było określenie wpływu parametrów fizykochemicznych hybrydowych materiałów krzemionka/lignina na ich zdolności nukleacyjne oraz zdolność do tworzenia struktur transkrystalicznych w matrycy PLA. W przedstawionych badaniach amorficzną krzemionkę Syloid 244 oraz lignina krafta połączono mechanicznie. Przygotowano cztery materiały hybrydowe zawierające krzemionkę i ligninę w stosunkach ilościowych odpowiednio 1:1, 2:1, 5:1 i 20:1. Jako próbki referencyjne zastosowano pierwotną ligninę oraz krzemionkę. Na drodze obserwacji mikroskopowych określono właściwości dyspersyjne i morfologiczne napełniaczy hybrydowych, zbadano również rozmiar cząstek. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera potwierdziła otrzymanie materiałów hybrydowych krzemionka/lignina. Parametry związane z porowatością wyprodukowanych materiałów wyznaczono przy pomocy metody izotermy Brunauer–Emmett–Teller, z wykorzystaniem algorytmu Barrett–Joyner– Halenda. Metodą wytłaczania wykonano folie kompozytowe PLA zawierające 2,5% wag. napełniacza hybrydowego. Mikroskopia optyczna, szerokokątowa dyfraktometria rentgenowska oraz skaningowa kalorymetria różnicowa posłużyły do określenia struktury supermolekularnej kompozytów PLA/napełniacz hybrydowy, analizy parametrów krystalizacji oraz przemian fazowych zachodzących w matrycy PLA. Materiał hybrydowy krzemionka/lignina okazał się być napełniaczem zdolnym 18 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. do efektywnej nukleacji krystalizacji. Zdolności nukleacyjne napełniacza hybrydowego krzemionka/lignina w matrycy PLA są związane z porowatością napełniacza i jego składem. Badania były finansowane z projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki nr DEC-2013/09/B/ST8/00159. Literatura: [1] G. Milczarek, O. Inganas (2012) Renewable cathode materials from biopolymer/conjugated polymer interpenetrating networks, Science 335:1468-1471. [2] A. Duda, S. Penczek (2013) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania, Polimery 48:16-27. [3] Y. Wang, J. L. Gomez Ribelles, M. Salmeron Sanchez, J. F. Mano (2005) Morphological contributions to glass transition in poly(l-lactic acid), Macromolecules 38:4712-4718. [4] B. Kalb, A. J. Pennings (1980) General crystallization behaviour of poly(l-lactic acid), Polymer 21:607-612. [5] Z. Bartczak, A. S. Argon, R. E. Cohen, M. Weinberg (1999) Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II. High-density polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles, Polymer 40:2347-2365. [6] K. Kupiec, P. Konieczka, J. Namieśnik (2007) Charakterystyka, procesy chemicznej modyfikacji oraz zastosowanie krzemionki i jej zmodyfikowanych postaci, Ecological Chemistry and Engineering, 14:473-487. [7] K. Bula, Ł. Klapiszewski, T. Jesionowski (2014) A novel functional silica/lignin hybrid material as a potential bio-based polypropylene filler, Polymer Composites 36:913-922. [8] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Kraft lignin and silica as precursors of advanced composite materials and electroactive blends, Journal of Material Science 49:1376-1385. [9] J. Li, Y. He, Y. Inoue (2003) Thermal and mechanical properties of biodegradable blends of poly(L-lactic acid) and lignin, Polymer International 52:949-955. [10] G. Toriz, F. Denes, R. A. Young (2002) Lignin-polypropylene composites. Part 1: Composites from unmodified lignin and polypropylene, Polymer Composites 23:806-813. [11] G. Telysheva, T. Dizhbite, D. Evtuguin, N. Mironova-Ulmane, G. Lebedeva, A. Andersone, O. Bikovens, J. Chirkova, L. Belkova (2009) Design of siliceous lignins – Novel organic/inorganic hybrid sorbent materials, Scripta Materialia 60:687-690. [12] Ł. Klapiszewski, P. Bartczak, M. Wysokowski, M. Jankowska, K. Kabat, T. Jesionowski (2015) Silica conjugated with kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal 260:684693. [13] S. Borysiak (2013) Influence of cellulose polymorphs on the polypropylene crystallization, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 113:281-289. [14] S. Borysiak (2013) Fundamental studies on lignocellulose/polypropylene composites: Effects of wood treatment on the transcrystalline morphology and mechanical properties, Journal of Applied Polymer Science 127:1309-1322. 19 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT OCENA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA GRZYBNI POZYSKANEJ Z HODOWLI PŁYNNEJ DO WYTWORZENIA MATERIAŁU OPAKOWANIOWEGO O STRUKTURZE SPIENIONEJ Łukasz Łopusiewicz* Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, ul. Janickiego 35, 71-270 Szczecin * e-mail: [email protected] Konwencjonalne materiały opakowaniowe z tworzyw sztucznych takich jak PET, PS, PP czy PVC są w powszechnym użyciu z uwagi na łatwość produkcji i dostępność. Niestety stanowią one poważne obciążenie dla środowiska z uwagi na swoją trwałość. Dlatego na szczególną uwagę zasługują materiały ulegające biodegradacji. Większość materiałów opakowaniowych używanych jest tylko raz. Struktura komórkowa takich materiałów jest wytwarzana poprzez dodatek specjalnych substancji – poroforów. Ilości zużywanych opakowań są ogromne i w skali światowej ciągle rosną. Jest to spowodowane szybkim wzrostem ich zużycia w krajach rozwijających się, ale również pakowaniem coraz większych ilości produktów spożywczych w małych porcjach, przystosowanych do wzrastającej na świecie liczby gospodarstw 1-2-osobowych. Konieczność stosowania odpowiednich opakowań do żywności w tym spienionych i jednocześnie biodegradowalnych staje się oczywista. Ciekawą alternatywą dla stosowanych obecnie rozwiązań w produkcji opakowań może być zastosowanie biomasy pochodzenia grzybowego. Ciało grzybów wyższych zbudowane jest z grzybni będącej plechą a cała strzępkowa plecha grzyba nazywana jest grzybnią (łac. mycelium). Grzybnia składa się ze strzępek, cylindrycznych struktur o średnicy od 0,5 µm do 100 µm i długości do kilkunastu centymetrów, wielokrotnie rozgałęzionych i wrastających w podłoże lub rozrastających się na jego powierzchni [1]. Elementem, który buduje szkielet ściany komórki grzyba są mikrofibryle chityny – polimeru N-acetyloglukozaminy. Wyjątkiem jednak są lęgniowce (Oomycetes), u których w ścianach komórkowych obok innych β-glukanów stwierdzono obecność mikrofibryl celulozy. Ściana komórkowa grzybów ma budowę warstwową. Warstwę zewnętrzną tworzą bezpostaciowe glukany, a najbardziej wewnętrzną mikrofibryle chityny oraz białko. Warstwy pośrednie zbudowane są z polisacharydów (chitozanu, mannanów), białek i glikoprotein, zawierają one również lipidy [2]. Szczególną uwagę należy zwrócić na główny składnik ściany komórkowej grzybów – chitynę, jeden z najpowszechniej występujących w przyrodzie polisacharydów, który łatwo ulega biodegradacji mikrobiologicznej, nie ma doniesień o jego długoterminowej akumulacji w środowisku naturalnym [3]. Hodowla biomasy na dużą skalę może odbywać się w wielolitrowych bioreaktorach, wymaga niewielu etapów technologicznych, a uzyskana w ten sposób biomasa jest łatwa do oddzielenia od płynu pohodowlanego. Biomasa 20 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. grzybowa, którą składa się z komponentów naturalnych, może znaleźć zastosowanie w produkcji innowacyjnych, spienionych materiałów opakowaniowych, natomiast brzeczka pofermentacyjna może zostać wykorzystana do pozyskiwania substancji o właściwościach antymikrobiologicznych, które mogą być wprowadzane do powłok aktywnych, którymi pokrywane są opakowania. Celem przeprowadzonych badań było otrzymanie materiału i strukturze spienionej, którego głównym składnikiem była grzybnia Macrolepiota konradii. Biomasę hodowano w butlach o pojemności 1000 mL, wypełnionych w 50 % płynem hodowlanym o składzie (na litr): glukoza – 20 g, pepton – 10 g, ekstrakt drożdżowy – 10 g, MgSO4 x 7 H2O – 0,5 g , K2HPO4 – 1 g. Celem założenia hodowli przenoszono w sposób sterylny fragment podłoża PDA porośniętego grzybnią o wymiarach 1 cm x 1 cm. Tak założone hodowle inkubowano 7 dni w wytrząsarce (IKA® KS 4000) w temperaturze 25 ºC i obrotach 150 rpm. Po tym okresie biomasa była oddzielana od płynu pohodowlanego poprzez przelewanie zawartości butli przez sito o średnicy oczek 0,7 mm. Pozostała na sicie grzybnia była płukana trzykrotnie sterylną wodą destylowaną i odsączana mechanicznie w celu usunięcia nadmiaru wody. Przygotowano dwa warianty mieszaniny zawierającej biomasę. W pierwszym wariancie do uzyskanej grzybni dodawano 19,7% glutenu (spoiwo), 8% glicerolu (plastyfikator), 0,9% NaHCO3 (porofor) i mieszano w robocie kuchennym (KitchenAid, model 5KPM5) o mieszadle łopatkowym do uzyskania jednorodnej masy (5 min) początkowo na niskich obrotach, następnie na wysokich. W drugim zaś dodano dodatkowo 28,3% otrębów pszennych i mieszano w ten sam sposób. Przygotowaną masę (porcje 100 g) umieszczano w maszynie do wypieku (urządzenie zaprojektowane wykonane w CBiMO) i wypiekano w temperaturze 160 ºC przez 3 min. Po ostygnięciu otrzymany materiał był analizowany pod mikroskopem stereoskopowym (ZEISS SteREO, oprogramowanie AxioCam MRc5). W trakcie realizacji doświadczeń uzyskano czystą grzybnię M. konradii. W kolejnym etapie tj. podczas przygotowywania biomasy do wypieku dodano gluten celem spojenia mieszaniny. Następnie mieszanie masy na niskich obrotach miało na celu połączenie wszystkich składników, a zwiększenie prędkości służyło wbudowaniu powietrza [4]. Glicerol został wykorzystany jako plastyfikator. Miał on na celu obniżenie temperatury zeszklenia oraz powtórne uplastycznienie materiału pod wpływem podwyższonej temperatury, przy jednoczesnej, przynajmniej częściowej, poprawie elastyczności w stanie niespienionym. W przypadku tworzyw biodegradowalnych woda najczęściej zastępowana jest małocząsteczkowymi związkami organicznymi o wyższej temperaturze wrzenia tj. sorbitolem, gliceryną czy mocznikiem [5]. Przygotowanie dwóch układów miało na celu określenie wpływu otrąb na wygląd gotowego produktu. Otręby są łatwo dostępnym i tanim materiałem, mogącym służyć do wyrobu materiałów opakowaniowych. Masa gotowa do wypieku miała konsystencję ciągliwego ciasta W wyniku wypieku prowadzonego w temp. 160 ºC uzyskano dwa rodzaje materiału. Materiał uzyskany z czystej grzybni był lekki, elastyczny, miękki, ale charakteryzował się również podatnością 21 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. na rozerwanie. Analiza mikroskopowa pozwoliła na zaobserwowanie szczegółów uzyskanej masy. Produkt charakteryzował się włóknistą strukturą, wyraźnie spienioną, co było widoczne najlepiej w przekroju poprzecznym, gdzie można było zaobserwować duże pory powstałe w wyniku uwolnienia CO2. Grubość uzyskanej warstwy wynosiła ok. 3000 µm. Materiał uzyskany z wypieku masy z dodatkiem otrąb pszennych różnił się od materiału z czystej grzybni. Był sztywny, ale nadal lekki i kruchy. Analiza mikroskopowa pozwoliła na zaobserwowanie widocznych otrąb w strukturze materiału. Materiał miał strukturę włóknistą. Grubość uzyskanej warstwy była mniejsza niż tej uzyskanej z czystej grzybni (wynosiła 2700 µm), uzyskana struktura była spieniona, ale o wyraźnie mniejszych porach. Przeprowadzone doświadczenia wskazują na potencjalną przydatność biomasy grzybowej pozyskanej z hodowli wgłębnej, do wytwarzania innowacyjnych materiałów opakowaniowych, które są przyjazne środowisku i są biodegradowalne. Literatura: [1] J. Jasnowska, M. Jasnowski, J. Radomski, S. Friedrich, W. Kowalski (1999) Botanika, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin. [2] S. Bowman, S. Free (2006) The structure and synthesis of the fungal cel wall, BioEssays 28:799-808 [3] G.W. Gooday (1990) The ecology of chitin degradation, Advanced in Microbial Ecology 11:387-430. [4] C. Stauffer (1999) Emulgatory, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa. [5] S. Lisiecki (2013) Biodegradowalne materiały opakowaniowe do żywności ze spienioną warstwą termoizolacyjną. Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin. 22 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT ZASTOSOWANIE CELULOZY BAKTERYJNEJ JAKO NOŚNIKA DO IMMOBILIZACJI PROBIOTYCZNYCH SZCZEPÓW Z RODZAJU LACTOBACILLUS Dorota Peitler*, Karol Fijałkowski Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin * e-mail: [email protected] Celuloza bakteryjna jest nanobiomateriałem produkowanym przez bakterie z gatunku Gluconacetobacter xylinus [1]. Ten wytwarzany biotechnologicznie materiał dzięki unikalnej nanofibrylarnej strukturze charakteryzuje się m. in. dużą higroskopijnością, wysoką czystością chemiczną, unikalną strukturą oraz biokompatybilnością, biofunkcjonalnoscią i brakiem toksyczności [2]. Ze względu na szereg interesujących właściwości, celuloza bakteryjna została wykorzystana w wielu gałęziach przemysłu (papierniczym, włókienniczym, kosmetycznym), ochronie środowiska [3-5] oraz w medycynie [3], mimo to nadal trwają badania nad poszukiwaniem jej nowych zastosowań. Obecnie dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie celulozy bakteryjnej jako naturalnego nośnika, który może zapewnić fizyczną barierę i chronić komórki bakteryjne przed niekorzystnymi warunkami środowiska. Z przeprowadzonego przeglądu piśmiennictwa wynika, że bakterie probiotyczne w tym bakterie z rodzaju Lactobacillus cechują się często zbyt niskim stopniem przeżywalności w preparatach probiotycznych zawierających w swoim składzie wolne mikroorganizmy [6,7]. Dlatego też w niniejszych badaniach analizowano możliwość wykorzystania celulozy bakteryjnej produkowanej przez szczep Gluconacetobacter xylinus do immobilizacji probiotycznych mikroorganizmów z rodzaju Lactobacillus w celu zwiększenia ich przeżywalności w warunkach zbliżonych do warunków panujących w przewodzie pokarmowym. Materiał do badań stanowiły trzy szczepy bakterii probiotycznych (L. delbruecki PKM 490, L. plantarum DSM 13273 i L. casei ATCC 393), oraz celuloza bakteryjna produkowana przez szczep G. xylinus. Immobilizacji probiotyków dokonano w trzech różnych doświadczeniach. Pierwsze polegało na adsorpcji komórek bakteryjnych na powierzchni BC pochodzącej ze stacjonarnej hodowli G. xylinus. W kolejnych doświadczeniach poszczególne gatunki bakterii probiotycznych hodowano jednocześnie ze szczepem G. xylinus, w skutek czego immobilizacja zachodziła równocześnie z biosyntezą celulozy. Prowadzono dwa rodzaje hodowli, z mieszaniem (180 rpm), w wyniku której powstawały kulki celulozowe oraz bez mieszania (hodowla stacjonarna), gdzie celuloza syntetyzowana była w postaci błony na powierzchni podłoża. 23 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Po określonym czasie inkubacji, celulozę wraz z immobilizowanymi komórkami poddano trawieniu celulazą. Po wytrawieniu, hodowle płukano i zawieszano w buforze fosforanowym. Liczbę zimmobilizowanych mikroorganizmów oznaczano dwoma metodami: a) na podstawie gęstości optycznej uzyskanych zawiesin mikroorganizmów, mierzonej spektrofotometrycznie przy długości fali równej 600 nm; b) wykonując ilościowy posiew na podłoża MRS, które inkubowano przez 24 h w temp. 37 °C. Po inkubacji zliczano wyrosłe kolonie i wyznaczano liczbę CFU (Colony Forming Unit) na 1 g celulozy, uwzględniając objętość buforu użytego do sporządzenia zawiesiny oraz objętość posiewaną na podłoże. Ponadto w badaniach uwzględniono także analizę przeżywalności immobilizowanych bakterii probiotycznych w obecności soków żołądkowych i soli żółciowych. Uzyskane wyniki wykazały, że badane mikroorganizmy probiotyczne są zdolne do efektywnego przyłączania się do celulozy bakteryjnej. Proces immobilizacji nie wpływał na żywotność analizowanych szczepów Lactobacillus. Najbardziej efektywnym sposobem immobilizacji była jednoczesna hodowla mikroorganizmów probiotycznych ze szczepami G. xylinus. Ponadto stwierdzono, że unieruchomione na BC komórki Lactobacillus cechowały się zwiększoną przeżywalnością w obecności soku żołądkowego i solach żółciowych. Literatura: [1] D. Mikkelsen, B. M. Flanagan, G. A. Dykes, M. J. Gidley (2008) Influence of different carbon sources on bacterial cellulose production by Gluconacetobacter xylinus strain ATCC 53524, Journal of Applied Microbiology 107:576-583. [2] K. Kubiak, H. Kalinowska, M. Peplińska, S. Bielecki (2009) Celuloza bakteryjna jako nanobiomatriał, Postępy biologii komórki 36:85-98. [3] S. Bielecki, A. Krystynowicz, M. Turkiewicz, H. Kalinowska (2005) Bacterial cellulose, w: A. Steinbüchel, S. K. Rhee, Polysaccharides and polyamides in the food industry, Wiley-VCH Verlag, Weinheim. [4] S. Keshk (2014) Bacterial cellulose production and its industrial applications, Journal of Bioprocessing & Biotechniques, 4:2-10. [5] Y. Huang, C. Zhu, J. Yang, Y. Nie, C. Chen, D. Sun (2013) Recent advances in bacterial cellulose, Cellulose 21:1-30. [6] K. Kailasapathy (2009) Encapsulation technologies for functional foods and nutraceutical product development, Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources 4:1-8. [7] M. Chávarri, I. Marañón, M. C. Villarán (2012) Encapsulation technology to protect probiotic bacteria, w: Probiotics, Everlon Cid Rigobelo, Madryd. 24 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT BADANIA EFEKTÓW ODDZIAŁYWAŃ HYDROKSYPROPYLOMETYLOCELULOZY Z KRYSTALICZNYMI POSTACIAMI WYBRANYCH AKTYWNYCH SUBSTANCJI FARMACEUTYCZNYCH Alicja Talaczyńska1*, Przemysław Zalewski1, Daria Szymanowska-Powałowska2, Maciej Kozak3, Bartłomiej Kubiak4, Judyta Cielecka-Piontek1 1 Katedra i Zakład Chemii Farmaceutycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań 2 Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 48, 60-327 Poznań 3 Zakład Fizyki Makromolekularnej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań 4 POLPHARMA S.A., Dział Preformulacji, ul. Pelplińska 19, 83-200 Starogard Gdański * e-mail: [email protected] Hydroksypropylometyloceluloza (HPMC) jest biopolimerem, rozpuszczalnym w wodzie, w którego budowie wyróżniamy grupy hydroksypropylowe i metylowe, których liczba może się różnić. HPMC spełnia wszystkie kryteria stawiane farmaceutycznym substancjom pomocniczym, do najważniejszych należy wymienić: brak działania farmakologicznego, nietoksyczność, niska cena. Co więcej, HPMC może przyczyniać się do przedłużonego uwalniania aktywnych substancji farmaceutycznej (API) z układów ją zawierających [1]. Rysunek 1. Struktura hydroksymetylocelulozy Celem niniejszych badań była ocena możliwości modyfikacji określonych właściwości fizykochemicznych (trwałości fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności farmakologicznej (aktywności bakteriobójczej) wybranych API, po ich wprowadzeniu do binarnych układów z HPMC. 25 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Jako modelowe API wybrano: paracetamol (substancję o działaniu przeciwgorączkowym i przeciwbólowym), chlorowodorek wardenafilu (inhibitor fosfodiesterazy typu 5, stosowany w leczeniu zaburzeń erekcji), losartan potasu (antagonista receptorów AT1, stosowany w leczeniu nadciśnienia tętniczego) oraz tebipenem piwoksyl (analog β-laktamowy o działaniu bakteriobójczym). Binarne układy API-HPMC badano w zakresie oceny zmian właściwości fizykochemicznych (trwałości fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności farmakologicznej (aktywności bakteriobójczej); gdzie jako układy odniesienia przyjmowano właściwości fizyko-chemiczne i aktywność bakteriobójczą wyznaczoną dla poszczególnych API. W odniesieniu do wybranych API badano: trwałość fizyczną, w kierunku konwersji wybranych form polimorficznych paracetamolu w układach binarnych z HPMC w efekcie ich ekspozycji na podwyższoną temperaturę (T = 60 °C i T = 120 °C) i/lub wilgotność powietrza (RH ≈ 90 % i RH ≈ 0%); trwałość chemiczną, w kierunku odporności chlorowodorku wardenafilu w binarnych układach HPMC na działanie określonych czynników destrukcyjnych (0,1M HCl, 0,1M NaOH i 30% H2O2); szybkość rozpuszczania losartanu potasu w układzie binarnym z HPMC w 0,1M HCl, symulującym sok żołądkowy; efektywność farmakologiczną tebipenemu piwoksylu wyrażoną aktywnością bakteriobójczą dla układów z HPMC. Badania zmian konwersji polimorfów strukturalnych paracetamolu w efekcie ekspozycji na określone warunki badań stresowych w fazie stałej (T = 60 °C i T = 120 °C; RH ≈ 90% i RH ≈ 0%) prowadzono w oparciu o wyniki badań dyfraktometrycznych stosując proszkową rentgenografię strukturalną (XRD). Zmiany stężenia chlorowodorku wardenafilu podczas badań jego trwałości chemicznej oraz zmiany stężenia losartanu potasu podczas badań jego pozornej rozpuszczalności, prowadzono w oparciu o wyniki badań chromatograficznych. Stosując zwalidowane metody ultra wysokosprawnej chromatografii cieczowej z detektorem DAD (UHPLC-DAD) oceniono zmiany stężenia chlorowodorku wardenafilu i losartanu potasu w układach binarnych z HPMC. Aktywność bakteriobójczą tebipenemu piwoksylu dla jego binarnego układu z HPMC badano wyznaczając wartości minimalnych stężeń hamujących (MIC), które określono testem studzienkowym. Przeprowadzone badania wykazały możliwość modyfikacji właściwości fizykochemicznych (trwałości fizycznej, chemicznej, pozornej rozpuszczalności) i efektywności farmakologicznej (aktywności bakteriobójczej) badanych leków po ich wprowadzeniu do układu binarnego z HPMC. Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/D/N27/02525. Literatura: [1] A. Viridén, B. Wittgren, A. Larsson (2009) Investigation of critical polymer properties for polymer release and swelling of HPMC matrix tablets, European Journal of Pharmaceutical Sciences 36: 297–309. 26 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOMATERIAŁY POSTERY 27 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE KOMPOZYTÓW POLILAKTYDU Z CELULOZĄ Marta Babicka*, Aleksandra Grząbka-Zasadzińska, Sławomir Borysiak Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Polilaktyd (PLA) jest całkowicie biodegradowalnym, termoplastycznym poliestrem alifatycznym, powstającym na drodze polikondensacji laktydu (rys. 1) Wyjściowym substratem wykorzystywanym do otrzymywania tego materiału jest skrobia, którą można pozyskiwać z odnawialnych surowców naturalnych takich jak odpady rolnicze, np. kukurydza, ziemniaki. W dzisiejszym świecie gospodarka nie może polegać wyłącznie na surowcach otrzymywanych z przetwórstwa ropy naftowej, dlatego tak istotne jest opracowywanie materiałów o alternatywnym pochodzeniu. PLA, polimer pochodzenia naturalnego, jest wykorzystywany przede wszystkim do produkcji opakowań jednorazowych, produktów biomedycznych, folii, włókien oraz dzianin. PLA stanowi dobry zamiennik dla konwencjonalnych polimerów i często nie ustępuje im pod względem właściwości mechanicznych oraz użytkowych, to jednak ze względu na dużą kruchość i niską odporność termiczną wymaga pewnych modyfikacji np. poprzez wprowadzanie napełniaczy. Dodatkową przeszkodą utrudniającą szersze zastosowanie PLA jest jego wysoka cena wytwarzania oraz przetwarzania [1,2]. O H CH3 O n H3C O O O CH3 O H CH3 O n O Rysunek 1. Reakcja syntezy polilaktydu w wyniku polikondensacji laktydu [1]. Celuloza jest polisacharydem, naturalnym biopolimerem, stanowiącym główny budulec strukturalny roślin. Można ją otrzymywać poprzez roztwarzanie drewna lub na drodze odzysku z odpadów przemysłu włókienniczego oraz papierniczego. W naturze celuloza występuje w postaci polimorficznej nazywanej celulozą I, która jednak poddana procesowi merceryzacji tj. działaniu wodorotlenku sodu, ulega przekształceniu do celulozy II. Te dwie odmiany polimorficzne celulozy różnią się przede wszystkim rozmiarami komórek elementarnych. Dzięki niskiej cenie, dużej dostępności i dobrym właściwościom wzmacniającym celuloza jest chętnie stosowana jako napełniacz do kompozytów, także w postaci nanometrycznej. Zdyspergowanie w matrycy polimerowej PLA (nano)celulozy pozwala na poprawienie właściwości wytrzymałościowych materiału i jednocześnie 28 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. obniżenie ceny takiego kompozytu [3]. Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu procesu starzenia na właściwości fizykochemiczne kompozytów PLA z celulozą oraz nanocelulozą. Metodą prasowania pod ciśnieniem przygotowano folie PLA/celuloza, PLA/nanoceluloza I oraz PLA/nanoceluloza II, zawierające różne stężenia napełniacza. Zestawienie przygotowanych próbek zamieszczono w Tabeli 1. Tabela 1. Otrzymane kompozyty. Układ PLA/ celuloza I PLA/ nanoceluloza I PLA/ nanoceluloza II Stężenie napełniacza 1% 2% 0,5% 1% 2% 0,5% 1% 2% Próbki poddano badaniom starzeniowym wg normy EN ISO 9142:2003. Cykl starzenia trwał 7 dni i obejmował ogrzewanie z suszeniem, ogrzewanie z nawilżaniem i zamrażanie. Tabela 2 przedstawia warunki panujące podczas cyklu starzenia. Po procesie próbki dokładnie wysuszono i poddano dalszym badaniom. Tabela 2. Opis parametrów ekspozycji. Czas trwania [h] Temperatura [°C] Wilgotność [%] 1 2 48 48 55 40 <15 >90 Nr cyklu 3 24 0 - 4 48 -20 >90 Badania finansowano z grantu Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0503. Literatura: [1] A. Duda, S. Penczek (2003) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania, Polimery 48:16-27. [2] B. Nowak, J. Pająk (2010) Biodegradacja polilaktydu, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 12:1-10. [3] A. K. Błędzki, A. Jaszkiewicz (2008) Biokompozyty na podstawie polilaktydu wzmacniane włóknami pochodzenia naturalnego, Polimery 57:564-570. 29 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. DIDYMOSPHENIA GEMINATA JAKO NOWATORSKI ADSORBENT JONÓW METALI SZKODLIWYCH DLA ŚRODOWISKA Przemysław Bartczak1*, Agata Chudzińska1, Marcin Wysokowski1, Małgorzata Norman1, Jakub Zdarta1, Filip Ciesielczyk1, Hermann Ehrlich2, Teofil Jesionowski1 1 Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, Polska 2 TU Bergakademie Freiberg, Institute of Experimental Physics, Leipziger 23, 09599 Freiberg, Niemcy e-mail: [email protected] Intensywny rozwój przemysłu przyczynia się do zanieczyszczenia wód powierzchniowych oraz gruntowych jonami metali szkodliwych dla środowiska, które wykazują właściwości toksyczne oraz kancerogenne. Skażenie systemów wodnych jonami metali jest obecnie jednym z największych zagrożeń współczesnego świata ze względu na ich mobilność w ekosystemie oraz możliwość akumulacji w tkance żywej. Niewielkie dawki jonów metali w organizmie ludzkim mogą powodować zatrucia i prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych. Ołów, nikiel oraz kadm do organizmu ludzkiego wchłaniany jest głównie przez przewód pokarmowy i układ oddechowy. Wchłanianie związków metali zależy od ich rozpuszczalności w wodzie. Jony ołowiu (II) w organizmie ludzkim mogą związać się z erytrocytami i być transportowane układem krwionośnym do tkanek oraz narządów, gdzie się akumulują. Ostatnio przeprowadzono wiele badań dotyczących szkodliwego wpływu metali w tym niklu(II), kadmu(II) i ołowiu(II) na organizm ludzki. Wyniki ukazują, że jony te wywierają negatywne działanie przede wszystkim na układ sercowo-naczyniowy, nerwowy, immunologiczny, moczowy oraz rozrodczy. Nadmiar jonów metali może przyczynić się pośrednio do podwyższenia ciśnienia tętniczego poprzez zwiększoną kurczliwość naczyń tętniczych lub nasilenie procesów miażdżycowych [1]. Dlatego niezwykle istotnym elementem jest ograniczenie występowania tego typu zanieczyszczeń w układach wodnych. Tradycyjne metody oczyszczania ścieków pomimo dobrej skuteczności charakteryzują się wysokimi kosztami, dlatego cały czas poszukuje się nowych i tańszych technik. Jedną z najczęściej stosowanych metod usuwania jonów metali jest proces adsorpcji. W ostatnich latach zaobserwowano zwiększone zainteresowanie ośrodków badawczych procesem adsorpcji i wykorzystaniem sorbentów pochodzenia naturalnego, do których można zaliczyć m.in.: układy hybrydowe typu lignina-SiO2, układy tlenkowe, łuski ryżu, torf, chityna oraz lignina [2-3]. W zaprezentowanych badaniach przeprowadzono wnikliwą analizę fizykochemiczną stosowanego adsorbentu pochodzenia naturalnego (określono charakter hydrofilowo-hydrofobowy, parametry struktury porowatej, właściwości elektrokinetyczne, stabilność termiczną oraz skład chemiczny). W kolejnym etapie wykonano szereg testów adsorpcji wybranych jonów metali z układów wodnych. Określono wpływ parametrów prowadzenia procesu (czas kontaktu, pH układu reakcyjnego, 30 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. masa sorbentu oraz temperaturę) na skuteczność usuwania wybranych jonów metali szkodliwych dla środowiska. W celu określenia kinetyki procesu adsorpcji wykorzystano modele pseudo-pierwszego oraz pseudo-drugiego rzędu [4-5]. Istotnym elementem badań było również określenie izoterm adsorpcji za pomocą modeli Langmuira [6] oraz Freundlicha [7]. Analiza uzyskanych wyników w oparciu o modele kinetyczne pseudo-pierwszego oraz pseudodrugiego rzędu wskazuje, że proces usuwania jonów metali z układów wodnych z wykorzystaniem Didymosphenia geminata najlepiej opisuje model Ho (pseudo-drugiego rzędu), a potwierdzeniem tego są uzyskane parametry kinetyczne – Tabela 1. Tabela 1. Parametry kinetyczne modelu pseudo-pierwszego oraz pseudo-drugiego rzędu dla adsorpcji wybranych jonów metali o stężeniu początkowym 50 mg/L. Rodzaj zastosowanego modelu Pseudopierwszego rzędu Pseudo-drugiego rzędu Parametry Rodzaj metalu Pb Ni2+ Cd2+ mg/g 20,09 18,11 19,82 mg/g 16,55 14,52 11,87 -1 0,116 0,102 0,115 symbol jednostki qe,exp qe,cal 2+ k1 min r2 - 0,994 0,990 0,985 qe,cal mg/g 21,56 18,51 19,98 k2 g/mg∙min 0,012 0,010 0,014 - 0,997 0,999 0,999 r 2 Współczynnik korelacji (r2) obliczony na podstawie danego modelu zawiera się w granicach 0.997−0.999 dla wszystkich analizowanych jonów metali. Również wartości qe,cal uzyskane na podstawie obliczeń za pomocą tego modelu kinetyki korespondowały z danymi eksperymentalnymi qe,exp. Wyznaczone izotermy adsorpcji odpowiadają modelowi Langmuira. Przeprowadzone badania modelowe mogą mieć istotne znaczenie w przypadku zastosowania tego materiału w oczyszczaniu ścieków rzeczywistych zawierających testowane jony metali. Praca została wykonana w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/N/ST8/00319. Literatura: [1] M. Jaishankar, T. Tseten, N. Anbalagan, B.B. Mathew, K..N. Beeregowda (2014) Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals, Interdisciplinary Toxicology 7:60−62. [2] Ł. Klapiszewski, P. Bartczak, M. Wysokowski, M. Jankowska, K. Kabat, T. Jesionowski (2015) Silica conjugated with kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal 260:684-693. [3] F. Ciesielczyk, P. Bartczak, K. Wieszczycka, K. Siwińska-Stefańska, M. Nowacka, T. Jesionowski (2013) Adsorption of Ni(II) from model solutions using co-precipitated inorganic oxides, Adsorption 19:423-434. 31 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [4] S. Lagergren (1898) About the theory of so-called adsorption of soluble substances, Royal Swedish Academy of Sciences 24:1-39. [5] Y. S. Ho, G. McKay (1999) Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochemistry 34:451-465. [6] I. Langmuir (1918) The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum, Journal of the American Chemical Society 40:1361-1403. [7] H. M. F. Freundlich (1906) Over the adsorption in solution, Journal of Physical Chemistry 57: 385-470. 32 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIE WŁAŚCIWOSCI POWIERZCHNIOWYCH WYBRANYCH POLIMERÓW I ICH MIESZANIN WYKORZYSTYWANYCH JAKO NOŚNIKI W MUKOADHEZYJNYCH SYSTEMACH DOSTARCZANIA LEKU Aleksandra Bartkowiak1*, Monika Rojewska1, Magdalena Olejniczak-Rabinek2, Krystyna Prochaska1, Janina Lulek2 1 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań Katedra Technologii Postaci Leku, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6 60-780 Poznań * e-mail: [email protected] W ostatnich latach szczególną uwagę poświęca się mukoadhezyjnym systemom dostarczania substancji leczniczej do organizmu. Systemy te wykorzystują zjawisko mukoadhezji i zawierają w swoim składzie odpowiednie polimery, które w wyniku aktywacji przez zwilżenie wykazują adhezję do błon śluzowych organizmów żywych. Tak więc, istotnymi cechami mukoadhezyjnych formulacji świadczącymi o ich przydatności do farmakologicznego zastosowania jest ich charakter hydrofilowy, właściwości zwilżające, zdolność pęcznienia oraz rozpuszczania [1]. Mechanizm mukoadhezji polega na zetknięciu się mukoadhezyjnej formy z błoną śluzową, zwilżeniu i spęcznieniu, a następnie połączeniu polimeru mukoadhezyjnego z mucyną i stopniowym uwalnianiu substancji leczniczej [2,3]. Podawanie leku przez śluzówkę zapewnia lepszą biodostępność, niższe stężenie aktywnego składnika w formulacji oraz zmniejszoną częstotliwość podawania dzięki przedłużonemu zatrzymywaniu substancji leczniczej w miejscu aplikacji [4,5]. Właściwości zwilżające i swobodna energia powierzchniowa stałych farmaceutycznych form dawkowania jest bardzo ważna przy projektowaniu kompozycji farmaceutycznej. Zwilżalność jest prekursorem rozpuszczania, dlatego warunkuje tempo rozpuszczania i charakterystykę uwalniania substancji leczniczej z formulacji farmakologicznej [6]. Poprawa biodostępności leków jest bardzo ważnym aspektem przy opracowywaniu składu postaci farmakologicznej, dlatego głównym celem przeprowadzonych badań było ustalenie przydatności wybranych polimerów i ich kompozycji do zastosowania jako nośniki leków w formulacjach farmakologicznych, takich jak zawiesiny, kapsułki oraz tabletki. W tym celu zbadano kinetykę absorpcji, a także zanalizowano właściwości powierzchniowe oraz strukturę badanych materiałów. Przedmiot badań stanowiły polimery mukoadhezyjne: Kollidon VA 64 (poliwinylopirolidon), Carbopol 974P NF (karbomer), Noveon AA-1 (polikarbofil), HPMC (hydroksypropylometyloceluloza) oraz HEC (hydroksyetyloceluloza) i ich dwu- i trzyskładnikowe kompozycje o różnych stosunkach wagowych. Badania prowadzono dla dwóch formulacji: proszków i dysków. Z uwagi na potencjalną aplikację farmakologiczną polimerów, przeprowadzono badania z wykorzystaniem wody redestylowanej oraz 33 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. modelowych płynów biologicznych, tj. modelowego roztworu śliny (SSF) oraz płynu gastrycznego (SGF). W badaniu chłonności proszków polimerowych wykorzystano metodę wzniesienia kapilarnego przy użyciu tensjometru Sigma 700/701 firmy KSV. Uwzględniając specyfikę analizowanych preparatów konieczne było opracowanie odpowiedniej metodyki badawczej. Metoda Washburna pozwoliła na oszacowanie wartości kątów zwilżania dla wybranych proszków polimerowych i kalkulacji swobodnej energii powierzchniowej metodą Neumanna. W celu oceny zwilżalności badanych polimerów przez modelowe płyny biologiczne przeprowadzono pomiary kątów zwilżania na powierzchni dysków polimerowych. Pomiar kąta zwilżania wykonano przy użyciu aparatu Tracker firmy I.T. Concept. Analizowane dyski polimerowe przygotowano poprzez sprasowanie proszku polimeru bądź kompozycji polimerów w prasie hydraulicznej przy ciśnieniu 200 psi. Masa [g] 0,15 0,1 0,05 0 0 20 40 60 80 100 Czas [s] Rysunek 1. Zmiana kąta zwilżania dla SSF na powierzchniach dysków polimerowych: Kąt zwilżania [ ] Carbopol 974P NF:Kollidon VA 64:HEC 1:1:1, Carbopol 974P NF, Carbopol 974P NF:HEC 1:2, Carbopol 974P NF:Kollidon VA 64 1:1. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 Czas [s] 20 25 30 Rysunek 2. Zmiana kąta zwilżania dla wody redestylowanej na powierzchniach dysków polimerowych: Kollidon VA 64:HEC 2:1, Kollidon VA 64:HEC 1:1, Kollidon VA 64, Kollidon VA 64:HEC 1:2. W pierwszym etapie badań przeprowadzono pomiary chłonności proszków polimerowych. Z uwagi na możliwość zastosowania polimerów i ich mieszanin jako nośniki leków przeprowadzono pomiary w temperaturze 21 ± 0,5 °C oraz 36,6 ± 0,5 °C. Wyniki badań wykazały, że polimery 34 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. mukoadhezyjne różnią się zdolnością absorpcji wody i płynów fizjologicznych. Co więcej, chłonność układów mieszanin polimerów mukoadhezyjnych silnie zależy od rodzaju i składu wagowego poszczególnych komponentów mieszaniny. Badania wykazały, że dwukrotny nadmiar hydroksyetylocelulozy (HEC) w stosunku do innego komponenta, z którym tworzy mieszaninę znacznie poprawia jego chłonność. Obserwuje się synergizm we właściwościach absorpcyjnych składników. Z pośród wszystkich przebadanych mieszanin proszkowych najgorsze rezultaty wykazały mieszaniny z poliwinylopirolidonem (Kollidon VA 64). Jego dodatek pogarszał chłonność składnika, z którym tworzył mieszaninę. W kolejnym etapie badano kinetykę kąta zwilżania wody i płynów biologicznych na powierzchniach dysków polimerów mukoadhezyjnych. Wykazano, że również w przypadku dysków najlepsze właściwości zwilżające otrzymano dla kompozycji posiadających w składzie hydroksyetylocelulozę (HEC). Z kolei. Na uwagę zasługuje również fakt, że poliwinylopirolidon (Kollidon VA 64) i jego mieszaniny wykazują odmienne zachowania w zależności od tego czy występują w postaci proszku czy dysku. Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że właściwości powierzchniowe, w tym zwilżalność i swobodna energia powierzchniowa, zależą w dużej mierze od postaci farmakologicznej badanych polimerów. Z tego względu przygotowując postać leku należy wziąć pod uwagę różnice we własnościach powierzchni proszków i dysków. Udowodniono również, że właściwości zwilżające polimerów i ich mieszanin, zarówno w postaci proszków jak i dysków, zależą od pH modelowych płynów biologicznych. Z analizy otrzymanych rezultatów wynika, że większość zbadanych kompozycji polimerowych wykazuje bardzo dobre hydrofilowe właściwości. Na uwagę zasługuje fakt, że badane kompozycje posiadają cechy pożądane w mukoadhezyjnych systemach, tj. pęcznienie i wytwarzanie warstwy żelu w kontakcie z cieczami pomiarowymi. Rysunek 3. Obraz SEM: Kollidon VA 64. 35 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Mając na uwadze wpływ struktury i morfologii na właściwości zwilżające i chłonne badanych formulacji dokonano obrazowania powierzchni i struktury polimerów techniką SEM. Znaczne różnice w morfologii i rozmiarach ziaren proszków sugerują, że mieszaniny nie mogą tworzyć morfologicznie jednorodnych układów. Analiza morfologii oraz chłonności/zwilżalności pozwoliła stwierdzić, że różnice we właściwościach powierzchniowych badanych związków są spowodowane głównie ich składem chemicznym a nie strukturą. Rysunek 4. Obraz SEM: Kollidon VA 64:HEC 1:1. Literatura: [1] R. Nallathambi, V. Gopal (2004) Mucoadhesive buccal drug delivery system – a comprehensive and promising novel drug delivery, International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research 5(5):1146-1151. [2] R. Shaikh, T. Raghu Raj Singh, M. J. Garland, A. D. Woolfson, R. F. Donnelly (2011) Mucoadhesive drug delivery systems, Journal of Pharmacy and Bioallied Sciences 3:89-100. [3] J. M. Llabot, R. H. Manzo, A. Allemandi, Double-layered mucoadhesive tablets containing nystatin (2002) AAPS PharmSciTech 3:47-52. [4] Huang Y., Leobandung W., Foss A., Peppas N.A. (2000) Molecular aspects of muco- and bioadhesion: Tethered structures and site-specific surfaces, Journal of Controlled Release 65:63-71. [5] M. Płaczek, M. Szmitowska (2009) Zjawisko mukoadhezji i jego znaczenie w aplikacji leku, Polimery w medycynie 39: 49-64. [6] C. A. Prestidge , G. Tsatouhas (2000) Wettability studies of morphine sulfate powders, International Journal of Pharmaceutics 198:201-212. 36 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIE WPŁYWU STRUKTURY ZWIĄZKÓW POSS NA CHARAKTER ODDZIAŁYWAŃ Z MODELOWĄ BŁONĄ BIOLOGICZNĄ Michał Dudek*, Marta Skrzypiec, Anna Wamke, Monika Rojewska, Krystyna Prochaska Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Funkcjonalizowane oktasilseskwioksany (POSS) stanowią grupę niezwykle obiecujących materiałów hybrydowych o bardzo licznych możliwościach aplikacyjnych m.in. jako komponenty biomateriałów, biosensorów czy kosmetyków [1-5]. Spore zainteresowanie związkami typu POSS spowodowane jest ich zdolnością do wytworzenia bezpośrednich wiązań z osnową polimerową oraz posiadaniem ściśle zdefiniowanych rozmiarów nanometrycznych w stosunku do komercyjnych napełniaczy. Tak pożądane właściwości związków POSS wynikają z ich budowy strukturalnej, a mianowicie obecności w ich cząsteczkach sztywnego i odpornego termicznie rdzenia krzemotlenowego oraz przyłączonych do jego naroży organicznych grup funkcyjnych. Prowadzone w tym zakresie badania wykazały, że dodatek POSS do matrycy polimerowej polepsza wiele parametrów fizycznych „napełnianych” materiałów [6], które są niezmiernie istotne z punktu widzenia możliwości zaprojektowania cząsteczki nanonapełniacza dla tworzyw wykorzystywanych m.in. w medycynie i w inżynierii biomedycznej. Z doniesień literaturowych wynika, że POSS mogą wbudowywać sie w bioaktywne nanokompozyty i być tym samym wykorzystywane jako medyczne materiały hybrydowe mające zastosowanie w inżynierii komórkowej [7], w formowaniu nanokompozytów dentystycznych [8], czy też mogące pełnić rolę nanonośników w systemach dostarczania leków [5]. Wymienione aplikacje biomedyczne POSS są ściśle związane z oddziaływaniem tych związków na błony komórkowe. Niemniej jednak wpływ POSS na modelowe błony biologiczne nie został jeszcze zbadany na poziomie molekularnym. Większość doniesień literaturowych dotyczy oszacowania toksyczności i biodegradowalności związków typu POSS [9]. Z tego względu niezmiernie ważnym jest podjęcie badań podstawowych dotyczących oddziaływań POSS z komponentami modelowej błony komórkowej. Celem przeprowadzonych badań jest określenie wpływu struktury wybranych związków POSS na właściwości powierzchniowe monowarstw Langmuira utworzonych na granicy faz woda/powietrze z udziałem DPPC jako modelowego komponentu błony komórkowej. Pomiary przeprowadzono na wadze Langmuira firmy KSV Nima wyposażonej w mikroskop kąta Brewstera oraz miernik potencjału powierzchniowego. Jako subfazę stosowano ultraczystą wodę (18,2 MΩ·cm i 71,98±0,01 mN/m). Zaproponowana metoda badawcza umożliwia analizę wspomnianych oddziaływań typu związek POSS-modelowa błona biologiczna ponieważ fosfolipidy i inne składniki błony komórkowej rozpościerają sie na powierzchni woda/powietrze tworząc monowarstwę, którą można traktować jako prototyp błony biologicznej. W celu określenia wpływu związków POSS na właściwości lepkosprężyste modelowej błony biologicznej, przeprowadzono badania reologiczne na granicy faz woda/powietrze. Wykorzystano dwie 37 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. metody różniące się typem zastosowanych odkształceń: metodę oscylujących barier (odkształcenia dylatacyjne) oraz ISR (odkształcenia ścinające). W wyniku przeprowadzonych badań rejestrowano zmiany międzyfazowego modułu elastyczności i lepkości [10]. Wszystkie badania prowadzono w stałej temperaturze 25oC. Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że zarówno budowa rdzenia krzemowo-tlenowego POSS (zamknięta lub otwarta klatka), jak i charakter grup funkcyjnych przyłączonych do naroży rdzenia decydują o właściwościach powierzchniowych i morfologii Wykazano, ze struktura chemiczna pochodnych POSS wpływa na charakter oddziaływań związków z modelowa błona biologiczna, Dla fluorowanych pochodnych POSS stwierdzono występowanie słabych oddziaływań z cząsteczkami DPPC. Obserwowany efekt spowodowany jest występowaniem silnie hydrofobowych grup funkcyjnych w strukturze cząsteczki POSS co skutkuje występowaniem słabszych oddziaływań w układzie pochodna POSS-DPPC niż pomiędzy cząsteczkami DPPC i wodna subfaza. Co więcej, podczas sprężania monowarstwy następuje stopniowe tworzenie się dwuwarstwy w obszarze charakterystycznego przejścia fazowego, co również świadczy o braku wzajemnej mieszalności fluorowanych pochodnych POSS i DPPC. Na zarejestrowanych obrazach BAM widoczne jest wypiętrzania i agregowanie związku krzemoorganicznego (Rys.1a). Rysunek 1. Obrazy BAM dla monowarstw utworzonych przez równomolowe mieszaniny: a) fluorowana pochodna POSS i DPPC b) oksyetylenowana pochodna POSS i DPPC Ciekawe właściwości wykazują monowartswy formowane przez POSS zawierające oksyetylenowane łańcuchy węglowodorowe. Mieszaniny złożone z oksyetylenowanej pochodnej POSS i DPPC tworzą homogeniczne monowarstwy, co z kolei świadczy o dobrej mieszalności komponentów (Rys.1b). 38 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Powszechnie wiadomo, że wzajemna mieszalność komponentów biologicznych z substancją aktywną wpływa na szereg właściwości powierzchniowych błon komórkowych m.in. na potencjał powierzchniowy membrany. Dlatego jednym z elementów poznawczych realizowanych badań jest pomiar potencjału powierzchniowego związków POSS i ich mieszanin z DPPC. W zależności od ugrupowań funkcyjnych występujących w cząsteczce POSS obserwuje się znaczne różnice w przebiegu krzywych potencjału V-A (zmiana potencjału powierzchniowego w funkcji powierzchni przypadającej na monowarstwy na granicy faz woda/powietrze. Natomiast dla pochodnych z oksyetylenowanymi łańcuchami wodorowymi widoczny jest systematyczny wzrost potencjału aż do osiągnięcia maksymalnej wartości w punkcie załamania monowarstwy. Dodatek związków krzemoorganicznych do modelowej błony komórkowej wpływa również na właściwości reologiczne membrany. Dla większości mieszanin typu POSS-DPPC obserwuje się zmiany we właściwościach lepkosprężystych monowarstwy. Mając na uwadze potencjalne zastosowanie POSS jako składników biokompozytów przeprowadzono badania polegające na modyfikacji powierzchni materiałów poprzez powlekanie ich powierzchni związkami POSS. Monowarstwy wybranych pochodnych POSS zostały przeniesione metodą LB na powierzchnię ciała stałego i poddane ocenie zwilżalności (pomiary wykonano na aparacie Theta KSV Nima). Wykazano, że rodzaj grup funkcyjnych w cząsteczce POSS w istotny sposób wpływa na charakter powierzchni modyfikowanego materiału. Cienkie filmy utworzone przez fluorowane pochodne POSS hydrofobizują powierzchnię modyfikowanego materiału. Natomiast cienkie filmy formowane przez POSS z oksyetylenowanymi łańcuchami węglowodorowymi hydrofilizują powierzchnię ciała stałego. W badaniach stosowano pochodne POSS zsyntezowane w zespole Prof. H. Maciejewskiego z UAM w Poznaniu. Praca badawcza jest finansowana ze środków 03/32/DSMK/0515. Literatura: [1] D.W. Scott, Thermal rearrangementof branched-chain methylpolysiloxanes, J. Am. Chem. Soc. 1984 (68): 356–360 [2] R.H. Baney, M. Itoh, A. Sakakibara, T. Suzuki, Silsesquioxanes, Chem. Rev. 1995 (95): 1409–1430 [3] J. Deng, B.D. Viers, A.R. Esker, J.W. Anseth, G.G. Fuller, Phase behavior andviscoelastic properties of trisilanolcyclohexyl-POSS at the air/water interface, Langmuir 2005 (21): 2375–2385 [4] P.D. Lickiss, F. Rataboul, Fully condensed polyhedral oligosilsesquiox-anes (POSS): from synthesis to application, Adv. Org. Chem. 2008 (57): 1–116 [5] D.B. Cordes, P.D. Lickiss, F. Rataboul, Recent Developments in the Chemistry of Cubic Polyherdal Oligosilsesquioxanes, Chem. Rev. (Washington, DC, U.S.) 2010 (110): 2081−2173 [6] G. Li, L. Wang, H. Ni, Jr. C.U.Pittman, Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS) polymers and copolymers: a review, J. Inorg. Organomet. Polym. 2001 (11): 123–154 [7] C. Hartmann-Thompson Applications of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes; Ed.; Advances in Silicon Science; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2011 (3) [8] S. Kim, S. J. Heo, J. Y. Koak, J. H. Lee, Y. Lee, D. J. Chung, J.Lee, S. D. Hong, A biocompatibility study of a reinforced acrylic-based hybrid denture composite resin with polyhedraloligosilsesquioxane J. Oral Rehabil. 2007 (34): 389-395 [9] F. Re o, F. Carniato, M. Rizzi, F. Olivero, P. Pittarella, L. Marchese Flow Cytometry Evidence of Human Granulocytes Interaction with Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes, Nanotechnology 2013 (24): 185101−185107 [10] Rachel E. Kurtz, Arno Lange, and Gerald G. Fuller Interfacial Rheology and Structure of Straight-Chain and Branched Fatty Alcohol Mixtures, Langmuir 2006 ( 22): 5321-5327 39 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIODEGRADACJA FOLII PVC/PLA PRZEZ SZCZEP ASPERGILLUS VERSICOLOR Anna Dzionek1*, Jolanta Pająk1, Jagna Karcz2, Błażej Chmielnicki3, Krzysztof Bortel3 1 Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice Pracownia Technik Mikroskopowych, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice 3 Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, ul. Chorzowska 50A, 44-100 Gliwice * e-mail: [email protected] 2 Światowa produkcja tworzyw sztucznych systematycznie wzrasta. Dzięki takim właściwościom jak znaczna odporność termiczna i chemiczna, folie polimerowe są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w tym głównie w przemyśle opakowań. Krótki czas życia wyrobów foliowych, prowadzi do powstawania znacznej ilości odpadów, które są akumulowane na dzikich lub zorganizowanych wysypiskach śmieci [1]. Polimery krystaliczne, o dużej masie cząsteczkowej, hydrofobowe oraz zawierające wyłącznie wiązania C-C i C-H określane są mianem polimerów stabilnych. W środowisku naturalnym, ich czas biologicznego rozkładu może wynosić nawet 1000 lat. Do tej grupy polimerów zalicza się przede wszystkim poliolefiny (polietylen, polipropylen i polistyren) oraz poli(chlorek winylu) (PVC) [2,3]. Poli(chlorek winylu) jest przedstawicielem polimerów winylowych. Światowa konsumpcja PVC w 2006 roku wyniosła około 27 bilionów kilogramów, co czyni go trzecim, po polietylenie oraz polipropylenie, najszerzej produkowanym polimerem na świecie [4]. PVC, poza atomami węgla i wodoru zawiera w swojej strukturze również atomy chloru, w wyniku czego, mikroorganizmy go nie rozkładają lub powodują śladowe ubytki jego masy [3]. Z tego powodu poszukuje się sposobów zwiększania jego biodegradowalności. Jedna z metod zwiększenia biodegradacji polimerów stabilnych zakłada napełnienie ich polimerami naturalnymi, bądź syntetycznymi, takimi jak na przykład poliestry, które zawierają grupy wrażliwe na atak mikroorganizmów. Takie zaburzenie struktury polimeru stabilnego, umożliwia wykorzystanie go przez mikroorganizmy jako źródło węgla i energii [2,3,5,6]. Poli(kwas mlekowy) (PLA) jest całkowicie biodegradowalnym poliestrem. Czas jego całkowitego rozkładu w kompoście wynosi 47 dni, a w środowisku naturalnym około dwóch lat. Otrzymywany jest na drodze polimeryzacji kwasu mlekowego, pochodzącego z syntezy biologicznej lub chemicznej [7]. W pracy badano biodegradację tworzyw wykonanych z PVC modyfikowanych różną zawartością PLA (0–50 %) przez grzyby mikroskopijne Aspergillus versicolor. Do badań użyto tego 40 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. szczepu, ponieważ rodzaj Aspergillus jest zdolny do kolonizacji i niewielkiego rozkładu PVC oraz degraduje poliestry, do których należy poli(kwas mlekowy) [8]. Stopień degradacji folii szacowano poprzez wyznaczenie zmian masy próbek po degradacji. Wzrost mikroorganizmów oraz wywołane przez nie zmiany degradacyjne na powierzchni folii obserwowano w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM). Zmiany własności mechanicznych tworzyw ustalano na podstawie statycznej próby rozciągania. Wykazano, że szczep Aspergillus versicolor był zdolny do wzrostu i degradacji zarówno PVC, jak i jego kompozytów z PLA. Dodatek poli(kwasu mlekowego) przyspieszył rozkład poli(chlorku winylu) przez badane mikroorganizmy. Literatura: [1] B. Chmielnicki, J. Konieczny, W. Pakieła (2014) Selected properties of plasticized PVC modified by recyclate of polylactide film, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing 4(8):16-20. [2] J. Pająk, B. Nowak, S. Łabużek (2009) Biodegradacja wybranych polimerów syntetycznych, Problemy Ekologii 13:154-159. [3] H. Kaczmarek, K. Bajer (2008) Badanie przebiegu biodegradacji kompozytów poli(chlorek winylu)/celuloza, Polimery 53:631-638. [4] C. Ibeh (2011) Thermoplastic materials: properties, manufacturing methods, and applications, CRC Press, Boca Raton [5] J. Gołębiewski, E. Gibas, R. Malinowski (2008) Wybrane polimery biodegradowalne - otrzymywanie, właściwości, zastosowanie, Polimery 53:799-807. [6] D. Żuchowska, R. Steller, W. Meissner (2007) Kompozyty polimerowe podatne na (bio) degradację, Polimery 52:524-531. [7] Y. Tokiwa, A. Jarerat (2004) Biodegradation of poly (L-lactide), Biotechnology Letters 26(10):771-777. [8] B. Nowak, J. Pająk, M. Drozd-Bratkowicz, G. Rymarz (2011) Microorganisms participating in the biodegradation of modified polyethylene films in different soils under laboratory conditions, International Biodeterioration & Biodegradation 65:757-767. 41 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE DPASV DO OZNACZANIA WYBRANYCH METALI CIĘŻKICH W ALGACH POCHODZĄCYCH Z MORZA CZARNEGO Małgorzata Gaj, Bożena Karbowska, Tomasz Rębiś Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,61-138 Poznań * e-mail:[email protected] Zanieczyszczenie środowiska metalami ciężkimi jest jednym z ważniejszych zagrożeń dla zdrowia ludzi. Do organizmu człowieka metale ciężkie są wchłaniane przez skórę, wdychane, spożywane z produktami roślinnymi i zwierzęcymi. Zagrożenie ze strony metali ciężkich wynika bezpośrednio z ich przemieszczania się w łańcuchu troficznym gleba - roślina - zwierzę - człowiek i z możliwości kumulacji w ostatnim ogniwie, czyli organizmie człowieka [1]. Do najważniejszych źródeł metali ciężkich w elementach środowiska zaliczyć należy skałę macierzystą, emisje przemysłowe, komunikacyjne, gospodarkę komunalną oraz rolnictwo [2]. Koncentracja metali ciężkich w środowisku jest dość zróżnicowana, a działanie ich zależy od pobranej dawki, rodzaju pierwiastka, postaci chemicznej w jakiej występuje, a także od kondycji organizmu [3]. Metale ciężkie tj. kadm lub ołów wykazują w stosunku do roślin wysoką toksyczność. Powodują zmiany w procesach fizjologicznych [4]. Proces akumulacji metali w roślinie składa się z trzech faz: mobilizacja jonów, pobieranie, transport do miejsc składowania w roślinie, a ich akumulacja prowadzić może do zahamowania wzrostu, a także ograniczenia pobierania składników pokarmowych [5]. Istnieją różne mechanizmy odporności na metale ciężkie, które pozwalają uniknąć szkodliwych skutków, w tym: ograniczenie przenikania metali do symplastu poprzez wydzielenie śluzów i ligandów chelatujących metale oraz zmianę chemiczną składu plazmolemmy lub zablokowanie toksycznych jonów metali w ścianie komórkowej za pomocą pektyn. Ważną rolę odgrywają związki fosforu, zwłaszcza fityna, która jest związkiem chelatującym jony metali występujących w roślinach [5]. Celem przeprowadzonych badań było oznaczenie zawartości wybranych metali ciężkich, tj. kadmu i ołowiu w algach pochodzących z zachodniej strefy przybrzeżnej Morza Czarnego. Ołów jest pierwiastkiem niewystępującym w sposób naturalny w wodach powierzchniowych. Jego obecność uważana jest za zanieczyszczenie. Ołów zazwyczaj dostaje się do zbiorników z pobliskich fabryk, w wyniku niewłaściwego gospodarowania nieoczyszczonymi odpadami, ściekami. Jego związki są kumulowane w postaci osadów dennych rzek lub stojących zbiorników wodnych [6,7]. Drugim toksycznym metalem ciężkim jest kadm, zaliczany do związków potencjalnie rakotwórczych w odniesieniu do człowieka [8]. Dodatkowo metal ten wykazuje działanie genotoksyczne, mutagennne i niekorzystnie wpływa na układ endokrynny [9,10]. Duża jego ilość znajduje się w rudach cynku oraz w paliwach kopalnych takich jak węgiel kamienny. Jego zawartość na terenach nieskażonych 42 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. zależy od rodzaju gleby i skały macierzystej [11]. Kadm jest zdolny do tworzenia rozpuszczalnych związków kompleksowych z substancjami organicznymi, dzięki czemu łatwo ulega przemieszczeniu w głębsze warstwy gleby [12]. Zawartość kadmu w czystych zbiornikach wodnych nie przekracza 1 ppb [13]. Jest on szybko wytrącany w postaci węglanów, a także sorbowany w postaci tlenków i wodorotlenków metali [14]. Analizie poddano 3 rodzaje alg pobranych w okresie letnim 2015 roku, wywodzących się z klasy Cryptogamia, rodzaju Cystoseira i Ulva oraz klasy Eucaryctic. Reprezentatywną próbkę z każdego rodzaju alg uzyskano poprzez połączenie i dokładne zmielenie przy użyciu moździerza agatowego wysuszonych materiałów roślinnych. Odważki o masach od 0,1–0,25 g (w zależności od badanego biomateriału), mineralizowano na mokro w układzie otwartym. Próbki umieszczano w naczyniach teflonowych i dodawano na gorąco 73 % kwas fluorowodorowy (FLUKA, cz.d.a), 65 % kwas azotowy(V) (FLUKA, cz.d.a) oraz nadtlenek wodoru (30 %, FLUKA, cz.d.a). Po odparowaniu próbek do sucha ponownie dodawano czynnik utleniający (HNO3, 65 %) i pod przykryciem ogrzewano próbki w temperaturze 100 °C przez następne 2 h. Ta ostatnia faza rozpuszczania ma znaczenie kluczowe dla odzysku metali podczas dekompozycji próbek roślinnych [15]. Po procesie mineralizacji próbki przenoszono do kolb miarowych o objętości 100 cm3 i dodawano roztwór CH3COOH w takiej ilości, aby jego końcowej stężenie wyniosło 0,25M. Stężenie ołowiu i kadmu w próbkach określano metodą wielokrotnego dodatku wzorca. Wszystkie roztwory przygotowane zostały przy użyciu wody podwójnie destylowanej oczyszczonej w procesie odwróconej osmozy w aparacie firmy Watek-Demiwa (Republika Czeska). Stężenie wybranych metali ciężkich wyznaczano metodą woltamperometrii impulsowej różnicowej z zastosowaniem błonkowej elektrody rtęciowej (DPASV). Metoda DPASV jest czułą i szeroko wykorzystywaną techniką ilościowego oznaczania metali ciężkich w próbkach wody i gleby [16]. Zastosowano trójelektrodowy układ pomiarowy składający się z: elektrody pracującej – MFE (szklista elektroda węglowa pokryta filmem rtęci), elektrody odniesienia (elektroda kalomelowa) oraz elektrody pomocniczej (elektroda platynowa). Po wytworzeniu błonki rtęci utrzymywano potencjał elektrody równy 0,0 V. Zatężanie kadmu i ołowiu poprzez ich elektrochemiczne wydzielenie na błonkowej elektrodzie rtęciowej dokonywano w czasie określanym jako czas zatężania, który wynosił w zależności od rodzaju próbki od 600–3600 s. Po upływie czasu zatężania zapisywano woltamperogram w kierunku anodowym (z amplitudą pulsu 50mV i szybkością polaryzacji elektrod równą 16 mV/s). Wyniki pomiaru zawartości oznaczanych pierwiastków przedstawiają Tabele 1 i 2. 43 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Zawartość kadmu [ng·g-1] w analizowanym materiale biologicznym. Rodzaj alg Odważka [g] Średnia (n=3) [ng∙g-1] Minimu m [ng∙g-1] Maksimum [ng∙g-1] Mediana [ng∙g-1] Odchylenie standardowe [ng∙g-1] 1. Cystoseira 0,2510 1,97 1,8 2,1 2,0 1,53e-4 2. Ulva 0,1220 4,00 3,8 4,2 4,0 2,00e-3 3. Eucaryota 0,1514 2,87 2,7 3,0 2,9 1,53e-4 Tabela 2. Zawartość ołowiu [ng·g-1] w analizowanym materiale biologicznym. Odważka [g] Średnia (n=3) [ng∙g-1] Minimum [ng∙g-1] Maksimu m [ng∙g-1] Mediana [ng∙g-1] Odchylenie standardowe [ng∙g-1] 1. Cystoseira 0,2510 0,203 0,19 0,22 0,2 0,0153 2. Ulva 0,1220 0,203 0,17 0,24 0,2 0,0351 3. Eucaryota 0,1514 0,697 0,65 0,74 0,7 0,0450 Rodzaj alg W celu skontrolowania prawidłowości metody woltamperometrycznej wykorzystano certyfikowany materiał odniesienia, który stanowiła gleba GBW0748. Badania zawartości kadmu i ołowiu w algach z Morza Czarnego pozwoliły na określenie ich stopnia akumulacji. Stężenie oznaczanych metali różni się w zależności od wybranego biomateriału. Najwyższe zawartości kadmu odnotowano w algach z rodziny Ulva, najniższe natomiast w Cystoseira. W przypadku ołowiu najwyższe stężenie oznaczono w algach z rodziny Eucaryota. Uzyskane wyniki badań wykazały jednak niski poziom kumulacji metali ciężkich w wybranych algach w porównaniu z danymi literaturowymi [17]. Morskie gatunki alg mogą być z powodzeniem wykorzystywane w monitoringu zanieczyszczeń wód morskich metalami ciężkimi [18]. Badania zostały wykonane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS PB 31-293/2015 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] A. Ociepa-Kubicka, E. Ociepa (2012) Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi. Inżynieria Ochrony Środowiska 2:169-180. [2] A. Sas-Nowosielska (2009) Fitotechnologie w remediacji terenów zanieczyszczonych przez przemysł cynkowo ołowiowy, Monografia nr 189, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa. [3] A. Kabata-Pendias, H. Pendias (2001) Trace elements in soil and plants, 3rd Edition, CRC Press, Boca Raton. [4] G. Rout, P. Das (2003) Effect of metal toxicity on plant growth and metabolism. I. Zinc. Agronomie 23:3-11. [5] J. Kopcewicz, I. S. Lewak (2002) Fizjologia roślin, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 44 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [6] I. Krzywy, E. Krzywy, M. Pastuszak-Gabinowski, A. Brodkiewicz (2010) Ołów - czy jest się czego obawiać? Rocznik Pomorski Akademii w Szczecinie 56:118-128. [7] J. S. Duffy, G. W. van Loon (2005) Chemia środowiskowa 102:437-440. [8] E. Gawęda (2003) Kadm i jego związki w środowisku pracy –zagrożenia, ocena ryzyka zawodowego, Bezpieczeństwo Pracy 10:17-19. [9] A. Skoczyńska, R. Poręba, A. Sieradzki, R. Andrzejak, U. Sieradzka (2002) Wpływ ołowiu i kadmu na funkcje układu immunologicznego, Medycyna Pracy 53:259-264. [10] M. Jakubowski (2012) Kadm i jego związki nieorganiczne- w przeliczeniu na Cd, Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 72:111-146. [11] A. Karczewska (2002) Metale ciężkie w glebach zanieczyszczonych emisjami hut miedzi- formy i rozpuszczalność, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu 432:1-159. [12] I. Krzywy, E. Krzywy, J. Peregud-Pogorzelski, K. Łuksza, A. Brodkiewicz (2011) Kadm, czy jest się czego obawiać? Rocznik Pomorski Akademii Medycznej w Szczecinie 57:49-63. [13] Statistical Yearbook (2008) Environmental protection, Polish Main Statistical Office 2008, Warszawa. [14] ] C. H. Walker, S. P. Hopkin, R. M. Sibly, D. B. Peakall (2002) Podstawy ekotoksykologii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. [15] R. F Weiner, R. A Mathews (2003) Environmental Engineering, Elsevier Science, Burlington. [16] Z. Łukaszewski, M. Jakubowska, W. Zembrzuski, B. Karbowska, A. Pasieczna (2010) Electroanalysis 22:1963-1971. [17] C. Locatelli, G. Torsi (2002) A new voltammetric method for the simultaneous monitoring of heavy metals in sea water, sediments, algae and clams: application to the Goro Bay ecosystem, Environmental Monitoring and Assessment 75:281-292. [18] V. Villares, X. Puente, A. Carballeira (2001) Ulva and Enteromorpha as indicators of heavy metal pollution, Hydrobiologia 462:221-231. 45 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. HYBRYDOWY NAPEŁNIACZ KRZEMIONKA/LIGNINA W KOMPOZYTACH Z POLILAKTYDEM Aleksandra Grząbka-Zasadzińska*, Łukasz Klapiszewski, Teofil Jesionowski, Sławomir Borysiak Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W obecnych czasach duży nacisk kładzie się na opracowywanie polimerów otrzymywanych z odnawialnych źródeł, a tym samym uniezależnienie produkcji tworzyw sztucznych od przemysłu petrochemicznego. W centrum zainteresowania znajdują się także nowe typy napełniaczy, do których zalicza się również napełniacze nieorganiczno/organiczne [1]. Polilaktyd (PLA) to termoplastyczny, chiralny poliester otrzymywany na drodze polimeryzacji z otwarciem pierścienia. Może być w 100% wytwarzany z odpadów przemysłu spożywczego i rolnego, a 1 kg tego tworzywa można uzyskać z ok. 2,5 kg ziarna kukurydzy. Jego właściwości są zbliżone do polistyrenu, a po modyfikacji do polipropylenu oraz polietylenu. PLA jest często wykorzystywany w przemyśle opakowaniowym oraz w zastosowaniach medycznych (w postaci włókien lub folii), m.in. ze względu na fakt, że w podwyższonych temperaturach oraz wysokiej wilgotności ulega relatywnie szybkiemu procesowi biodegradacji do CO2 i H2O [2]. Jedną z głównych wad PLA jest niska odporność termiczna, która znacząco ogranicza dziedziny jego zastosowania. Wiadomo jednakże, że zastosowanie napełniaczy pozwala na przyspieszenie krystalizacji PLA i tym samym pokonanie tej wady. Zastosowanie napełniaczy nieorganicznych powoduje znaczącą poprawę właściwości termicznych, mechanicznych i także chemicznych biokompozytów, w których zostały użyte [3-5]. Krzemionka jest dobrze znanym i wysoko cenionym napełniaczem nieorganicznym. Wykazuje dobre właściwości termiczne (temperatura topnienia 1710 °C), wytrzymałościowe, a jej duża powierzchnia właściwa sprawia, że jest często wykorzystywana jako adsorbent i nośnik faz stacjonarnych [6]. Wiadomo również, że jako napełniacz polimerowy krzemionka już przy małym udziale procentowym powoduje istotną poprawę właściwości wytrzymałościowych (np. wydłużenie przy zerwaniu, udarność z karbem), termicznych, chemicznych oraz barierowych. Nie jest niestety napełniaczem idealnym, ponieważ wykazuje tendencję do aglomeracji [7,8]. Lignina składa się z powtarzalnych jednostek polifenolowych i współtworzy materiał ścian komórkowych roślin. Jest również produktem ubocznym procesu „krafta” stosowanego w przemyśle papierniczym, dzięki czemu jest łatwo dostępna i tania. duża dostępność, niska cena [9]. Jej główną wadą słaba odporność termiczna, ponieważ degraduje ona w temperaturze powyżej 170 °C. W rezultacie jej właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu [10]. Obecność w strukturze celulozy alifatycznych 46 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. i aromatycznych grupy hydroksylowe jest odpowiedzialna ze jej wysoką polarność. Powoduje to problemy w trakcie procesu wytłaczania, ponieważ tworzą się pęcherze powietrza, które utrudniają przepływ polimeru przez dyszę. Układy hybrydowe SiO2/lignina łączą właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe nieorganicznej krzemionki z niedrogą, organiczną ligniną, dzięki czemu cieszą się coraz większą popularnością [7,8]. Uzyskane na drodze takiego połączenia materiały mogą być wykorzystywane jako napełniacze polimerowe bądź biosorbenty [7,11,12]. Zarówno zawartość napełniacza hybrydowego w matrycy polimerowej, jak i jego wpływ na strukturę supermolekularną, morfologię matrycy polimerowej, a także zjawiska zachodzące na granicy międzyfazowej polimer/napełniacz jest szczególnie istotny i warunkuje uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych. Dzieje się tak m.in. dlatego, że silne interakcje występujące na granicy międzyfazowej pozwalają na przenoszenie obciążeń powstających w układzie i tym samym zapobiegają pogorszeniu właściwości wytrzymałościowych. Już same materiały lignocelulozowe mogą być heterogenicznymi nukleantami krystalizacji wzdłuż granicy międzyfazowej o dużej gęstości zarodków, mającymi wpływ na powstawanie struktur transkrystalicznych. Uważa się, że obecność tych struktur wykazuje znaczący wpływ na otrzymywanie kompozytów o dobrych parametrach [13,14]. Opracowanie nanokompozytów PLA do zaawansowanych zastosowań technologicznych wymaga zrozumienia zjawisk zachodzących na granicy międzyfazowej polimer/napełniacz i struktury supermolekularnej. Dlatego właśnie celem niniejszych badań było określenie wpływu parametrów fizykochemicznych hybrydowych materiałów krzemionka/lignina na ich zdolności nukleacyjne oraz zdolność do tworzenia struktur transkrystalicznych w matrycy PLA. W przedstawionych badaniach amorficzną krzemionkę Syloid 244 oraz ligninę krafta połączono mechanicznie. Przygotowano cztery materiały hybrydowe zawierające krzemionkę i ligninę w stosunkach ilościowych odpowiednio 1:1, 2:1, 5:1 i 20:1. Metodą wytłaczania wykonano folie kompozytowe PLA zawierające 2,5% wag. napełniacza hybrydowego. Przeprowadzone badania napełniaczy oraz kompozytów obejmowały: szerokokątową dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego (WAXS), spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), mikroskopię polaryzacyjną (PLM), skaningową mikroskopię elektronową (SEM), różnicową kalorymetrię skaningowę (DSC), analizę rozmiaru cząstek oraz właściwości porowatych materiałów (przy pomocy metody izotermy Brunauer– Emmett–Teller i z wykorzystaniem algorytmu Barrett–Joyner–Halenda). Materiał hybrydowy krzemionka/lignina okazał się być napełniaczem zdolnym do efektywnej nuklaeacji krystalicznej, a proces ten, opisywany parametrem szybkości wzrostu i czasu indukcji, zależał od zawartości ligniny w próbce i był ściśle związany z jej porowatością. Zdolności nukleacyjne napełniacza hybrydowego krzemionka/lignina w matrycy PLA wiążą się z porowatością napełniacza i jego składem. Za powstawanie struktur transkrystalicznych w układach PLA/ napełniacz hybrydowy 47 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. odpowiedzialna była SiO2, będąca zasadniczym składnikiem napełniacza hybrydowego. Napełniacz hybrydowy nie wywierał wpływu na strukturę supermolekularną ani wartość temperatury zeszklenia badanych kompozytów. Badania zostały finansowane z grantu NCN nr DEC-2013/09/B/ST8/00159. Literatura: [1] G. Milczarek, O. Inganas, (2012) Renewable cathode materials from biopolymer/conjugated polymer interpenetrating networks, Science 335: 1468. [2] A. Duda, S. Penczek, (2013) Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowania Polimery 48:16. [3] Y. Wang, J.L. Gomez Ribelles, M. Salmeron Sanchez, J.F. Mano (2005) Morphological Contributions to Glass Transition in Poly(l-lactic acid) Macromolecules 38:4712. [4] B. Kalb, A.J. Pennings (1980) General crystallization behaviour of poly(l-lactic acid) Polymer 21:607. [5] Z. Bartczak, A. S. Argon, R. E. Cohen, M. Weinberg (1999) Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II. High-density polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles Polymer, 40:2347. [6] K. Kupiec, P. Konieczka, J. Namieśnik (2007) Charakterystyka, procesy chemicznej modyfikacji oraz zastosowanie krzemionki i jej zmodyfikowanych postaci Ecological Chemistry and Engineering, 14 (S4):473. [7] K. Bula, Ł. Klapiszewski, T. Jesionowski (2014) A novel functional silica/lignin hybrid material as a potential bio-based polypropylene filler Polym. Compos. 36(5):913. [8] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Kraft lignin and silica as precursors of advanced composite materials and electroactive blends J. Mater. Sci. 49:1376. [9] J.C Li, Y. He, Y. Inoue (2003) Thermal and mechanical properties of biodegradable blends of poly(L-lactic acid) and lignin Polym. Int.52(6): 949. [10] G. Toriz, F. Denes, R.A. Young (2002) Lignin-polypropylene composites. Part 1: Composites from unmodified lignin and polypropylene Polym. Compos. 23:806. [11] G. Telysheva, T. Dizhbite, D. Evtuguin, N. Mironova-Ulmane, G. Lebedeva, A. Andersone, O. Bikovens, J. Chirkova, L. Belkova (2009) Design of siliceous lignins – Novel organic/inorganic hybrid sorbent materials Scr. Mater. 60(8):687. [12] Ł. Klapiszewski, P. Bartczak, M. Wysokowski, M. Jankowska, K. Kabat, T. Jesionowski (2015) Silica conjugated with kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal Chem. Eng. J. 260:684. [13] S. Borysiak (2013) Influence of cellulose polymorphs on the polypropylene crystallization J. Therm. Anal. Calorim. 113: 281. [14] S. Borysiak (2013) Fundamental studies on lignocellulose/polypropylene composites: Effects of wood treatment on the transcrystalline morphology and mechanical properties J. Appl. Polym. Sci. 127:1309. 48 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE SPOIWA ORGANICZNE DO NARZĘDZI ŚCIERNYCH Artur Jamrozik*, Beata Strzemiecka Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Wraz ze zwiększającą się świadomością ekologiczną producentów i rozwojem technologii produkcji narzędzi ściernych poszukuje się rozwiązań, które byłyby w stanie zapewnić lepsze parametry gotowym produktom, przy jednoczesnym ograniczeniu szkodliwego wpływu na środowisko. Można to osiągnąć poprzez dodatek naturalnych biopolimerów do klasycznego spoiwa żywicznego, np. ligniny [1], lub całkowite zastąpienie poprzez inny rodzaj żywicy jak np. benzoksazyny [2]. W trakcie analiz przebadano układy składające się z ziarna elektrokorundowego 95A o gramaturze 120 mesh, środka zwilżającego ziarno w postaci żywicy ciekłej Rezol S oraz badanego spoiwa. W roli testowanych spoiw wykorzystano układy żywicy nowolakowej MFR 9 i LFR 12 oraz żywicy bez dodatku urotropiny z ligniną krafta, ligniną osadzoną na krzemionce i utlenioną ligniną w różnych stosunkach. Zastępowano także standardowe spoiwo żywicą benzoksazynową. Jako punkt odniesienia wybrano układy produkowane przemysłowo. Mieszanki do badań o składzie: 14 % spoiwa, 5 % środka zwilżającego i 81 % ziarna ściernego (odpowiadającym narzędziom produkowanym w przemyśle) umieszczone zostały w formach w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 140 x 10 x 4 mm. Tak przygotowane materiały wygrzane zostały w piecu zgodnie z dwoma programami temperaturowymi ułożonymi dla żywic fenolowo. Właściwości fizyczne przeanalizowano z wykorzystaniem dynamicznej analizy mechaniczno-termicznej (DMTA), natomiast wydajność uzyskanych modelowych narzędzi ściernych oceniono po wykonaniu prób eksploatacyjnych. Próby eksploatacyjne polegały na ścieraniu wałka metalowego ze stali węglowej S235JR (zgodnie z normą EN 10025) o średnicy d = 50 mm przez 240 s. Miarą wydajności pracy narzędzia był ubytek masy w trakcie próby. Najwyższą wydajność pracy i najlepsze właściwości fizyczne wśród otrzymanych narzędzi posiadały układy w których standardowe spoiwo zastąpiono żywica benzoksazynową oraz te, w których zastosowano dodatek utlenionej ligniny. Jednocześnie udowodniono, ze lignina nie poddana modyfikacji jest zbyt mało reaktywna aby zastosować ją w niezmienionej formie. Przeprowadzone badania dowiodły, że przetestowane układy mogą być z powodzeniem zastosowane jako nowoczesna i bardziej ekologiczna alternatywa dla klasycznych żywic fenolowo-formaldehydowych. Literatura: [1] T. Agag, H. Ishida (2011) Handbook of benzoxazine resins, Elsevier, Oxford. [2] B. Benjelloun-Mlayah, M. Delmas, N. Tachon (2014) BioligninTM, a green phenol for bio-based phenolic resins, International Journal of Adhesion and Adhesives 118 49 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE TECHNIKI ŚLEDZENIA RUCHU NANOCZĄSTEK (NTA) W ANALIZIE ROZMIARU CZĄSTEK I BIOMATERIAŁÓW Maciej Jarzębski1,2*, Tomasz Śliwa3, Rafał Kuzioła4, Barbara Bellich5, Tomasz Białopiotrowicz1 1 Katedra Chemii Fizycznej i Fizykochemicznych Podstaw Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Zamiejscowy Nauk o Społeczeństwie w Stalowej Woli, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II, ul. Ofiar Katynia 8b 37-450 Stalowa Wola 2 Centrum Nanobiomedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 85, 61-614 Poznań 3 Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań 4 Katedra Chemii Analitycznej Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Zamiejscowy Nauk o Społeczeństwie w Stalowej Woli, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II, ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola 5 Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences Università degli Studi di Trieste, Via Giorgieri 1, 34127 Triest * e-mail: [email protected] Biomateriały to substancje nie terapeutyczne, naturalne i/lub syntetyczne, zdolne do częściowego lub całościowego zastąpienia określonej tkanki, organu albo przejęcia ich funkcji. Właściwości fizykochemiczne powinny być zbliżone do żywych tkanek, a przede wszystkim odznaczać się wysoką biozgodnością i bioaktywnością [1]. Jednym z najistotniejszych parametrów jest brak toksyczności i odczynu alergicznego, wysoka odporność na korozję oraz ścieranie oraz rozmiar cząstki, stosunek powierzchni do objętości, obszar powierzchni, wolna energia powierzchniowa. Materiały nie terapeutyczne do aplikacji medycznych powinny wykazywać odpowiednie właściwości mechaniczne i elektryczne. Do głównych zastosowań bionanomateriałów zalicza się: implanty, materiały do zespalania tkanek, protezy (w tym sztuczne narządy), błony półprzepuszczalne, inne (w tym soczewki). Wyróżnia się następujące grupy bionanomateriałów: polimery, ceramika, metale i ich stopy, węgiel i kompozyty. Zarówno polimery naturalne, takie jak kolagen, fibryna, celuloza czy chityna, jak i syntetyczne, na przykład: silikon, polistyren, poliuretan, polietylen czy poliamidy, stanowią bazę wyjściową do produkcji biomateriałów. Zaletą tworzyw sztucznych jest łatwość i szybkość produkcji oraz możliwość nadania dodatkowych pożądanych cech, stosując odpowiednie modyfikacje struktury (np. dodatek napełniacza lub plastyfikatora). Najczęściej długołańcuchowe materiały syntetyczne stosowane są w produkcji protez (np. sutka, dużych stawów), nici chirurgicznych, a także jako uzupełniacze kości [1,2]. Do ceramicznych biomateriałów oraz wypełniaczy polimerowych kompozytów zalicza się układy na bazie krzemu, krzemionki (SiO2), tlenku glinu (Al2O3), tlenku cyrkonu (ZrO2) oraz fosforanów wapnia (np. Ca10(PO4)6(OH)2 – hydroksyapatyt). Ceramika stosowana jest w produkcji implantów i endoprotez stawowych, z uwagi na właściwości mechaniczne takie jak wysoka odporność na ścieranie, ściskanie i zginanie [2]. 50 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Właściwości cząstek, a szczególnie nanocząstek, są silnie uzależnione od wielkości [3,4]. Z tego powodu kontrola wielkości i rozkładu wielkości cząstek, ma zasadnicze znaczenie dla wielu zastosowań biomedycznych. Powszechnie wiadomo, że niewielkie zmiany w warunkach syntezy mogą znacząco wpłynąć na rozkład wielkości średnic molekuł i uniemożliwić powtarzalność wyników prowadzonych eksperymentów. Metoda dynamicznego rozpraszania światła (DLS) pozwala na wyznaczanie średniej wielkości cząstek, w zakresie od pojedynczych nanometrów do kilku mikrometrów. Bell i in. [3], używając jako materiał badany nanocząstki krzemionki dokonali obszernej analizy porównawczej najpopularniejszych technik służących do analizy rozmiarów i rozkładu wielkości cząstek, w tym TEM, DLS, NTA, SMPS (wyznaczanie rozmiaru cząstek poprzez skanowanie ich mobilności), SIOS (skanowanie okluzji jonowej). Technika NTA (NanoparticleTracking Analysis – śledzenie ruchu pojedynczych cząstek) w systemie zaproponowanym przez Nanosight (obecnie Malvern), bazuje na analizie obrazu wideo uzyskanego z poruszającej się ruchami Browna określonej populacji nanocząstek w cieczy, po oświetleniu światłem laserowym. W przeciwieństwie do DLS, NTA analizuje w czasie rzeczywistym tory ruchu poszczególnych cząstek w cieczy przez określony czas. Ruch cząstek śledzony jest za pomocą konwencjonalnej kamery CCD, która rejestruje 30 do 60 obrazów na sekundę (fps) – nagrywany jest klip wideo zawiesin cząstek, które znajdują się w wiązce laserowej o szerokości około 80 mikronów [5]. Ruch każdej z cząstek uwidoczniony jest w sekwencjach wideo i na ich podstawie określone zostaje średnie kwadratowe przemieszczenie(x2), z którego wyznaczany jest współczynnik dyfuzji (D): który zależy wyłącznie od temperatury T, lepkości cieczy η i rozmiaru cząstek Rh. Średni współczynnik dyfuzji (DNTA), wyznaczony za pomocą NTA opisuje równanie: gdzie: Di –współczynnik dyfuzji, Ni – stężenie liczbowe frakcji „i” cząstek [5]. Na podstawie znanego współczynnika dyfuzji, promień hydrodynamiczny wyznaczany jest z zależności Stokes’a – Einstein’a: gdzie: D – współczynnik dyfuzji (tu D = DNTA), Rh – promień hydrodynamiczny, kB– stała Boltzmanna, T – temperatura w kelwinach, η – lepkość rozpuszczalnika. Przeprowadzono analizę NTA i DLS, zsyntetyzowanego tlenku krzemu, który wybrano jako 51 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. przykład jednego z najpopularniejszych materiałów, cechujących się łatwością modyfikacji zarówno powierzchni jak i struktury, w tym możliwością kontrolowania rozmiaru końcowego cząstek. Krzemionka stosowana jest często jako wypełniacz w kompozytowych biomateriałach. Średnice cząstek, wyznaczone metodą NTA, wyniosły odpowiednio S1 374 nm i S2 92 nm. W przypadku próbek o małej polidyspersyjności, rozrzut wielkości wynosi około 10%, natomiast w przypadku próbek polidyspersyjnych może być znacznie większy. Na wykresach przedstawiono rozkład wielkości nanocząstek i średnie wartości z NTA, DLS, wykres 3D zależności intensywności światła rozproszonego, względem rozmiaru. Technika NTA stosowana jest zarówno do kontroli wzrostu rozmiarów cząstek podczas syntezy chemicznej jak i oceny stopnia agregacji, jeśli takie zjawisko występuje. W metodzie NTA bardzo istotnym parametrem jest stężenie próbki (optymalne 20–60 cząstek na kadr). Również lepkość rozpuszczalnika odgrywa kluczową rolę w analizie NTA. W przypadku analizy roztworów i zawiesin o dużej lepkości, uzasadniona jest dodatkowa kalibracja metody NTA, za pomocą monodyspersyjnych cząstek standaryzowanych (o zdefiniowanej średnicy). Pierwsze wyniki badań, dotyczące modelowego układu o dużej lepkości – roztworu wodnego sacharozy, potwierdziły możliwość analizy struktur, w tym biomateriałów,w rozmiarze kilkuset nanometrów. Istotnym faktem jest, że sacharoza wykorzystywana jest do wytwarzania porowatych struktur biomateriałów [6]. Rysunek 1. Wyniki pomiarów średnicy cząstek krzemionki metodą NTA: A. Próbka typu rdzeń-powłoka wytworzona zmodyfikowaną metodą Stöbera (S1), B. Próbka typu rdzeń-powłoka otrzymana z mikroemulsji (S2). Na osi x skala od 0–900 nm, oś y intensywność. Maciej Jarzębski – praca doktorska realizowana dzięki wsparciu Fundacji Nauki Polskiej w programie Międzynarodowe Projekty Doktoranckie, realizowanym przez Centrum NanoBioMedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ze środków Unii Europejskiej, w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka i Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. 52 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Badania częściowo zrealizowane w ramach PBS1/A9/13/2012 Literatura: [1] M. Jurczyk, J. Jakubowicz (2008) Bionanomateriały, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań. [2] M. Jarzębski (2015) Synteza i charakterystyka wybranych nanocząstek o potencjalnych zastosowaniach w medycynie, rozprawa doktorska, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. [3] N. C. Bell, C. Minelli, J. Tompkins, M. M. Stevens, A. G. Shard (2012) Emerging techniques for submicrometer ber silica, Langmuir 28:10860-10872. [4] M. Jarzębski, T. Śliwa, M. Jarzębskai K. Szutkowski (2014) Fabrication of size-tunable silica particles during seed-growth process, Current Topics in Biophysics 37:35-41. [5] NanoSight Ltd. (2012) NanoSight NTA 2.3 Analytical Software Operating Manual, Minton Park, Amesbury, Wiltshire SP4 7RT, Wielka Brytania. [6] J. Jakubowicz, G. Adamek, K. Palka, D. Andrzejewski (2015) Micro-CT analysis and mechanical properties of Ti spherical and polyhedral void composites made with saccharose as a space holder material, Materials Characterization 100:13-20. 53 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOMATERIAŁY W DRUKU 3D Maciej Jarzębski1*, Tomasz Śliwa3, Rafał Kuzioła2, Tomasz Białopiotrowicz1 1 Katedra Chemii Fizycznej i Fizykochemicznych Podstaw Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Zamiejscowy Nauk o Społeczeństwie w Stalowej Woli, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II, ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola, 2 Katedra Chemii Analitycznej Środowiska Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Zamiejscowy Nauk o Społeczeństwie w Stalowej Woli, Katolicki Uniwersytet Lubelski Jana Pawła II, ul. Ofiar Katynia 8b, 37-450 Stalowa Wola 3 Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965Poznań * e-mail: [email protected] W ostatnich latach obserwuje się upowszechnienie technik wytwarzania przyrostowego, zwanych potocznie drukiem 3D. Dziś druk 3D coraz częściej wykorzystywany jest w medycynie, w tym protetyce oraz do wytwarzania części zamiennych lub całych elementów maszyn (Rys.1). Na drodze upowszechnienia druku 3D stoją dwa główne wyzwania: pierwsze to nowe, bardziej precyzyjne drukarki, a drugie to nowe materiały, w szczególności oparte na biomateriałach. Rysunek 1. Przykłady „wydruków” 3D w technologii FDM i metodą proszkową. Wśród najczęściej wykorzystywanych technik wytwarzania przyrostowego, wyróżnić należy [1]: FDM (z ang. Fused Deposition Modeling), wykorzystująca jako druty polimerowe (filamenty) m.in. tworzywa sztuczne takie jak kopolimery akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS) i polilaktydu (PLA); SLS (z ang. Selective Laser Sintering) – selektywna synteza (lub utwardzanie) materiałów polimerowych za pomocą wiązki laserowej. Metoda stosowana do wytwarzania produktów o dużej dokładności detali i małych elementów; 54 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. EBM (z ang. Electron Beam Melting) – topienie materiałów za pomocą wiązki elektronowej. Technika ta jest wykorzystywana m.in. do produkcji tytanowych implantów; metodę proszkową (z ang, Powder Layering) – polegająca na nakładaniu poszczególnych warstw proszku (najczęściej gipsu) i sklejanie w odpowiednim kształcie poszczególnych warstw. Najpopularniejszymi materiałami, umożliwiającymi szybkie wytwarzanie struktur w trzech wymiarach są: PLA (polilaktyd), ABS (akrylonitrylobutadienostyren), Nylon (np. nylon680, który spełnia normy dla materiałów do zastosowań medycznych zgodnie z ISO 10993), PVA (kwas poliwinylowy), HIPS (High ImpactPolystyrene), PC (poliwęglany), TPE (termoplastyczne elastomery) oraz uretany w postaci płynnej. Coraz częściej w metodach druku 3D wykorzystywane są biomateriały. Jednym z najbardziej spektakularnych osiągnięć jest wydruk wątroby z żywej tkanki oraz zwiększenie komfortu życia dziecka z wrodzoną wadą płuc, za pomocą wydrukowanej protezy [2]. Dynamicznie rozwijane są techniki tzw. biowydruku, których celem jest wytworzenie określonych tkanek, organów, skóry, elementów kości czy żył [3]. W szczególności do aplikacji biomedycznych, zastosowane materiały, biomateriały i kompozyty muszą odznaczać się dużą biozgodnością. Ponadto, drukarki 3D zostały wykorzystane do wydruku leków w postaci tabletek. Na szczególne wyróżnienie zasługuje, opracowany na bazie DNA, inteligentny klej (tzw. “smart glue”) [4]. Wykorzystując specyficzne interakcje zachodzące w DNA stworzone mikrocząstki w żelu koloidalnym, które mają zdolność utrzymania kształtu. Powstały żel jest następnie wprowadzany do ekstrudera drukarki 3D [4]. Pożądane cechy materiałów polimerowych, biomateriałów i kompozytów, przykładowo elastyczność, odporność na zarysowanie czy kolor, które bezpośrednio przekładają się na właściwości użytkowe lub atrakcyjny wygląd, uzyskuje się poprzez wprowadzenie określonych dodatków w strukturę polimerów. Coraz większe znaczenie odgrywają nanododatki, czyli struktury w rozmiarach nanometrycznych. Nanorurki węglowe zwiększają odporność mechaniczną, nanocząstki krzemionki lub tlenku tytanu poprawiają właściwości optyczne – opóźniają tzw. proces starzenia tworzyw sztucznych. Natomiast nanocząstki srebra wprowadzone w matrycę polimerową wpływają hamują namnażanie drobnoustrojów, w tym bakterii na powierzchni materiałów. Inspiracją do opracowania innowacyjnych materiałów, są również związki chemiczne występujące w przyrodzie [5]. Literatura: [1] S. Hwang, E. I. Reyes, K.-S. Moon, R. C. Rumpf, N. Soo Kim (2015) Thermo-mechanical characterization of metal/polymer composite filaments and printing parameter study for fused deposition modeling in the 3D printing process, Journal of Electronic Materials 44:771-777. [2] D. A. Zopf, S. J. Hollister, A. Arbor, M. E. Nelson, R. G. Ohye, G. E. Green (2013) Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional, Printer The New England Journal of Medicine 368:2043-2045. [3] S. V. Murphy , A. Atala (2014) 3D bioprinting of tissues and organs, Nature Biotechnology 32:773-785. 55 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [4] P. B. Allen, Z. Khaing, C. E. Schmidt, A. D. Ellington (2015) 3D printing with nucleic acid adhesives, ACS Biomaterials Science and Engineering 1:19-26. [5] M. Jarzębski (2015) Lowcost antibacterial acrylonitrile butadiene styrene composites, 7 Krajowa Konferencja Nanotechnologii, 24-27.06.2015r. Poznań 56 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. IMMOBILIZACJA ENZYMÓW NA INNOWACYJNYCH MATRYCACH KRZEMIONKOWO-LIGNINOWYCH Artur Jędrzak, Jakub Zdarta, Łukasz Klapiszewski, Tadeusz Szalaty, Katarzyna Antecka, Anna Gan, Teofil Jesionowski* Zakład Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Immobilizacja biokatalizatorów jest to zabieg techniczny polegający na unieruchamianiu enzymów na nośnikach organicznych, nieorganicznych oraz mieszanych, jednak proces ten można także zrealizować bez konieczności zastosowania nośnika. Opracowano różne metody unieruchomienia białek enzymatycznych, a do najpopularniejszych należą: adsorpcja, pułapkowanie, kapsułkowanie, sieciowanie oraz immobilizacja z wytworzeniem wiązania kowalencyjnego. Immobilizacja enzymów polega na ich związaniu, najczęściej z nierozpuszczalnym nośnikiem lub w określonym miejscu w bioreaktorze, bez konieczności stosowania matrycy [1,2]. Celem stosowania technik immobilizacji jest zwiększenie stabilności termicznej, chemicznej i biologicznej enzymów. Stają się one odporniejsze na wpływ m.in. temperatury, pH i substancji powodujących denaturację. Bardzo ważnym aspektem jest również otrzymanie produktów o zwiększonej czystości, a także możliwość ponownego zastosowania biokatalizatorów w procesach przemysłowych [1]. Rozwój technik unieruchomienia biokatalizatorów spowodował wyraźny wzrost wydajności katalizowanych procesów w wielu gałęziach przemysłu, a także przy wprowadzaniu nowatorskich rozwiązań technologicznych. Lipazy to grupa enzymów, które są odpowiedzialne za przeprowadzanie procesów hydrolizy. Unieruchamiane lipazy znajdują zastosowanie m.in. w transestryfikacji olejów spożywczych, przy rozdziale chiralnych alkoholi i amin, a także podczas syntezy biodiesla z triglicerydów [3]. Enzymy cieszą się ogromnym zainteresowaniem, które z pewnością będzie rosnąć, gdyż wiele z tych białek nie ma do końca poznanych właściwości. Warto podkreślić, że możliwość immobilizacji może przyczynić się do zrewolucjonizowania ich wykorzystania w przyszłości [4]. Stosowanie immobilizowanych enzymów wpływa na zdecydowanie większą wydajność procesu, w porównaniu z zastosowaniem natywnych biokatalizatorów, poprzez lepsze wykorzystanie potencjału substratów. Porównanie właściwości immobilizowanego enzymu z natywnym białkiem zostało przedstawione w Tabeli 1. 57 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Porównanie właściwości immobilizowanego enzymu z natywnym białkiem [5, 6]. Immobilizowany enzym Wolny enzym Wysoka stabilność Niska stabilność Proste odseparowanie i oczyszczenie Trudności z separacją i oczyszczeniem Możliwość ponownego użycia Najczęściej procesy jednorazowe Otrzymanie czystszego produktu Mniejsza czystość produktu Mniejsza aktywność Większa aktywność Proces unieruchomienia Bezpośrednie zastosowanie Specjalistyczna kontrola i narzędzia Prostsza kontrola procesu Czynnikiem mającym istotny wpływ na właściwości preparatów unieruchomionych enzymów. Matryca krzemionkowo-ligninowa należy do innowacyjnych biokompozytów o bardzo interesujących właściwościach fizykochemicznych, co czyni ją pożądaną, jako nośnik, w procesie immobilizacji. Do jego największych zalet tego materiału należą: wysoka stabilność, oraz relatywnie niska cena. Układ krzemionka-lignina znajduje obecnie zastosowanie w elektrochemii, w procesie adsorpcji, a także w szeroko rozumianej ochronie środowiska [7,8]. Celem niniejszej pracy badawczej było otrzymanie nośnika krzemionka-lignina i przeprowadzenie procesu immobilizacji lipazy. Zakres pracy składał się z kilku głównych etapów. Pierwszym z nich było przygotowanie matrycy składającej się z krzemionki i ligniny. Do badań posłużono się komercyjną krzemionką Syloid®244, która została uprzednio zmodyfikowana. Następnie do zaciemnionego reaktora wyposażonego w mieszadło szybkoobrotowe dodano uprzednio aktywowaną ligninę i roztwór dioksanu z wodą. Proces wiązania krzemionki z ligniną trwał ok. 1 h. Układ hybrydowy wysuszono następnie w suszarce przez dobę, oraz przesiano na sitach (wielkość oczek 80 µm), uzyskując jednorodny i drobny proszek. Proces immobilizacji lipazy na otrzymanym nośniku polegał na umieszczeniu jednakowych porcji kompozytu krzemionka-lignina w reaktorach, a następnie dodaniu roztworów enzymu o zdefiniowanym stężeniu. Powstałe mieszaniny poddano wytrząsaniu przez zadany okres czasu, a następnie układy przesączono pod zmniejszonym ciśnieniem i pozostawiono do wyschnięcia. W niniejszej pracy wykonano szereg analiz fizyko-chemicznych, które zostały wykorzystane do przeprowadzenia wnikliwej charakterystyki preparatów po immobilizacji. Widma FT-IR prekursorów oraz układów po immobilizacji, przedstawiono na Rys. 1 oraz Rys. 2. Wyniki analizy FT-IR wykazują obecność szeregu sygnałów charakterystycznych zarówno dla matrycy jak i enzymu. Wśród nich najważniejsze to pasma amidowe I, II oraz III, odpowiednio przy 1650 cm-1, 1550 cm-1 oraz 1260 cm-1. 58 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Widma FT-IR lipazy z Aspergillus niger oraz Rysunek 2. Widma FT-IR układów po immobilizacji lipazy z nośnika krzemionka-lignina. roztworu 3,0 mg/cm3. Obecność tych sygnałów jest dowodem pośrednio potwierdzającym skuteczną immobilizację, a więc weryfikującym skuteczność zaproponowanej techniki unieruchomienia enzymów. Podsumowując, w oparciu o wyniki analizy FT-IR, należy stwierdzić, że lipaza z Aspergillus niger została skutecznie naniesiona na powierzchnię matrycy krzemionka-lignina. Dodatkowo, analizując zmiany intensywności poszczególnych sygnałów na otrzymanych widmach, można stwierdzić, że czas immobilizacji jest istotnym parametrem wpływającym na właściwości układów unieruchomionych enzymów. Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSMK/0510. Literatura: [1] L. Cao (2005) Carrier-bound immobilized enzymes: principles, application and design, Wydawnictwo Wiley-VCh, Weinheim. [2] A. Chmiel (1994) Biotechnologia podstawy mikrobiologiczne i chemiczne, Wydawnictwo PWN, Warszawa. [3] P. Adlercreutz (2013) Immobilisation and application of lipases in organic media, Chemical Society Reviews 42:6406-6436. [4] J. Synowiecki, S. Wołowska (2007) Otrzymywanie i niektóre zastosowania unieruchomionych enzymów, Biotechnologia 77:7-26. [5] R. DiCosimo, J. McAuliffe, A. Poulose, G. Bohlmann (2013) Industrial use of immobilized enzymes, Chemical Society Reviews 42:6437-6474. [6] P. F. Cook, W. W. Cleland (2007) Enzyme kinetics and mechanism, Wydawnictwo Garland Science, Nowy Jork. [7] T. Jesionowski, Ł. Klapiszewski, G. Milczarek (2014) Structural and electrochemical properties of multifunctional silica/lignin materials, Materials Chemistry and Physics 147:1049-1057. [8] Ł. Klapiszewski, M. Nowacka, G. Milczarek, T. Jesionowsk (2013) Physicochemical and electrokinetic properties of silica/lignin biocomposites, Carbohydrate Polymers 94:345-355. 59 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI CIENKICH FILMÓW NA BAZIE CHITOZANU Z DODATKIEM POLIMERÓW NATURALNYCH (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Beata Kaczmarek*, Alina Sionkowska (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra Chemii Biomateriałów i Kosmetyków, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Chitozan jest polimerem naturalnym, otrzymywanym w procesie deacetylacji chityny [1]. Chitozan jest biokompatybilny, biodegradowalny oraz nie jest toksyczny dla ludzkiego organizmu [2]. Ze względu na swoje właściwości znalazł on szerokie zastosowanie w dziedzinie biomateriałów [3]. Wykorzystywany jest do otrzymywania filmów, skafoldów lub hydrożeli. Filmy mogą być wykorzystane do pokrywania różnych powierzchni elementów, które mają zostać wszczepione do organizmu, by nie wystąpiła reakcja immunologiczna po ich aplikacji. Skafoldy są to struktury trójwymiarowe otrzymywane na drodze liofilizacji. Charakteryzują się porowatością, dzięki czemu mogą być wykorzystywane jako rusztowania dla nowych tkanek, ponieważ namnażające się komórki wnikają w głąb materiału, w wyniku czego tkanka ulega regeneracji. Hydrożele natomiast to forma biomateriałów o określonych właściwościach wiskoelastycznych. Nowym trendem jest zastosowanie filmów chitozanowych nie tylko w dziedzinie biomateriałów, ale także w otrzymywaniu nowych biodegradowalnych folii. Folie te mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle jako folie opakowaniowe, także z przeznaczeniem spożywczym. Tego typu materiały, na bazie chitozanu, są biodegradowalne, przez co może nastąpić ich rozkład bez konieczności wieloletniego składowania na wysypisku. Filmy chitozanowe otrzymywane poprzez odparowanie rozpuszczalnika są kruche i wykazują małą wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie. Modyfikacja materiału może odbyć się ma drodze dodatku polimerów naturalnych, takich jak kolagen czy kwas hialuronowy. Zwiększa się wówczas elastyczność filmów i wytrzymałość na rozciąganie, przy jednoczesnym zachowaniu biodegradowalności materiałów. Podczas doświadczenia otrzymane zostały cienkie filmy chitozanowe na drodze odparowania rozpuszczalnika. Zastosowany został dodatek kwasu hialuronowego i kolagenu. Zbadano właściwości mechaniczne, termiczne oraz powierzchniowe filmów. Analizy wykonano także dla folii komercyjnej na bazie polietylenu. Wyniki zebrano i porównano. Autorzy pragną podziękować za wsparcie finansowe w ramach projektu „Krok w przyszłość – stypendia dla doktorantów V edycja” realizowanego ramach Działania 8.2 Transfer wiedzy, Poddziałanie 8.2.2 Regionalne Strategie Innowacji Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki (PO KL) finansowanego ze środków Unii Europejskiej Funduszu Społecznego Unii Europejskiej (EFS), budżetu państwa oraz budżetu województwa. p pojedynczy, 10 pkt) 60 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] M. Kumar (2000) A review of chitin and chitosan applications, Reactive and Functional Polymers 46:1-27. [2] A. Sionkowska (2011) Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials: Review, Progress in Polymer Science 36:1254-1276. [3] G. Wang, Q. Ao, K. Gong, A. Wang, L. Zheng, Y. Gong, X. Zhang (2010) The effect of topology of chitosan biomaterials on the differentiation and proliferation of neutral stem cells, Acta Biomaterialia 6:3630-3639. 61 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MATERIAŁY KOMPOZYTOWE W TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Z WYKORZYSTANIEM RUCHOMEGO ZŁOŻA BIOLOGICZNEGO Magdalena Litwińska*, Izabela Kruszelnicka, Dobrochna Ginter - Kramarczyk Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W ostatnich latach dużo uwagi poświęca się nowym, wysokosprawnym technologiom oczyszczania ścieków, zapewniającym usunięcie związków biogennych do poziomu dyktowanego obowiązującymi przepisami prawnymi. W proponowanych rozwiązaniach dąży się do minimalizacji objętości reaktorów, zmniejszenia zużycia energii oraz do zwiększenia stopnia usuwania różnego rodzaju zanieczyszczeń. Nowoczesną technologią oczyszczania ścieków, która od kilkunastu lat zyskuje coraz większe uznanie na świecie, jest metoda zawieszonego złoża ruchomego MBBR (ang. Moving Bed Biofilm Reaktor). Technologia zawieszonego złoża ruchomego wykorzystuje proces unieruchomienia mikroorganizmów na nośnikach polimerowych. Zapewnia niezawodność, prostotę eksploatacji oraz wymaga mniejszej ilości miejsca w porównaniu do tradycyjnych systemów oczyszczania ścieków [1-6]. Obecnie najczęściej wykorzystywanymi materiałami są polietylen o dużej gęstości (HDPE) oraz polipropylen, których gęstość zawiera się w przedziale 0,91–0,99 g/cm3, czyli jest zbliżona do gęstości wody, aby nośniki nie wypływały na powierzchnię ścieków, i nie opadały na dno reaktora. System ten nie wymaga czyszczenia, ponieważ oczyszcza się sam – biofilm po osiągnięciu grubości krytycznej odrywa się od nośnika. Elementy MBBR są tak zaprojektowane, by stanowiły jak największą powierzchnię czynną dla błony biologicznej od 200 do 1200 m2/m3 [4]. Wszystkie zalety technologii MBBR wynikają bezpośrednio lub pośrednio z parametrów kształtu nośników i materiału z którego są wykonane. Dlatego ważny jest ich odpowiedni dobór. Przy doborze kształtek ważnymi parametrami są [3,5]: • gęstość materiału (powinna być ona zbliżona do gęstości ścieków, żeby łatwiej zachodziła dyfuzja nośników); • wielkość powierzchni czynnej, która powinna być jak najwyższa; jest to powierzchni właściwa, na której osadza się biofilm. W przybliżeniu przyjmuje się powierzchnię czynną równą powierzchni wewnętrznej kształtki. Geometria nośnika powinna chronić wytworzony na nim biofilm i zapewniać odpowiednią ilość substancji dla właściwego rozwoju błony biologicznej. Nośnik powinien także umożliwiać ciągłe ścinanie biofilmu, czyli zapewnić odpowiednią grubość błony. Warunki panujące w reaktorze powodują, że błona biologiczna rozwija się wewnątrz kształtki [2]. 62 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Nośniki błony biologicznej powinny mieć zatem duże otwory, nie ulegające zapychaniu, zapewniające wysoki stopień wymiany masy między biofilmem, a ośrodkiem, co jest czynnikiem wiodącym w przypadku efektywności oczyszczania. Duża powierzchnia czynna elementu wiąże się z zapewnieniem odpowiedniej ilość miejsca do rozwoju mikroorganizmów i optymalnych warunków dla ich aktywności [3]. Na wzrost szybkości narastania biofilmu ma wpływ rodzaj powierzchni. Materiał, z którego wykonane są nośniki, powinien być odpowiednio sprężysty, aby w trakcie swobodnego ruchu w bioreaktorze zapobiegać ich mechanicznym uszkodzeniom. Gęstość materiału istotnie wpływa na czas użytkowania nośnika, który przewidywany jest na 20 lat. Powinna być ona zbliżona do gęstości ścieków, żeby elementy mogły swobodnie utrzymywać się pod wpływam mieszania lub napowietrzania w toni ścieków [7]. Nowatorskim rozwiązaniem w technologii złoża ruchomego, ze względu na dużą powierzchnię czynną (powyżej 1200 m2/m3) dla błony biologicznej, okazały się kompozyty polimerowo-drzewne (ang. wood polymer composites – WPC) [3]. Zastosowanie rozwiązania w postaci kształtek z odpowiednio opracowanego kompozytu polimerowego pozwoliło na zagęszczenie populacji mikroorganizmów w reaktorze. Dzięki dobrze rozwiniętej powierzchni czynnej nośnika kompozytowego nie było problemów z pęcznieniem osadu oraz zmniejszyła się wrażliwość bytującej populacji na niekorzystne warunki środowiskowe. Elementy złóż ruchomych wykonane z WPC stanowią ciekawą propozycję dla oczyszczalni znajdujących się na terenach trudno dostępnych, gdzie zastosowana technologia powinna charakteryzować się elastycznością, czyli możliwością dostosowywania się układu technologicznego do zmieniającego się natężenia dopływających ścieków [3]. Literatura: [1] J. Brinkley, C. H. Johnson, R. Souza (2013) Moving bed biofilm reactor technology – A full-scale installation for treatment of pharmaceutical wastewater, Chemical Business 27:50-57. [2] B. Kołwzan (2011) Analiza zjawiska biofilmu – warunki jego powstawania i funkcjonowania, Ochrona środowiska 33:314. [3] I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, M. Michałkiewicz, S. Zajchowski, A. Kloziński, J. Tomaszewska (2014) The use of wood-polymer composites in a Moving Bed Biofilm Reactor Technology, Polimery 59:423-426. [4] I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, E. Karpezo (2014) Złoża ruchome w technologii oczyszczania ścieków – historia, zastosowanie i perspektywy, Instal 5:64-67. [5] A. Li (2013) Biological wastewater treatment: Selecting the process, Chemical Engineering 10:38-43. [6] D. V Minegatti de Oliveira, M. D. Rabelo, Y. N. Nariyoshi (2014) Evaluation of a MBBR (moving bed biofilm reactor) pilot plant for treatment of pulp and paper mill wastewater, International Journal of Environmental Monitoring and Analysis 2:220-225. [7] http://www.anoxkaldnes.com/anoxkaldnes/ressources/files/1/25575,AnitaMox_2014_jan_intranet.pdf. 63 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI HYDROFILOWO/HYDROFOBOWE HYBRYDOWYCH MATERIAŁÓW ŻELATYNOWO-SILOKSANOWYCH Aleksandra Marchewka1, Marta Dobrosielska1, Miłosz Frydrych1, Aleksandra Jarmołowicz1, Agata Reisner1, Bogna Sztorch1,2, Robert Przekop,2 1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań 2 Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, ul. Umultowska 89C 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Materiały zwierające połączenie biopolimer z oragnofunkcyjnymi silanami stanowią nową klasę hybryd o potencjalnie wysokiej biokompatybilności. Mogą mieć zastosowanie jako substytut tkanek i kości, matryce do immobilizacji enzymów i substancji bioaktywnych, czy jako materiały preceramiczne [1-5]. Modyfikowanie właściwości hydrofilowo-hydrofobowych materiałów jest jedną z ważniejszych metod otrzymywania materiałów o ściśle określonych właściwościach funkcjonalnych [6]. Krzemionka i jej pochodne modyfikowane siloksanami należą do jednych z najpowszechniej stosowanych materiałów o dużym potencjale aplikacyjnym [7]. Żelatyna stanowi produkt termicznej denaturacji kolagenu zawartego w kościach i skórach zwierząt. Jest ona materiałem całkowicie biodegradowalnym, o dużej biokompatybilności [8-12]. Połączenie tych dwóch substancji pozwala na uzyskanie nowego materiału, będącego hybrydą łączącą właściwości obu z nich. Synteza była prowadzona na podstawie pracy [13]. Do żelowania używano układu bazowego opartego na tetraetoksysilanie modyfikowanym 3-chloropropylotrimetoksysilanem (IN311) oraz 3-glicydoksypropylotrimetoksysilanem (IN50), dodawana była żelatyna w ilości 30 % w/w (1GEN) i 55 % w/w (3GEN) w przeliczeniu na łączną zawartość SiO2 w końcowej próbie. Stosunek SiO2TEOS : SiO2Silan wynosił dla każdej próby 6,5:3,5. Stosunek IN31:IN50 wynosił dla każdej próby 1:1. Roztwory były wylewane na poliestrowe szalki Petriego i suszone w stałej temperaturze 303 K przez 7 dni. Otrzymane suche żele były poddawane charakteryzacji właściwości hydrofilowo-hydrofobowych. Badano właściwości hydrofilowo-hydrofobowe uzyskanych hybrydowych układów żelowych – żelatyna/polisiloksany. Test chłonności wody: badaną próbkę materiału ważono a następnie umieszczano w zamkniętym naczyniu z woda destylowaną i termostatowano przez 24 h w temperaturze 313 K, następnie próbka była ponownie ważona i oznaczano chłonność wody. Wyniki chłonności przedstawiono w Tabeli 1. Badanie kąta zwilżania w układzie hybryda/woda: badania wyznaczenia kąta zwilżenia dla otrzymanych materiałów hybrydowych zostały przeprowadzone za pomocą goniometru marki KRUSS model DSA 100. Objętość dozowanej kropli wynosiła 10 l. 64 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Chłonność wody i kąt zwilżania dla hybrydowych układów żelowych Układ Chłonność [% w/w] Kąt Θ [o] Charakter Referencja – żelatyna sucha 422% 42 hydrofilowy IN311-1GENU50 92% 97 hydrofobowy IN311-1GEN 49% 113 hydrofobowy IN311-3GENU50 145% 88 hydrofilowy IN311-3GEN 98% 95 hydrofobowy Rysunek 1 IN311-1GENU50 Rysunek 2. IN311-1GEN Rysunek 3. IN311-3GENU50 Rysunek 4. IN311-3GEN Rysunek 5. Żelatyna niemodyfikowana 65 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Układy, w których stosowano jedynie modyfikator U311 (Rys. 2 i 4) wykazywały wyższe właściwości hydrofobowe w porównaniu do układów zawierających obok U311 również modyfikator U50 (Rys. 1 i 3). Dla wszystkich otrzymanych układów kąt zwilżenia jest znacznie wyższy od wzorcowej próby, jaką jest żelatyna bez dodatku modyfikatora. Zwiększona zawartość żelatyny w układzie przekładała się na wzrost charakteru hydrofilowego badanych próbek (Rys. 3 i 4). W przypadku wszystkich otrzymanych układów wprowadzenie modyfikatora silanowego prowadziło do zwiększania hydrofobowości materiału (Rys. 1–4) w stosunku do próbki referencyjnej (Rys. 5). Stosowanie organofunkcyjnych silanów do modyfikacji żelatyny może być bardzo skuteczną metodą regulowania właściwości hydrofilowo-hydrofobowych tego biopolimeru (Tab. 1). W konsekwencji, dzięki takiej modyfikacji możliwe jest precyzyjne projektowanie chłonności wody w układzie hybrydowym (Tab. 1). (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: [1] S. Smitha, P. Shajesh, P. Mukundan, T.D.R. Nair, K.G.K. Warrier (2007) Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55: 38-43 [2] H. J. Watzke, C. Dieschbourg (1994) Novel silica-biopolymer nanocomposites: the silica sol-gel process in biopolymer organogels, Advances in Colloid and Interface Science 50:1-14. [3] M. Schuleit, P. L. Luisi (2001) Enzyme immobilization in silica-hardened organogels, Biotechnology and Bioengineering 72:249-253. [4] D. M. Liu, I. W. Chen (1999) Encapsulation of protein molecules in transparent porous silica matrices via an aqueous colloidal sol–gel process, Acta Materialia 47:4535-4544. [5] G. L. Yuan, M. Y. Yin, T. T. Jiang, M. Y. Huang, Y. Y. Jiang (2000) Catalytic behaviors of silica-supported chitin– platinum complex for asymmetric hydrogenation of α-phenylethanol, Journal of Molecular Catalasis A: Chemical 159:45-50. [6] T. Jesionowski, A. Krysztafkiewicz (2002) Preparation of the hydrophilic/hydrophobic silica particles, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 207:49-58. [7] T. Jesionowski (2008) Synthesis and characterization of spherical silica precipitated via emulsion route, Journal of Materials Processing Technology 203:121-128. [8] J. F. Rabek (2008) Współczesna wiedza o polimerach. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo PWN, Warszawa. [9] E. Boanini, K. Rubini, S. Panzavolta, A. Bigi (2010) Chemico-physical characterization of gelatin films modified with oxidized alginate, Acta Biomaterialia, 6:383-388. [10] A. Bigi, G. Cojazzi, S. Panzavolta, N. Roveri, K. Rubini (2002) Stabilization of gelatin films by crosslinking with genipin, Biomaterials 23:4827-4832. [11] A. A. Karim, R. Bhat (2009) Fish gelatin: properties, challenges and prospects as an alternative to mammalian gelatins, Food Hydrocolloids 23:563-576. [12] A. Bigi, G. Cojazzi, S. Panzavolta, K. Rubini, N. Roveri (2001) Mechanical and thermal properties of gelatin films at different degrees of glutaraldehyde crosslinking, Biomaterials 22:763-768. [13] P. Pietras, R. Przekop, H. Maciejewski (2013) New approach to preparation of gelatine/sio2 hybrid systems by the sol-gel process, Ceramics-Silikáty 57:58-65. 66 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NANOCZĄSTKI ZŁOTA, CZYLI JAK WYKORZYSTAĆ METAL W WALCE Z NOWOTWORAMI Paweł Nalepa*, Jarosław Polański Zakład Chemii Organicznej, Instytut Chemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Szkolna, 40-009 Katowice * e-mail: [email protected] Nanocząstki złota (ang. Gold Nanoparticles, GNPs) są wspaniałym, biozgodnym materiałem, który znajduje zastosowanie w nowoczesnym obrazowaniu oraz w terapii przeciwnowotworowej [1]. Nanocząstki metali, w tym złota, zawdzięczają zainteresowanie sobą swoimi intrygującymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Co więcej, nawet niewielka zmiana w kształcie lub wielkości nanocząstek przekłada się na olbrzymie zmiany w ich właściwości [1]. Dlatego nanocząstki złota są obiektem takiego zainteresowania dzisiejszej nauki i dlatego też przeprowadzanych jest tak wiele badań i eksperymentów z ich udziałem. Nanocząstki złota (w postaci „nanokul”, „nanoprętów”, „nanoklatek”) mogą być używane w fototerapii (terapii fototermalnej) lub w nieinwazyjnym obrazowaniu, dzięki ich wysokiemu poziomowi absorpcji w zakresie tak zwanego okna terapeutycznego bliskiej podczerwieni (ang. near infrared, NIR). Nanocząstki same działają jak lek, bowiem w wielu typach nowotworów wykazują zdolność do preferencyjnego kumulowania się w komórkach guza, jednakże obecnie najbardziej obiecujące i interesujące kierunki badań dotyczą sprzęgania nanocząstek złota (i innych metali) z lekami, przeciwciałami lub innymi biomarkerami. Uzyskane w ten sposób koniugaty powinny (przynajmniej w teorii) skierować nanocząstki ściśle do komórek nowotworu, tak by terapia była prawdziwie terapią celowaną, a co za tym idzie, by była o wiele bardziej skuteczna i znacznie bardziej bezpieczna (bez skutków ubocznych). W literaturze można znaleźć wiele przykładów chemicznej lub biologicznej funkcjonalizacji nanocząstek [1,4]. Jednakże wciąż problemem pozostaje stabilność takich układów [1-3]. Choć same nanocząstki złota są stabilne nie tylko przez miesiące, ale nawet lata, koniugaty nanocząstek są często niestabilne, zwłaszcza w środowisku cechującym się wysokim stężeniem soli i białek, czyli środowisku wnętrza ludzkiego organizmu [2]. Dlatego też synteza bezpiecznych i stabilnych układów nanocząstek z lekami wciąż pozostaje znacznym wyzwaniem. W pracy przedstawione zostaną podstawowe metody syntezy nanocząstek oraz ich funkcjonalizacji. Omówione zostaną także metody badania ich właściwości fizykochemicznych oraz trwałości takich układów. Poruszona zostanie także tematyka związana z wykorzystaniem nanocząstek w obrazowaniu i leczeniu. 67 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] E. C. Dreaden, M.A. Mackey, X. Huang, B. Kang, M. A. El-Sayed (2011) Beating cancer in multiple ways using nanogold, Chemical Society Reviews 40:3391-3404. [2] J. Gao, X. Huang, H. Liu, F. Zan, J. Ren (2012) Colloidal stability of gold nanoparticles modified with thiol compounds: Bioconjugation and application in cancer cell imaging, Langmuir 28:4464-4471. [3] G. Park, D. Seo, I. S. Chung, H. Song (2013) Poly(ethylene glycol)- and carboxylate-functionalized gold nanoparticles using polymer linkages: Single-step synthesis, high stability, and plasmonic detection of proteins, Langmuir 29:13518-13526. [4] N. T. K. Thanh, L. A. W. Green (2010) Functionalisation of nanoparticles for biomedical applications, Nano Today, 5:213-230. 68 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PROCES SORPCJI METALOFTALOCYJANIN NA ADSORBENCIE POCHODZENIA NATURALNEGO Małgorzata Norman, Agnieszka Idczak, Alicja Radkiewicz, Jakub Zdarta, Przemysław Bartczak, Teofil Jesionowski* Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Ftalocyjaniny oraz ich pochodne znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki oraz przemysłu. Praktyczne właściwości tych związków wynikają przede wszystkim z ich zdolności do fotoindukowanego przeniesienia elektronów [1]. Wykorzystywane są w terapii fotodynamicznej, elektronice, ogniwach słonecznych, ciekłych kryształach oraz procesach katalitycznych [2-4]. Ftalocyjaniny mogą zawierać w swojej strukturze jony metali (np. Cu(II), Zn(II), Ni(II), Fe(II), Fe(III)) oraz grupy funkcyjne. Rodzaj podstawnika oraz metalu ma kluczowe znaczenie w kontekście fizykoi elektrochemicznych właściwości metaloftalocyjanin. W celu utworzenia układu heterogenicznego, umożliwiającego wielokrotne wykorzystanie katalitycznych właściwości MFC, łączy się te związki z szeregiem nośników [5,6]. W niniejszej pracy podjęto próbę zaadsorbowania sulfonowanej ftalocyjaniny żelaza(III) (Fe MFC) na materiale pochodzenia naturalnego, jakim są gąbki morskie z gatunki Hippospongia communis. Proces adsorpcji prowadzono z roztworów MFC o różnym stężeniu, w różnym pH, temperaturze, sile jonowej oraz w różnym czasie, aby określić wpływ tych parametrów na efektywność procesu. W celu określenia kinetyki procesu adsorpcji zostały użyte modele pseudo-pierwszego rzędu (PFO) i pseudo-drugiego rzędu (PSO). Ilość zaadsorbowanej metaloftalocyjaniny została określona na podstawie pomiarów spektrofotometrycznych. Wykonano również analizy FT-IR i EDS oraz zdjęcia SEM otrzymanych układów hybrydowych. Na podstawie uzyskanych rezultatów wykazano, iż szkielety gąbek morskich są efektywnym sorbentem sulfonowanej ftalocyjaniny żelaza (III). Kluczowym parametrem wpływającym na wydajność procesu jest kwasowość środowiska oraz obecność dodatkowych jonów (siła jonowa), co wynika z obecności specyficznych oddziaływań pomiędzy adsorbentem i adsorbatem. Dodatnio naładowane w środowisku kwaśnym grupy funkcyjne na powierzchni gąbki (NH3+) oddziałują ze zdysocjowanymi grupami sulfonowymi (SO3-) z metaloftalocyjaniny. Pomiędzy adsorbatem a adsorbentem występują oddziaływania elektrostatyczne odpychające, które ulegają zmniejszeniu wraz ze wzrostem siły jonowej, co finalnie skutkuje wzrostem zdolności adsorpcyjnej adsorbentu. Dodatkowo może występować agregacja cząstek Fe MFC, na co wpływają oddziaływania międzycząsteczkowe takie jak: siły van der Waalsa, oddziaływania jon-jon, dipol-dipol, które występują w roztworze pomiędzy jego cząsteczkami. Siły te ulegają zwiększeniu po dodaniu do roztworu barwnika soli NaCl. Podobnie, zwiększona zdolność 69 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. adsorpcji w takich warunkach procesu może być przypisana agregacji cząsteczek Fe MFC wywołanej działaniem jonów soli tzn., że jony soli „zmuszają” cząsteczki barwnika do gromadzenia się, zwiększając przy tym zakres sorpcji na powierzchni adsorbentu. Dane eksperymentalne wyznaczone dla kinetyki procesu adsorpcji bezpośrednio korespondują z modelem kinetycznym pseudo-drugiego rzędu, co jest potwierdzone przez wysoki współczynnik korelacji. Wyniki analizy FT-IR przedstawiono na rysunku 1, wskazują one na istnienie wiązań wodorowych pomiędzy szkieletem gąbki morskiej i MFC. Rysunek 1. Widma FTIR gąbek morskich, Fe MFC i układów otrzymanych z roztworów barwnika o stężeniu 400 i 600 mg/L (pH = 2, 0,1M NaCl). Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0506. Literatura: [1] K. Sakamoto, E. Okumura (2009) Syntheses and functional properties of phthalocyanines, Materials 2:1127-1179. [2] C. Lee, Y. Kwon, D. Choi, Y. Geerts, E. Koh, J. Jin (2010) High-temperature ferromagnetism of a discotic liquid crystal dilutely intercalated with iron(III) phthalocyanine, Advanced Materials 22:4405-4409. [3] S. Rismayani, M. Fukushima, H. Ichikawa, K. Tatsumi (2004) Decolorization of orange II by catalytic oxidation using iron (III) phthalocyanine-tetrasulfonic acid, Journal of Hazardous Materials B114:175-181. [4] V. Singh, R. Kanaparthi, L.Giribabu (2014) Emerging molecular design strategies of unsymmetrical phthalocyanines for dye-sensitizedsolar cell applications, RSC Advances 4:6970-6984. [5] A. Sorokin, A.Tuel (2000) Metallophthalocyanine functionalized silicas: catalysts for the selective oxidation of aromatic compounds, Catalysis Today 57:45-59. [6] Y. Pan, W. Chen, Y. Zhang (2004) A novel air-purifying material based on metallophthalocyanines supported on viscose fibre, Coloration Technology 120:66-71. 70 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODYFIKOWANE MEMEBRANY CHITOZANOWE W KONDENSATORZE ELEKTROCHEMICZNYM Krzysztof Nowacki*, Izabela Stępniak Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Chitozan [β–(1,4)–2–amino–2–deoksy–D–glukopiranoza] jest polimerem pochodzenia naturalnego, otrzymywanym przez deacetylację chityny. Jako nietoksyczny, biodegradowalny i łatwo ulegający modyfikacji jest materiałem szeroko stosowanym głównie w medycynie [1], ale również w innych dziedzinach elektrochemicznych np. elektrochemii (ogniwach, [2-5]. kondensatorach Zastosowanie chitozanu elektrochemicznych czy w urządzeniach sensorach) jako membrany/separatora lub składnika materiału elektrodowego, pozwala na uzyskanie urządzeń o wysokiej wydajności oraz redukcję kosztów produkcji i recyklingu. Celem badań było określenie wpływu modyfikacji membrany chitozanowej (CS) na podstawowe parametry kondensatora elektrochemicznego. Membrany chitozanowe otrzymano metodą wylewania, które następnie poddano modyfikacji [6] wykorzystują różne czynniki modyfikujące (aldehydu glutarowego, alginianu sodu, cytrynianu sodu, kwasu siarkowego(VI), siarczanu(VI) sodu, tripolifosforanu sodu oraz wodorotlenku sodu). W celu określenia wpływu zastosowanego modyfikatora na parametry membrany CS (surowej i zmodyfikowanej) przeprowadzono: • badanie stopnia pęcznienia (SD) w roztworze elektrolitu, • charakterystykę elektrochemiczną testowych komórek kondensatorowych (EDLCs). Na podstawie wyników określono zależność między rodzajem czynnika sieciującego a stopniem pęcznienia membrany oraz wpływ modyfikacji membrany na parametry elektrochemiczne EDLCs (pojemność, gęstość energii i mocy). W badaniach elektrochemicznych wykorzystano następujące metody: elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS), woltamperometrię cykliczną (CV) oraz galwanostatyczne ładowanie/rozładowanie. Najlepszymi parametrami elektrochemicznymi, charakteryzują się komórki kondensatorowe z membranami modyfikowanymi NaOH/CS (w i Na2SO4/CS 122 F∙g-1. 71 zakresie napięcia 0–1 V) 127 F∙g-1 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] C. Qin, H. Li, Q. Xiao, Y. Liu, J. Zhu, Y. Du (2006) Water-solubility of chitosan and its antimicrobial activity, Carbohydrate Polymers, 63:367-374. [2] M. Yamagata, K. Soeda, S. Ikebe, S. Yamazaki, M. Ishikawa (2013) Characteristics of electric double layer capacitors with an ionic liquid electrolyte containing Li Ion, Electrochemica Acta, 100:275-280. [3] N. A. Choudhury, P. W. C. Narthrop, A. C. Crothers, S. Jain (2012) Chitosan hydrogel-based electrode binder and electrolyte membrane for EDLCs: experimental studies and model validation, Journal of Applied Electrochemistry 42:935-943. [4] J. Ma, Y. Sahai (2013) Chitosan biopolymer for fuel cell applications, Carbohydrate Polymers 92:955-975. [5] S. Kawatsu (1998) Advanced PEFC development for fuel cell powered vehicles, Journal of Power Sources 71:150-155. [6] M. Pieróg, M. Gireszewska, J. Ostrowska–Czubenko (2009) Preparation and characterization of chitosan-insulintripolyphosphate membrane for controlled drug release: effect of cross linking agent, Progress on Chemistry and Application Chitin 14:75-82. 72 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYSTEMY DOSTARCZANIA LEKÓW OPARTE NA MATRYCY POLIMEROWEJ Kinga Olejniczak*, Agnieszka Szwak, Ewa Andrzejewska Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W pracy otrzymano matryce polimerowe z materiału, jakim był Eudragit E100. Przedstawiono wyniki badań uzyskanych dzięki połączeniu w różnych proporcjach polimeru z plastyfikatorem – gliceryną i zbadano właściwości materiału. Opracowane matryce połączono z Sumatryptanem – modelowym lekiem przeciwbólowym i zbadano wpływ leku na właściwości matrycy. Ostatnio duże zainteresowanie naukowców skupia się na biomedycznych polimerach stosowanych w systemach dostarczania leków. Zaprojektowane związki wielkocząsteczkowe pozwalają na dostarczenie substancji leczniczych do wybranych narządów i tkanek w organizmie ludzkim. Polimery stosowane w systemach terapeutycznych mają za zadanie dawkowanie lub uwalnianie leków w dokładnym czasie z kontrolowaną szybkością [1]. W systemach dostarczania leków takich jak: przezskórne, implantacyjne oraz doustne, próbuje się wdrożyć modyfikowane uwalnianie substancji czynnych [2]. Transdermalny (przezskórny) system dostarczania leków (TDDS) jest rodzajem kontrolowanego uwalniania leków. Jest nieinwazyjną metodą przezskórnego dostarczania substancji leczniczych zaprojektowaną w celu dawkowania terapeutycznie efektywnej ilości leku w odgórnie określonym czasie i z kontrolowaną prędkością [3]. Transdermalne środki farmakologiczne poddaje się intensywnym badaniom pod względem polepszania przenikalności substancji czynnych przez skórę oraz zwiększania liczby tych substancji, które można zastosować. TDDS jest atrakcyjną alternatywą dla doustnego lub pozajelitowego podawania leków, ponieważ zapewnia utrzymanie stężenia substancji czynnej na stałym poziomie, powyżej minimalnego stężenia terapeutycznego. Pozwala to uniknąć toksycznych stężeń oraz wahań ilości leku w osoczu. Transdermalne plastry wykorzystywane jako forma kontrolowanego uwalniania leków są łatwe w użyciu, mają dużą pojemność oraz zapewniają łatwe zakończenie kuracji, jeżeli zajdzie taka konieczność. Przezskórny sposób podawania leków pozwala uniknąć efektu pierwszego przejścia – metabolizmu wątrobowego [4]. W pracy podjęto próbę zaprojektowania transdermalnego systemu dostarczania leku opartego na matrycy wykonanej z Eudragitu E100 oraz dodatku gliceryny jako środka plastyfikującego. Gliceryna oprócz plastyfikowania układu jest ważnym czynnikiem zwiększającym penetrację leku przez skórę. Eudragit E 100 to kationowy kopolimer metakrylanu 2-N,N-dimetyloaminoetylu, metakrylanu butylu oraz metakrylanu metylu w stosunku 2:1:1, stosowany głównie w produkcji tabletek. Jako modelową 73 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. substancję czynną zastosowano Sumatryptan, który jest syntetycznym lekiem należącym do grupy tryptanów, stosuje się go w leczeniu klasterowych bólów głowy i migren. W badaniach metodą odlewania otrzymano próbki z mieszaniny kopolimeru metakrylanu 2-N,N-dimetyloetyloaminy (Eudragitu E100), gliceryny (oraz ew. leku) rozpuszczonych w izopropanolu. Folie o grubości 220 µm przygotowywano ze zmiennym stężeniem gliceryny, ale przy stałym stosunku wagowym Eudragit E 100 : Sumatryptan . Otrzymane próbki polimer/gliceryna wraz ze wzrostem stężenia plastyfikatora wykazywały większe zdolności elastyczne. Po przekroczeniu zawartości 35 % wag. gliceryny układ stawał się makroskopowo heterogeniczny (wypacanie gliceryny). Otrzymane folie polimer/plastyfikator/Sumatryptan w porównaniu do folii bez leku wykazywały większą elastyczność przy tej samej ilości gliceryny. Zbadano temperatury zeszklenia otrzymanych próbek metodą skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Wprowadzenie samego leku obniżało Tg Eudragitu o około 10 °C (z 44,0 do 34,17 °C) wskazując na jego plastyfikujący wpływ. Natomiast zastosowanie gliceryny do Eudragitu E 100 spowodowało obniżenie temperatury zeszklenia (Tg) tym większe, im większe było stężenie plastyfikatora w otrzymanych próbkach. Wyznaczone wartości Tg w funkcji stężenia gliceryny dla układu dwuskładnikowego (bez leku) przedstawiono na Rys. 1. W układzie polimer / gliceryna, faza Eudragitu pojawia się dla wszystkich stężeń gliceryny > 15% wag., natomiast coraz trudniej odczytać jest Tg fazy polimer/gliceryna. Świadczy to o coraz mniejszej rozpuszczalności Eudragitu w glicerynie. Czyli w małych stężeniach gliceryna rozpuszcza się w Eudragicie, a przy większych stężeniach gliceryny Eudragit nie rozpuszcza się w plastyfikatorze. Rysunek 1. Zależność Tg od stężenia gliceryny w układach Eudragit / plastyfikator oraz Eudragit/plastyfikator/lek. (1) – Tg fazy Eudragitu, (2) – Tg fazy Eudragit/gliceryna, (3) – Tg fazy Eudragit/Sumatryptan, Podsumowując można stwierdzić, że gliceryna może być plastyfikatorem dla Eudragitu E 100, 74 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. przy czym powinno się wprowadzać jej więcej niż kilkanaście procent, ze względu na utratę kompatybilności układu przy większych stężeniach. W małych stężeniach gliceryna rozpuszcza się w Eudragicie, a przy większych stężeniach plastyfikatora Eudragit nie rozpuszcza się w glicerynie. Dodatek Sumatryptanu zmniejsza rozpuszczalność gliceryny w polimerze. Dodatek gliceryny w ilości ok. 15 % jest wystarczający, aby matryca występowała w stanie wysokoelastycznym w temperaturze ciała ludzkiego. Wprowadzanie substancji leczniczej może wpłynąć na wartość Tg matrycy, dlatego skład procentowy systemu należy ustalać indywidualnie dla każdego leku. Literatura: [1] E. Oledzka, M. Sobczak (2012). Polymers in the pharmaceutical applications - Nnatural and bioactive initiators and catalysts in the synthesis of biodegradable and bioresorbable polyesters and polycarbonates, innovations in biotechnology, Dr. Eddy C. Agbo (Ed.), ISBN: 978-953-51-0096-6, InTech. [2] S. Güngör, M. Sedef Erdal ,Y. Özsoy (2012) Plasticizers in Transdermal Drug Delivery Systems, Recent Advances in Plasticizers, Dr. Mohammad Luqman (Ed.), ISBN: 978-953-51-0363-9, InTech. [3] S. Banerjee, P. Chattopadhyay, A. Ghosh, P. Datta, V. Veer (2014) Aspect of adhesives in transdermal drug delivery systems, International Journal of Adhesion & Adhesives 50:70-84. [4] A. Alexander, S. Dwivedi, Ajazuddin, T. K. Giri, S. Saraf, S. Saraf, D. K. Tripathi (2012) Approaches for breaking the barriers of drug permeation through transdermal drug delivery, Journal of Controlled Realase 164:26-40. 75 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE MODYFIKOWANEJ SKROBI JAKO POTENCJALNEGO MODYFIKATORA ROZPUSZCZANIA I SZYBKOŚCI ROZPUSZCZANIA NAPROKSENU Magdalena Paczkowska1*, Joanna Le Thanh-Blicharz2, Jacek Lewandowicz3, Bartłomiej Kubiak4, Judyta Cielecka-Piontek1 1 Katedra i Zakład Chemii Farmaceutycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań 2 Zakład Koncentratów Spożywczych i Produktów Skrobiowych, Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. Wacława Dąbrowskiego, ul. Starołęcka 40, 61-361 Poznań 3 Katedra Przyrodniczych Podstaw Jakości, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań 4 POLPHARMA SA, Dział Preformulacji, ul. Pelplińska 19, 83-200 Starogard Gdański * e-mail: [email protected] Według biofarmaceutycznego systemu klasyfikacji leków, rozpuszczanie w środowisku przewodu pokarmowego, jak również przenikanie przez błony biologiczne są kluczowymi parametrami w biodostępności leków podawanych doustnie [1]. Naproksen jest niesteroidowym lekiem przeciwzapalnym, stosowanym w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów, zapalenia kości i stawów. Charakteryzuje się słabą rozpuszczalnością w wodzie i niską szybkością uwalniania, co skutkuje niską biodostępnością. Z powodu niskiej biodostępności oraz występowania wielu działań niepożądanych ze strony przewodu pokarmowego, jego zastosowanie staje się ograniczone. W związku z tym wiele prac zostało poświęconych zastosowaniu substancji pomocniczych jako modyfikatorów postaci leku, w tym zastosowano chitozan [2] lub kompleksowanie z pochodnymi β-cyklodekstyny [3, 4] w celu zwiększenia rozpuszczalności naproksenu. Innym modyfikatorem stosowanym w celu opracowania nośników leków do kontrolowanego podania jest skrobia i jej pochodne [5-8]. Fosforany skrobiowe stanowią grupę najwcześniej wprowadzonych na rynek i do dzisiaj powszechnie stosowanych skrobi modyfikowanych. Proces tworzenia fosforanów skrobiowych może być prowadzony dwoma sposobami: (a) – tak, aby reszta kwasu fosforowego łączyła się tylko z jedną grupą hydroksylową skrobi; tworzy się wówczas fosforan jednoskrobiowy E 1410; ilość zawartego fosforu wynosi maksymalnie 0,5 %; (b) – tak aby cząsteczka związku fosforowego łączyła się z dwoma grupami hydroksylowymi różnych cząsteczek skrobi; zachodzi proces usieciowania, tworzy się fosforan dwuskrobiowy E 1412 [9]. Celem niniejszej pracy było zbadanie możliwości zwiększenia rozpuszczalności i szybkości rozpuszczania naproksenu poprzez zastosowanie zmodyfikowanej skrobi. Trzy fosforany jednoskrobiowe (w postaci „Hot Soluble” – „HS” i „Cold Soluble” – „CS”), stanowiące składnik otoczki tabletek, otrzymano według polskiego zgłoszenia patentowego. Oznaczono zawartość fosforu w otrzymanych fosforanach jednoskrobiowych metodą miareczkową. W tym celu odważono do zlewki o poj. 250 ml 10 g próbki z dokładnością do 0,1 g. Dodano 100 ml wody 76 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. destylowanej i przy pomocy 6N kwasu solnego nastawiono pH na 2,0. Zawiesinę mieszano w czasie ok. 5 min i odwirowywano przy obrotach 1800 obr/min w czasie ok. 3 min. Supernatant odrzucono, pozostałość wymieszano ponownie ze 100 ml destylowanej wody i utworzoną zawiesinę odwirowano. Drugi supernatant również odrzucono a pozostałość ilościowo przeniesiono do zlewki o poj. 400 ml zawierającej 100 ml wody destylowanej. Zawiesinę miareczkowano przy pomocy 0,2N NaOH oznaczając objętość ługu zużytą przy pH 5,0 i 9,5. Zawartość fosforu związanego obliczono ze wzoru: gdzie: P - zawartość fosforu związanego, A - ilość 0,2N NaOH zużyta do pH 9,5, B - ilość 0,2N NaOH zużyta do pH 5,0, N - normalność NaOH, DS - zawartość suchej masy w próbce badanej. W celu potwierdzenia właściwego przeprowadzenia reakcji estryfikacji dla zastosowaniem skrobi oznaczono zawartość przyłączonego fosforu w próbkach, która wynosiła odpowiednio dla skrobi „Hot Soluble” 0,006 % („HS”), a dla dwóch skrobi „Cold Soluble” 0,006 % („CS”) i 0,028% („CS2x”). Układy binarne naproksenu i skrobi zostały przygotowane z zastosowaniem młyna kulowego (Retsch MM400) w 3 stosunkach wagowych: 1:1, 1:10 i 10:1. Widma absorpcyjne w zakresie podczerwieni składników badanych układów oraz badanych układów zostały zarejestrowane przy pomocy spektrofotometru fourierowskiego FT-IR firmy Bruker Equinox 55 wyposażonego w mikroskop Bruker Hyperion 1000. Pomiar przeprowadzono w zakresie od 400 do 700 cm-1. Pomiary widm rozproszenia Ramana i w podczerwieni składników badanych układów oraz badanych układów zostały wykonane przy użyciu spektrometru LabRAM HR800 firmy HORIBA JobinYvon, przy długości fali wzbudzającej lasera λ=633 nm (laser He-Ne). Widma zarejestrowano w zakresie od 100 do 3500 cm-1. Oznaczenie stężenia naproksenu prowadzono metodą UHPLC-DAD stosując jako fazę stacjonarną: kolumnę Waters Acquity BEH C18 (100 mm x 2,1 mm x 1,7 μm), jako fazę ruchomą: mieszaninę 0,1 % kwasu mrówkowego i acetonitrylu (60:40 v/v), szybkość przepływu fazy ruchomej: 0,5 ml/min i wielkość nastrzyku: 5 μm. Długość fali detekcji wynosiła 235 nm, a temperatura kolumny 30°C [10]. Badania rozpuszczalności naproksenu przeprowadzono w wodzie, 0,1M kwasie solnym i buforze fosforanowym o pH ~ 6,9. Badania dostępności farmaceutycznej prowadzono zgodnie z wytycznymi przewodników farmakopealnych [11]. W badaniach dostępności stosowano jako medium 0,1M HCl (symulacja środowiska żołądka) ze zmianą na bufor fosforanowy (pH ~ 6,9) (jako odzwierciedlenie pH środowiska jelita). Proces uwalniania prowadzono w aparacie łopatkowym (Agilent 708-DS) z prędkością obrotów łopatki 50 obr/min i temperaturą łaźni 37 ± 0,5 °C. Pobrane próby przesączono przez 77 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. filtr strzykawkowy 0,45 μm. Ocena zmian stężenia naproksenu badano z zastosowaniem opracowanej metody UHPLC-DAD. Oznaczanie zmian stężenia naproksenu podczas badań rozpuszczalności i dostępności farmaceutycznej przeprowadzono stosując metodę UHPLC z detekcją spektrofotometryczną. Opracowana metoda UHPLC-DAD została uprzednio walidowana w odniesieniu do selektywności oznaczeń, liniowości, precyzji, dokładności i wyznaczania limitów wykrywalności oraz oznaczalności naproksenu w wodzie, 0,1M kwasie solnym i buforze fosforanowym (pH ~ 6,9). Oznaczanie zmian stężenia naproksenu wykazało brak rozkładu substancji aktywnej w trakcie preparatyki układów binarnych, jak również potwierdziło brak powstawania produktów rozkładu w trakcie badań rozpuszczalności. Analiza możliwości modyfikacji profilu opisującego szybkość uwalniania naproksenu z połączenia ze skrobią wskazała, że modyfikacja ta pozwoliła na osiągnięcie większych wartości rozpuszczalności w krótszym czasie, w porównaniu do czystego naproksenu. Wszystkie uzyskane profile uwalniania potwierdziły utrzymywanie się maksymalnego stężenia naproksenu przez czas 2 h. Wszystkie zaproponowane układy wykazywały większą (2-10 razy) maksymalną rozpuszczalność i szybkość rozpuszczania w porównaniu do samego naproksenu. Największy stopień rozpuszczania (najwyższe osiągnięte stężenie naproksenu) uzyskano dla połączenia naproksen-skrobia „CS2x” w stosunku 10:1 a rozpuszczalność naproksenu w tym układzie była 10 razy większa niż czystego naproksenu. Układ naproksen-skrobia „CS” w stosunku wagowym 1:10 wykazuje potencjalne możliwości zastosowania jako układu modyfikującego uwalnianie w czasie. Połączenie naproksenu z modyfikowaną skrobią okazało się funkcjonować jako korzystny układ zwiększający rozpuszczalności oraz szybkości rozpuszczania naproksenu. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/N/NZ7/01479. Literatura: [1] G. L. Amidon, H. Lennernäs, V. P. Shah, J. R. Crison JR (1995) A theoretical basis for a biopharmaceutic drug classification: the correlation of in vitro drug product dissolution and in vivo bioavailability, Pharmaceutical Research 12:413420. [2] F. Maestrelli, N. Zerrouk, C. Chemtob, P. Mura (2004) Influence of chitosan and its glutamate and hydrochloride salts on naproxen dissolution rate and permeation across Caco-2 cells, International Journal of Pharmaceutics 271:257-267. [3] P. Mura, G. P. Bettinetti, M. Cirri, F. Maestrelli, M. Sorrenti, L. Catenacci (2005) Solid-state characterization and dissolution properties of Naproxen-Arginine-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin ternary system, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 59:99-106. [4] B. Lee, J. Lee (1995) Enhancement of solubility and dissolution rate of poorly water-soluble naproxen by complexation with 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin, Archives of Pharmacal Research 18(1):22-26. 78 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [5] W. Błaszczak, A. Buciński, A. R. Górecki (2015) In vitro release of theophylline from starch-based matrices prepared via high hydrostatic pressure treatment and autoclaving, Carbohydrate Polymers 117:25-33. [6] A. Lopez-Cordoba, L. Deladino, M. Martino (2014) Release of yerba mate antioxidants from caorn starch-alginate capsules as affected by structure, Carbohydrate Polymers 99:150-157. [7] S. B. Nair, A Jyothi, (2013) Cassava starch-konjacglucomannan biodegradable blend films: In vitro study as a matrix for controlled drug delivery, Starch 65:273-284. [8] H. Ismail, M. Irani, Z. Ahmad (2013) Starch-based hydrogels: Present status and applications, International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials 62:411-420. [9] G. Lewandowicz, A. Walkowski, J. Gawęcki, (1999) Fosforany skrobiowe – charakterystyka, funkcje technologiczne i żywieniowe, Przemysł Spożywczy 3:34-36. [10] Farmakopea Polska wyd. VII (2006) 337-343. [11] P. Garbacki, P. Zalewski, M. Paczkowska, A. Talaczyńska, J. Cielecka-Piontek (2015) Opracowanie metody UHPLCDAD do badań trwałości, rozpuszczalności i zgodności naproksenu, IX Polska Konferencja Chemii Analitycznej, Poznań, Book of asbstracts: PC-8. 79 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MONOLITYCZNE MATERIAŁY POLIMEROWO-CERAMICZNE NA BAZIE POLI(ALKOHOLU WINYLOWEGO) Michał Czerwiński, Monika Pietrzyńska*, Adam Voelkel Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Poli(alkohol winylowy) PVA jest jednym z najczęściej stosowanych biomateriałów. Znajduje zastosowanie do produkcji opatrunków, materiałów antybakteryjnych, czy też protez. Ponadto jest on hydrofilowy i dobrze rozpuszczalny w wodzie, co ułatwia syntezę. PVA jako materiał monolityczny charakteryzuje się dużą powierzchnią właściwą i dużą porowatością, a dodatkowo posiada unikatową właściwość: przypomina topograficznie cechy występujące w naturalnej macierzy pozakomórkowej. Połączenie monolitycznego materiału polimerowego o tak licznych zaletach, z hydroksyapatytem sprawia, że uzyskany monolityczny biokompozyt ma duży potencjał do zastosowania w inżynierii tkankowej [1-3]. Celem badań było przygotowanie oraz zbadanie właściwości porowatego monolitycznego materiału, symulującego ludzką kość. Materiał taki mógłby być wykorzystany do produkcji implantów a także posłużyć do badania sorpcji i resorpcji obecnie stosowanych leków przeciw osteoporozie. Podstawowym kryterium, którym kierowano się przy wyborze odpowiednich materiałów do syntezy była ich biokompatybilność, otrzymywany materiał monolityczny nie może być toksyczny dla organizmu człowieka. Syntezowany materiał powinien mieć także porowatą strukturę umożliwiającą sorpcję, podobną do struktury ludzkiej kości. Ponadto materiał ten powinien zapewniać dobry przepływ cieczy po wpływem przyłożonego ciśnienia. Z wykorzystywanych materiałów monolitycznych najbardziej obiecujące właściwości mają materiały polimerowe, ze względu na łatwą syntezę i modyfikację chemiczną. Materiały te cechują się także wysoką stabilnością w środowisku o szerokim zakresie pH, biokompatybilnością oraz dużą szybkością przenoszenia masy. Aby uzyskać materiał zbliżony w strukturze do ludzkiej kości, monolityczny PVA zmodyfikowano wprowadzając do niego hydroksyapatyt (HA), który jest głównym związkiem nieorganicznym występującym w ludzkim ciele. Wprowadzenie HA na powierzchnię poli(alkoholu winylowego) pozwoliło uzyskać materiał, który jest jednocześnie porowaty oraz umożliwia sorpcję, dzięki grupom funkcyjnym hydroksyapatytu. Polimerowe materiały monolityczne przygotowuje się zazwyczaj w reakcji polimeryzacji wolnorodnikowej, addycyjnej czy też polikondensacji. W przeprowadzonych badaniach przygotowano materiał monolityczny stosując rozdrobniony polimer, a nie monomer. 80 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Przygotowano szereg różnych monolitycznych materiałów - zarówno zawierających, jak i nie zawierających HA w pierwotnej postaci. Następnie na przygotowane materiały naniesiono hydroksyapatyt, poprzez naprzemienne przemywanie w roztworach chlorku wapnia w TRIS-HCl oraz wodorofosforanu sodu w wodzie. W rezultacie otrzymano materiały, o różnej zawartości hydroksyapatytu, różnej ilości dodanego czynnika sieciującego oraz o różnej ilości HA na powierzchni materiałów. Za pomocą metod FTIR, ATR oraz EDS potwierdzono obecność hydroksyapatytu w przygotowanych materiałach oraz na ich powierzchni. Za pomocą techniki BET oraz SEM potwierdzono porowatą strukturę materiału. Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, numer projektu: 03/32/PNCN/2829 Literatura: [1] X. Sun, H. Uyama (2014) In situ mineralization of hydroxyapatite on poly(vinyl alcohol) monolithic scaffolds for tissue engineering, Colloid Polymer Science 292:1073-1078. [2] J. Krenkova, F. Foret, F. Svec, (2012) Less common applications of monoliths: V. Monolithic scaffolds modified with nanostructures for chromatographic separations and tissue engineering, Journal of Separation Science 35:1266-1283. [3] X. Sun, T. Fujimoto, H. Uyama (2013) Fabrication of a poly(vinyl alcohol) monolith via thermally impacted non-solventinduced phase separation, Polymer Journal 45:1101-1106. 81 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. STRZĘPKA GRZYBÓW MIKORYZY ARBUSKULARNEJ JAKO BIOMATERIAŁ IMMOBILIZUJĄCY METALE CIĘŻKIE Monika Rajtor*, Zofia Piotrowska-Seget Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice * e-mail: [email protected] Grzyby mikoryzy arbuskularnej (MA) to obligatoryjne endosymbionty roślin należące do gromady Glomeromycota. Szacuje się, że wchodzą one w interakcje z korzeniami 80-90 % gatunków roślin naczyniowych. Są obecne w niemal wszystkich ekosystemach lądowych i stanowią najpowszechniejszy rodzaj symbiozy mikroorganizmów z roślinami [1]. Partner grzybowy otrzymuje od gospodarza roślinnego do 20 % węgla związanego w procesie fotosyntezy, w zamian dostarczając roślinie substancje odżywcze i wodę [2]. Grzyby MA są powszechnie obecne w środowiskach zanieczyszczonych, gdzie ich rola we wspomaganiu wzrostu roślin i ochronie roślin przed czynnikami stresowymi jest szczególnie istotna. Liczne badania wykazały, że grzyby MA prezentują wysoki potencjał we wspomaganiu fitoremediacji gleb skażonych metalami ciężkimi. Struktury mikoryzowe są zdolne do unieruchamiania metali ciężkich, co znacznie ogranicza ich toksyczny wpływ na rośliny [3]. Grzyby MA rozwijają się nie tylko wewnątrz korzeni roślin, ale tworzą rozległą sieć mikoryzową, która przerasta ogromne obszary gleby, wydłużając zasięg ryzosfery o kilka rzędów wielkości [4]. Długość strzępki grzybowej w jednym gramie gleby może dochodzić do kilku metrów, przy czym jej powierzchnia absorpcyjna jest około 100-krotnie wyższa niż takiej samej masy korzeni [5]. W środowisku skolonizowanym przez grzyby MA wyróżniamy mykoryzosferę, a poza nią mykosferę, strefę wolną od korzeni, gdzie metale ciężkie wiązane są jedynie przez struktury grzybowe [3,6]. Mikoryza arbuskularna pozwala zatem zniwelować główną wadę fitoremediacji, jaką jest ograniczony dostęp korzeni do zanieczyszczeń zlokalizowanych w głębszych warstwach gleby. Fitoremediacja metali ciężkich wspomagana grzybami MA została określona terminem mikoryzoremediacji [3]. Wyniki licznych eksperymentów nad fitoremediacją wspomaganą grzybami MA, sugerują że regulują one pobieranie metali ciężkich przez rośliny w zależności od ich stężenia w glebie. Rośliny mikoryzowe w porównaniu z niemikoryzowymi pobierają większe ilości metali ciężkich, jeżeli ich zawartość w glebie jest niska. Natomiast, jeżeli stężenie metali ciężkich w glebie jest wysokie, rośliny mikoryzowe pobierają mniej metali ciężkich, niż rośliny nieinokulowane grzybami MA [7]. Strzępka grzybów MA działa jak ochronny biofiltr immobilizujący metale ciężkie, prowadząc do ich akumulacji w systemie korzeniowym. Tę właściwość grzybów MA wykorzystuje się w technikach fitostabilizacji gleb skażonych metalami ciężkimi [3,8-11]. Analiza rozmieszczenia metali ciężkich w korzeniach mikoryzowych i niemikoryzowych ujawniła, że kora pierwotna korzeni skolonizowanych przez grzyby 82 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MA akumuluje dużo więcej metali ciężkich, a szczególnymi strukturami odpowiedzialnymi za ich depozycję są pęcherzyki grzybów MA [12,13]. Ilość pęcherzyków jest zazwyczaj pozytywnie skorelowana z ilością metali ciężkich zakumulowanych w korzeniu [9]. Badania wykazały, że grzybnia ekstramatrykalna (zewnątrzkorzeniowa) wykazuje większe powinowactwo do wiązania metali ciężkich niż zmikoryzowane korzenie. Strzępka szczepu Glomus intraradices wyizolowanego z terenów skażonych kadmem akumulowała 20 razy więcej kadmu niż korzenie mikoryzowe i 10 razy więcej niż korzenie niemikoryzowe [14]. W przypadku szczepu Glomus mosseae wyizolowanego z gleby o 60-letniej historii przemysłowego skażenia metalami ciężkimi wykazano, że strzępka może związać do 0,5 mg Cd/mg suchej masy grzybni, co jest wartością 3-krotnie wyższą w porównaniu do grzybów MA nietolerujących metali ciężkich i 10-krotnie wyższą względem Rhizopus arrhizus (Zygomycota), grzyba który jest powszechnie stosowanym organizmem w biosorpcji metali ciężkich [15]. Badania ultrastrukturalne strzępki grzybów MA ujawniły, że główną strukturą biorącą udział w biernej sorpcji metali ciężkich jest bogata w chitynę i chitozan ściana komórkowa [16,17]. Polimery te zawierają wolne i acetylowane grupy aminowe, a także hydroksylowe o ujemnym ładunku, które wydajnie kompleksują kationy metali ciężkich [18]. Stężenie metali ciężkich w cytoplazmie grzybów MA jest bardzo niskie. Głównym miejscem ich aktywnego wiązania są wodniczki, co ogranicza ich toksyczny wpływ na struktury komórkowe. Wodniczki zawierają polifosforany oraz komponenty z grupami tiolowymi, jak glutation, fitochelatyny i metalotioneiny [19,20]. Wykazano, że wodniczki o wysokiej zawartości miedzi są głównie gromadzone w zarodnikach [17,19]. Kolejnym mechanizmem wykorzystywanym przez grzyby mikoryzy arbuskularnej do wewnątrzi zewnątrzkomórkowej immobilizacji metali ciężkich jest produkcja glomaliny. Glomalina to białko będące homologiem białka szoku cieplnego 60. Jest gromadzona głównie w wewnętrznej warstwie ściany komórkowej grzybni oraz spor, skąd wydzielana jest do gleby [21]. Glomalina wydajnie kompleksuje metale ciężkie i wraz z nimi, może być łatwo ekstrahowana z gleby. González-Chávez i wsp. (2004) w wyniku ekstrakcji glomaliny z zanieczyszczonej gleby usunęli 4,3 mg Cu; 0,08 mg Cd i 1,12 mg Pb na gram glomaliny. Po wprowadzeniu CuSO4 do roztworu czystej glomaliny, wyizolowanej ze strzępki Gigaspora rosea, uzyskano sekwestrację miedzi na poziomie 28 mg Cu/g glomaliny [22]. W glebie skażonej miedzią 27,5 % całkowitej jej zawartości było związane z glomaliną [23]. Vodnik i wsp. (2008) wykazali, że ilość glomaliny w glebie jest pozytywnie skorelowana z ilością metali ciężkich. W glebie skażonej ołowiem, glomalina stanowiła do 21,2 % całkowitej materii organicznej i kompleksowała do 15,5 % całkowitej zawartości ołowiu w glebie [24]. Grzyby MA są powszechnie obecne w ekosystemach na całym świecie, ich wyselekcjonowane, zaadoptowane do określonych warunków szczepy, mogą stanowić funkcjonalny biomateriał immobilizujący metale ciężkie oraz wspomagać rozwój szaty roślinnej, w procesie fitoremediacji terenów zdegradowanych, skażonych metalami ciężkimi. 83 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] S. E. Smith, D. J. Read (2008) Mycorrhizal symbiosis. Academic Press, Amsterdam, Holandia. [2] D. P. Wright, D. J. Read, J. D. Scholes (1998) Mycorrhizal sink strength influences whole plant carbon balance of Trifolium repens L. Plant, Cell and Environment 21:881-891. [3] C. Leyval, E. J. Joner, C. Del Val, K. Haselwandter (2002) Potential of arbuscular mycorrhizal fungi for bioremediation, w: Mycorrhizal technology in agriculture: From genes to bioproducts, Springer Verlag, Birkhäuser, Niemcy. [4] M. G. van der Heijden, T. R. Horton (2009) Socialism in soil? The importance of mycorrhizal fungal networks for facilitation in natural ecosystems, Journal of Ecology 97:1139-1150. [5] A. G. Khan, C. Kuek, T. M. Chaudhry, C. S. Khoo, W. J. Hayes (2000) Role of plants, mycorrhizae and phytochelators in heavy metal contaminated land remediation, Chemosphere 41:197-207. [6] G. Andrade, K.L. Mihara., R.G. Linderman, G.J. Bethlenfalvay (1997) Bacteria from rhizosphere and hyphosphere soils of different arbuscular-mycorrhizal fungi. Plant and Soil 191(1):71-79. [7] P. Audet, C. Charest (2007) Dynamics of arbuscular mycorrhizal symbiosis in heavy metal phytoremediation: Metaanalytical and conceptual perspectives, Environmental Pollution 147:609-614. [8] A. Medina, N. Vassilev, J.M. Barea, R. Azćon (2005). Application of Aspergillus niger-treated agrowaste residue and Glomus mosseae for improving growth and nutrition of Trifolium repens in a Cd-contaminated soil, Journal of Biotechnology 16:369-378. [9] X. Chen, C. Wu, J. Tang, S. Hu (2005) Arbuscular mycorrhizae enhance metal lead uptake and growth of host plants under a sand culture experiment, Chemosphere 60:665-671. [10] B.D. Chen, Y.-G. Zhu, J. Duan, X.Y. Xiao, S.E. Smith (2007) Effects of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus mosseae on growth and metal uptake by four plant species in copper mine tailings. Environmental Pollution 147: 374-380. [11] R. Sudová, M. Vosátka (2007) Differences in the effect of three arbuscular mycorrhizal fungal strains on P and Pb accumulation by maize plants, Plant and Soil 296(1-2):77-83. [12] I. M. Weiersbye, C. J. Straker, W. J. Przybyłowicz (1999) Micro-PIXE mapping of elemental distribution in arbuscular mycorrhizal roots of the grass, Cynodon dactylon, from gold and uranium mine tailings, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 158:335-343. [13] E. Orłowska, J. Mesjasz-Przybyłowicz, W. Przybyłowicz, K. Turnau (2008) Nuclear microprobe studies of elemental distribution in mycorrhizal and non-mycorrhizal roots of Ni-hyperaccumulator Berkheya coddii, X-Ray Spectrometry 37:129132. [14] M. Janouškova, D. Pavlikova, T. Macek, M. Vosatka (2005) Arbuscular mycorrhiza decreases cadmium phytoextraction by transgenic tobacco with inserted metallothionein, Plant and Soil 272:29-40. [15] E. J. Joner, R. Briones, C. Leyval (2000) Metal binding capacity of arbuscular mycorrhizal fungi, Plant and Soil 226:227234. [16] A. Gollote, C. Cordier, M. C. Lemoine, V. Gianinazzi-Pearson (1997) Role of fungal wall components in interactions between endomycorrhizal symbionts, w: Eukaryotism and Symbiosis, Springer, Berlin, Niemcy. [17] M. González-Guerrero, L. H. Melville, N. Ferrol, J. N. A. Lott, C. Azcón-Aguilar, R. L. Peterson (2008) Ultrastructural localization of heavy metals in the extraradical mycelium and spores of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices, Canadian Journal of Microbiology 54:103-110. [18] G. Naja, B. Volesky (2011) The Mechanism of cation and anion biosorption, w: Microbial biosorption of metals, Springer, Berlin, Niemcy. 84 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [19] N. Ferrol, M. González-Guerrero, A. Valderas, K. Benabdellah, C. Azcón-Aguilar (2009) Survival strategies of arbuscular mycorrhizal fungi in Cu-polluted environments, Phytochemistry Reviews 8:551-559. [20] S. Sarastwat, J.P.N Rai (2011) Mechanism of metal tolerance and detoxification in mycorrhizal fungi, w: Biomanagement of metal-contaminated soil, Springer, Berlin, Niemcy. [21] S. Purrin, M.C, Rilling (2008) Immuno-cytolocalization of glomalin in the mycelium of the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices, Soil Biology and Biochemistry 40:1000-1003. [22] M.C. González-Chávez, R. Carrillo-González, S.F. Wright, K.A. Nichols (2004) The role of glomalin, a protein produced by arbuscular mycorrhizal fungi, in sequestering potentially toxic elements, Environmental Pollution 130: 317-323. [23] B. Cornejo, S. Meier, G. Borie, M. C. Rilling, F. Borie (2008) Glomalin-related soil protein in a Mediterranean ecosystem affected by a copper smelter and its contribution to Cu and Zn sequestration, Science of the Total Environment 406: 154-160. [24] D. Vodnik, H. Grčman, I. Macek, J. T Van Elteren, M. Kovacevic (2008) The contribution of glomalin-realated soil protein to Pd and Zn sequestration in polluted soil, Science of the Total Environment 392:130-136. 85 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMPOZYTY NA BAZIE POLIMERÓW PRZEWODZĄCYCH DO CELÓW ELEKTROANALITYCZNYCH Joanna Przepióra, Tomasz Rębiś*, Bożena Karbowska, Grzegorz Milczarek Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,61-138 Poznań * e-mail:tomasz.rebis.put.poznan.pl Sensory elektrochemiczne są ważną grupą sensorów chemicznych. Znalazły one szerokie zastosowanie w analizie leków [1,2], metali ciężkich [3] lub biomolekuł [4]. Do zalet sensorów elektrochemicznych zalicza się możliwość wykonania pomiaru w bardzo krótkim czasie, przy zachowaniu dużej czułości i selektywności. Ponadto nie wymagają one skomplikowanej i drogiej aparatury pomiarowej oraz umożliwiają monitoring w układzie przepływowym. Jednym z najciekawszych obszarów, w którym zastosowanie znalazły sensory elektrochemiczne (głównie amperometryczne) jest diagnostyka medyczna, gdzie sporym wyzwaniem jest umiejętność selektywnego i wysoce czułego oznaczania związków chemicznych o istotnym znaczeniu biologicznym, takich jak: glukoza, kwas askorbinowy, dopomina czy dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH). Monitorowanie ich zawartości w organizmie ludzkim jest niezbędne w celu wykrywaniu licznych chorób [5]. Elektrody modyfikowane są powszechnie wykorzystywane do konstrukcji sensorów elektrochemicznych w celu poprawy ich czułości, selektywności oraz właściwości elektrokatalitycznych. W związku z tym obserwuje się bardzo dynamiczny rozwój badań poświęconych nowym materiałom elektrodowym poprawiającym właściwości użytkowe sensorów elektrochemicznych. Współczesnym celem staje się konstruowanie sensorów z materiałów przyjaznych środowisku, odnawialnych oraz tanich i wykazujących wysokie właściwości katalitycznych [6,7]. Polimery zawierające sprzężone wiązania π, zdolne do przewodzenia ładunku elektrycznego, posiadają szereg bardzo interesujących właściwości, które umożliwiają ich szerokie zastosowanie w elektrochemii [8]. Polimery przewodzące wykorzystywane były niemalże we wszystkich działach elektrochemii, wśród których do najważniejszych zaliczyć można: sensory i biosensory amperometryczne, elektrody modyfikowane do celów elektrokatalizy, baterie i superkondensatory, polimerowe ogniwa fotowoltaiczne, oraz urządzenia elektrochromowe [9]. Do najbardziej rozpowszechnionej grupy polimerów przewodzących należą polimery zawierające grupy aromatyczne, będące pochodnymi takich monomerów jak anilina, pirol i tiofen oraz ich mono- i wielopodstawione pochodne. Jest to głównie związane z wysoką stabilnością tych materiałów w stanie przewodzącym, wysokim przewodnictwem właściwym oraz względnie łatwą syntezą chemiczną lub elektrochemiczną. Zastosowanie polimerów przewodzących w elektroanalizie jest dość szeroko opisane w literaturze 86 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [1-4,10]. Dotychczas wykazano silne właściwości elektrokatalityczne wybranych polimerów przewodzących co umożliwia oznaczenie wielu substancji z większą czułością i selektywnością w porównaniu do elektrody niemodyfikowanej [11]. Ligniny są drugimi pod względem rozpowszechnienia na Ziemi naturalnymi polimerami, stanowiącymi obok celulozy, podstawowy składnik drewna (stanowią 20-30 % masy drewna). Lignosulfoniany są pochodnymi lignin powstającymi jako produkt odpadowy podczas przemysłowej produkcji papieru. Ekstrakcja lignin w skali przemysłowej generuje duże ilości lignosulfonianów co sprawia, że biopolimer ten jest surowcem bardzo tanim. Ze względu na zawartość w strukturze licznych grup sulfonowych, charakteryzuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie. Posiada również dobre właściwości adsorpcyjne (obecność grup aromatycznych) oraz niedawno odkryte, ciekawe właściwości elektrochemiczne, które mogą stanowić w przyszłości najistotniejszą cechę tych biopolimerów [12,13]. Zawierają one bowiem w strukturze liczne grupy metoksyfenolowe, których utlenienie elektrochemiczne powoduje wytworzenie elektroaktywnych, odwracalnych grup chinon/hydrochinon. Grupy te wykazują silne właściwości elektrokatalityczne w stosunku do wielu związków pochodzenie biologicznego. W przeszłości lignosulfoniany były używane jako związki modyfikujące powierzchnię elektrody roboczej [12]. Badania dotyczyły elektrod modyfikowanych monowarstwami lignin (film Langmuira-Blodgett), a uzyskane wyniki dowodziły silnego efektu katalizującego utlenienie kwasu askorbinowego oraz NADH, spowodowanego ligninowym modyfikatorem [14]. Celem pracy lignosulfonian/polimer elektrokatalitycznymi jest synteza przewodzący, oraz bioorganicznych charakteryzujących zwiększoną pojemnością kompozytów się przewodzących ulepszonymi gromadzenia ładunku typu właściwościami elektrycznego. Zaproponowana koncepcja zakłada, że obecne w elektrolicie ujemnie naładowane lignosulfoniany będą w trakcie elektropolimeryzacji wybranych monomerów (pirol, 3,4-etylenodioksytiofen (EDOT), anilina), wkomponowywały się w powstającą dodatnio naładowaną matrycę polimerową na skutek elektrostatycznego oddziaływania. Trwała immobilizacja lignosulfonianów w matrycy polimerowej umożliwia zwiększenie pokrycia powierzchni grupami elektroaktywnymi (chinon/hydrochinon). Umożliwia to zwiększenie aktywności elektrochemicznej, związanej z odwracalnymi reakcjami faradajowskimi, pochodzącymi od grup chinon/hydrochinon zawartych w lignosulfonianach. Wstępny etap optymalizacji warunków syntezy polegał na doborze odpowiednich stężeń substratów (lignosulfonian, monomer), optymalnego elektrolitu podstawowego, a także doborze gęstości prądu i czasu polimeryzacji. Miało to na celu otrzymanie kompozytów składających się z jak największej ilości wkomponowanego lignosulfonianu, przy zachowaniu wysokiego przewodnictwa i odwracalności procesów redoks. W celu przygotowania elektrody wykorzystano standardowy układ trójelektrodowy, w którym elektrodą roboczą była dyskowa elektroda złota, elektrodę referencyjną stanowiła elektroda 87 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. chlorosrebrowa (Ag/AgCl), natomiast elektrodą pomocniczą był drut platynowy. Elektropolimeryzację przeprowadzono przy użyciu gęstości prądu 0,25 mA/cm2 w czasie 300 s. Wytworzono trzy różne kompozyty: polipirol/lignosulfonian (PPy/Lig), poli 3,4-etylenodioksytiofen/lignosulfonian (PEDOT/Lig) oraz polianilina/lignosulfonian (PANI.Lig). Elektrolit podstawowy stanowił 0,1M HClO4, w którym rozpuszczony był monomer (1 mg/cm3 EDOT lub 5 mg/cm3 pirol lub 4,65 mg/cm3 anilina) oraz lignosulfonian (1 mg/cm3 w obecności EDOT lub 5 mg/cm3 w obecności pirolu lub 0.00465 mg/cm3 w obecności aniliny). Dla celów porównawczych otrzymano również polimery niedomieszkowane lignosulfonianem (PPy, PEDOT, PANI). Po elektrosyntezie, elektrody modyfikowane przemywano wodą destylowaną oraz umieszczano w 0,1M HClO4 w celu wykonania serii woltamperogramów cyklicznych w zakresie od 0,1 V do 0,7 V vs. Ag/AgCl. Właściwości elektrokatalityczne elektrod badano w środowisku buforu fosforanowego (pH=7.4) w obecności wybranych analitów. Analizie poddano następujące związki: kwas askorbinowy, hydrazyny, NADH. Na rysunku 1 A i B przedstawione są woltamperogramy przedstawiające wpływ modyfikacji elektrod złotych na elektroutlenienie NADH. Modyfikacja elektrody złotej warstwami polimerowymi (PEDOT i PPy) umożliwia poprawę kinetyki procesu utleniania, gdyż w obecności 2 mM NADH zaobserwować można nieznaczny wzrost prądu anodowego już przy około 0,17 V (krzywe zielone). Kształt otrzymanych krzywych sugeruje jednak, że elektrody modyfikowane warstwą polimerów przewodzących (PEDOT i PPy) nie wykazują silnego efektu katalizującego reakcję utleniania NADH. Przebieg otrzymanych krzywych jest typowy dla procesów o powolnej kinetyce wymiany elektronów (bez kontroli dyfuzyjnej). Nie pojawia się na nich pik anodowy, co świadczy, że nie tworzy się warstwa dyfuzyjna i najwolniejszym etapem jest wymiana elektronów na granicy faz elektroda-elektrolit. W przeciwieństwie do materiałów polimerowych, kompozyty PEDOT/Lig i PPy/Lig, charakteryzują się zdecydowaną poprawą kinetyki wymiany ładunku z NADH. Utlenienie NADH zachodzi przy potencjałach niemalże pokrywających się z potencjałem formalnym mediatora. W przypadku obu elektrod obecność mediatora redoks powoduje kilkukrotny wzrost gęstości prądu utlenienia, co świadczy o silnym efekcie katalitycznym. 88 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. (A) Woltamperogramy cykliczne zarejestrowane dla PEDOT/Lig w czystym buforze PBS (krzywa czarna) oraz w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa czerwona), dla PEDOT w czystym buforze PBS (krzywa niebieska) oraz w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa zielona). (B) Tak samo jak w (A) dla PPy/Lig i PPy. Wprowadzenie lignosulfonianów w strukturę polimerów przewodzących pozwoliło na zdecydowane zwiększenie pokrycia powierzchni aktywnymi grupami chinonowymi. Wytworzone kompozyty wykazywały silny efekt katalityczny w procesie utlenienia wybranych analitów (kwas askorbinowy, NADH) Zaproponowana procedura umożliwia wytworzenie wielofunkcyjnych materiałów elektrodowych mogących znaleźć zastosowanie jako sensory substancji o istotnym znaczeniu biologicznym. Badania zostały wykonane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS PB 31-293/2015. Literatura: [1] N. F. Atta, A. Galal, R. A. Ahmed (2011) Voltammetric behavior and determination of isoniazid Using PEDOT electrode in presence of surface active agents. Internationa Journal of Electrochemical Science 6:5097-5113. [2] B. Muralidharan, G. Gopu, C. Vedhi, P. Manisankar (2009) Determination of analgesics in pharmaceutical formulations and urine samples using nano polypyrrole modified glassy carbon electrode, Journal of Applied Electrochemistry 39:11771184. [3] P. Manisankar, C. Vedhi, G. Selvanathan, P. Arumugam (2008) Differential pulse stripping voltammetric determination of heavy metals simultaneously using new polymer modified glassy carbon electrodes, Microchimica Acta 163:289-295. [4] J. J. Colleran, C. B. Breslin (2012) Simultaneous electrochemical detection of the catecholamines and ascorbic acid at PEDOT/S-ß-CD modified gold electrodes, Journal of Electroanalytical Chemistry 667:30-37. [5] D. G. Pijanowska, A. Kossakowska, W. Torbicz (2011) Electroconductive polymers in (Bio)chemical sensors, Biocybernetics and Biomedical Engineering 31:43-57. [6] L. Zheng, J. Song (2009) Curcumin multi-wall carbon nanotubes modified glassy carbon electrode and its electrocatalytic activity towards oxidation of hydrazine, Sensors and Actuators B: Chemical 135:650-655. [7] S. M. Golabi, H. R. Zare (1999) Electrocatalytic oxidation of hydrazine at a chlorogenic acid (CGA) modified glassy carbon electrode. Journal of Electroanalytical Chemistry 465:168-176. [8] G. Inzelt, M. Pineri, J. W. Schultze, M. A. Vorotyntsev (2000) Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects, Electrochimica Acta 45:2403-2421. 89 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [9] J. W Schultze, H. Karabulut (2005) Application potential of conducting polymers, Electrochimica Acta 50:1739-1745. [10] J. Li, X. Lin (2007) Electrocatalytic reduction of nitrite at polypyrrole nanowire–platinum nanocluster modified glassy carbon electrode, Microchemical Journal 87:41-46. [11] J. Wang, J. Wang, Z. Wang, S. Wang (2006) State electrocatalytic oxidation of ascorbic acid at polypyrrole nanowire modified electrode, Synthetic Metals 156:610-613. [12] G.Milczarek, Lignosulfonate-modified electrode for electrocatalytic reduction of acidic nitrite, Electroanalysis 20 (2008) 211-214. [13] G. Milczarek, T. Rębiś, J. Fabiańska (2013) One-step synthesis of lignosulfonate-stabilized silver nanoparticles, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 105:335-341. [14] G.Milczarek (2009) Lignosulfonate-modified electrodes: electrochemical properties and electrocatalysis of NADH oxidation, Langmuir 25:10345-10353. 90 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODYFIKACJA POWIERZCHNI ZIARNA ŚCIERNEGO I JEJ WPŁYW NA ADHEZJĘ ZE SPOIWEM ŻYWICZNYM Mariusz Sandomierski1*, Beata Strzemiecka1 1 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Narzędzia ścierne wytwarza się z ziaren ściernych, spoiwa i wypełniaczy. Adhezja pomiędzy ziarnem ściernym, a spoiwem jest ważnym parametrem w przypadku doboru ziarna i spoiwa. Mała adhezja powoduje zmniejszenie wykorzystania właściwości skrawnych ziarna podczas jego eksploatacji. Modyfikacja powierzchni przez wykorzystanie soli diazoniowych ma na celu stworzenie warstwy organicznej na powierzchni ziarna która zwiększy adhezje ze spoiwem. We wcześniejszych badaniach sole diazoniowe znalazły zastosowanie w modyfikacjach takich powierzchni jak węgiel [1], żelazo [2] i tytan [3]. Ziarnem ściernym wykorzystywanym podczas badań był elektrokorund szlachetny. Jako spoiwo zastosowano nowolak i rezol. Sole użyte do modyfikacji powierzchni ziarna to Variamine Blue B Salt, a także chlorkowa sól diazoniowa alkoholu 2-aminobenzylowego. Badania były prowadzone w różnych środowiskach reakcji, optymalny okazał się roztwór soli z dodatkiem kwasu askorbinowego w podwyższonej temperaturze, w czasie 1 h. Ziarna po procesie modyfikacji były płukane wodą w celu usunięcia nadmiaru soli diazoniowej. Skuteczność pokrycia powierzchni była oceniana na podstawie wyników z analiz FTIR, IGC, a także XPS. W kolejnym etapie zostały przygotowane modelowe narzędzia ścierne, które składały się z 30 g ziarna ściernego, 2,5 g rezolu i 5 g nowolaku. Wszystkie komponenty były mieszane mechanicznie i umieszczane w formie o wymiarach 12,5cm/1cm/0,4cm (długość/grubość/szerokość). Formy te następnie umieszczono w piecu i wygrzewano je w zakresach temperatur, które są stosowane w przemyśle. Dla każdej modyfikacji zostały przygotowane próbki z ziarna modyfikowanego, a także próbki kontrolne z ziarna niepoddanego modyfikacji. Skuteczność modyfikacji była badana przy użyciu analizy DMTA, a także analizy mechanicznej. Analiza mechaniczna polegała na ścieraniu krążka blaszanego (OH18N9) lub prętu (St3S) przy użyciu modelowych narzędzi ściernych. Efektywność modyfikacji była obliczana na podstawie współczynnika straty masy próbki ścieranej do straty masy modelowego narzędzia ściernego. Współczynnik rośnie wraz ze wzrostem adhezji. Adhezja w przypadku ziaren modyfikowanych przy użyciu soli Variamine Blue B Salt zmniejszyła się, jest to prawdopodobnie spowodowane zbyt małym powinowactwem pomiędzy grupami funkcyjnymi soli, a spoiwem. Zwiększenie adhezji nastąpiło w przypadku modyfikacji przy użyciu 91 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. chlorkowej soli diazoniowej alkoholu 2-aminobenzylowego, co jest spowodowane powinowactwem pomiędzy grupą wodorotlenową, a żywicą. Literatura: [1] A. Adenier, N. Barre, E. Cabet-Deliry, A. Chausse, S. Griveau, F. Mercier, J. Pinson, Ch. Vautrin-Ul (2006) Study of the spontaneous formation of organic layers on carbon and metal surface from diazonium salts, Surface Science 600:4801-4812. [2] T. Matrab, M. Save, B. Charleux, J. Pinson, E. Cabet-Deliry, A. Adenier, M. M. Chehimi, M. Delmar (2007) Grafitng densely-packed poly(n-butyl methacrylante) chains from iron substrate by aryl diazonium surface-initiated ATRP: XPS monitoring, Surface Science 601:2357-2366. [3] A. Mesnage, M. A. Magied, P. Simon, N. Herlin-Boime, P. Jegou, G. Deniau, S. Palacin (2011) Grafting polymers to titania nanoparticles by radical polymerization initiated by diazonium salt, Journal of Material Science 46:6332-6338. 92 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FUNKCJONALNE MATERIAŁY HYBRYDOWE SiO2-LIGNOSULFONIAN – OTRZYMYWANIE ORAZ CHARAKTERYSTYKA Tadeusz Szalaty, Łukasz Klapiszewski, Małgorzata Norman, Jakub Zdarta, Katarzyna Siwińska-Stefańska, Teofil Jesionowski* Zakład Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W dzisiejszych czasach rośnie zapotrzebowanie na celulozę i produkty ją wykorzystujące, co skutkuje powstaniem znacznej ilości produktów odpadowych, którymi są między innymi lignina (90 tyś. ton/rok) oraz lignosulfoniany (1 mln ton/rok) [1]. Największe znaczenie gospodarcze ze względu na otrzymywanie mas celulozowych mają procesy: siarczynowy (lignsulfoniany) [2] oraz krafta, którego produktem ubocznym jest lignina [3]. Obecnie w blisko 90% produkty te są wykorzystywane do celów energetycznych, dzięki czemu możliwy jest odzysk ciepła niezbędnego do efektywnego roztwarzania zrębków drzewnych w kotle warzelnym [1-3]. Biopolimery te posiadają duży potencjał aplikacyjny także ze względu na swoją zróżnicowaną strukturę i właściwości. Do głównych kierunków zastosowania lignosulfonianów zaliczyć można: otrzymywanie produktów małocząsteczkowych tj. wanilina [4], fenol [5], produkcję klejów [5], środków dyspergujących [6] oraz przygotowanie mieszanek betonowych [7]. Obiecującą drogą jest również otrzymywanie materiałów hybrydowych krzemionka-lignosulfonian [8], żelatyna rybia-lignosulfonian [9] czy polianilina-lignosulfonian [10]. Istotne znaczenie w syntezie takich układów hybrydowych mają właściwości biopolimeru, czyli bardzo dobra rozpuszczalność w wodzie, biozgodność, niska cytotoksyczność oraz aktywność przeciwutleniająca [8,9]. W celu otrzymania materiałów hybrydowych SiO2-lignosulfonian, w pierwszym etapie wytworzono nieorganiczny nośnik dwiema zaproponowanymi metodami, tj. metodą zol-żel (krzemionka Stöbera) zgodnie z [11] oraz metodą w medium niepolarnym (krzemionka emulsyjna) według [12]. Tak przygotowane krzemionki posłużyły w dalszej kolejności do otrzymywania układów krzemionkalignosulfonian magnezu. Syntezę rozpoczęto od dyspergowania odpowiedniej ilości krzemionki w 100 cm3 wody destylowanej przez 15 min, po czym wprowadzono lignosulfonian magnezu (VIANPLAST 55, Biotech Lignosulfonate Hansels GmbH) w następujących udziałach wagowych: 3, 5, 10, 20, 30, 40 i 50 cz. wag. pochodnej ligniny na 100 cz. wag. SiO2. Całość poddano intensywnemu mieszaniu przez godzinę. Na wyparce próżniowej odpędzono rozpuszczalnik, a osad suszono przez 24 h w temperaturze 105 °C. Finalne produkty poddano charakterystyce fizykochemicznej, dyspersyjnomorfologicznej i elektrokinetycznej, z wykorzystaniem następujących metod badawczych: spektroskopia 93 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FTIR (spektrofotometr VERTEX 70, Bruker), zdjęcia SEM (mikroskop elektronowy EVO40, Zeiss), oraz pomiar potencjału dzeta (aparat Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments Ltd.). Na podstawie analizy FTIR stwierdzono, że zaproponowana metoda otrzymywania układów hybrydowych jest efektywna, ponieważ na wykonanych widmach obecne są charakterystyczne pasma obu prekursorów (Rys. 1 a i b). Dla wszystkich układów hybrydowych zaobserwować można pasmo drgań rozciągających grup -OH przy około 3500 cm-1, pasmo grupy karbonylowej przy wartości 1700 cm-1 oraz drgania odpowiadające szkieletowi aromatycznemu. Ponadto zarejestrowano silne pasmo drgań rozciągających symetrycznych mostka Si-O-Si (1105 cm-1) oraz pasmo drgań asymetrycznych tychże grup przy wartości liczby falowej równej 860 cm-1. a) b) c) d) Rysunek 1. Widma FTIR: a) materiały otrzymane na matrycy z krzemionki emulsyjnej oraz b) układy na bazie krzemionki Stöbera; zdjęcia SEM układów zawierających 20 cz. wag. lignosulfonianu magnezu na 100 cz. wag. krzemionki: c) strącanej w medium niepolarnym i d) zsyntezowanej metodą zol-żel. Ponadto w celu oceny morfologii struktury powierzchni przygotowanych hybryd wykonano zdjęcia SEM, które zamieszczono na Rys. 1 c i d. Na ich podstawie można zauważyć, że otrzymane układy mają tendencję do tworzenia agregatów i aglomeratów, niezależnie od zastosowanego nieorganicznego prekursora. 94 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Uzyskano wartości potencjału dzeta dla materiałów, gdzie nośnikiem była krzemionka Stöbera mieszczące się w zakresie -11 mV do -60 mV. Na tej podstawie można wnioskować, że są one stabilne elektrokinetycznie w badanym przedziale pH. Podobne rezultaty uzyskano dla materiału na bazie SiO2 emulsyjnej, która również wykazywała stabilność elektrokinetyczną w środowisku o pH > 3. Zaproponowana metoda otrzymywania materiałów hybrydowych krzemionka-lignosulfonian, oparta na bazie krzemionek zol-żel oraz emulsyjnej, pozwala na uzyskanie produktu o zdefiniowanych właściwościach fizykochemicznych, dyspersyjno-morfologicznych oraz elektrokinetycznych. Podczas analizy otrzymanych układów odnotowano istotny wpływ stosunku użytych reagentów na właściwości produktu finalnego. Z analizy widm FTIR wynika, że proces otrzymywania materiałów hybrydowych przebiegł efektywnie, a na widmach zauważalne są pasma charakterystycznych grup funkcyjnych prekursorów. Uzyskane wyniki potencjału dzeta wykazały, że otrzymane materiały hybrydowe są stabilne elektrokinetycznie niemal w całym analizowanym zakresie pH, niezależnie od ilości użytego organicznego prekursora. Przedstawione zdjęcia SEM dowodzą, że otrzymane materiały hybrydowe krzemionka-lignosulfonian magnezu mają tendencję do aglomeracji. Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej w nr 03/32/DSMK/0510. Literatura: [1] A. Duval, M. Lawoko (2014) A review on lignin-based polymeric, micro- and nano-structured materials, Reactive & Functional Polymers 85:78-96. [2] J. Y. Zhu, M. Subhosh Chandra, F. Gu, R. Gleisner, R. Reiner, J. Sessions, G. Marrs, J. Gao, D. Anderson(2015) Using sulfite chemistry for robust bioconversion of Douglas-fir forest residue to bioethanol at high titer and lignosulfonate: A pilotscale evaluation, Bioresource Technology 179:390-397. [3] http://www.tappi.org/content/events/08kros/manuscripts/1-1.pdf (08.11.2015) [4] E. A. Borges da Silva, M. Zabkova, J. D. Araújo, C. A. Cateto, M. F. Barreiro, M. N. Belgacem, A. E. Rodrigues (2009) An integrated process to produce vanillin and lignin-based polyurethanes from Kraft lignin, Chemical Engineering Research and Design 87:1276-1292. [5] Nour-E. El Mansouri, J. Salvad´o (2006) Structural characterization of technical lignins for the production of adhesives: Application to lignosulfonate, kraft, soda-anthraquinone, organosolv and ethanol process lignins, Industrial Crops and Products 24:8-16. [6] W. O. S. Doherty, P. Mousavioun, Ch. M. Fellows (2011) Value-adding to cellulosic ethanol: Lignin polymers, Industrial Crops and Products 33:259-276. [7] S. Stryczek, R. Wiśniowski, A. Gonet, Ł. Połowniak (2010) Wpływ wybranych superplastyfikatorów na właściwości reologiczne zaczynów uszczelniających sporządzanych na osnowie cementu hutniczego, Wiertnictwo Nafta Gaz 27:1-2. [8] Ł. Klapiszewski, M. Nowacka, K. Siwińska-Stefańska, T. Jesionowski (2013) Lignosulfonate and silica as precursors of advanced composites, Polish Journal of Chemical Technology 15:105-109. 95 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [9] R. Núñez-Flores, B. Giménez, F. Fernández-Martín, M. E. López-Caballero, M. P. Montero, M. C. Gómez-Guillén (2012) Role of lignosulphonate in properties of fish gelatin films, Food Hydrocolloids 27:60-71. [10] L. Shao, J. H. Qiu, H. X. Feng, M. Z. Liu, G. H. Zhang, J. B. An, C. M. Gao, H. I. Liu (2009) Structural investigation of lignosulfonate doped polyaniline, The Journal of Electronic Polymers and Electronic Molecular Metals 159:1761-1766. [11] Ł. Klapiszewski, M. Królak, T. Jesionowski (2014) Silica synthesis by the sol-gel metod and its use in the preparation of mulitifunctional biocomposites, Central European Journal of Chemistry 12:173-184. [12] T. Jesionowski (2002) Characterization of silicas precipitated from solution of sodium metasilicate and hydrochloric acid in emulsion medium, Powder Technology 127:56-65. 96 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIA TERMOGRAWIMETRYCZNE HYBRYDOWYCH MATERIAŁÓW ŻELATYNOWO-SILOKSANOWYCH Bogna Sztorch1,2*, Robert Przekop2 1 Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, , ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań 2 Centrum Zaawansowanych Technologii UAM, ul. Umultowska 89C 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Układy żelatyna/siloksany stanowią interesującą ze względu na swoje właściwości funkcjonalne klasę materiałów hybrydowych [1-4]. Ze względu na prostotę syntezy oraz łatwo dostępne substraty metoda opisana w pracy [5] stanowi ciekawą alternatywę dla wielu kosztownych materiałów opartych o biopolimery. Jednym z istotnych parametrów materiałów i biomateriałów jest ich odporność termiczna. Z tego względu poświęca się wiele uwagi charakteryzacji termicznej układów oraz opisowi procesu termicznej degradacji i dekompozcji. Za połączenie żelatyny i silokasnów w przypadku metody opisanej w pracy [5] jest odpowiedzialny proces transestryfikacji (Rys.1), prowadzący do powstania trwałych wiązań kowalencyjnych pomiędzy strukturą biopolimeru i strukturą żelu polisiloksanowego. Proces termicznej degradacji i dekompozycji prowadzi do nieodwracalnego zniszczenia tej struktury. W omawianych badaniach poddano charakteryzacji materiały hybrydowe żelatyna/siloksany modyfikowane glikolem propylenowym (seria A) i włóknami naturalnymi (seria B). O H3C OH + CH3 O O CH3 Si O CH3 OH O H3C CH3 O O CH3 Si O CH3 O O OH R O NH (A) + H2N CH3 O O CH3 Si + O CH3 R (B) O H3C OH Rysunek 1. Mechanizm tworzenia wiązania między czynnikiem sprzęgającym (IN50) i żelatyną, poprzez reakcję transestryfikacji kwasem octowym. Synteza była prowadzona na podstawie pracy [5]. Do żelowania używano układu bazowego opartego na tetraetoksysilanie modyfikowanym 3-glicydoksypropylotrimetoksysilanem (IN50), do układu dodawana była żelatyna w ilości 25 % w/w (1GEN) i 35 % w/w (2GEN) i 45 % w/w (3GEN) 97 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. w przeliczeniu na łączną zawartość SiO2 w końcowej próbie. Stosunek SiO2 TEOS : SiO2 Silan wynosił dla każdej próby 5:3. Dodatkowo w serii A zastosowano dodatek 2 % wagowych glikolu polipropylenowego, a w serii B dodatek 2 % włókien lnianych o rozdrobnieniu 0-0.25 mm. Roztwory były wylewane na poliestrowe szalki Petriego i suszone w stałej temperaturze 303 K przez 7 dni. Otrzymane suche żele były poddawane badaniom termograwimetrycznym na aparacie TG Libra 209 firmy Netzsch. Rysunek 2. Układ A1G1. Rysunek 3. Układ B1G1. Rysunek 4. Układ A1G2. Rysunek 5. Układ B1G2. Rysunek 5. Układ A1G3. Rysunek 6. Układ B1G3. Zarówno układy modyfikowane glikolem (seria A) jak i włóknami naturalnymi mają obszary charakterystyczne dla hybryd żelatyna/siloksany. W każdym termogramie możemy wyróżnić dwa charakterystyczne obszary odpowiedzialne za rozkład struktur białkowych i ostateczną dekompozycję 98 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. układu. W obu przypadkach obserwujemy przesunięcie pierwszego maksimum krzywej DTG do niższych wartości wraz ze wzrostem zawartości żelatyny. Dla układów zawierających jako modyfikator włókna naturalne interesującym zjawiskiem jest zmniejszenie ubytku masy w obszarze pierwszej dekompozycji i wzrost udziału procentowego w procesie drugiego z efektów. Literatura: [1] S. Smith, P. Shajesh, P. Mukundan, T. D. R. Nair, K. G. K. Warrier (2007) Synthesis of biocompatible hydrophobic silica– gelatin nano-hybrid by sol–gel process, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 55: 38-43 [2] H. J. Watzke, C. Dieschbourg (1994) Novel silica-biopolymer nanocomposites: the silica sol-gel process in biopolymer organogels, Advanced in Colloids and Interface Science 50:1-14. [3] M. Schuleit, P. L. Luisi (2001) Enzyme immobilization in silica-hardened organogels, Biotechnology and Bioengineering 72:249-253. [4] D. M. Liu, I.W. Chen (1999) Control of strain relaxation in tensile and compressive oxide thin films, Acta Materialica 47:4535-4544. [5] P. Pietras, R. Przekop, H. Maciejewski (2013) New approach to preparation of gelatine/SiO2 hybrid systems by the sol-gel process, Ceramics – Silikáty 57:58-65. 99 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MIKROKAPSUŁKI POLIMEROWE – SYNTEZA I ZASTOSOWANIE W PROCESIE USUWANIA METALI ODPADOWYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH Agnieszka Szwak*, Oliwia Twarda Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wodne roztwory odpadowe zawierające szkodliwe jony metali są obecnie poważnym problemem wielu zakładów produkcyjnych. Dążenie do możliwości jak najwyższej minimalizacji tego rodzaju odpadów, stawia coraz wyższe wymagania w zakresie opracowania skutecznych metod ich odzysku. Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz jest obecnie najczęściej stosowaną metodą rozdzielania i odzyskiwania metali w wielu dziedzinach przemysłu. Jednak ze względu na wymaganie użycia dużych ilości rozpuszczalników węglowodorowych poszukiwane są coraz to nowsze techniki, które na równi z ekstrakcją ciecz-ciecz będą się charakteryzowały wysoką selektywnością. Jedną z metod pozwalających na eliminacje rozpuszczalnika węglowodorowego jest enkapsulacja ekstrahenta w polimerycznej otoczce. Mikroenkapsulacja jest procesem zamykania cząstek stałych bądź kropel cieczy o wymiarach rzędu mikrometrów w powłoki polimerowe. Mikroenkapsułkowanie wykonuje się w celu: (i) otrzymania materiałów o nowych cennych właściwościach, (ii) ochrony substancji wrażliwych przed środowiskiem zewnętrznym, (iii) zamaskowania smaku, koloru oraz zapachu substancji, (iv) zabezpieczenia toksycznych substancji, (v) uzyskania kontrolowanego uwalniania leków [1]. Wykorzystanie mikrokapsułek, w odróżnieniu od standardowej ekstrakcji ciecz-ciecz, ogranicza stosowanie dużych ilości rozpuszczalników organicznych i pozwala na łatwe rozdzielenie odzyskanych metali. Zaletą użycia mikrokapsułek jest duża powierzchnia kontaktu międzyfazowego, wysoka selektywność, łatwe oddzielenie ich od roztworu oraz możliwość regeneracji złoża [2,3]. Ponadto odzyskane metale, takie jak rtęć, można bezpiecznie przechowywać w mikrokapsułkach [3]. Mikrokapsułka polimerowa jest zbudowana z rdzenia oraz materiału tworzącego powłokę (Rys. 1.). Rysunek 1. Podstawowa budowa struktury mikrokapsułkowej. 100 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rdzeniem jest aktywna substancja, chroniona przez warstwę polimerową. Cząsteczki danej substancji są izolowane i zabezpieczane przed działaniem środowiska zewnętrznego we wnętrzu polimerowej mikrokapsułki. Ścianki zewnętrzne mikrokapsułek zbudowane z makrocząsteczek zapewniają charakter inertny powłoki oraz ochronę i izolację substancji aktywnej, a specyficzna budowa ścian polimerowych umożliwia kontakt substancji z roztworem otaczającym mikrokapsułkę. W zależności od rodzaju substancji aktywnej oraz pożądanych właściwości finalnego produktu, zastosować można różnorodne polimery oraz kopolimery, które będą tworzyć powłokę chroniącą rdzeń mikrokapsułki. Jednym z materiałów mogących formować powłokę mikrokapsułki jest diwinylobenzen (DVB) [4]. Jako czynnik sieciujący wykorzystuje się go w układzie poli(styren-diwinylobenzen) [5,6]. Tego rodzaju kopolimer winylowy posiada dużą odporność termiczną i chemiczną oraz możliwość regulacji struktury porów, decydującą o właściwościach sorpcyjnych materiału i szybkości transportu jonów przez ziarno polimeru. W literaturze tematu istnieje kilka doniesień literaturowych dotyczących innych materiałów polimerowych pełniących funkcję inertnej powłoki mikrokapsułki, na przykład: poliuretany [7], biodegradowalny kopolimer poli(kwasu mlekowego) z poli(kwasem glikolowym) (PLGA) [8] czy poli(metakrylan metylu) (PMMA) [9,10]. Jedną z metod wykorzystywaną do otrzymania mikrokapsułek polimerowych jest proces polimeryzacji in-situ. Stosuje się ją w przypadku monomerów lub komonomerów winylowych, np. styren, metakrylan metylu lub diwinylobenzen. Monomer wraz z inicjatorem rozpuszcza się w fazie rozpuszczalnikowej niemieszającej się z wodą. Tak przygotowany roztwór, wraz z fazą wodną łączy się z dodatkiem emulgatora, prowadząc do powstania emulsji. Proces polimeryzacji, inicjowany w fazie wodnej, rozpoczyna się działaniem wyższej temperatury, powodując wydzielenie się polimeru, który tworzy powłokę na granicy dwóch niemieszających się faz (Rys. 2.). Enkapsulowana może być faza wodna lub faza rozpuszczalnikowa. Metody tej nie można zastosować do enkapsulacji ciał stałych [11]. Rysunek 2. Schemat otrzymywania mikrokapsułek metodą polimeryzacji in situ 101 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Podczas prezentacji zostaną omówione wyniki przeprowadzonych syntez mikrokapsułek polimerycznych poli(styren-diwinylobenzen) zawierających modelowe ekstrahenty z grupy pochodnych ketonów alkilowo-pirydynowych. Literatura: [1] N. V. Jyothi, P. M. Prasanna, S. N. Sakarkar , K. S. Prabha, P. S. Ramaiah, G. Y. Srawan, (2010) Microencapsulation techniques, factors influencing encapsulation efficiency, Journal of Microencapsulation 27(3):187-197. [2] W. W. Yang, G. S. Luo, X. C. Gong (2005) Polystyrene microcapsules containing Aliquat 336 as a novel packing material for separation of metal ions, Hydrometallurgy 80 (3):179-185. [3] A. Alcazar, I. Garrido, E. M. Garcia, A. de Lucas, M. Carmona, J. F. Rodriguez (2015) New type of highly selective microcapsules for the removal of mercury from surface polluted waters, Separation and Purification Technology 154(5):255262. [4] S. Kiyoyama, S. Yonemura, M. Yoshida, K. Shiomori, H. Yoshizawa, Y. Kawano, Y. Hatate (2007) Extraction rate of palladium using divinylbenzene microcapsules containing tri-n-octylamine as the extractant, Reactive and Functional Polymers 67(6):522-528. [5] A. Alcazar, A. de Lucas, M. Carmona, J. F. Rodriguez (2011) Synthesis of sulphonated microcapsules of P(St-DVB) containing di(2-ethylhexyl)phosphoric acid, Reactive & Functional Polymers 71(8):891-898. [6] S. Nishihama, N. Sakaguchi, T. Hiraj, I. Komasawa (2002), Extraction and separation of rare earth metals using microcapsules containing bis(2-ethylhexyl)phosphinic acid, Hydrometallurgy 64(1):35-42. [7] D. Saihi, I. Vromana, S. Giraud, S. Bourbigot (2006) Microencapsulation of ammonium phosphate with a polyurethane shell. Part II. Interfacial polymerization technique, Reactive and Functional Polymers 66(10):1118-1125. [8] A. Matsumoto, T. Kitazawa, J. Murata, Y. Horikiri, H. Yamahara (2008) A novel preparation method for PLGA microspheres using non-halogenated solvents, Journal of Controlled Release 129(3):223-227. [9] R. Al-Shannaq, M. Farid, S. Al-Muhtaseb, J. Kurdi (2015) Emulsion stability and cross-linking of PMMA microcapsules containing phase change materials, Solar Energy Materials and Solar Cells 132:311-318. [10] P. Teeka, A. Chaiyasat, P. Chaiyasat (2014) Preparation of poly(methyl methacrylate) microcapsules with encapsulated Jasmine oil, Energy Procedia 56:181-186. [11] M. Kostrzewska, J. Molenda, T. Prot (2000) Termoekspandujące materiały polimerowe, Polimery 3:178-183. 102 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. POTENCJALNE LEKI ANTYRESORPCYJNE: BADANIA IN SILICO I SORPCJA NA HYDROKSYAPATYCIE Rafał Tomczak1*, Monika Pietrzyńska1, Danuta Rusińska-Roszak1, Joanna Zembrzuska2, Adam Voelkel1 1 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań e-mail: [email protected] Bisfosfoniany stanowią istotną grupę związków chemicznych, które znalazły szerokie zastosowanie w leczeniu chorób układu kostnego, będących skutkiem zaburzeń metabolizmu wapnia. Choć dokładny mechanizm molekularny funkcjonowania tych substancji nie został w pełni wyjaśniony, przypuszcza się, że ich korzystne efekty terapeutyczne wynikają z bezpośredniego oddziaływania na osteoklasty i osteoblasty, co w rezultacie prowadzi do zahamowania resorpcji tkanki kostnej oraz pobudzenia procesu kościotworzenia [1]. Cechą charakterystyczną bisfosfonianów stosowanych obecnie jako leki antyresorpcyjne jest to, że wykazują silne powinowactwo do fazy nieorganicznej kości, której podstawową składową jest hydroksyapatyt. Pomimo wielu przeprowadzonych badań, mechanizm sorpcji tych związków na powierzchni kości wciąż budzi wiele wątpliwości. Najczęściej reprezentowany pogląd wyraża przekonanie, że zjawisko to jest efektem wiązania, jakie tworzy się pomiędzy grupami fosfonianowymi tych substancji, a jonami wapnia obecnymi w strukturze hydroksyapatytu [2]. Wprawdzie zdolność tych leków do chemicznego wiązania się z tkanką kostną nie znajduje pełnego odzwierciedlenia w ich efekcie terapeutycznym wynikającym z oddziaływań na poziomie komórkowym, to analiza sorpcji na hydroksyapatycie posiada istotne znaczenie na etapie badań wstępnych [3]. Głównym problemem ograniczającym skuteczność działania bisfosfonianów jest ich niska biodostępność (1-7 %) i niedostateczna wchłanialność z przewodu pokarmowego, co związane jest ściśle z ich lipofobowym charakterem i zdolnością do kompleksowania różnego rodzaju jonów, w tym np. Mg2+ [4]. Fakt ten skłania do poszukiwania nowych leków antyresorpcyjnych, które pozbawione będą niekorzystnych właściwości, a przy tym wykazywać będą podobny wpływ na układ kostny. Celem badań była analiza sorpcji na hydroksyapatycie wybranych związków fosforoorganicznych, w tym estrów kwasu ortofosforowego(V). W zależności od struktury danego związku wykorzystano technikę UV (dla substancji z pierścieniem aromatycznym) lub LC-MS/MS. Próbki do badań sporządzono przy użyciu płynu Tris∙HCl∙NaCl w pH 7,2-7,3. Podjęto również próbę porównania otrzymanych wyników doświadczalnych z badaniami in silico przeprowadzonymi przy użyciu programu Gaussian® 09 dla soli typu anion związku-Ca2+ zoptymalizowanych w bazie funkcyjnej 6-31+G(d,p) na poziomie DFT/B3LYP. 103 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Potencjalne działania farmakologiczne i toksyczne przebadanych związków oszacowano wykorzystując program PASS (ang. Prediction of Activity Spectra for Substances), który opracowany został w Instytucie Chemii Biomedycznej Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie do oceny spektrum bioaktywności związków chemicznych, w tym potencjalnych leków na etapie ich projektowania [5]. Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, numer projektu: 03/32/PNCN/2829 Literatura: [1] E. V. Giger, B. Castagner, J.-C. Leroux (2013) Biomedical applications of bisphosphonates, Jornal of Controled Release 167(2):175-188. [2] E. Sewerynek, M. Stuss (2007) Bisfosfoniany – leki antyresorpcyjne o działaniu przeciwbólowym? Przegląd Menopauzalny 6(5):276-282. [3] R. Bartl, B. Frisch, E. von Tresckov, C. Bartl (2007) Bisphosphonates in Medical Practice, Springer-Verlag, Berlin, Niemcy [4] S. Reinsdorf, B. Habermann, K. Hochmuth, A. A. Kurth (2007) Bisphosphonate in der Osteoporosetherapie. Standards und perspektiven, Orthopäde 36(2):110–117. [5] D. A. Filimonov, V. V. Poroikov, E. I. Karaicheva, R. K. Kazarian, A. P. Budunova, E. M. Mikhailovskii, A. V. Rudnitskikh, L. V. Goncharenko, I. V. Burov (1995) The computerized prediction of the spectrum of biological activity of chemical compounds by their structural formula: the PASS system. Prediction of activity spectra for substance, Eksperimental'naia i klinicheskaia farmakologiia 58(2):56-62. 104 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. HYDROŻELE KOLAGENOWO-ELASTYNOWE DLA INŻYNIERII TKANKOWEJ SIECIOWANE SKROBIĄ DIALDEHYDOWĄ ORAZ PEKTYNĄ Katarzyna Węgrzynowska-Drzymalska1*, Joanna Skopińska-Wiśniewska2, Anna Bajek3, Małgorzata Maj3, Halina Kaczmarek1, Alina Sionkowska2 1 Katedra Chemii i Fotochemii Polimerów, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7 Katedra Chemii Biomateriałów i Kosmetyków, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7 3 Katedra Medycyny Regeneracyjnej, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, ul. Jagiellońska 13-15; Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7 * e-mail: [email protected] 2 Zadaniem inżynierii tkankowej jest stworzenie optymalnego materiału o odpowiednich właściwościach, który mógłby służyć jako zamiennik uszkodzonej tkanki, bądź narządu i wspomóc jej regenerację. Skafoldy opierają się przede wszystkim na naturalnych polimerach, w szczególności na kolagenie i elastynie, które występują w strukturze macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) [1]. Włókna kolagenowe oraz ich sieci tworzą ECM dla większości tkanek miękkich i twardych tj. kości, chrząstek, ścięgien oraz skóry w organizmie człowieka [2]. Kolagen występuje w odmiennych strukturach morfologicznych w różnych tkankach [3,4]. Wszystkie typy kolagenów wykazują charakterystyczną strukturę potrójnej helisy. Wyróżnić wśród nich możemy kolageny fibrylarne i niefibrylarne [5,6]. Sekwencja aminokwasowa kolagenu układa się w charakterystyczny tryplet -Gly-X-Y-. Obecność glicyny w każdej trzeciej pozycji aminokwasowej jest niezbędna w celu umożliwienia szczelnego upakowanie trzech α łańcuchów w cząsteczce tropokolagenu, natomiast pozycje X i Y są w większości zajęte przez prolinę i 4-hydroksyprolinę [5]. Elastyna jest wysoce usieciowanym, nierozpuszczalnym biopolimerem, składającym się z kowalencyjnie związanych cząsteczek tropoelastyny. Posiada niezwykły skład aminokwasowy, bo aż 75 % jej zawartości stanowią aminokwasy hydrofobowe: glicyna, walina i alanina [7,8]. W procesie tworzenia wiązania sieciującego w elastynie uczestniczą dwa łańcuchy tropoelastyny, między którymi z reszt lizyny pod wpływem działania oksydazy lizylowej powstaną wiązania desmozyny, bądź izodesmozyny [9]. Materiały białkowe sieciuje się, w celu poprawienia ich właściwości fizycznych, chemicznych, mechanicznych oraz odporności na degradację [10]. Skrobia dialdehydowa stanowi polimeryczny dialdehyd wytwarzany na skutek selektywnego utleniania skrobi nadjodanem, który rozszczepia wiązanie C2-C3 łańcucha polisacharydowego skrobi z wytworzeniem dwóch grup aldehydowych [11]. Pektyna jest polisacharydem składającym się głównie z reszt kwasu D-galakturonowego, zestryfikowanych grupami metylowymi [12]. Celem pracy było określenie efektywności sieciowania materiałów kolagenowych oraz kolagenowo-elastynowych przy użyciu skrobi dialdehydowej oraz pektyny, porównanie otrzymanych 105 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wyników sieciowania materiału białkowego skrobią dialdehydową z wynikami uzyskanymi dla materiałów sieciowanych pektyną oraz uzyskanie materiałów dla zastosowań w inżynierii tkankowej. Kolagen został otrzymany ze ścięgien szczurzych ogonów. Hydrolizaty elastyny zostały otrzymane poprzez izolację ze świńskich aort. Otrzymany liofilizat kolagenu rozpuszczono w 0,1M kwasie octowym i otrzymano 1% roztwór kolagenu, natomiast sproszkowany liofilizat hydrolizatów elastyny rozpuszczono w wodzie destylowanej i otrzymano 1% roztwór elastyny. Mieszaniny kolagenowo-elastynowe składały się objętościowo z 95% kolagenu i 5% elastyny oraz 90 % kolagenu i 10 % elastyny. Tak otrzymane mieszaniny sieciowano przy użyciu skrobi dialdehydowej oraz pektyny przez dodatek odpowiedniej ilości danego czynnika sieciującego (5% oraz 10% dodatek objętościowy). Dializa otrzymanych układów była przeprowadzona względem wody dejonizowanej i trwała 7 dni. Otrzymane żele zostały poddane odpowiednim analizom. Zliofilizowane hydrożele wykazują porowatą strukturę, co potwierdzają obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego. Wielkość porów jest niejednorodna. Analiza obrazów SEM dowodzi, że ich rozmiar jest zróżnicowany i zależy zarówno od dodatku hydrolizatów elastyny, jak i ilości i rodzaju czynnika sieciującego. Wyższa zawartość hydrolizatów elastyny powoduje spadek wartości modułu sprężystości otrzymanych żeli. Sieciowania skrobią dialdehydową prowadzi do zwiększenia sztywności żeli, podczas gdy próbki zawierające pektynę są mniej odporne na ściskanie. Badanie odpowiedzi komórkowej dla otrzymanych hydrożeli dowodzi, iż materiał ten jest atrakcyjny dla fibroblastów mysich 3T3. W przypadku serii próbek z 5% i 10% dodatkiem hydrolizatów elastyny, sieciowanie tego materiału skrobią dialdehydową korzystnie wpływa na wzrost przeżywalności komórek 3T3. Dodatek skrobi dialdehydowej i pektyny powoduje tworzenie się wiązań sieciujących w otrzymanym materiale. Jednakże żele zawierające skrobię dialdehydową są znacznie bardziej sztywne niż materiały sieciowane pektyną. Wyniki te ukazują, że skrobia dialdehydowa jest lepszym środkiem sieciującym niż pektyna. Skrobia dialdehydowa może znaleźć zastosowanie, jako środek sieciujący dla materiałów białkowych stosowanych w medycynie i inżynierii tkankowej. Autorzy pragną podziękować Narodowemu Centrum Nauki (NCN, Polska, Grant nr: UMO2011/03/D/ST8/04600) za zapewnienie wsparcia finansowego na realizację tego projektu. Literatura: [1] M. Martowicz, J. Laska (2010) Biomateriały polimerowe w regeneracji ubytków skóry, Inżynieria Biomateriałów 13(95):2-6. [2] A. Kuzan, A. Chwiłkowska (2011) Różnorodność i funkcje kolagenu w tętnicach, Polski Merkuriusz Lekarski 31(182):111-112. 106 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [3] S. A. Sell, P. S. Wolfe, K. Garg, J. M. McCool, I. A. Rodriguez, G. L. Bowlin (2010) The use of natural polymers in tissue engineering: A focus on electrospun extracellular matrix analogues, Polymers 2:524-527. [4] R. Parenteau-Bareil, R. Gauvin, F. Berthod (2010) Collagen – Based Biomaterials for Tissue Engineering Applications, Materials 3:1864-1869. [5] K. A. Czubak, H. M. Żbikowska (2014) Structure, function and biomedical significance of collagens, Annales Academiae Medicae Silesiensis 68(4):246-253. [6] W. Friess (1998) Collagen – biomaterial for drug delivery, European Journal of Pharmaceutices and Biopharmaceutics 45(2):114-116. [7] W. F. Daamen, J. H. Veerkamp, J. C. M. van Hest, T. H. van Kuppevelt (2007) Elastin as a biomaterial for tissue engineering, Biomaterials 28(30):4379-4386. [8] S. M. Mithieux, J. E. J. Rasko, A. S. Weiss (2004) Synthetic elastin hydrogels derived from massive elastic assemblies of self-organized human protein monomers, Biomaterials 25(20):4921-4922. [9] N. Annabi, S. M. Mithieux, G. Camci-Unal, M. R. Dokmeci, A. S. Weiss, A. Khademhosseini (2013) Elastomeric recombinant protein-based biomaterials, Biochemical Engineering Journal 77:111-114. [10] W. Dzierża, T. Czerniawski (2000) Właściwości mechaniczne i termiczne polimerów. Skrypt dla studentów chemii, wyd. Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń, [11] L. Song, C. Cruz, S. R. Farrah, R. H. Baney (2009) Novel antiviral activity of dialdehyde starch, Electronic Journal of Biotechnology 12(2):1-2. [12] A. G. J. Voragen, G.-J. Coenen, R. P. Verhoef, H. A. Schols (2009) Pectin, a versatile polysaccharide present in plant cell walls, Structural Chemistry 20(2):263-267. 107 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE LIMONENU JAKO KOMONOMERU W POLIMERYZACJI RODNIKOWEJ METAKRYLANU METYLU Ewa Wiśniewska*, Karolina Mozelewska Zakład Biomateriałów i Technologii Mikrobiologicznych/Instytut Polimerów, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin * e-mail: [email protected] W ramach poszukiwań rozwiązań alternatywnych dla związków chemicznych pochodzenia petrochemicznego coraz więcej rozwiązań daje nam „zielona chemia”. Jednym z przykładów jest wykorzystanie limonenu pochodzącego przede wszystkim ze skórek pomarańczy przez specjalistów z wielu dziedzin [1-3]. Celem naszych badań było otrzymanie kopolimerów z monomeru naturalnego – limonenu (LIM) oraz syntetycznego – metakrylanu metylu (MMA). Limonen, który jest głównym składnikiem olejku pomarańczowego, otrzymywano w procesie destylacji z parą wodną skórek pomarańczy pod ciśnieniem atmosferycznym. Jej wydajność względem użytej masy skórek wynosiła 1,2 – 2,6%. Przed procesem kopolimeryzacji usuwano inhibitor z metakrylanu metylu poprzez ekstrakcję 10% roztworem wodnym wodorotlenku sodowego. Materiały polimerowe otrzymano w wyniku kopolimeryzacji wolnorodnikowej w roztworze. Sumaryczne stężenie monomerów w procesie polimeryzacji/kopolimeryzacji wynosiło 7 mol/dm3. Inicjatorem był 2,2’-azobis(izobutyronitryl) w ilości 0,06 mol/dm3. Jako rozpuszczalnik stosowano N,N-dimetyloformamid. Kopolimeryzacje były wykonywane przy różnych stosunkach molowych metakrylanu metylu i limonenu (tabela 1). Otrzymane polimery/kopolimery wytrącano w 90% roztworze metanol/woda. Następnego dnia polimery/kopolimery filtrowano z metanolu na lejku Büchnera, przemywano metanolem w celu usunięcia pozostałości nieprzereagowanych substratów i suszono do stałej masy w suszarce próżniowej. Tabela 1. Warunki prowadzenia poli-/kopolimeryzacji w roztworze. oznaczenie kopolimeru/ polimeru ML1 (2h) ML1 (5h) ML1,5 ML2 (2h) ML2 (5h) ML2,5 ML3 PMMA PMMA stężenie molowe limonenu [mol/dm3] 3,50 3,52 2,81 2,33 2,35 2,00 1,76 0 0 stężenie molowe MMA [mol/dm3] 3,50 3,57 4,20 4,67 4,68 5,00 5,37 7,00 7,00 108 stosunek [LIM]: [MMA] 1:1 1:1 1:1,5 1:2 1:2 1:2,5 1:3 0:1 0:1 czas [min] temperatura [˚C] wydajność [%] 120 300 300 120 300 120 120 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 4,1 7,3 16,4 12,7 22,3 18,4 23,4 24,1 22,4 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Metodę spektroskopii w podczerwieni wykorzystano do badania struktury chemicznej otrzymanych materiałów [4]. Wykonano widma absorpcyjne w zakresie 4000-400 cm-1 dla substratów oraz produktów polireakcji na spektrofotometrze ALPHA firmy Bruker. Monomery badano w postaci cieczy w świetle przechodzącym pomiędzy płytkami z KBr, a polimer i kopolimery w postaci proszku z wykorzystaniem przystawki ATR. a) -1 2990 cm b) c) -1 2948 cm PMMA ML3 1644 cm-1 ML2,5 ML2 ML1,5 ML1 Rysunek 1. Fragmenty widm FTIR dla PMMA i kopolimerów przy liczbie falowej ok. 3000 cm-1 (a), ok. 1600 cm-1 (b) oraz poniżej 1000 cm-1 (c) potwierdzające otrzymanie kopolimerów Na rysunku 1a) przedstawiono obszar widma przy liczbie falowej ok. 3000 cm -1. Pasma na wykresie zmieniają się wraz ze wzrostem zawartości limonenu w makrocząsteczce. Piki przy liczbie falowej 2990 cm-1 oraz 2948 cm-1 są charakterystyczne dla rozciągających wiązań C-H w grupie CH3-O-. Dla PMMA wyższy jest drugi pik, natomiast przy zwiększaniu się zawartości limonenu w mieszaninie reakcyjnej, a tym samym i w kopolimerze, na zboczu pojawia się nowy pik przy liczbie falowej 2923 cm -1 pochodzący od rozciągających wiązań C-H w grupach CH2 i CH3, co świadczy o wzroście ilości wiązań C-H w głównym łańcuchu kopolimerów. Ponadto różnice obserwuje się przy liczbie falowej 1644 cm-1 (rysunek 1b)). Pasmo to jest charakterystyczne dla wiązań podwójnych w pierścieniu limonenu i jest bardziej intensywne im większa jest jego ilość w makrocząsteczce. Wykresy FTIR dla kopolimerów i polimerów różnią się również w zakresie poniżej 1000 cm-1, co przedstawiono na rysunku 1c). Wszystkie opisane różnice w widmach absorpcyjnych kopolimerów w stosunku do PMMA potwierdzają wbudowanie się w łańcuch polimeru drugiego monomeru - limonenu. Zmiany są bardziej widoczne w widmach kopolimerów otrzymanych przy większej zawartości limonenu w mieszaninie reakcyjnej. W celu określenia struktury kopolimeru metakrylanu metylu i limonenu, a w szczególności stwierdzenia ich składu, wykorzystano metodę protonowego rezonansu magnetycznego (Bruker DPX400) [2, 4]. Widma 1H NMR otrzymanych kopolimerów przedstawione są na Rysunku 2. 109 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. (A) ML3 (B) (A) (B) ML2,5 ML2 (A) (B) Rysunek 3. Struktura chemiczna otrzymanego kopolimeru. (A) ML1,5 (A) (B) (B) ML1 Rysunek 2. Widma 1 H NMR kopolimerów. W celu analizy kopolimerów skupiono się na sygnałach protonów o przesunięciu chemicznym: 5,35 ppm pochodzących od limonenu (A) oraz 3,62 ppm od MMA (B) (oznaczenia protonów we wzorze na rys. 3). Na wszystkich widmach 1H NMR widoczny jest sygnał (B). Sygnał (A) jest wyraźnie widoczny dla kopolimerów z większą zawartością limonenu (ML1, ML1,5 oraz ML2), ale występuje również przy stosunku molowym monomerów MMA:LIM 3:1 (kopolimer ML3), co potwierdza, że w każdym przypadku otrzymano kopolimery metakrylan metylu / limonen. W kopolimeryzacji rodnikowej otrzymano kopolimery z monomerów: syntetycznego (metakrylanu metylu) i naturalnego (limonenu) oraz ustalono warunki prowadzenia polireakcji w roztworze. Wydajność kopolimeryzacji jest większa przy mniejszej zawartości limonenu w mieszaninie reakcyjnej. Porównanie widm FTIR i 1H NMR kopolimerów do PMMA potwierdza wbudowanie się w łańcuch makrocząsteczki drugiego monomeru: limonenu w ilości wzrastającej wraz ze zwiększeniem jego udziału w mieszaninie wyjściowej monomerów, przy czym, na podstawie ilościowej analizy 1H NMR, obserwuje się dużą różnicę w ilości merów MMA przypadających na mer limonenu w kolejnych kopolimerach, zwiększoną w stosunku do udziału molowego monomerów w roztworze reakcyjnym. Literatura: [1] S. Sharma, A. K. Srivastava (2005) Free radical copolymerization of limonene with butyl methacrylate: Synthesis and charakterization, Indian Journal of Chemical Technology 12:2235–2240 [2] Y. Zhang, M. A. Dubé (2014) Copolymerization of n-Butyl Methacrylate and d-Limonene, Macromol. React. Eng. 8(12): 805-812 [3] S. Sharma, A. K. Srivastava (2004) Synthesis and characterization of copolymers of limonene with styrene initiated by azobisisobutyronitrile, European Polymer Journal 40:2235–2240 [4] R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle (2005) Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN, Warszawa 110 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OCENA EFEKTYWNOŚCI USUWANIA JONÓW KADMU(II) I OŁOWIU(II) Z WYKORZYSTANIEM MATERIAŁU LIGNOCELULOZOWEGO Mateusz Wiśniewski, Przemysław Bartczak, Teofil Jesionowski* Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, * e-mail: [email protected] Postępujący rozwój przemysłu, jak i wzrost ludności przyczynia się do co raz większych problemów związanych z zanieczyszczeniem środowiska różnymi niebezpiecznymi substancjami. Skażenie systemów wodnych jonami metali jest obecnie jednym z największych zagrożeń współczesnego świata ze względu na ich mobilność w ekosystemie i możliwość akumulacji w strukturze tkanek roślin i zwierząt. Jony metali szkodliwych dla środowiska po przekroczeniu dopuszczalnych stężeń wykazują wiele właściwości toksycznych, kancerogennych czy mutagennych. W dużym stopniu przyczyniają się do tego jony ołowiu(II) i kadmu(II). Z tego względu należy stosować oraz poszukiwać efektywne techniki pozwalające usunąć niebezpieczne związki występujące w układach wodnych. Obecnie do oczyszczania wody stosuje się metody takie jak: strącanie chemiczne, wymianę jonową, ekstrakcję, procesy elektrochemiczne, techniki membranowe oraz adsorpcję. Większość z tych metod pomimo wysokiej skuteczności jest skomplikowana oraz wiąże się z wysokimi kosztami. Ważne jest, aby starać się zastosować rozwiązania technologiczne bardziej ekonomiczne, mogące przyczynić się do zredukowania ilości jonów metali szkodliwych dla środowiska w ściekach komunalnych, jak i przemysłowych. Naukowcy wykazują w ostatnich latach zwiększone zainteresowanie procesem adsorpcji będącym alternatywną metodą dla innych technik, której niewątpliwymi zaletami są niskie koszty procesowe oraz możliwość zastosowania szerokiej gamy efektywnych adsorbentów, w tym sorbentów typu low-cost w celu oczyszczania roztworów wodnych. Sorbenty typu low-cost są to materiały powszechnie występujące w przyrodzie, bądź będące odpadami lub produktami ubocznymi w przemyśle czy rolnictwie i należy podkreślić, że w dużej mierze są to materiały lignocelulozowe takie jak: trociny, kory drzew, słoma, otręby zbóż, trawy i inne. Do ich głównych zalet można zaliczyć niski koszt wydobycia, ogólną oraz łatwą dostępność, wysoką efektywność w usuwaniu zanieczyszczeń, zmniejszenie odpadów biologicznych i chemicznych. Pozytywnym aspektem stosowania adsorpcji jest możliwość regeneracji sorbentu i jego wielokrotne użycie, co przyczynia się do obniżenia kosztów procesu. Dodatkowo należy nadmienić, że występowanie danego sorbentu w różnych szerokościach geograficznych determinuje jego różne właściwości sorpcyjne [1-4]. W przedstawionych badaniach wykonano testy adsorpcji jonów ołowiu(II) i kadmu(II) na sorbencie lignocelulozowym (trociny topoli) pozyskanym z przemysłu drzewno-papierniczego. Ustalono 111 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wpływ wielu parametrów prowadzenia procesu (czas kontaktu, stężenie jonów metali w układzie, pH układu reakcyjnego, masa sorbentu i temperatura) na efektywność usuwania jonów szkodliwych dla środowiska z układów wodnych. Dla użytego adsorbentu lignocelulozowego wykonano również testy desorpcji z wykorzystaniem wody oraz kwasu solnego jako czynników wymywających. Dodatkowo wyznaczono kinetykę procesu adsorpcji jonów kadmu(II) i ołowiu(II) za pomocą modeli pseudo-pierwszego (PFO) [5] oraz pseudo-drugiego rzędu (PSO) [6], dzięki którym można w lepszy sposób zrozumieć sam przebieg procesu oraz ustalić jego optymalne parametry. Otrzymane wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Parametry kinetyczne modeli pseudo-pierwszego rzędu oraz pseudo-drugiego rzędu dla procesu adsorpcji jonów kadmu(II) i ołowiu (II) z roztworów modelowych o stężeniu 50 mg/L na sorbencie lignocelulozowym Parametr Model kinetyczny PFO PSO Jon metalu Symbol Jednostka Cd(II) Pb(II) qe exp mg/g 9,10 9,32 qe cal mg/g 2,23 1,51 k1 1/min 0,054 0,038 r2 - 0,853 0,703 qe cal mg/g 9,14 9,34 k1 g/mg·min 0,101 0,128 2 - 0,999 0,999 r Wykonane badania potwierdziły znaczące zdolności sorpcyjne adsorbentu lignocelulozowego dla jonów metali szkodliwych dla środowiska. Uzyskane wyniki potwierdzają, że skuteczność procesu adsorpcji jonów metali kadmu(II) i ołowiu(II) zależy od następujących parametrów: czasu kontaktu adsorbat-adsorbent, stężenia jonów metali w roztworze, pH układu modelowego, temperatury prowadzenia procesu oraz masy użytego adsorbentu. Właściwie dobrane i określone parametry mają istotny wpływ na poprawę wydajności procesu adsorpcji jonów metali z układów wodnych. Praca została wykonana w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/N/ST8/00319. Literatura: [1] Ł. Klapiszewski, P. Bartczak, M. Wysokowski, M. Jankowska, K. Kabat, T. Jesionowski (2015) Silica conjugated with kraft lignin and its use as a novel ‘green’ sorbent for hazardous metal ions removal, Chemical Engineering Journal 260:684– 693. [2] F. Ciesielczyk, P. Bartczak, T. Jesionowski (2014) Removal of nickel(II) and cadmium(II) ions from aqueous solutions using an oxide adsorbent of MgO·SiO2 type, Desalination and Water Treatment DOI: 10.1080/19443994.2014.925832. 112 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [3] A. P. Lim, A. Z. Aris (2013) A review on economically adsorbents on heavy metals removal in water and wastewater, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology DOI 10.1007/s11157-013-9330-2. [4] K. Pei-Sin, L. Siew-Ling, H. Sie-Tiong, H. Yung-Tse, O. Siew-Teng (2014) Removal of hazardous heavy metals from aqueous environment by low-cost adsorption materials, Environmental Chemistry Letters 12:15–25. [5] S. Lagergren (1898) Zur theorie der sogenannten adsorption geloster stoffe. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar 24:1–39. [6] Y. Ho, G. Mckay ,D.A.J. Wase, C.F. Foster (2000) Study of the sorption of divalent metal on to peat, Adsorption Science & Technology 18:639–650. 113 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KAPSUŁKI SKROBIOWE – WŁAŚCIWOŚCI SKROBIOWYCH BIOMATERIAŁÓW POLIMEROWYCH STOSOWANYCH W FARMACJI Anna Barnaś, Anna Zając Zakład Tworzyw Sztucznych, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań * e-mail: [email protected] Biologiczne życie na Ziemi, a także dzisiejsza cywilizacja są niemożliwe bez udziału materiałów polimerowych. Tworzywa sztuczne to przykład sukcesu na skalę globalną, a przemysł ten rozpowszechnia się nieprzerwanie od ponad 50 lat. Jednym z obszarów zastosowań związków wielkocząsteczkowych jest farmacja [1], w której dużą uwagę poświęca się opracowaniu kapsułek z otoczką skrobiową jako alternatywa dla materiału pochodzenia zwierzęcego – żelatyny. Skrobia składa się z dwóch frakcji: amylozy oraz amylopektyny i należy do naturalnych, odnawialnych biopolimerów. W skali przemysłowej pozyskiwana jest z nasion, bulw i korzeni roślin [2]. Charakterystyczną właściwością skrobi, ważną w technologii postaci leku jest fakt, iż amyloza należy do polimerów liniowych (ze względu na obecność wiązań α-1,4-glikozydowych), które w wyniku rozpuszczenia w zimnej wodzie tworzą roztwór koloidalny o strukturze fazowej, nie wykazującej tendencji do spęczania oraz klajstrowania. Wiązanie α-1,6-glikozydowe występujące w amylopektynie, decyduje o braku rozpuszczalności substancji w zimnej wodzie, zaś w gorącej wodzie tworzy roztwór o dużej lepkości [3]. Celem badań było opracowanie mieszaniny skrobi z gliceryną i wodą, stanowiącej materiał na otoczki kapsułek. Analizie poddano siedem rodzajów tego biopolimeru o odmiennym pochodzeniu: z nasion amarantusa, kukurydzy, ryżu, skrobię niemodyfikowaną oraz trzy skrobie modyfikowane i określono ich właściwości. Przeprowadzono standardowe badania wykonywane w zakładach farmaceutycznych podczas kontroli surowca. Wyznaczono wielkość ziaren, określono lepkość substancji, zbadano stratę masy po suszeniu, a także zmierzono czas rozpadu próbek w wodzie i sztucznym kwasie żołądkowym. Decydującym kryterium, weryfikującym możliwość zastosowania analizowanych próbek, było określenie czasu rozpadu, który wynosił, zgodnie z normą mniej niż 30 min w przypadku skrobi ryżowej, kukurydzianej i z nasion amarantusa. Wstępne badania rokują, iż wymienione polimery mogą znaleźć zastosowanie w farmacji jako materiał na kapsułki. Literatura: [1] J. F. Rabek (2009) Współczesna wiedza o polimerach, Wydawnictwo PWN, Warszawa, Polska. [2] W. Leszczyński (2004) Skrobia – surowiec przemysłowy, budowa i właściwości, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 500:69-98. [3] O. S. Kittipongpatana (2007): Physicochemical and Pharmaceutical properties of carboxymethyl rice starches modified from native starches with different amylase conten, Cereal Chemistry 84(4):331-833 114 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. UKŁADY CHITYNA-POSS JAKO EFEKTYWNE NOŚNIKI W PROCESIE IMMOBILIZACJI ENZYMÓW Jakub Zdarta, Marcin Wysokowski, Małgorzata Norman, Przemysław Bartczak, Artur Jędrzak, Tadeusz Szalaty, Teofil Jesionowski* Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W niniejszej pracy zaprezentowano metodykę procesu immobilizacji lipazy z Candida antarctica na powierzchni nowatorskich matryc powstałych w wyniku funkcjonalizacji powierzchni chityny związkami z grupy poliedrycznych oligomerycznych silseskwioksanów (POSS). W oparciu o zrealizowane badania, potwierdzono efektywne unieruchomienie enzymu, a także dobrano optymalne warunki jego prowadzenia. W ramach przeprowadzonych analiz określono także aktywność, jak i stabilność powstałych układów biokatalitycznych. Immobilizacji enzymów polega na ich trwałym związaniu, z nierozpuszczalnym w środowisku reakcji nośnikiem, co skutkuje powstaniem katalizatora w formie heterogenicznej, którego właściwości są odmienne, w porównaniu do wolnego białka. Zazwyczaj produkty te charakteryzują się zwiększoną odpornością na wpływ takich parametrów jak temperatura i pH, a dodatkowo zachowują swoją aktywność katalityczną przez dłuższy okres czasu [1]. Aby zwiększyć powinowactwo enzymów do matrycy przeprowadza się proces modyfikacji powierzchni nośnika [2]. Skutkuje on wytworzeniem mocnych i stabilnych oddziaływań pomiędzy enzymem i nośnikiem co znacząco utrudnia elucję biokatalizatora z podłoża, przez co nie dochodzi do zanieczyszczenia mieszaniny reakcyjnej białkiem. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest także prowadzenie reakcji w reaktorach przepływowych oraz okresowych [3]. W procesie immobilizacji enzymów, jako matryce, wykorzystanych może zostać szereg bardzo zróżnicowanych materiałów, których dobór w dużej mierze zależy od rodzaju osadzanego enzymu oraz procesu, gdzie dany układ może znaleźć zastosowanie [4]. Wykorzystywane są zarówno matryce pochodzenia nieorganicznego, wśród nich krzemionka, tlenki metali, czy hydroksyapatyt, jednak bardzo szeroką grupę nośników stanowią materiały organiczne, zarówno syntetyczne, jak i naturalne. Wśród tych drugich należy wymienić celulozę, chitynę oraz chitozan [5]. W ostatnich czasach coraz popularniejsze stają się nośniki kompozytowe, które łączą w sobie zalety materiałów pochodzenia organicznego oraz nieorganicznego [6]. Pierwszym etapem procesu funkcjonalizacji chityny było jej zmielenie i egalizacja. Następnie biopolimer umieszczono w reaktorze i dodano 10 cz. wag. modyfikatora z grupy oligomerycznych polisilseskwioksanów: MethacrylPOSS oraz VinylPOSS w roztworze odpowiedniego rozpuszczalnika. 115 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Układ poddano mieszaniu przez 1 h, następnie rozpuszczalnik odparowano, a powstały produkt wysuszono. Immobilizację lipazy prowadzono w reaktorach do których odważono 500 mg nośnika chitynowego, przed i po modyfikacji, po czym dodano stałą objętość roztworu enzymu (15 cm 3) o zmiennym stężeniu. Preparaty poddano wytrząsaniu przez zadany okres czasu, a następnie odsączono pod zmniejszonym ciśnieniem, wysuszono i poddano dalszym analizom. Aktywność oraz stabilność termiczną i chemiczną immobilizowanej lipazy określono w oparciu o reakcję hydrolizy palmitynianu-para-nitrofenylu, która katalizowana jest przez otrzymany układ. Pomiary spektrofotometryczne wykonano na spektrofotometrze Jasco V750 (Jasco, Japonia) przy długości fali 410 nm. Przeprowadzone testy umożliwiły określenie aktywności katalitycznej preparatów po immobilizacji powstałych z wykorzystaniem niemodyfikowanej oraz modyfikowanej związkami typu POSS chityny, a także zdefiniowanie który czas prowadzenia procesu pozwala na otrzymanie preparatów odznaczających się zachowaniem najwyższej aktywności. Otrzymane rezultaty zaprezentowano w Tabeli 1. Tabela 1. Zachowana aktywność katalityczna produktów po immobilizacji lipazy z Candida antarctica (LCA) Nazwa próbki Czas immobilizacji [h] Zachowana aktywność katalityczna [%] Δq [%] 1 71,4 2,4 24 68,5 2,3 96 63,2 2,6 1 74,8 2,1 24 81,4 2,2 96 75,8 2,1 1 78,2 2,4 24 87,6 2,3 96 73,4 2,0 3 Chityna + LCA 5 mg/cm 3 Chityna + VPOSS + LCA 5 mg/cm 3 Chityna + MPOSS + LCA 5 mg/cm Zachowaniem najwyższej aktywności katalitycznej (ponad 87 %) charakteryzują się preparaty powstałe po 24 h immobilizacji z wykorzystaniem matrycy chitynowej zmodyfikowanej MethacrylPOSSem. Warto także zauważyć, że układy nośnik-POSS-enzym charakteryzują się lepszymi właściwościami hydrolitycznymi, od tych, powstałych z wykorzystaniem niemodyfikowanej chityny. Fakt ten może być wytłumaczony unieruchomieniem większych ilości białka katalitycznego, a także zwiększoną odległością biokatalizatorów od powierzchni nośnika. Ułatwiony jest wówczas dostęp do 116 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. centrum aktywnego enzymu, a co za tym idzie ograniczeniu ulegają opory dyfuzyjne związane z transportem substratów i produktów. W oparciu o pomiary spektrofotometryczne wykazano, że preparaty immobilizowanej lipazy charakteryzują się zachowaniem nawet do 90% początkowych właściwości katalitycznych. Udowodniono również, że czasem, po którym otrzymuje się układy o najwyższej aktywności jest okres 24 h. Dodatkowo, lipaza unieruchomiona na powierzchni funkcjonalizowanej chityny odznacza się wyższymi zdolnościami hydrolitycznymi. Praca została sfinansowana i przygotowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSMK/0510. Literatura: [1] T. Jesionowski, J. Zdarta, B. Krajewska (2014) Enzymes immobilization by adsorption: A review, Adsorption 20:801-821. [2] P. Zucc, E. Sanjust (2014) Inorganic materials as supports for covalent enzyme immobilization: Methods and mechanisms, Molecules 19(9):14139-14194. [3] A. Liese, L. Hilterhaus (2013) Evaluation of immobilized enzymes for industrial applications, Chemical Society Reviews 42:6236-6249. [4] N. Chauhan, J. Narang, P. Sunny, C.S. Pundir (2013) Immobilization of lysine oxidase on a gold–platinum nanoparticles modified Au electrode for detection of lysine, Enzyme and Microbial Technology 52:265-271. [5] B. Krajewska (2004) Application of chitin- and chitosan-based materials for enzyme immobilizations: A review, Enzyme and Microbial Technology 35(2-3):126-139. [6] J. Zdarta, Ł. Klapiszewski, M. Wysokowski, M. Norman, A. Kołodziejczak-Radzimska, D. Moszyński, H. Ehrlich, H. Maciejewski, A.L. Stelling, T. Jesionowski (2015) Chitin-lignin material as a novel matrix for enzyme immobilization, Marine Drugs 13(4):2424-2446. 117 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. TERMODYNAMICZNE I KINETYCZNE ASPEKTY USUWANIA PESTYCYDU Z MODELOWYCH ROZTWORÓW WODNYCH Z WYKORZYSTANIEM MATERIAŁU POCHODZENIA ROŚLINNEGO Sonia Żółtowska, Przemysław Bartczak, Teofil Jesionowski* Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, *e-mail: [email protected] Jakość wody na całym świecie uległa drastycznemu pogorszeniu w przeciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. Jest to spowodowane przede wszystkim niewłaściwą działalnością człowieka, wzrostem liczby ludności, intensywną industrializacją świata oraz nierozważnym gospodarowaniem zasobami naturalnymi [1]. Głównymi źródłami zanieczyszczeń wód gruntowych są ścieki komunalne, toksyczne odpady przemysłowe oraz ścieki z pól uprawnych. W ostatnich latach wiele niebezpiecznych substancji zostało wykrytych w wodzie pitnej, wśród nich można wyróżnić: pestycydy, związki fenolu, produkty do pielęgnacji ciała, antybiotyki oraz leki hormonalne. Zawartość tych związków w wodzie często przekracza dozwolone stężenia, co skutkuje zwiększeniem możliwości występowania poważnych problemów zdrowotnych u ludzi [1-4]. Z wymienionej grupy pestycydy stanowią największe niebezpieczeństwo dla równowagi ekosystemu, głównie ze względu na ich powszechne użycie oraz wysoką toksyczność nawet przy niskim stężeniu [5]. Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D) jest jednym z najpopularniejszych herbicydów stosowanym w rolnictwie, sadownictwie oraz ogrodnictwie [5]. Znajduje się w większości komercyjnych środków do zwalczania chwastów [6]. Kwas 2,4-D ze względu na swoje szerokie zastosowanie, toksyczność i słabą biodegradowalność stanowi główne zanieczyszczenie wód powierzchniowych i gruntowych [7]. Na świecie rozwijanych jest wiele technik oczyszczania wód, które charakteryzują się różną skutecznością [1]. Jednak największymi wadami tych metod są wysokie koszty operacyjne i utrzymania instalacji, wytwarzanie toksycznego szlamu i skomplikowane procedury użytkowe. Adsorpcja uważana jest za jedno z lepszych rozwiązań ze względu na prostą konstrukcję instalacji i łatwą obsługę. Dodatkowo możliwość stosowania materiałów nisko kosztowych (ang. low-cost) jako adsorbentów czyni te metodę alternatywą dla konwencjonalnych technik [1-3]. W ramach zrealizowanych badań dokonano wnikliwej analizy termodynamicznej i kinetyki adsorpcji pestycydu – kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego na materiale pochodzenia roślinnego (kłoci wiechowatej Cladium mariscus). Adsorbent pozyskano z okolic Chełmna (woj. lubelskie). Znajomość parametrów termodynamicznych jest niezbędna do analizy procesu adsorpcji, ponieważ dostarczają one szczegółowych informacji dotyczących zmian energetycznych zachodzących 118 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. w trakcie procesu [8]. Badania adsorpcji wykonano dla różnych stężeń roztworów modelowych (20, 30, 50 i 100 mg/L) w trzech różnych temperaturach (25, 30 i 35 °C). Otrzymane wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Parametry termodynamiczne adsorpcji kwasu 2,4 -D na powierzchni kłoci wiechowatej Stężenie kwasu 2,4-D (mg/L) ΔH (kJ/mol) ΔS (J/mol/K) 20 -184.08 50 100 o ΔGo (kJ/mol) o 25 °C 30 °C 35 °C -574.73 -12.81 -9.93 -7.06 -126.41 -400.57 -7.04 -5.04 -3.03 -37.80 -119.09 -2.31 -1.72 -1.12 Wartości ΔH świadczą o egzotermicznym charakterze procesu, natomiast dane ΔG dla procesu adsorpcji kwasu 2,4-D we wszystkich trzech temperaturach wskazują, że proces jest samoistny. Wraz ze wzrostem temperatury samorzutność procesu maleje, co jest zgodne z egzotermicznym charakterem procesu. Ponadto wartości zmiany entropii układu opisują losowość w oddziaływaniach między adsorbentem a adsorbatem. Jednakże ujemne wartości ΔS wskazują na złożone oddziaływania pomiędzy adsorbentem a adsorbatem, mogące powodować zmiany w strukturze adsorbentu i adsorbatu. W toku badań określono również kinetykę procesu adsorpcji kwasu 2,4-D z roztworów modelowych o stężeniu 10 oraz 50 mg/L. W tym celu wykorzystano modele pseudo-pierwszego rzędu (typu Lagergrena) [9] oraz pseudo-drugiego rzędu (opisanego przez Ho) [10]. Modele te przedstawiają korelacje pomiędzy zmianami stężenia adsorbatu w funkcji czasów prowadzenia procesu adsorpcji aż do ustalenia stanu równowagi. Analizując uzyskane rezultaty stwierdzono, że dane eksperymentalne bezpośrednio korespondowały z modelem kinetyki pseudo-drugiego rzędu. Potwierdzeniem danej zależności jest uzyskany wysoki współczynnik korelacji (r2 = 0,998-0,999) dla modelu pseudo-drugiego rzędu. Wyznaczenie parametrów termodynamicznych i kinetycznych procesu adsorpcji jest istotne, ze względu na kontrolę efektywności usuwania zanieczyszczeń, w tym kwasu 2,4-D z układów wodnych. Dodatkowo w znaczący sposób ułatwi wykorzystanie kłoci wiechowatej jako adsorbentu herbicydu ze ścieków rzeczywistych. Praca została wykonana w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr DEC-2013/09/N/ST8/00319. 119 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] A. Bhatnagar, M. Sillanpaa, A. Witek-Krowiak (2015) Agricultural waste peels as versatile biomass for water purification – A review, Chemical Engineering Journal 270:244-271. [2] I. Ali, M. Asim, T. A. Khan (2012) Low cost adsorbents for the removal of organic pollutants from wastewater, Journal of Environmental Management 113:170-183. [3] V. K. Gupta , P. J.M. Carrott , M. M.L. Ribeiro Carrott & Suhas (2009) Low-cost adsorbents: growing approach to wastewater treatment—a review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 39(10):783-842. [4] M. Ahmaruzzaman, V. K. Gupta (2011) Rice husk and its ash as low-cost adsorbents in water and wastewater treatment, Industrial & Engineering Chemistry Research 50(24):13589-13613. [5] V.O. Njoku, M. Asif, B.H. Hameed (2014) 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid adsorption onto coconut shell-actovated carbon: isotherm and kinetic modeling, Desalination and Water Treatment 55(1):1-10. [6] M. Bziuk (2001) Pestycydy występowanie oznaczanie i unieszkodliwianie, Wydawnictwo WNT, Warszawa, Polska. [7] A. Chaparadza, J.M. Hossenlopp (2011) Removal of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid by calcined Zn-Al-Zr layered double hydroxide, Journal of Colloid and Interface Science 363:92-97. [8] F. Chen, C. Zhou, G. Li, F. Peng (2012) Thermodynamics and kinetics of glyphosate adsorption on resin D301, Arabian Journal of Chemistry DOI: 10.1016/j.arabjc.2012.04.014. [9] Lagergren S. (1898) About the theory of so-called adsorption of soluble substances, Kungliga Svenska Vetensk Handl 24:1-39. [10] Ho Y. S., McKay G. (1999) Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochemistry 34:451-465. 120 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI ANTYBAKTERYJNE MATERIAŁU HYBRYDOWEGO CHLOROFILINA - GĄBKI MORSKIE Barbara Żurańska1, Wiktor Tomala1, Małgorzata Norman1, Katarzyna Czaczyk2, Anna Dobrowolska2, Teofil Jesionowski1* 1 Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Technologii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, 2 Uniwersytet Przyrodniczy, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, ul. Wojska Polskiego 48, 60-627 Poznań * e-mail [email protected] Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości antybakteryjnych układu szkielet gąbki morskiej-chlorofilina. Materiał hybrydowy otrzymano w procesie adsorpcji. Wykazano jego działanie antybakteryjne przeciwko gram-dodatnim mikroorganizmom z gatunku Staphylococcus aureus (Gronkowiec złocisty). Gąbki występują głównie w wodach morskich w strefie przybrzeżnej, przywierają do dna morskiego, koralowców lub skał. Mogą one poruszać się z niewielką prędkością. Są zwierzętami kolonijnymi. Bronią się przed drapieżnikami wytwarzając biotoksyny lub używając swoich igieł. Ich struktura jest prosta, nie posiadają tkanek, narządów oraz symetrii ciała. Gąbki zbudowane są ze szkieletu posiadającego elementy organiczne (włókna kolagenowe) i nieorganiczne (krzemionkowe lub wapienne). Głównym elementem jest kolagen w formie szkieletu włóknistego zwanego sponginą. Najważniejsze klasy gąbek to: Demospongiae, Hexactinellida, Calcarea i Homosclermorpha. Główne zastosowania gąbek związane są z ich naturalną funkcją – filtracją, co wykorzystywane jest w medycynie i farmacji [1-3]. Rysunek 1. Wzór strukturalny soli sodowej kompleksu miedziowego chlorofiliny 121 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Chlorofilina jest to półsyntetyczna, rozpuszczalna w wodzie pochodna chlorofilu, o wzorze sumarycznym C34H31CuN4Na3O6, której najpowszechniejszą formą jest sól sodowa kompleksu miedziowego (SCC) (Rys. 1). Tworzy się podczas zmydlania chlorofilu i miedziowania powstałego produktu. Chlorofilina osłabia mutagenne i rakotwórcze działanie związków mających struktury policykliczne poprzez tworzenie z nimi kompleksów. Jest ona szeroko stosowana w przemyśle spożywczym, farmacji, kosmetykach oraz suplementach diety. Może być używana jako przeciwutleniacz, jest skuteczna wobec reaktywnych form tlenu [4,5]. Wykazano antybakteryjną aktywność chlorofiliny przeciw bakteriom Staphylococcus aureus i Klebsiella pneumonia. Antybakteryjne działanie wobec bakterii gram-dodatnimi polega na tworzeniu szczelne kompleksy z receptorami na powierzchni ich ściany komórkowej. Działanie takie, w połączeniu z właściwościami fotouczulającymi wykorzystano m. in. w technikach nietermicznego odkażania powierzchni materiałów opakowaniowych [6,7]. Przeprowadzono badania na układzie chlorofilina-szkielet gąbki morskiej (otrzymany z roztworu SCC o stężeniu 1000 mg/L). Naważki materiału hybrydowego zawieszono w 1 ml sterylnej wody. Jako kontrolę wykorzystano antybiotyk tetracyklinę, roztwory barwnika SCC oraz gąbki bez dodatku barwników. Zabezpieczone i magazynowane w temperaturze -20 °C zawiesiny mikroorganizmów wskaźnikowych rozmrażano w temperaturze pokojowej, a potem przełożono do probówek zawierających 10 ml podłoża bulionowego z dodatkiem glukozy. Zaszczepione podłoże odłożono na czas 15 min w celu zaabsorbowania mikroorganizmów na jego powierzchni. Mikroorganizmami wskaźnikowymi użytymi w teście były bakterie Staphylococcus aureus. W następnym etapie badań, na powierzchni przygotowanego podłoża sporządzano studzienki o średnicy 9 mm, do których nanoszono 100 μl zawiesiny (w przypadku naważek) lub 100 μl roztworu (w przypadku SCC). Następnie płytki z naniesionymi próbami inkubowano w temperaturze 35 °C ± 2 ºC przez dobę. Po upływie czasu inkubacji oceniano aktywność przeciwbakteryjną na podstawie średnicy stref zahamowania wzrostu bakterii wskaźnikowych. Wykazano, że układ szkielet gąbki morskiej-SCC zmniejsza wzrost wyżej wymienionego gramdodatniego mikroorganizmu. Pomimo iż efekt ten nie jest obserwowany dla pierwszych dwóch próbek (1 do 10 mg) aktywność przeciwbakteryjna pojawia się i rośnie wraz ze wzrostem zawartości SCC. Brak aktywności przeciwbakteryjnej nie oznacza braku biologicznie czynnych składników, które są obecne, lecz w ilościach niewystarczających do zahamowania wzrostu komórek Straphylococcus aureus. Szkielet gąbki morskiej bez żadnych modyfikacji nie wykazywał właściwości antybakteryjnych przeciw badanemu gatunkowi bakterii. Nawet jeśli hybrydowy materiał SCC-szkielet gąbki morskiej nie jest tak aktywny jak SCC, istnieją inne czynniki, które sprawiają, że ten materiał jest dużo bardziej przydatny niż czysty barwnik, na przykład nierozpuszczalność w wodzie umożliwia jego ponowne użycie. Antybakteryjne działanie SCC można wyjaśnić jej doskonałymi właściwościami fotouczulającymi. 122 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSMK/0510. Literatura: [1] N. Thakur, W. Müller (2004) Biotechnological potential of marine sponges, Current Science, 86(11):1506-1512. [2] A. Barros, I. Aroso, T. Silva (2014) Surface modification of silica-based marine sponge bioceramics induce hydroxyapatite formation, Crystal Growth & Design, 14:4545–4552. [3] C. Jura (2002) Bezkręgowce, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, Polska. [4] J. C. Kephart (1955) Chlorophyll derivatives – Their chemistry, commercial preparation and uses, Economic Botany, 9(1):3–38. [5] T. Tumolo, U. M. Lanfer-Marquez (2012) Copper chlorophyllin: A food colorant with bioactive properties? Food Research International, 46(2):451-459. [6] Z. Luksiene, E. Paskeviciute (2012) Novel approach to decontaminate food-packaging from pathogens in non-thermal and not chemical way: Chlorophyllin-based photosensitization, Journal of Food Engineering, 110:317-323. [7] G. López-Carballo, P. Hernández-Muñoz, R. Gavara, M. J. Ocio (2008) Photoactivated chlorophyllin-based gelatin films and coatings to prevent microbial contamination of food products, International Journal of Food Microbiology, 126:65-70. 123 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OPTYMALIZACJA PROCESU IMPREGNACJI CELULOZY BAKTERYJNEJ POCHODNĄ KWASU TŁUSZCZOWEGO Anna Żywicka1*, Joanna Gajowy2, Mirosława El Fray2, Karol Fijałkowski1 (odstęp pojedynczy, 10 Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Al. Piastów 45, 71-311 Szczecin 2 Zakład Biomateriałów i Technologii Mikrobiologicznych, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Al. Piastów 45, 71-311 Szczecin * e-mail: [email protected] (odstęp , 10 1 Syntetyczne polimery jako biomateriały znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny m.in. jako opatrunki, implanty czy protezy, nie tylko w chirurgii, ale również w okulistyce, czy stomatologii. Pomimo wielu zalet jednym z głównych czynników ograniczających ich szerokie zastosowanie jest brak biokompatybilność [1]. Stosunkowo nowym odkryciem w dziedzinie nanobiomateriałów jest celuloza bakteryjna (CB). W ostatnim czasie poświęca się temu biopolimerowi coraz więcej uwagi, ze względu na unikalne właściwości i możliwość zastosowana go w wielu gałęziach przemysłu. Szczególnie interesująca jest możliwość wykorzystania CB w medycynie. Celuloza bakteryjna, w porównaniu do celulozy roślinnej, jest wyjątkowo jednorodnym pod względem chemicznym, wytrzymałym pod względem mechanicznym, nietoksycznym i biokompatybilnym polisacharydem [2]. CB może być stosowana jako opatrunek do trudno gojących się ran czy rozległych oparzeń, a także w medycynie implantacyjnej [3]. Ze względu na wysokim stopień uwodnienia, zastosowanie CB znacznie przyspiesza gojenie się ran (nawet o 40 %), zwiększa komfort podczas zmiany opatrunku i łagodzi ból, natomiast porowatość tego materiału zapewnia wymianę gazową z otoczeniem [4]. Pomimo wielu zalet CB nie posiada właściwości antybakteryjnych. Lecznice działanie opatrunków na bazie CB można jednak wzmocnić impregnując je substancjami antybakteryjnymi. Jak dotąd do impregnacji CB wykorzystano m.in. penicylinę, klindamycynę, ampicylinę czy wankomycynę. Celulozę bakteryjną impregnowano również nanocząsteczkami srebra czy substancjami stymulującymi angiogenezę [5]. Jednak ze względu na szerzącą się liczbę szczepów antybiotykoopornych i wieloopornych intensywnie poszukuje się nowych substancji o właściwościach antybakteryjnych, które nie indukowałyby oporności względem mikroorganizmów. Interesującą grupą substancji pochodzenia naturalnego są długołańcuchowe nienasycone kwasy tłuszczowe, które są dobrze znane jako inhibitory wzrostu mikroorganizmów. Na szczególną uwagę zasługuje tutaj kwas linolowy, należący do grupy nienasyconych kwasów tłuszczowych typu omega-6, w przypadku którego wykazano właściwości bójcze wobec wirusów, bakterii oraz grzybów [6]. 124 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem pracy jest impregnacja celulozy bakteryjnej solą amoniową dimeryzowanego kwasu linolowego – DLA-N oraz analiza właściwości antybakteryjnych uzyskanego materiału. Do syntezy celulozy wykorzystano szczep Gluconacetobacter xylinus (ATCC 23769), który jest modelowym mikroorganizmem wykorzystywanym w badaniach dotyczących celulozy bakteryjnej. Syntezę celulozy prowadzono przez 3, 5 i 7 dni w 28 °C w warunkach stacjonarnych, wykorzystując standardowa pożywkę wykorzystywaną do produkcji celulozy bakteryjnej Herstin-Schramma (H-S) [7]. Analizowano % zawartość wody uzyskanej CB, jej wodochłonność oraz ubytek wody w czasie (retencja). Dokonano również analizy struktury wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy (SEM). Do impregnacji CB wykorzystano solą amoniową dimeryzowanego kwasu linolowego (DLA-N), która jest substancją należącą do rodziny długołańcuchowych kwasów tłuszczonych i stanowi dimer nienasyconego kwasu linolowego. Jako kontrolę porównawczą użyto CB impregnowaną erytromycyną. Bakteriobójcze i bakteriostatyczne właściwości impregnowanej CB względem S. aureus i S. epidermidis określano na podłożu stałym za pomocą metody dyfuzyjno-krążkowej oraz w podłożu płynnym poprzez wyznaczenie krzywej wzrostu. Ze względu na odmienną strukturę chemiczną DLA-N i ER badano również szybkość uwalniania substancji z celulozy. Po impregnacji celuloza była moczona w wodzie 24 i 48 godziny, a następnie badano aktywność bakteriobójczą względem dwóch modelowych mikroorganizmów, wykorzystując test redukcji MTT. Biorąc pod uwagę celulozę uzyskaną po 3, 5 i 7 dniach hodowli największą % zawartością wody cechowała się CB uzyskana z 7-dniowej hodowli. W przypadku analizy poziomu wodochłonności, który wyrażono w procentach uwzględniając wagę suchej i mokrej celulozy, największą wodochłonnością cechowała się celuloza uzyskana po 3 dniach hodowli. Pomimo wysokiego poziomu wodochłonności w przypadku CB uzyskanej z 3-dniowej hodowli ubytek wody w czasie był znacznie szybszy niż w przypadku CB uzyskanej po 7 dniach hodowli. Analizowane parametry wodne związane są z usieciowieniem nanofibryli w strukturze CB, co zostało potwierdzone za pomocą SEM. Ze względu na wysoką % zawartość wody i dużą retencją do dalszych analiz wykorzystano celulozę uzyskanej z 7-dniowej hodowli. Wykorzystując metodę dyfuzyjno krążkową stwierdzono, że celuloza impregnowana DLA-N i ER wykazywała działanie antybakteryjne względem dwóch badanych mikroorganizmów. Wyższe stężenie substancji skutkowało wyższą aktywnością przeciwbakteryjną. W przypadku kontroli, czyli nieimpregnowanej celulozy, nie obserwowano strefy zahamowania wzrostu, co potwierdziło, że aktywność antybakteryjna związana jest z adsorpcją DLA-N i ER.W przypadku wykorzystania mokrej CB obserwowano silne zahamowanie wzrostu S.aureus i S.epidermidis w ciągu 8 godzin inkubacji względem kontroli. CB po wysuszeniu ulegała słabszej rehydracji i pomimo wysokiego poziomu 125 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. chłonności zaadsorbowała ona mniej substancji niż CB w postaci mokrej membrany, przez co CB w postaci suchej wykazywała słabsze właściwości antybakteryjne. Wykazano, że DLA-N znacznie silniej wiąże się z celulozą w procesie impregnacji i uwalnia się wolniej w porównaniu do ER. Po 48 godzinach w wodzie ER została całkowicie wypłukana z celulozy, co skutkowało brakiem właściwości antybakteryjnych. Celuloza bakteryjna może być efektywnie impregnowana solą amonową dimeryzowanego kwasu linolowego zarówno w postaci mokrej jak i suchej. DLA-N wiąże się z celulozą bakteryjną równie skutecznie jak erytromycyna. Celuloza bakteryjna impregnowana solą amonową dimeryzowanego kwasu linolowego wykazuje jednak dużo dłuższe działanie bakteriobójcze, względem S. aureus i S. epidermidis w porównaniu do materiału impregnowanego erytromycyną . Literatura: [1] Y. X. Wang, J. L. Robertson, J. Spillman, R. O. Claus (2004) Effects of the chemical structure and the surface properties of polymeric biomaterials on their biocompatibility, Pharmaceutical Research 21:1362-1373. [2] W. Czaja, D. Romanovicz, R. M. Brown (2004) Structural investigations of microbial cellulose produced in stationary and agitated culture, Cellulose 11(3-4):403-411. [3] S. Bielecki, H. Kalinowska (2008) Biotechnologiczne nanomateriały, Postępy Mikrobiologii 47(3):163-169. [4] S. Bielecki, H. Kalinowska, A. Krystynowicz, K. Kubiak, M. Kołodziejczyk, M. De Groeve (2012) Wound dressings and cosmetic materials from bacterial nanocellulose, w: Bacterial NanoCellulose: A sophisticated multifunctional material, CRC Press Taylor & Francis Group. [5] B. Wei, G. Yang, F. Hong (2011) Preparation and evaluation of a kind of bacterial cellulose dry films with antibacterial properties, Carbohydrate Polymers 84:533-538. [6] J Gajowy, D. Bolikal, J. Kohn, M. El Fray (2014) Synthesis and Characterization of Fatty Acid/Amino Acid SelfAssemblies, Journal of Functional Biomaterials 5:211-231. [7] K. C. Cheng, J. M. Catchmark, A. Demirci (2009) Effect of different additives on bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum and analysis of material property, Cellulose 16:1033-1045. 126 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CHEMIA BIOORGANICZNA 127 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT WYKORZYSTANIE GRUP TIOLOWYCH DO SEPARACJI PEPTYDÓW N-HCY Z OSOCZA KRWI Jędrzej Dąbrowski1*, Łukasz Marczak1, Marta Sikora1, Izabela Bielińska1, Hieronim Jakubowski1,2,3 1 2 Instytut Chemii Bioorganicznej, PAN, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań Departament of Microbiology and Molecular Genetics, UMDNJ-New Jersey Medical School, 185 S Orange Ave, Newark, NJ 07103 3 Wydział Biochemii i Biotechnologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Dojazd 11, 60-632 Poznań * e-mail: [email protected] Hiperhomocysteinemia czyli podwyższone stężenie homocysteiny (Hcy) we krwi, przekraczające 10 µM, może być czynnikiem zwiększającym ryzyko chorób układu krążenia, tj. zawału serca, choroby zakrzepowo-zatorowej, a także choroby neurodegeneratywnej oraz wystąpienia komplikacji podczas ciąży [1]. Hcy obecna w osoczu może również być przekształcana do cyklicznego tiolaktonu homocysteiny (HTL) w procesie katalizowanym przez syntetazę metionylo-tRNA. HTL z kolei może specyficznie reagować z ε-aminowymi grupami reszt lizynowych łańcucha białkowego. Modyfikacje te mogą prowadzić do zaburzenia właściwości fizyko-chemicznych białek będąc przyczyną zmian strukturalnych i funkcjonalnych proteomu człowieka [2]. Stan podwyższonego stężenia homocysteiny (nawet powyżej 100 µM) może być spowodowany mutacją genu kodującego beta-syntazę cystationinową (CBS), która to mutacja występuje z częstotliwością 1:3000000 osobników. Zwiększona zawartość Hcy w organizmie może być również spowodowana źle zbalansowaną dietą, ubogą w kwas foliowy, witaminy B6 i B12, które są kofaktorami enzymów biorących udział w katalitycznej reakcji transsulfurylacji Hcy do cysteiny lub remetylacji do metioniny [3],[4], chorobami takimi jak chroniczna niewydolność nerek [5] oraz związkami chemicznymi będącymi antagonistami dla kofaktorów reakcji transsulfurylacji czy remetylacji Hcy (niektóre leki neurotyczne). Wczesna diagnoza hiperhomocysteinemii jest kluczowa dla przeciwdziałania chorobom powodowanym przez zbyt wysoką akumulację Hcy w organizmie. Głównym problemem podczas prowadzenia badań nad strukturą i funkcją N-homocysteinylowanych białek jest ich niska zawartość w osoczu, dlatego też niezbędne jest opracowanie metod służących selektywnemu wychwyceniu obecnych w próbce, modyfikowanych białek lub peptydów. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie reakcji wiązania grup tiolowych dołączonego do lizyn tiolaktonu homocysteiny (ryc.1) ze złożem posiadającym dwusiarczkowe grupy 2-tiopirydylowe (Thiopropyl Sepharose 6B) (ryc.2). In vitro modyfikowane tiolaktonem białka (albumina, fibrynogen), zostały poddane hydrolizie przy użyciu trypsyny (cięcie za resztami lizyny lub argininy), po czym otrzymane peptydy zostały poddane reakcji tworzenia mostków disiarczkowych na złożu zawierającym wolne grupy tiolowe. Po odmyciu peptydów nie związanych z fazą stacjonarną zredukowano wiązania –S-S- za pomocą DTT. 128 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Otrzymane peptydy były następnie analizowane z wykorzystaniem spektrometru Maldi-ToF/ToF oraz układu LC-MS/MS, z czego jedynie analiza LC-MS dała istotne wyniki analizy porównawczej. W celu potwierdzenia N-homocysteinylacji otrzymane peptydy poddano fragmentacji za pomocą spektrometru mas Thermo QExactive z analizatorem typu Orbitrap. Wyniki przeprowadzonych doświadczeń wykazały, że wykorzystanie złoża z grupami tiolowymi istotnie zwiększa ilość identyfikowanych peptydów modyfikowanych tiolaktonem homocysteiny. Potwierdza to aplikacyjne zastosowanie użytego złoża w oczyszczaniu i selekcji N-homocysteinylowanych peptydów pochodzących z białek występujących w osoczu. Opisywana metoda może być również wykorzystana jako pierwszy krok w dalszych badaniach struktury i funkcji N-homocysteinylowanych białek. Rysunek. 1 N-homocysteinylacja reszt lizynowych z wykorzystaniem Hcy- tiolaktonu Rysunek. 2 Struktura, aktywacja i reakcja Thiopropyl Sepharose 6B z grupą tiolową 129 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] B.A. Maron i J. Loscalzo (2009) The treatment of hyperhomocysteinemia, Annu Rev Med 60:39–54 [2] H. Jalubowski (1999) Protein homocysteinylation: possible mechanism underlying pathological consequences of elevated homocysteine levels, FASEB J 13(15):2277–2283 [3] H. Jakubowski (1997) Metabolism of homocysteine thiolactone in human cell cultures. Possible mechanism for pathological consequences of elevated homocysteine levels, J Biol Chem 272(3):1935–1942 [4] E. Lonn, S. Yusuf, M.J. Arnold, P. Sheridan, J. Pogue, M. Micks, M.J. McQueen, J. Probstfield, G. Fodor, C. Held, J. Genest (2006) Homocysteine lowering with folic acid and B vitamins in vascular disease N Engl J Med 354(15):1629-32 [5] S. Zoungas, B.P. McGrath, P. Branley, P.G. Kerr (2005) Cardiovascular morbidity and mortality in the Atherosclerosis and Folic Acid Supplementation Trial (ASFAST) in chronic renal failure: a multicenter, randomized, controlled trial, J Am Coll Cardiol 47(6):1108-16 130 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT BIOTRANSFORMACJE KASKADOWE ANDROSTENDIONU W WYBRANYCH KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH Ewa Kozłowska*, Monika Dymarska, Edyta Kostrzewa-Susłow, Tomasz Janeczko Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25,50-375 Wrocław * e-mail: [email protected] Androstendion (AD) (androst-4-en-3,17-dion) jest steroidem zaliczanym do grupy androstanu z wiązaniem podwójnym pomiędzy 4 a 5 atomem węgla oraz dwiema grupami karbonylowymi w pozycjach 3 oraz 17 (Rys. 1.). Związek ten jest naturalnie produkowany w organizmach ssaków przez korę nadnerczy oraz w niewielkich ilościach przez jądra i jajniki. Androstendion ma niską aktywność biologiczną (1/5 aktywności testosteronu) ale jest prekursorem bardziej aktywnego testosteronu u mężczyzn oraz estradiolu i estronu u kobiet [1]. Pochodne AD zawierające grupy hydroksylowe w pozycjach 6β oraz 14α są inhibitorami aromatazy i znalazły zastosowanie w leczeniu hormonozależnych nowotworów piersi, macicy oraz pęcherza moczowego [2]. O H H H O Rysunek 1. Androstendion 14-α-hydroksyandrostendion (14-α-OH-AD) uzyskano w wyniku biotransformacji androstendionu przy użyciu kultury Chaetomium KCh 6651 opisanej w patencie nr 201922 [3]. W pracy wykorzystano 9 szczepów grzybów strzępkowych (Fusarium equiseti KCh 15, Fusarium oxysporum KCh 21, Syncephalastrum racemosum KCh 105, Penicillium lilacinum AM 111, Absida cylindospora KCh 336, Mucor spinosus KCh 398, Mucor hiemalis KCh 450, Aspergillus ochraceus KCh 456, Chaetomium KCh 6651) oraz 3 szczepy drożdży (Rhodotorula rubra KCh 4, Yarrowia lipolytica KCh 71, Rhodotorula glutinis KCh 242) pochodzących z kolekcji własnej Katedry Chemii. W ciągu 10 dniowej biotransformacji najwyższy stopień przereagowania substratu zaobserwowano w kulturach szczepów: Syncephalastrum racemosum KCh 105, Absida cylindospora KCh 336 oraz Mucor hiemalis KCh 450. Szczepy te wykorzystano do biotransformacji preparatywnej wykorzystując po 100 mg 14-α-OH-AD. 131 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W wyniku biotransformacji szczepem Syncephalastrum racemosum KCh 105 otrzymano nowe dihydroksypochodne androstendionu o nieznanym dotąd dla tej grupy związków steroidowych (C19) położeniu grup hydroksylowych względem siebie - 14α,15β oraz 7α,14α (Rys. 2., Rys. 3.). Rysunek 2. Struktura przestrzenna 14α,15β-dihydroksyandrostendionu wykonana za pomocą programu Chemsketch 14α,15β-dihydroksyandrostendion posiada grupy hydroksylowe przy sąsiednich atomach węgla, lecz ich przestrzenne rozmieszczenie (pod i nad płaszczyzną pierścienia) umożliwia utworzenie trwałej struktury. Rysunek 3. Struktura przestrzenna 7α,14α-dihydroksyandrostendionu wykonana za pomocą programu Chemsketch Usytuowanie grup hydroksylowych w 7α,14α-dihydroksyandrostendionie po jednej stronie szkieletu steroidowego sprawia, że grupy te oddziałują między sobą. Tworzenie się wiązań wodorowych pomiędzy atomem wodoru i tlenem sąsiedniej grupy hydroksylowej powoduje wygięcie pierścieni A/B/C/D co powoduje, że przesunięcia chemiczne protonów nieznacznie odbiegają od opisanych dla innych hydroksypochodnych opisanych w literaturze. 132 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1]A. Malaviya, J. Gomes (2008). Androstenedione production by biotransformation of phytosterols, Bioresource Technology 99: 6725–6737 [2]T. Janeczko, N. Milecka, E. Kostrzewa-Susłow (2012) Przemysłowe znaczenie mikrobiologicznych hydroksylacji związków steroidowych, Przemysł Chemiczny 91: 767-771 [3] T. Janeczko, J. Dmochowska-Gładysz. Sposób wytwarzania 14α-hydroksyandrost-4-en-3,17-dionu. P-378551 (Dec. 30.12.2008) Patent nr 201922 133 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA I WŁAŚCIWOŚCI FOTODEGRADACYJNE BARWNIKÓW SKWARYNOWYCH W ROZPUSZCZALNIKACH ORGANICZNYCH Przemysław Kuchnicki1*, Urszula Kiełkowska1, Marta Ziegler-Borowska2, Dorota Chełminiak2 Anna Kaczmarek-Kędziera3 1 Zakład Technologii Chemicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń Katedra Chemii i Fotochemii Polimerów, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87100 Toruń 3 Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń * e-mail: [email protected] 2 Barwniki skwarynowe stanowią ważną klasę funkcjonalnych związków chromoforowych, wykazujących silną absorpcję w zakresie bliskiej podczerwieni i światła widzialnego oraz fluorescencję w roztworach. Wyjątkowe właściwości chemiczne i fizyczne skwaryn determinowane są ich unikalną strukturą elektronową typu donor-akceptor-donor, stabilizowaną rezonansowo za pomocą struktury zwitterionu (Schemat 1) [1]. Ze względu na swoje właściwości, takie jak dobre fotoprzewodnictwo, wysoką wydajność kwantową fluorescencji, czy intensywną absorpcję i emisję światłą, związki te znajdują zastosowanie w licznych obszarach istotnych z punktu widzenia technologii. Wykorzystuje się je jako aktywne materiały w ogniwach słonecznych, fotoprzewodniki, tranzystory polowe, fluoroscencyjne markery, czy fotosensybilizatory w terapii fotodynamicznej [2-4]. Rysunek 1. Stabilizowana rezonansowo struktura zwitterionu. Synteza barwników skwarynowych bazuje na relatywnie prostych metodach, obejmujących dikondensację związków bogatych w elektrony z 3,4-dihydroksy-3-cyklobuteno-1,2-dionem, tzw. kwasem kwadratowym. Modyfikacja warunków prowadzenia reakcji pozwala na otrzymanie różnych pochodnych skwaryn: 1,3-dipodstawionych symetrycznych i asymetrycznych związków, monopodstwaionych semiskwaryn, jak również poliskwaryn [5]. Syntezę symetrycznych pochodnych 134 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. kwasu kwadratowego prowadzono z zastosowaniem równomolowych ilości substratów w mieszaninie benzenu i n-butanolu (1:1). Zastosowanie węglowodoru aromatycznego pozwala na azeotropowe usunięcie ze środowiska reakcji wody, powstającej w wyniku kondensacji. Otrzymano serię pochodnych kwasu kwadratowego zawierających w swojej strukturze atom azotu. Prezentowana praca koncentruje się na badaniu właściwości fotodegradacyjnych otrzymanych barwników w rozpuszczalnikach organicznych. Roztwory zsyntetyzowanych skwaryn, takich jak 2,4-bis[4-(dimetyloamino)fenylo]cyklobutano-1,3-diol, poddawano promieniowania barwników UV. Zmiany w strukturze działaniu kontrolowano polichromatycznego za pomocą metod spektroskopowych. Rozpuszczalniki zostały dobrane pod względem wzrastającej stałej dielektrycznej: chloroform, tetrahydrofuran, dimetylosulfotlenek, dimetyloformamid, etanol. Widoczny jest wpływ ich właściwości na fotodegradację testowanych skwaryn. Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć, że związki posiadające połączenie ugrupowania kwasu kwadratowego z atomami azotu charakteryzują się dużo wyższą stabilnością fotochemiczną niż te, gdzie połączenie jest bezpośrednie z pierścieniem aromatycznym. Literatura: [1] K.Y. Law (1993), Organic Photoconductive Materials: Recent Trends and Developments, Chemical Reviews 93:449-486 [2] Y. Hyodo, H. Nakazumi, S. Yagi (2002), Synthesis and light absorption/emission properties of novel squarylium dimers bearing a ferrocene spacer, Dyes and Pigments 54:163–171 [3] A.L. Puyad, G.K. Chaitanya, Ch. Prabhakar, K. Bhanuprakash (2012), A comparative study of semi-squaraine and squaraine dyes using computational techniques: tuning the charge transfer/biradicaloid character by substitution, Journal of Molecular Modeling 19(1):275-87 [4]Y. Hyodo, H. Nakazumi, S. Yagi (2002), Synthesis and light absorption/emission properties of novel squarylium dimers bearing a ferrocene spacer, Dyes and Pigments 54:163–171 [5] L. Beverina, P. Salice (2010), Squaraine compounds: tailored design and synthesis towards a variety of material science applications, European Journal of Organic Chemistry 2010(7):1207-1225 135 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT OTRZYMYWANIE BIOLOGICZNIE CZYNNYCH FLAWONOIDÓW NA DRODZE BIOTRANSFORMACJI W WYBRANYCH KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH Sandra Sordon*, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina, Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław * e-mail: [email protected] Flawonoidy stanowią największą grupę polifenoli roślinnych. Mają istotny wpływ na wzrost i rozwój rośliny [1]. Różnorodność flawonoidów roślin wynika nie tylko z występowania różnych szkieletów tych związków, ale również z różnic w ich podstawieniu będących efektem hydroksylowania oraz metylowania i acylowania grup hydroksylowych. Jedną z bardziej powszechnych modyfikacji jest też glikozylacja [2]. Flawonoidy obecne w pożywieniu korzystnie wpływają na zdrowie człowieka. Związki te posiadają m. in. aktywność przeciwutleniającą, przeciwbakteryjną, przeciwgrzybiczną, przeciwwirusową, przeciwnowotworową, przeciwzapalną oraz przeciwalergiczną [3]. Z uwagi na wiele cennych właściwości biologicznych, flawonoidy są w ostatnim czasie przedmiotem licznych badań z zakresu technologii żywności, biotechnologii, medycyny oraz farmacji. Ograniczeniem w zastosowaniu wielu flawonoidów jest ich słaba rozpuszczalność w wodzie oraz krótki czas przebywania w jelitach, co wpływa na ich niską absorpcję. Jednym ze sposobów przezwyciężania tych niedogodności jest sprzęganie polifenoli roślinnych z cząsteczkami cukrów [4]. Glikozydy flawonoidów lepiej rozpuszczają się w wodzie w porównaniu do ich aglikonów. Na przykład 5-O-α-D-glukopiranozylo-(+)-katechina wykazuje co najmniej 40-krotnie większą rozpuszczalność w wodzie niż jej aglikon, (+)-katechina. Niektóre glikozydy flawonoidów charakteryzują się dodatkowo zwiększoną stabilnością termiczną w stosunku do ich aglikonowych form, czego przykładem mogą być również wspomniane 4'-O-α-D-glukopiranozylo-(+)-katechina i jej aglikon, katechina [5]. Przykładem chemicznej syntezy glukozydów flawonoidów możne być reakcja izoflawonów, takich jak daidzeina, genisteina, formononetyna i biochanina A z α-tetraacetylobromoglukozą w obecności bromku tetrabutyloamoniowego jako katalizatora, prowadząca do O-glukozydów wspomnianych aglikonów [6]. Zastosowany w tej reakcji katalizator jest uciążliwy dla środowiska. Kolejną niedogodnością chemicznej glikozylacji jest konieczność uprzedniego blokowania tych grup hydroksylowych, które nie mają ulegać sprzęganiu z cząsteczką sacharydu. 136 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Alternatywą dla klasycznej syntezy chemicznej może być mikrobiologiczna transformacja naturalnych flawonoidów. Procesy biotransformacji są przyjazne dla środowiska, zachodzą w łagodnych warunkach i pozwalają na regio- i stereoselektywne modyfikacje substratów [7]. Mikrobiologiczna glikozylacja flawonoidów pozwala na poprawę rozpuszczalności w wodzie związków bioaktywnych, przez co zwiększa możliwości szerszego wykorzystania tych związków. Większa rozpuszczalność flawonoidów może poprawić ich wchłanianie w organizmie człowieka. Ponadto glikozydy otrzymane na drodze mikrobiologicznej transformacji naturalnych flawonoidów zachowują status związków naturalnych, stąd też będą mogły łatwiej znaleźć zastosowanie jako dodatki do żywności, czy też jako składniki środków kosmetycznych oraz farmaceutyków. W prezentowanych badaniach podjęto próby otrzymania glukozydów takich flawonoidów jak: biochanina A i daidzeina na drodze biotransformacji w wybranych kulturach grzybów strzępkowych. Literatura: [1] G. Forkmann, S. Martens (2001) Metabolic engineering and applications of flavonoids, Current Opinion in Biotechnology 12:155–160 [2] T. Desmet, W. Soetaert, P. Bojarovā, W. Kr'en, L. Dijkhuizen, V. Eastwick-Field, A. Schiller (2012) Enzymatic glycosylation of small molecules: challenging substrates require tailored catalysts, Chemistry a European Journal 18:1078610801 [3] A. Wang, F. Zhang, L. Huang, X. Yin, H. Li, Q. Wang, Z. Zeng, T. Xie (2010) New progress in biocatalysis and biotransformation of flavonoid, Journal of Medicinal Plants Research. 4:847-856 [4] T. Tronina , A. Bartmańska, M. Milczarek, J. Wietrzyk, J. Popłoński, E. Rój, E. Huszcza (2013) Antioxidant and antiproliferative activity of glycosides obtained by biotransformation of xanthohumol, Bioorganic and Medicinal Chemistry Letters 23:1957-1960 [5] M. Ochiai, H. Fukami, M. Nakao, A. Noguchi (2010) Method of glycosylation of flavonoid compounds, United States Patent Application Publication. Pub. No.: US 2010/0256345 A1 [6] P. Lewis, S. Kaltia, K. Wähälä (1998) The phase transfer catalysed synthesis of isoflavone-O-glucosides, Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1 2481-2484 [7] H. Cao, X. Chen, A.R. Jassbi, J. Xiao (2014) Microbial biotransformation of bioactive flavonoids, Biotechnology Advances http://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2014.10.012 137 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA TIOFOSFORANOWYCH ANALOGÓW LIZOFOSFATYDYLOETANOLOAMINY (LPE) Agata Sowińska*, Przemysław Rytczak, Andrzej Okruszek Instytu Biochemii Technicznej, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 4/10, 90-924 Łódź * e-mail: [email protected] Lizofosfolipidy (LPL) to bioaktywne związki zawierające w swojej strukturze pojedynczą resztę kwasu tłuszczowego przyłączoną do szkieletu fosfoglicerolowego. LPL znane są od dawna, jednak zainteresowanie tą grupą związków wzrosło dopiero w ostatnim dwudziestoleciu, kiedy to stało się jasne, że niektóre z nich są ważnymi cząsteczkami sygnałowymi. Poprzez specyficzne receptory membranowe (receptory sprzężone z białkiem G, GPCR) LPL mogą regulować szereg procesów fizjologicznych i patofizjologicznych takich, jak proliferacja, ruchliwość i zmiany elektrofizjologiczne komórek, choroby immunologiczne, procesy nowotworzenia czy syndrom metaboliczny [1]. Lizofosfatydyloetanoloamina (LPE) jest lizofosfolipidem, w którego strukturze do grupy fosforanowej przyłączona jest reszta etanoloaminy. W latach 90. ubiegłego wieku prowadzone były liczne badania dotyczące wpływu LPE na rozwój roślin. Jednakże związek ten występuje również w ludzkiej surowicy. Aktywność biologiczna surowiczej LPE oraz odpowiedzialne za nią mechanizmy molekularne pozostają jak dotąd nieznane. Ostatnie doniesienia wykazują jednak wpływ LPE na proces różnicowania neuronów oraz mobilizację wewnątrzkomórkowych jonów wapnia i migrację komórek nowotworu jajnika. Lepsze zrozumienie roli LPE w regulacji procesów fizjologicznych wymaga dalszych badań [2]. Dane literaturowe i wcześniejsze doświadczenia Zespołu w syntezie LPL świadczą o wpływie struktury grupy acylowej na aktywność biologiczną lizofosfolipidów. W związku z tym postanowiliśmy zsyntezować serię analogów lizofosfatydyloetanoloaminy zawierających ściśle zdefiniowane reszty kwasu tłuszczowego (14:0, 16:0, 18:0, 18:1). W strukturę syntezowanych analogów wprowadzono także dodatkowe modyfikacje w celu zwiększenia ich stabilności: jeden z atomów tlenu grupy fosforanowej zastąpiono atomem siarki, a grupę hydroksylową w pozycji sn2 – grupą metoksylową. Tiofosforanowe analogi lizofosfatydyloetanoloaminy otrzymywane były metodą oksatiafosfolanową, wykorzystywaną z powodzeniem w chemii nukleotydów. W tym celu zsyntezowane uprzednio poddawane 1-acylo-2-metoksyglicerole były reakcji z 2-N,N-diizopropylamino-1,3,2-oksatiafosfolanem w obecności 5-etylotiotetrazolu, a następnie usiarczaniu [3]. Tak otrzymane pochodne reagowano z etanoloaminą w obecności DBU, otrzymując końcowy produkt w postaci zwitterjonu. Wszystkie opisane etapy prowadzone były w środowisku bezwodnym. 138 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Syntezowane związki wykorzystane będą w badaniach biologicznych pod kątem aktywacji kinazy ERK, uwalniania jonów wapnia oraz wpływu na migrację i proliferację komórek prawidłowych oraz nowotworowych. Badania finansowane z NCN, grant nr: 2011/01/B/ST5/0638. Literatura: [1] A. Drzazga, A. Sowińska, M. Koziołkiewicz (2014) Lysophosphatidylcholine and lysophosphatidylinosiol--novel promissing signaling molecules and their possible therapeutic activity, Acta Poloniae Pharmaceutica - Drug Research 71: 887-899. [2] S. Park, D. Im (2015) G protein-coupled receptors for lysophosphatidylethanolamine, Receptors & Clinical Investigation 2: 1-4. [3] P. Rytczak, A. Drzazga, E. Gendaszewska-Darmach, A. Okruszek (2013) The chemical synthesis and cytotoxicity of new sulfur analogues of 2-methoxy-lysophosphatidylcholine, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 23: 6794–6798. 139 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. (KOMUNIKAT SYNTEZA FLUOROWANYCH MONOSACHARYDÓW ORAZ ICH ZASTOSOWANIE JAKO POTENCJALNE NOŚNIKI LEKÓW (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Joanna Tomaszewska*, Henryk Koroniak (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Reakcje chemii click są powszechnie stosowane w syntezach organicznych m. in. ze względu na łatwo dostępne reagenty, łagodne warunki reakcji, trwałość oraz stabilność otrzymywanych produktów, a także zadowalające wydajności reakcji [1]. Dzięki tym zaletom chemia click wpisuje się w zasady zielonej chemii. Celem pracy jest synteza nowych bloków budulcowych kwasu hialuronowego, które w swojej budowie posiadają 1,4-dipodstawiony pierścień 1,2,3-triazolowy oraz fluorowany łańcuch alifatyczny. Heterocykliczne pierścienie triazolowe uważane są za bioizostery, mimetyki wiązań peptydowych [2], a obecność atomów fluoru zwiększa lipofilowość cząsteczki. Kwas hialuronowy (HA) znajduje szerokie zastosowanie w kosmetyce oraz medycynie. Badania wykazały, iż praktycznie wszystkie ludzkie guzy nabłonkowe wykazują powinowactwo do HA, gdyż tkanki otoczone są zrębem wzbogaconym w hialuronian [3,4]. Interesującym kierunkiem badań są reakcje click katalizowane jonami miedzi(I). Produkty z 1,4-dipodstawionym pierścieniem 1,2,3-triazolowym otrzymano wykorzystując warunki SHARPLESS`A oraz MELDAL`A [5]. Reakcje monosacharydów z podjednostką propargilową oraz fluorowanymi azydkami przeprowadzono w obecności jodku miedzi(I), natomiast reakcje pomiędzy monosacharydem z grupą azydkową, a fluorowanymi eterami propargilowymi katalizowane były jonami miedzi(I) otrzymywanymi in situ w wyniku redukcji CuSO4 przez askorbinian sodu (NaASC). Otrzymane produkty zostały scharakteryzowane spektroskopowo. W dalszym etapie badań przeprowadzone zostaną reakcje click z użyciem katalizatora rutenowego oraz reakcje z innymi monosacharydami, a także syntezy disacharydów oraz wyższych oligomerów. Otrzymane związki zostaną poddane badaniom biologicznym, aby sprawdzić ich potencjalną aktywność biologiczną, a w przyszłości wykorzystać je jako nośniki leków np. przeciwnowotworowych. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] P. Mucha, L. Celewicz, J. Barciszewski (2009) Zastosowanie reakcji „click” azydek-alkin do koniugacji biomolekuł Na pograniczu chemii i biologii, Wyd. Nauk. UAM, t.22: 371-395. [2] G.C. Tron, T. Pirali, R.A. Billington, P.L. Canonico, G. Sorba, A.A. Genazzani, Click Chemistry Reactions in Medicinal Chemistry: Applications of the1,3-dipolar Cycloaddition Between Azides and Alkynes (2008) Med. Res. Rev., 28: 278-308. 140 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [3] B.P. Toole, T.N. Wight, M.I. Tammi, Hyaluronan-Cell Interactions in Cancer and Vascular Disease (2002) J. Bio. Chem., 277: 4593–4596. [4] M.S. Karbownik, J.Z. Nowak, Hialuronian w chorobach nowotworowych – patofizjologia i perspektywy farmakoterapii (2011) J. Oncol., 61: 380-395. [5] M. Meldal, C.W. Tornøe Cu-CatalyzedAzide-Alkyne Cycloaddition (2008) Chem. Rev., 108: 2952-3015. 141 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT ANALIZA POTENCJAŁU DYE DECOLOURISING PEROXIDASE TYPU B DYP1B (E C 1.11.1.19) Z PSEUDOMONAS FLUORESCENS PF-5 W PROCESIE DEGRADACJI LIGNINY Agata Wasak*, Radosław Drozd Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin * e-mail: [email protected] Przemysłowa produkcja różnego rodzaju związków chemicznych takich jak polimery czy dodatki do żywności, opiera się obecnie na przetwórstwie produktów przemysłu petrochemicznego [1]. Jednak ograniczona ilość ropy naftowej, a co za tym idzie wzrastające koszty jej wydobycia, wymuszają poszukiwanie nowych, odnawialnych źródeł substancji chemicznych. Innowacyjnym rozwiązaniem tego problemu może okazać się wykorzystanie wiedzy z zakresu inżynierii metabolicznej do modyfikacji naturalnych szlaków enzymatycznych mikroorganizmów w celu otrzymywania określonych produktów z naturalnych i odnawialnych surowców. Lignina jest naturalnym heteropolimerem zbudowanym z podjednostek fenylopropanowych połączonych wiązaniami arylo-eterowymi i wiązaniami typu węgiel-węgiel (C-C) [2]. Razem z celulozą i hemicelulozą jest jednym z głównych związków chemicznych budujących tkanki roślin, stanowiąc od 10-30% suchej masy ligninocelulozy [3].W ligninie zmagazynowane jest około 30% niekopalnych zasobów węgla organicznego na Ziemi oraz ogromne ilości energii chemicznej [4]. Jako naturalny polimer stanowi ona potencjalne, odnawialne i nie zależne od wahań ropy naftowej źródło aromatycznych związków chemicznych m. in.: kwasów fenolowych [5]. Skomplikowana, budowa, duża masa cząsteczkowa oraz nierozpuszczalność w wodzie, powodują że obecnie znane chemiczno - fizyczne metody degradacji ligniny są mało specyficzne i wydajne. Alternatywą do tych technik jest zastosowanie potencjału jakim dysponują różnego rodzaju mikroorganizmy produkujące enzymy biodegradujące ligninę. Najnowsze badania wskazują na użyteczność w tych procesach m. in. bakterii glebowych np. Pseudomonas fluorescens Pf-5 i Rhodococcus jostii RHA1, wytwarzających peroksydazy określane mianem ang. dye-decolourising peroxidase (DyP) [3, 6, 7]. Celem badań była analiza potencjału peroksydazy DyP1B w procesie degradacji ligniny pochodzącej z różnych źródeł oraz identyfikacja produktów jej rozkładu. Gen dyp1b, odpowiedzialny za produkcję białka DyP1B pochodzący z Pseudomonas fluorescens Pf-5 został wklonowany do plazmidu pET 151. Następnie peroksydazę DyP1B pozyskiwano z hodowli rekombinowanej Escherichia coli. Enzym oczyszczano z zastosowaniem techniki IMAC (ang. 142 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Immobilized metal affinity chromatography) na złożu Ni Sepharose. Czystość preparatu enzymatycznego określano za pomocą analizy elektroforetycznej SDS PAGE. Oczyszczony enzym inkubowano z otrzymanymi różnymi metodami ekstrakcji i pochodzącymi z różnych źródeł próbami ligniny. W doświadczeniu wykorzystano ligninę z drewna dębu, topoli, eukaliptusa oraz z miskantu, pozyskane metodami ekstrakcji kwaśnej, alkalicznej lub z zastosowaniem rozpuszczalników organicznych. Produkty rozkładu analizowanych lignin identyfikowano z wykorzystaniem LC MS (ang. Liquid chromatography–mass spektrometry), HPLC (ang. Highperformance liquid chromatography oraz MS-MS (ang. Tandem mass spektrometry). Peroksydaza DyP1B wykazywała zróżnicowaną zdolność do rozkładu ligniny z drewna topoli oraz eukaliptusa. Identyfikacja metodą LC MS produktów reakcji wskazała na obecność głównie kwasu wanilinowego, alkoholu wanilinowego i kwasu ferulowego. Wykorzystanie zdolności bakteryjnych peroksydaz w procesie utleniania ligniny, jest obiecującą metodą pozwalającą na jej ukierunkowaną konwersję do funkcjonalnych związków aromatycznych. Wysoka efektywność hodowli rekombinowanych bakterii i zoptymalizowanie szlaku rozkładu ligniny z zastosowaniem ich enzymów, może okazać się w przyszłości wydajną technologią produkcji stosowaną w przemyśle chemicznym i nie tylko. Literatura: [1] J. W. Lee, D. Na, J. M. Park, J. Lee, S. Choi, S. Y. Lee (2012) Systems metabolic engineering of micro-organisms for natural and non-natural chemicals, Nat. Chem. Biol. 8, 536−546 [2] T. D. H. Bugg,* M. Ahmad, E. M. Hardiman, R. Rahmanpour (2011) Pathways for degradation of lignin in bacteria and fungi, Nat. Prod. Rep.,28, 1883-1896 [3] T. D. H. Bugg, M. Ahmad, E. M. Hardiman, R. Singh (2011) The emerging role for bacteria in lignin degradation and bioproduct formation, Current Opinion in Biotechnology, 22:394–400 [4] A. Leonowicz, J. Rogalski, M. Wojtaś-Wasilewska, J. Luterek (1995) Lignin-distribution, biosynthesis, preparation and structur, Biotechnologia (1)28: 158-178 [5] P. D. Sainsbury, E. M. Hardiman, M. Ahmad, H. Otani, N. Seghezzi, L. D. Eltis,‡,T. D. H. Bugg (2013) Breaking Down Lignin to High-Value Chemicals: The Conversion of Lignocellulose to Vanillin in a Gene Deletion Mutant of Rhodococcus jostii RHA1. ACS Chem. Biol., 8 (10), pp 2151–2156 [6] R. Rahmanpour, T. D.H. Bugg (2015) Characterisation of Dyp-type peroxidases from Pseudomonas fluorescens Pf-5: Oxidation of Mn(II) and polymeric lignin by Dyp1B, Archives of Biochemistry and Biophysics 574, 93–98 [7] J. N. Roberts, R. Singh, J. C. Grigg, M. E. P. Murphy, T. D. H. Bugg, L. D. Eltis (2011) Characterization of DyeDecolorizing Peroxidases from Rhodococcus jostii RHA, Biochemistry, 50 (23), pp 5108–5119 143 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CHEMIA BIOORGANICZNA POSTERY 144 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYDZIELANIE ZWIĄZKÓW MAŁOCZĄSTECZKOWYCH Z ROZTWORÓW POFERMENTACYJNYCH TECHNIKAMI MEMBRANOWYMI Jerzy Antczak*, Mateusz Szczygiełda, Krystyna Prochaska Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Produkcja biodiesla na całym świecie systematycznie rośnie, z roku na rok zwiększa się również ilość odpadowego glicerolu, który jest jednym z głównych produktów ubocznych w procesie otrzymywania biopaliwa [1]. Jednym ze sposobów utylizacji odpadowej gliceryny jest biotechnologiczna konwersja z zastosowaniem Dzięki mikroorganizmów. odpowiednio wyselekcjonowanym mikroorganizmom możliwe jest otrzymanie małocząsteczkowych związków organicznych stanowiących użyteczne surowce przemysłu chemicznego [2]. Jednym z produktów biokonwersji glicerolu jest kwas bursztynowy, ważny surowiec w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym oraz do produkcji tworzyw sztucznych. W roztworach pofermentacyjnych obok kwasu bursztynowego znajduje się wiele innych związków organicznych, jak kwasy: mrówkowy, octowy, mlekowy, czy też sole mineralne i niewielkie ilości polialkoholi oraz proteiny [3]. Jednym z najważniejszych i zazwyczaj najdroższych etapów otrzymywania kwasu bursztynowego poprzez pofermentacyjnego od biokonwersję glicerolu jest pozostałych składników. jego Spośród selektywne wydzielenie dostępnych z technik płynu separacji małocząsteczkowych związków organicznych z brzeczek pofermentacyjnych istotne znaczenie odgrywają techniki membranowe, zarówno ciśnieniowe, jak i prądowe [4, 5]. Celem badań przedstawionych w niniejszej pracy było sprawdzenie przydatności nanofiltracji (NF) z membraną polimerową oraz elektrodializy z membraną bipolarną (EDBM) do selektywnego wydzielania i zatężania kwasu bursztynowego z wieloskładnikowych roztworów wodnych stanowiących modelowe oraz rzeczywiste roztwory pofermentacyjne. W badaniach analizowano wpływ składu i stężenia składników separowanego roztworu na wydajność i efektywność procesu NF, a także wpływ składu i stężenia składników roztworu oraz gęstości prądu na wydajność i efektywność procesu EDBM. Separację i zatężanie soli kwasu bursztynowego prowadzono na module OSMONICS wyposażonym w płaską membranę polimerową SelRO MPF-34 firmy STERLITECH (USA) o granicznej masie molowej (MWCO) cut-off 200 Da, powierzchni aktywnej (A) 155 cm2 i współczynniku przepuszczalności hydrodynamicznej równym 0,021 L/m2∙h∙MPa. Procesy NF prowadzono w temperaturze 25 ± 1 °C, przy ciśnieniu transmembranowym (TMP) równym 1,6 MPa. Miarą wydajności procesu NF jest gęstość strumienia permeatu J (1): J=V/(A·t)·10-2 145 (1) BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. gdzie: V - objętość [dm3], A – powierzchnia aktywna [m2], t – czas [s] Natomiast efektywność procesu NF określa stopień retencji składników roztworów R (2): R=(1-Cp/C0)·100% (2) gdzie: Cp – stężenie separowanego składnika w permeacie [g/dm3], C0 – stężenie separowanego składnika w nadawie [g/dm3]. Procesy EDBM prowadzono w trój-komorowym elektrodializerze podłączonym do pompy perystaltycznej (Verder), wyposażonym w stos elektrodialityczny z dwoma membranami produkcji PCCell GmbH (Francja) o łącznej powierzchni aktywnej 64 cm2: membraną anionowymienną PC 200D, zalecaną do separowania dikarboksylowych kwasów organicznych oraz membraną bipolarną PC 200bip. Stopień odsolenia (ƞ ods) w komorze dializatu zdefiniowano jako: ƞ ods (1-Ctdial/C0dial)·100% = (3) gdzie: Ctdial - stężenie kwasu w dializacie po czasie t [g/dm3], C0dial - stężenie wyjściowe kwasu w dializacie [g/dm3]. Wydajność prądową (Wp) wyliczano ze wzoru (4): Wp = F·z·V·ΔCdial /n·I·∆t (4) gdzie: F – stała Faradaya (96485) [C/mol]; z - wartościowość jonów, V – objętość dializatu [dm3]; ΔCdial – różnica stężeń w dializacie [mol], n – liczba celi, I – natężenie prądu [A], Δt – czas [s]. Do przygotowania roztworów syntetycznych brzeczek stosowano: kwas bursztynowy (Burszt), glicerol (Glic), kwas mrówkowy (Mrów), kwas mlekowy (Mlek), kwas octowy (Oct), etanol (EtOH) oraz laktozę (Lakt). Wszystkie odczynniki zostały dostarczone przez firmę Sigma-Aldrich. Do przygotowania roztworów używano wodę dejonizowaną o przewodnictwie ≤ 3 µS. pH roztworów roboczych wynosiło 8,5. Do alkalizacji roztworu stosowano wodorotlenek sodu (POCh). Skład badanych roztworów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład separowanych roztworów Roztwór 3 C [g/dm ] Burszt Glic Mrów Mlek Oct EtOH Lakt R-r 1 3,64 - - - - - - R-r 2 3,64 1,77 - - - - - Synt I 3,64 1,77 1,2 0,85 1,22 0,75 0,13 Synt II 36,4 17,86 11,98 8,52 12,25 7,52 1,27 Brzeczka I 3,64 1,77 1,2 0,85 1,22 0,75 0,13 Brzeczka II 36,4 17,86 11,98 8,52 12,25 7,52 1,27 Kwasy dikarboksylowe są słabymi kwasami, co oznacza, że w środowisku o pH < pKa występują w postaci niezdysocjowanych cząsteczek. Transport cząsteczek przez membrany NF oparty jest na dwóch mechanizmach: sitowym (I) oraz oddziaływaniu elektrostatycznym pomiędzy jonami a powierzchnią 146 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. aktywną membrany (II). Mając na uwadze, że masa molowa cząsteczek kwasu bursztynowego jest dużo mniejsza niż MWCO stosowanej membrany NF, założono, że w analizowanym procesie NF główną rolę odgrywa mechanizm II. Dlatego też pH filtrowanych roztworów ustalano na 8,5, tj. powyżej pKa2 kwasu bursztynowego. Tabela 2. Strumień permeatu r-ru po 1 h procesu NF oraz wody przed procesem i po procesie Strumień [dm3/(m2∙s)∙10-2] R-r 1 R-r 2 Synt I Synt II Brzeczka I Brzeczka II H2O przed NF 4,32 4,32 4,31 4,32 4,32 4,3 Roztwór 3,84 3,49 3,12 1,19 2,17 0,77 H2O po NF 4,32 4,32 4,3 4,31 4,32 4,09 Tabela 2 przedstawiająca wartości strumieni permeatów separowanych roztworów po 1 h prowadzenia procesu NF oraz strumieni wody przed procesem i po procesie wskazuje na znaczny wpływ składu filtrowanego roztworu na wydajność procesu NF. Wraz ze wzrostem zarówno ilości, jak i stężenia składników w separowanym roztworze następuje drastyczny spadek wartości strumienia permeatu. Strumień roztworu Synt II o składzie najbardziej zbliżonym do rzeczywistej brzeczki pofermentacyjnej, jak również strumień Brzeczki II, są ponad czterokrotnie mniejsze niż wartości strumieni wody dejonizowanej. Świadczy to o dużym oporze transportu masy przez membranę, spowodowanym zanieczyszczeniem oraz polaryzacją stężeniową. Strumienie wody przed procesem i po procesie NF utrzymują się na podobnym poziomie, co oznacza że powstająca podczas procesu warstwa zanieczyszczeń jest nietrwała i membrany można całkowicie oczyścić. Tabela 3. Stopień retencji składników separowanych roztworów po 1 h procesu NF Roztwór R [%] Burszt Glic Mrów Mlek Oct EtOH Lakt R-r 1 96,14 - - - - - - R-r 2 97,24 5,08 - - - - - Synt I 99,1 4,13 0 7,5 2,5 0 0 Synt II 94,12 3,8 0,5 3,48 3,6 0 0 Brzeczka I 93,3 4,12 1,7 6,8 3,1 0 0 Brzeczka II 81,6 11,7 0 44,5 19,4 0 0 Analizując stopień retencji poszczególnych składników separowanych roztworów (tabela 3) widać, że we wszystkich przebadanych układach, za wyjątkiem Brzeczki II, stopień zatrzymania soli kwasu bursztynowego przekracza 90%, natomiast retencja pozostałych składników jest niewielka. Różnice pomiędzy wartościami retencji poszczególnych jonów kwasów karboksylowych wynikają z ich wartościowości. Ze względu na to, że kwas bursztynowy jest dwuprotonowy, wykazuje silniejsze oddziaływania elektrostatyczne z powierzchnią aktywną membrany niż pozostałe kwasy jednoprotonowe. Ponadto, wraz ze wzrostem ilości składników w roztworze, retencja bursztynianów nieznacznie wzrasta. Niezależnie od składu separowanego roztworu retencja glicerolu (Glic) nie przekracza kilku %, co 147 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. oznacza, że w procesie NF możliwe jest skuteczne odseparowanie produktów biokonwersji od wyjściowego glicerolu. 148 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 4. Parametry charakteryzujące proces EDBM η i Roztwór zat 2 ΔC dil 3 Wp [%] [A/m ] [%] 50 36,7 [g/dm ] 1,32 90 38 1,5 37 130 46,7 1,68 32 90 37 1,36 34 90 33 0,99 30 130 40,7 1,48 27 Synt II 90 0,3 0,1 2,4 Brzeczka I 90 37 1,36 34 R-r 1 R-r 2 Synt I 62 Przeprowadzono również badania separacji i zatężania soli kwasu bursztynowego, jak również możliwości konwersji jonów bursztynianowych do kwasu bursztynowego techniką EDBM. W tabeli 4 przedstawiono parametry charakteryzujące wydajność oraz efektywność procesów EDBM. Tak jak zakładano, transport jonów bursztynianowych przez membranę anionowymienną jest największy przy dużej gęstości prądu, stopień odsolenia przekracza 46%. Jednak wzrost wartości natężenia prądu, przy której prowadzona jest elektrodializa skutkuje znacznym spadkiem wydajności procesu. Wraz ze wzrostem ilości składników w roztworze stopień odsolenia nieznacznie maleje, natomiast 10-krotny wzrost stężenia składników roztworu (Synt II) całkowicie uniemożliwia efektywne przeprowadzenie procesu EDBM. Proces NF można z powodzeniem stosować do zatężania soli kwasu bursztynowego oraz częściowego odseparowania kwasu od wyjściowego glicerolu. Technika EDBM może być wykorzystana do zatężania kwasu bursztynowego i odseparowania go od pozostałych składników płynu pofermentacyjnego, jednak efektywny przebieg EDBM nie jest możliwy dla roztworów o bardzo dużym stężeniu zawartych w nich substancji. Literatura: [1] Międzynarodowy Rynek Biopaliw Stan i Perspektywy, Fundacja Programów dla Rolnictwa FAPA Warszawa, grudzień, 2008 [2] A. Melcer, E. Klugmann - Radziemska, K. Ciunel (2011) Zagospodarowanie fazy glicerynowej z produkcji biopaliw, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 1(1) [3] B. Erickson, J.E. Nelson, P. Winters (2012) Perspective on opportunities in industrial biotechnology in renewable chemicals, Biotechnol. J. 7:176-185 [4] J.-H. Choi, K. Fukushi, K. Yamamoto (2008) A study on the removal of organic acids from wastewaters using nanofiltration membranes, Sep. Purif. Technol. 59:17-25 [5] L. Fu, X. Gao, Y. Yang, F. Aiyong, H. Hao, C. Gao (2014) Preparation of succinic acid by bipolar membrane electrodialysis, Sep Purif Technol 127:212-218 149 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. GNOJOWICA – NOWE ŹRÓDŁO IZOLACJI PROMIENIOWCÓW O DUŻYM POTENCJALE BIOTECHNOLOGICZNYM Adrian Augustyniak*, Paweł Nawrotek Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Wydział Biotechnologii i Hodowli Zwierząt, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin * e-mail: [email protected] Od czasu pierwszej izolacji dokonanej przez Otto Hartza w 1887 roku, promieniowce odegrały znaczącą rolę w rozwoju mikrobiologii i biotechnologii stosowanej. Poza nielicznymi gatunkami wywołującymi choroby (np. Actinomyces israeli), liczne są producentami aktywnych metabolitów wtórnych, takich jak antybiotyki, enzymy i barwniki. Wśród nich na największą uwagę zasługują przedstawiciele rodzaju Streptomyces, którzy wytwarzają blisko dwie trzecie wszystkich znanych antybiotyków [1, 2]. Ponadto, bakterie te mają istotne znaczenie dla środowiska naturalnego aktywnie uczestnicząc w rozkładzie ksenobiotyków, takich jak: węglowodory alifatyczne i aromatyczne, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, m.in. naftalen, fenantren i inne [3, 4]. Mimo wielu lat badań, wciąż istnieje potrzeba odkrywania nowych szczepów z tego rodzaju, zwłaszcza tych o wysokim potencjale biotechnologicznym. W celu ich pozyskania przeszukuje się liczne środowiska charakteryzujące się dużym zróżnicowaniem pod względem zawartości składników odżywczych, warunków pH, bądź składu mikroflory. W tym kontekście wymienia się też środowiska ekstremalne, np. o dużym zasoleniu, a także osady denne rzek, jezior i mórz [1]. Przykładem interesującego, bardzo złożonego środowiska może być również gnojowica, która ze względu na sposób powstawania łączy w sobie zarówno bioróżnorodność mikrobiomów jelita, jak i gleby czy wody [5]. Stwarza to unikalną możliwość aranżowania interakcji pomiędzy występującymi w niej mikroorganizmami, znajdujących odzwierciedlenie, np. w procesie horyzontalnego transferu genów, umożliwiającym nabywanie cech, które mogą promować wzrost szczepów wykazujących wysoki potencjał biotechnologiczny [2, 6]. Dlatego celem prezentowanej pracy było wykazanie czy gnojowica świńska może stanowić nowe, efektywne źródło izolacji użytecznych promieniowców z rodzaju Streptomyces. Materiał badawczy stanowiła gnojowica świńska pozyskana z jednej z farm zlokalizowanych na terenie województwa zachodniopomorskiego oraz wyosobnione z niej szczepy promieniowców. Izolacji dokonywano poprzez rozcieńczenie gnojowicy metodą rozcieńczeń seryjnych, a następnie wysianie metodą powierzchniową po 100 µL przygotowanych zawiesin na podłoża mineralne (Starch Casein agar) i ogólnowzrostowe (Tryptone Soy agar). Po pięciu dniach hodowli w temperaturze pokojowej selekcjonowano kolonie bakteryjne o cechach morfologicznych charakterystycznych dla promieniowców Streptomyces spp. i przesiewano redukcyjnie w celu wyizolowania w czystej hodowli. Dodatkowo bakterie analizowano w preparatach mikroskopowych, a także pod kątem wybranych właściwości metabolicznych, w tym 150 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. zdolności amylo- i proteolitycznych oraz aktywności przeciwdrobnoustrojowej, w celu wstępnej oceny ich potencjału biotechnologicznego. Łącznie wyizolowano dziewięć szczepów o cechach morfologicznych Streptomyces spp. charakteryzujących się dużym zróżnicowaniem, co wskazuje na fakt, iż gnojowica stanowi bogate i ważne źródło tych mikroorganizmów. Wymagane są dalsze badania, które pozwolą na szczegółowe określenie przydatności wyizolowanych bakterii do celów biotechnologicznych. Literatura: [1] J. Solecka, J. Ziemska, A. Rajnisz, A. Laskowska, A. Guśpiel (2013) Promieniowce – występowanie i wytwarzanie związków biologicznie czynnych, Postępy Mikrobiologii 52(1):83–91 [2] D.A. Hopwood (2006) Soil To Genomics: The Streptomyces Chromosome, Annual Review of Genetics 40:1–23 [3] C. Balachandran, V. Duraipandiyan, K. Balakrishna, S. Ignacimuthu (2012) Petroleum and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) degradation and naphtalene metabolism in Streptomyces sp. (ERI-CPDA-1) isolated from oil contaminated soil, Bioresource Technology 112:83‒ 90 [4] F.Z. Ferradji, S. Mnif, A. Badis, S. Rebbani, D. Fodil, K. Eddouaouda, S. Sayadi (2014) Naphthalene and crude oil degradation by biosurfactant producing Streptomyces spp. isolated from Mitidja plain soil (North of Algeria), International Biodeterioration & Biodegradation 86:300‒ 308 [5] A. Pruden, J. Larsson, A. Amézquita, P. Collignon, K.K. Brandt, D.W. Graham, J.M. Lazorchak, S. Suzuki, P. Silley, J.R. Snape, E. Topp, T. Zhang, Y. Zhu (2013) Management Options for Reducing the Release of Antibiotics and Antibiotic Resistance Genes to the Environment, Environmental Health Perspectives, 121:878‒ 885 [6] Y. Fan, L.S. Mei, H.H. Ling, C. Ping (2014) Heavy Metal and Antibiotic Resistance in Bacteria Isolated from the Environment of Swine Farms, Journal of Chemical Society of Pakistan, 36:360‒ 364 151 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CZWARTORZĘDOWE SOLE TROPINIOWE: SYNTEZA I WSTĘPNA OCENA TOKSYCZNOŚCI Agnieszka Biedziak1, Anna Parus1*, Alicja Szulc1, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak2, Grzegorz Framski3 1 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań 3 Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] Czwartorzędowe sole tropiniowe stanowią nową grupę surfaktantów, których zastosowanie upatrywane jest jako potencjalne czynniki przeciwdrobnoustrojowe w stosunku do patogenów roślinnych, zwierzęcych oraz ludzkich. Tropina oraz alkaloidy tropanowe są czynnikami dobrze poznanymi i stosowanymi w medycynie. Z kolei w literaturze dotychczas opisano czwartorzędowe sole tropiniowe jedynie z alkilowym łańcuchem zawierającym od 12 do 16 atomów węgla. Związki te wykazują dużą aktywność w stosunku do drożdży Saccharomyces cerevisae oraz Candida albicans [1, 2]. Celem pracy było otrzymanie szeregu czwartorzędowych soli tropiniowych zawierających zarówno łańcuch alkilowy od 12 do 18 atomów węgla, a także grupę estrową oraz benzylową. A następnie ocena ich toksyczności w stosunku do wybranego konsorcjum bakteryjnego oraz wstępna ocena biodegradacji tych związków. Czwartorzędowe sole tropiniowe otrzymano w wyniku działania bromku alkilowego, bromooctanu etylu lub bromku benzylu na tropinę (rysunek 1.). Jako rozpuszczalnik zastosowano aceton. Mieszaninę reakcyjną ogrzewano w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika od 1 do 5 dni. Syntezę prowadzono w atmosferze gazu obojętnego, którym był argon. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC). Struktury związków zostały potwierdzone metodami spektroskopowymi (1H NMR i 13 C NMR). Widma te wykonane zostały w Instytucie Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu na spektrometrze NMR firmy Bruker dla częstotliwości 400 MHz dla widm protonowych i 100 MHz dla widm węglowych. Rysunek 1. Schemat syntezy czwartorzędowych soli tropiniowych 152 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne otrzymanych czwartorzędowych soli tropiniowych Wydajność [%] Stan skupienia Temperatura topnienia [°C] Skrót bromek N-metylo, N-octanoetylotropiniowy 63 ciało stałe 195 QST Ethy bromek N-benzylo,Nmetylotropiniowy 64 ciało stałe 243-245 QST Benz 79 ciało stałe 228-229 QST C12 81 ciało stałe 244-245 QST C14 83 ciało stałe 241-242 QST C16 76 ciało stałe 238-239 QST C18 Związek Struktura bromek N-dodekano,Nmetylotropiniowy bromek N-metylo, N-tetradekanotropiniowy bromek N-heksadecylo,Nmetylotropiniowy bromek N-metylo,Noktadecylotropiniowy W następnym etapie badań określono toksyczność związków w stosunku do wybranego konsorcjum bakteryjnego. Toksyczność względem mikroorganizmów została określona na podstawie badań gęstości optycznej (OD 600). Stosowane konsorcjum bakteryjne składało się z następujących szczepów: Pseudomonas stutzeri, Alcaligenes xylosoxidans, Sphingobacterium sp., Comamonadaceae bacterium, Nitrobacter freundii, Sphingobacterium kitahiroshimense i Pseudomonas sp. Z uzyskanych 153 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wyników obliczono szybkość wzrostu w odniesieniu do prób kontrolnych, co z kolei umożliwiło wyznaczenie zahamowania wzrostu mikroorganizmów w obecności związku o znanym stężeniu. Z otrzymanych danych wykreślono krzywe, z których następnie wyznaczono wartości EC 50 (Effective Concentration), czyli stężenia substancji potencjalnie toksycznej wywołujące 50-procentowe zahamowanie wzrostu mikroorganizmów. W kolejnym etapie badań przeprowadzono 28 dniowe testy biodegradacyjne. W tym celu założono hodowle płynne w butelkach szklanych o pojemności 250 ml. Przygotowano odpowiednią ilość prób ślepych i właściwych, na podstawie których wyznaczono procent biodegradacji. Ślepa próba wykonywana jest w takich samych warunkach przy użyciu takich samych odczynników, jak próby właściwe, jednak nie zawiera analizowanego związku. Takie oznaczenie pozwala na ustalenie i uwzględnienie wpływu stosowanych odczynników na wynik przeprowadzanego eksperymentu. Próby właściwe zawierają znaną ilość analizowanego związku. Ubytek czwartorzędowych soli tropiniowych oznaczany był metodą HPLC-MS/MS. Podsumowując w wyniku reakcji czwartorzędowania otrzymano sześć pochodnych tropiny z wysoką wydajnością (60-80%). Czwartorzędowe sole tropiniowe wykazują stosunkowo dużą toksyczność w stosunku do analizowanego konsorcjum bakteryjnego (niskiej wartości EC50). Wysoka rozpuszczalność tych związków w fazie wodnej i ich słaba podatność na biodegradację, czynią je potencjalnie trwałym zanieczyszczeniem, co może mieć istotne konsekwencje dla środowiska. Projekt został sfinansowany ze środków na działalność statutową nr 03/32/DSMK/0464 oraz 03/32/DSMK/0516. Literatura: [1] L. Corte, M. Tiecco, L. Roscini, R. Germani, G. Cardinali (2014) FTIR analysis of the metabolomic stress response induced by N-alkyltropinium bromide surfactants in the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans, Colloids and Surface B: Biointerfaces 11:761-771 [2] D.J. Couling, R.J. Beent, K.M. Docherty, J.K. Dixon, E.J. Maggin (2006) Assessing the factors responsible for ionic liquids toxicity to aquatic organisms via quantitative structure-property relationship modeling, Green Chemistry 8:82-90 154 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIODEGRADACJA MODELOWEGO HOMOGENICZNEGO OKSYETYLENOWANEGO ALKOHOLU C12EO9 PRZEZ SZCZEP BAKTERYJNY ENTEROBACTER SPP Marta Bielawska*, Joanna Zembrzuska, Irena Budnik Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej; Politechnika Poznańska ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Związki powierzchniowo czynne (ZPC) – surfaktanty, są to związki które mogą zmniejszać napięcie powierzchniowe na granicy faz. Związki te są zbudowane z dwóch części: hydrofobowej mającej powinowactwo do fazy niepolarnej oraz hydrofilowej posiadającej powinowactwo do fazy polarnej. Najczęściej stosowaną klasyfikację ZPC, ze względu na budowę chemiczną, przestawiono na Rysunku 1 [1]. Rysunek 1. Podział związków powierzchniowo czynnych ze względu na budowę cząsteczki [1] Surfaktanty niejonowe stanowią już dwie trzecie światowej produkcji ZPC. Najczęściej używa się oksyetylenowanych alkoholi (AE) [2]. Powstają one podczas kondensacji hydrofobowego łańcucha alkilowego (alkoholi tłuszczowych) z grupą hydrofilową tlenku etylenu. Są szeroko stosowane w przemyśle, ze względu na szybką biodegradację, stabilność w szerokim zakresie pH, a także dzięki temu że możemy stosować je z twardą wodą. Biodegradacja tych związków polega na centralnym rozszczepieniu, w którym to grupa hydrofilowa surfaktantu zostaje odłączona jako poli(glikole etylenowe) (PEG) od grupy hydrofobowej (łańcucha alkilowego). Stosunkowo niewielka liczba prac poświęcona jest biodegradacji niejonowych związków powierzchniowo czynnych (NS), mimo że związki te są największym źródłem antropogenicznego, organicznego węgla na powierzchni wody. Wiąże się to z tym, że stężenie NS rośnie w wodach rzek [3]. Dlatego tak ważne jest kontrolowanie biodegradacji NS w celu zapewnienia minimalnego ryzyka dla środowisko [4]. 155 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Pałeczki gram ujemne Enterobacter spp występują powszechnie w wodach, ściekach, glebach, a także w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt. Należą do mikroflory naniesionej, której źródłem może być gleba, bądź ścieki [5]. Ze względu na swoje rozpowszechnienie są interesującymi mikroorganizmami z punktu widzenia możliwości biodegradacyjnych NS. Testy biodegradacyjne pozwalają ocenić podatność na biodegradację analizowanego związku, w tym przypadku modelowego oksyetylenowanego alkoholu zawierającego 9 grup oksyetylenowych w cząsteczce (C12EO9). Celem pracy było zbadanie stopnia biodegradacji modelowego homogenicznego niejonowego surfaktantu C12EO9 przez gram ujemne bakterie Enterobaster spp. strain Z3 podczas testu statycznego. Stopień biodegradacji oraz potencjalne jej mechanizmy kontrolowano techniką chromatografii cieczowej sprzężonej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS). Przeprowadzony test biodegradacyjny polegał na przygotowaniu odpowiedniej ilości prób biodegradacyjnych, na podstawie których określono stopień rozkładu surfaktantu C 12EO9 i powstanie ewentualnych metabolitów procesu biodegradacji. Szczep bakteryjny, przed testem biodegradacyjnym, odpowiednio namnażano aż do uzyskania pożądanej objętości medium o odpowiednim stężeniu bakterii. Jako medium do namnażania bakterii wykorzystano pożywkę wg. Schöberla [6], do której dodano surfaktant (0,1 mg/L). Miało to na celu sprawdzenie, czy bakterie przystosowane do wykorzystania tego źródła węgla będą szybciej biodegradowały surfaktant w czasie trwania testu. W ramach prowadzonych badań przeprowadzono test statyczny z wykorzystaniem C 12EO9 jako jedynego źródła węgla dla zaszczepki bakteryjnej Enterobacter spp. strain Z3. Test prowadzono w warunkach pozwalających na odtworzenie naturalnych procesów zachodzących w wodzie rzecznej. Przygotowane próby wytrząsano w temperaturze pokojowej przez 7 dni. Próbki pobierano na początku testu, pierwszego, drugiego, czwartego i siódmego dnia trwania testu, następnie bezpośrednio po pobraniu poddano je sekwencyjnej ekstrakcji ciecz- ciecz z wykorzystaniem octanu etylu i chloroformu [7]. Po odparowaniu odpowiedniej ilości ekstraktów pozostałość poddano reakcji deprywatyzacji derywatyzacji z izocyjanianem fenylu, w celu ilościowego oznaczenia glikoli etylenowych (EG1-EG5) i oksyetylenowanych alkoholi (C12EO1-C12EO9) oraz wolnego alkoholu (C12OH) techniką LC-MS/MS. Analiza wyników przedstawionych na wykresach (Rysunek 2) pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków. Bakterie w przypadku zastosowania surfaktantu C12EO9 jako jedynego źródła węgla biodegradują go przez odcinanie jednej grupy oksyetylenowej. Świadczy o tym przyrost stężenia C12EO8 w pierwszym dniu trwania testu (Rysunek 2A) jak również EG1 (Rysunek 2B). W pierwszym dniu testu widoczne też jest zwiększenie stężenia oksyetylenowanych alkoholi zawierających 5, 6 i 7 grup oksyetylenowych, co świadczy o „łańcuchowej” biodegradacji kolejnych produktów. Potwierdzeniem zachodzącego procesu biodegradacji jest też zwiększenie stężenia glikoli etylenowych w początkowej fazie testu. 156 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 2. Zmiana stężenia oksyetylenowanych alkoholi (A), glikoli etylenowych (B) oraz stopień biodegradacji w teście biodegradacyjnym z zaszczepką Enterobacter spp. Strain Z3 W miarę upływu czasu obserwuje się spadek wyjściowego C12E9 oraz produktów jego degradacji. W czwartym dniu testu stopień biodegradacji wyniósł 100%, co świadczy, iż bakterie szczepu Enterobacter spp strain Z3 szybko przystosowały się do wykorzystania surfaktantu jako jedynego źródła węgla. Wpływ na tak szybką biodegradację może mieć dodatek surfaktantu do medium, w którym namnażano bakterie. Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS. PB 31-293/2015. Literatura: [1] R. Zieliński (2000) Surfaktanty. Towaroznawcze i ekologiczne aspekty ich stosowania, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań [2] CESIO Statistics, 2012 Cefic Sector Group, (strona internetowa) http://www.cefic.org/Documents/Industry%20sectors/CESIO/CESIO-Statistics-2012.pdf. [10.05.2015]. [3] A. Szymański, B. Wyrwas, A. Jesiołowska, S. Kaźmierczak, T. Przybysz, J. Grodecka, Z. Łukaszewski, (2001) Surfactants in the River Warta: 1990-2000. Polish Journal of Environmental Studies, 10:371-377 [4] A. Szymański, E. Bubień, T. Kurosz, A. Wolniewicz, Z. Łukaszewski (2002) Biodegradation of Fatty Alcohol Ethoxylates under the Conditions of the Die-Away Test, Polish Journal of Environmental Studies, 11:429-433. [5] I. Budnik, J. Zembrzuska, Z. Łukaszewski (2012) Biodegradacja oksyetylenowanych alkoholi przez szczep bakteryjny wyselekcjonowany z wody rzecznej, w: Młodzi dla techniki, Politechnika Warszawska, Płock, 153-159. [6] P. Schőberl (1991) Coupling the OECD confirmatory test with continuous ecotoxicity tests. Tenside Surf Det 28:6–14 [7] M. Frańska, R. Frański, A. Szymański, Z. Łukaszewski (2003) A central fission pathway in alkylphenol ethoxylate biodegradation. Water Research 37:1005-1014 157 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PRÓBKOWANIE CHEMICZNE I PRZEWIDYWANIE STRUKTUR PRZESTRZENYCH RNA Marcin Biesiada1,2, Katarzyna Pachulska-Wieczorek1, Ryszard W. Adamiak2,3, Katarzyna J. Purzycka1 1 Zespół Struktury i Funkcji Retroelementów, Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań, 2 Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska, Piotrowo 2, 60-965 Poznań. 3 Zespół Struktury i Funkcji RNA, Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] RNA – kwas rybonukleinowy jest biopolimerem złożonym z czterech różnych jednostek – nukleotydów: adenozyny, cytozyny, guanozyny i urydyny. Centralny dogmat biologii molekularnej mówi o tym, że RNA pełni funkcję nośnika informacji z DNA do białka, czyli jest matrycą w procesie translacji. Jednak w komórce znajduje się wiele innych RNA pełniących bardzo ważne funkcje, np. microRNA (miRNA), które regulują procesy biologiczne, czy rybozymy, które analogicznie do enzymów białkowych są katalizatorami. Wszystkie wyżej wymienione funkcje RNA są zależne od jego struktury. Poznanie struktury RNA jest więc istotne dla zrozumienia jego funkcji. Jednakże z powodu tego, że cząsteczki RNA są duże i labilne konformacyjnie, jednoznaczne określenie ich struktury przy pomocy jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR), czy metodami krystalograficznymi nie jest łatwe. Stąd na znaczeniu zyskują programy do przewidywania struktur przestrzennych RNA. Jednak mają one pewne ograniczenia. Im mniejsza cząsteczka i mniej złożona oraz im więcej homologów ta cząsteczka posiada, tym większe prawdopodobieństwo przewidzenia prawidłowego modelu badanego RNA. Programy komputerowe do przewidywania struktur przestrzennych RNA można podzielić na dwie grupy. W pierwszej grupie znajdują się programy, do których wprowadzana jest jedynie sekwencja RNA. Natomiast drugą grupę stanowią programy, które oprócz sekwencji wymagają podania struktury drugorzędowej, czyli schematu parowania się poszczególnych nukleotydów. Największe znaczenie ma druga grupa, zwłaszcza, gdy jest wsparta danymi otrzymanymi z eksperymentów próbkowania struktury, zarówno na poziomie struktury 2D i 3D [1]. Metody pozwalające określić strukturę 2D RNA opierają się na różnicy między właściwościami reszt nukleotydowych występujących w rejonach jednoniciowych, a tymi, które tworzą pary kanoniczne – Watsona-Cricka. W próbkowaniu enzymatycznym, cząsteczki biologiczne – enzymy hydrolityczne np. nukleaza S1 może rozszczepiać wiązanie fosfodiestrowe w regionach jednoniciowych. W próbkowaniu chemicznym stosuje się różne odczynniki, które hydrolizują wiązanie fosfodiestrowe, np. Pb 2+ lub modyfikują dostępne centra nukleozasad (nieuwikłane w parowanie typu Watsona-Cricka), np. ketoksal, CMCT (1-cykloheksylo-(2-morfolinoetylo)karboimid), czy DMS (siarczan dimetylu). Najpopularniejszą 158 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. metodą próbkowania RNA jest metoda SHAPE (Selective 2'-hydroxyl acylation analyzed by primer extension) wykorzystująca reagenty, takie jak NMIA (bezwodnik kwasu 2-karboksyfenylo-Nmetylooctowego), czy 1M7 (kwasu 2-karboksy-(7-nitro)fenylo-N-metylooctowego), która w odróżnieniu od pozostałych metod pozwala na określenie struktury 2D z dokładnością jednonukleotydową niezależnie od rodzaju reszty nukleotydowej [2, 3]. Poza eksperymentalnymi metodami określania struktury 2D RNA, możliwe jest uzyskanie informacji o oddziaływaniach dalekiego zasięgu. Eksperymenty typu mutate-and-map czy MOHCA (multiplexed hydroxyl cleavage analysis) pozwalają na rozpoznanie reszt nukleotydowych znajdujących się blisko w przestrzeni do mutowanej (mutate-and-map) czy zmodyfikowanej (MOHCA) reszty nukleotydowej [4]. Natomiast analiza z wykorzystaniem rodników hydroksylowych identyfikuje rejony RNA wyeksponowane do roztworu [2]. RNAComposer [5, 6] jest w pełni zautomatyzowanym serwerem do przewidywania struktury przestrzennej RNA, który wymaga podania sekwencji oraz struktury drugorzędowej. Umożliwia on budowanie modeli struktur w szerokim zakresie długości łańcucha nukleotydowego, otrzymywanych z wysoką rozdzielczością i dokładnością. Modele przewidywane są w bardzo krótkim czasie. Wykorzystanie RNAComposera w połączeniu z danymi uzyskanymi z badań eksperymentalnych zwiększa dokładność określenia struktury przestrzennej RNA. Szczegółowa analiza struktury RNA umożliwia głębszy wgląd w kluczowe procesy komórkowe oraz zrozumienie w jaki sposób reguluje ona funkcje RNA. Badania są finansowane przez NCN [2012/06/A/ST6/00384] oraz MNiSW [0492/IP1/2013/72]. Literatura: [1] M. Magnus, D. Matelska, G. Lach, G. Chojnowski, M.J. Boniecki, E. Purta, W. Dawson, S. Dunin-Horkawicz, M.J. Bujnicki (2014) Computational modeling of RNA 3D structures, with the aid of experimental restraints, RNA Biol. 11(5):52236 [2] K.M. Weeks (2010) Advances in RNA Secondary and Tertiary Structure Analysis by Chemical Probing, Curr. Opin. Struct. Biol. 20(3): 295–304 [3] S. Lusvarghi, J. Sztuba-Solinska, K.J. Purzycka, J.W. Rausch, S.F.J. Le Grice (2013) RNA Secondary Structure Prediction Using High-throughput SHAPE, J Vis Exp. (75):50243 [4] C.Y. Cheng, F.C. Chou, W. Kladwang, S. Tian, P. Cordero, R. Das (2015) Consistent global structures of complex RNA states through multidimensional chemical mapping, eLife 4:e07600 [5] M. Popenda, M. Szachniuk, M. Antczak, K.J. Purzycka, P. Lukasiak, N. Bartol, J. Blazewicz, R.W. Adamiak. Automated 3D structure composition for large RNAs, Nucleic Acids Res. 40(14):e112. [6] K.J. Purzycka, M. Popenda, M. Szachniuk, M. Antczak, P. Lukasiak, J. Blazewicz, R.W. Adamiak (2015) Automated 3D RNA structure prediction using the RNAComposer method for riboswitches, Methods Enzymol. 553:3-34 159 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW SAPONIN Z DZIEWANNY POSPOLITEJ NA BAKTERIE ŚRODOWISKOWE Magdalena Bigaj*, Marta Galikowska, Aleksandra Łabińska, Wojciech Smułek, Agata Zdarta, Ewa Kaczorek Zakład Chemii Organicznej, Instytut Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Dziewanna (Verbascum) jest rośliną z rodziny trędownikowatych pochodzącą z północnozachodniej Azji. Występuje w Europie, Ameryce Północnej i w północnej części Afryki. Nie wymaga szczególnych warunków glebowych ani klimatycznych. Rośnie na nieużytkach, na glebach jałowych, piaszczystych i kamienistych oraz na skrajach lasów. W drugim roku wegetacji wytwarza pęd osiągający 1,5 m wzrostu. Liście są jajowate, skrętoległe, w całości pokryte puszystymi, srebrnymi włoskami. W górnej części łodygi wyrastają korony kwiatowe – pięciopłatkowe, zrośnięte na dole, tworzące rurki w kielichach. Kwiaty najczęściej są żółte (czasem białe, pomarańczowe, purpurowe lub niebieskie). W suche i słoneczne dni zrywa się tylko te płatki, które się w pełni rozwinęły. Mają one przyjemny miodowy zapach i słodkawy smak. W celach leczniczych zbiera się kwiaty, korony kwiatowe, czasem owoce (nasiona). Zawierają one wiele cennych składników odżywczych. Należą do nich między innymi saponiny, flawonoidy, związki śluzowe i karotenoidy [1]. Saponiny to nielotne, szeroko rozpowszechnione w przyrodzie naturalne związki powierzchniowo czynne zaliczane do biosurfaktantów roślinnych [2]. Nazwa saponin pochodzi od łacińskiego słowa sapo (mydło) – ponieważ dzięki połączeniu polarnych i niepolarnych elementów strukturalnych w swoich cząsteczkach widocznym efektem działania saponin może być tworzenie się emulsji lub piany [3]. Biosurfaktanty wykazują wiele zalet w stosunku do surfaktantów chemicznych: cechuje je większa biodegradowalność oraz bardzo niska toksyczność. Z tego powodu coraz częściej wykorzystywane są w wielu gałęziach przemysłu np. medycynie, przemyśle kosmetycznym, spożywczym i petrochemicznym [4], dlatego konieczne jest jak najlepsze poznanie ich właściwości. Biosurfaktanty bardzo często stosowane są w układach z drobnoustrojami, aby zwiększyć efektywność działania mikroorganizmów dzięki obniżeniu napięcia powierzchniowego cieczy. Hydrofobowość powierzchni komórek bakteryjnych odgrywa decydujące znaczenie w oddziaływaniach komórek z innymi powierzchniami. Surfaktanty mają zdolność do modyfikowania hydrofobowości powierzchni komórek bakteryjnych w zależności od rodzaju środka powierzchniowo czynnego, jego stężenia i właściwości powierzchniowych komórek [5]. Zrozumienie mechanizmów oddziaływań bakterii i biosurfaktantów, ich adsorpcji na granicy faz, stanowić może podstawę do podjęcia racjonalnych strategii zastosowań takich układów na szerszą 160 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. skalę. Docelowo badania układów biosurfaktant/mikroorganizmy mogą przyczynić się do zastąpienia surfaktantów syntetycznych substancjami naturalnymi, przyjaznymi ludziom oraz środowisku. Celem niniejszej pracy było zbadanie toksyczności ekstraktu z dziewanny dla mikroorganizmów środowiskowych oraz analiza właściwości powierzchniowych układu biosurfaktant/mikroorganizmy. Do badań wykorzystano ekstrakt z kwiatów dziewanny, w którym obecność saponin potwierdzono we wcześniejszych badaniach. Przeprowadzono testy toksyczności badanego ekstraktu w różnych stężeniach dla szczepów Pseudomonas mendocina i Acinetobacter genomospecies. Następnie przeanalizowano hydrofobowość powierzchni komórek oraz potencjał zeta w hodowli bez dodatku ekstraktu z dziewanny oraz z dodatkiem ekstraktu w stężeniach 0,2g/100mL, 0,5g/100mL i 1g/100mL. Przeprowadzone badania wykazały, że nawet w dużym stężeniu ekstrakt nie był toksyczny dla analizowanych szczepów bakterii, co umożliwia jego zastosowanie w układach badawczych oraz przemysłowych z wykorzystaniem mikroorganizmów środowiskowych, gdzie może on zastępować surfaktanty chemiczne. Przeprowadzone analizy właściwości powierzchniowych mikroorganizmów nie wykazały znaczącego wpływu dodatku ekstraktu z dziewanny na hydrofobowość i potencjał zeta powierzchni mikroorganizmów, jednak dla pełniejszego poznania wpływu biosurfaktantu na analizowane szczepy niezbędne wydaje się przeanalizowanie wpływu ekstraktu z dziewanny na właściwości bakterii w modelowym układzie przemysłowym, w którym biosurfaktanty mogłyby być zastosowane. Badania zostały sfinansowane ze środków Rektora Politechniki Poznańskiej przyznanych dnia 29.04.2015. Literatura: [1] Geoff Burnie i wsp. (2005) Botanica. Rośliny ogrodowe, Wyd. Könemann. ISBN 3-8331-1916-0 [2] S. Böttger, E. Westhof, K. Siems, M. F. Melzig (2013) Structure–activity relationships of saponins enhancing the cytotoxicity of ribosome–inactivating proteins type I (RIP–I), Toxicon 73:144–150 [3] J. P. Vincken, L. Heng, A. de Groot, H. Gruppen (2007) Saponins, classification and occurrence in the plant kingdom, Phytochemistry 68:275–297 [4] M. Piotrowski, J. Lewandowska, K. Wojciechowski (2011) Biosurfaktanty jako zamienniki syntetycznych surfaktantów, Inż. Ap. Chem. 50 (5):90-91 [5] E. Kaczorek, K. Sałek, U. Guzik, T. Jesionowski, Z. Cybulski (2013) Biodegradation of alkyl derivatives of aromatic hydrocarbons and cell surface properties of a strain of Pseudomonas stutzeri, Chemosphere 90:471–478 161 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OZNACZANIE W ŚRODOWISKU ZWIĄZKÓW ZAKŁÓCAJĄCYCH RÓWNOWAGĘ HORMONALNĄ (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Beata Czarczyńska-Goślińska *, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak2, Magdalena Jeszka-Skowron2 1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu, Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań 2 Politechnika Poznańska, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) W środowisku znajduje się ogromna ilość substancji stanowiących zagrożenie dla zdrowia człowieka i innych żywych organizmów. Pewne grupy tych związków zakłócają funkcjonowanie gruczołów dokrewnych i określane są jako EDCs (ang. endocrine-disrupting compounds). Zalicza się do nich: polichlorowane bifenyle (PCBs), wielopierśceniowe węglowodory aromatyczne (WWA), niektóre pestycydy, alkilofenole, parabeny, dioksyny, flawony, fitoestrogeny, niektóre metale ciężkie itp. [1, 2]. Związki tego typu wykazują zdolność do naśladowania endogennych estrogenów, zaburzania syntezy i metabolizmu endogennych hormonów lub modulowania receptorów estrogenowych [3]. Zakłócenie funkcjonowania gruczołów dokrewnych może prowadzić do zaburzeń reprodukcyjnych, w tym do bezpłodności oraz potencjalnego zwiększenia zagrożenia powstawania raka. Toksyczność związków endokrynnych powoduje zwrócenie szczególnej uwagi na metody ich identyfikacji głównie ze względu na ochronę środowiska. Z tego względu wszystkie etapy oznaczania tych związków, w tym: przygotowanie próbki, rozdzielanie i oznaczanie wybranych substancji estrogenowych, stały się niezwykle istotne. Celem niniejszej pracy było oznaczanie wybranych związków o działaniu endokrynnym z grup fenoli i parabenów w wodach powierzchniowych z obszaru Wielkopolski. Pobrano próbki wody z pięciu jezior oraz sześciu rzek. Próbki przefiltrowano i poddano ekstrakcji do fazy stałej przy użyciu kolumienek ABS Elut-Nexus, 60 mg, 3 ml (kopolimer metakrylan metylu-diwinylobenzen). Anality eluowano 2 ml acetonitrylu, odparowano do sucha, a pozostałość rozpuszczono w 100 µl mieszaniny metanol : woda (4:1). Analizę tak przygotowanych próbek przeprowadzono przy użyciu chromatografu cieczowego UltiMate 3000 (Dionex, USA) sprzężonego ze spektrometrem mas API 4000 QTRAP (Applied Biosystems/MSD Sciex, USA). Rozdział chromatograficzny przeprowadzono z użyciem kolumny Hypersil GOLD C18 100 mm 2,1 mm, 1.9 µm (Thermo Scientific, USA), na którą nastrzykiwano 5 µl próbki. Kolumnę termostatowano w temperaturze 35ºC. Fazę ruchomą stanowiła mieszanina 5∙10-3 mol l-1 octanu amonu w wodzie (A) i metanol (B) o przepływie 0,22 ml/min. Zastosowano elucję gradientową od 50% B do 80% B w 4 minuty, a następnie do 95% B w 8 minucie i do 100% B w 10 minucie. Wybrane warunki oznaczania parabenów i alkilofenoli techniką HPLC-MS/MS przedstawiono w tabeli 1. Przykładowy chromatogram mieszaniny wzorcowej przedstawiono na rysunku 1. 162 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Wybrane warunki oznaczania parabenów i alkilofenoli techniką HPLC-MS/MS CE [V]a -30 -30 -32 -35 -34 -35 -40 -32 -26 -29 -48 Związek MRM 1 [m/z] metyloparaben 151 → 92 etyloparaben 165 → 92 propyloparaben 179 → 92 butyloparaben 193 → 92 benzyloparaben 227 → 92 bisfenol-A 227 → 133 kumylofenol 211 → 195 4-tert- oktylofenol 205 → 133 4-n- oktylofenol 205 → 106 4-n- nonylofenol 219 →106 nonylofenol 219 →133 a CE (collision energy) – energia kolizji XIC of -MRM (31 pairs): 151,0/92,0 Da ID: Metylparaben from Sample 3 (Wz ) of DataSPE.wiff (Turbo S 1,5e6 pray) Max. 4,5e5 cps. BP BzP 1,4e6 CE [V]a -25 -19 -21 -22 -21 -57 -33 -82 -52 -51 -42 MRM 2 [m/z] 151 → 136 165 → 136 179 → 136 193 → 136 227 → 136 227 → 93 211 → 133 205 → 117 205 → 119 219 → 119 219 → 119 1,3e6 1,2e6 1,1e6 1,0e6 Intens ity, cps 9,0e5 PP 8,0e5 7,0e5 6,0e5 EP 5,0e5 MP BPA 4-NP 4,0e5 4-n-OP 3,0e5 4-CP 4-n-NP 4-t-OP 2,0e5 1,0e5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Time, min Rysunek 1. Chromatogram mieszaniny oznaczanych związków. MP – metyloparaben, EP – etyloparaben, PP – propyloparaben, BP – butyloparaben, BzP – benzyloparaben, BPA – bisfenol A, 4-CP- kumylofenol, 4-t-OP – 4-tertoktylofenol, 4-NP – 4-nonylofenol, 4-n-OP – 4-n-oktylofenol, 4-n-NP- 4-n-nonylofenol W próbkach wody wykryto 9 z 11 analizowanych związków. Najwyższe stężenia zanotowano dla nonylofenolu (między 181 ng/l a 328,6 ng/l). Użycie tego związku zostało ograniczone zgodnie z dyrektywą Unii Europejskiej [4] lecz stężenie oznaczone w badanych próbkach jest analogiczne, jak oznaczone w polskich rzekach roku 2009 [5], co świadczy o tym, że dalsza redukcja zużycia nonylofenolu nie nastąpiła. Stężenia 4-tert-oktylofenolu są również na podobnym poziomie do tych zanotowanych w roku 2009 [5]. Dla parabenów brak danych literaturowych odnośnie ich obecności w polskich wodach powierzchniowych. Niemniej jednak proporcje oznaczonych parabenów zgodne są z ich użyciem, tj. najwięcej oznaczono metyloparabenu, a w drugiej kolejności etyloparabenu. 163 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 2. Zawartość oznaczanych związków w próbkach środowiskowych. MP – metyloparaben, EP – etyloparaben, PP – propyloparaben, BP – butyloparaben, BzP – benzyloparaben, BPA – bisfenol A, 4-CP- kumylofenol, 4-t-OP – 4-tertoktylofenol, 4-NP – 4-nonylofenol, 4-n-OP – 4-n-oktylofenol, 4-n-NP- 4-n-nonylofenol. Miejsce poboru próbki Jezioro Lusowskie Jezioro Pamiątkowskie Jezioro Bnińskie Jezioro Śremskie Jezioro Bytyńskie Samica Stęszewska Krosinko Kanał Mosiński Mosina Główna Janikowo Sama Szamotuły Główna Poznań Warta Wiórek Miejsce poboru próbki Jezioro Lusowskie Jezioro Pamiątkowskie Jezioro Bnińskie Jezioro Śremskie Jezioro Bytyńskie Samica Stęszewska Krosinko Kanał Mosiński Mosina Główna Janikowo Sama Szamotuły Główna Poznań Warta Wiórek a nw – nie wykryto MP 13,5±1,2 18,3±0,6 9,1±0,9 17,4±0,8 14,0±0,4 13,5±0,5 24,3±0,6 14,2±1,8 11,6±0,1 8,9±0,2 20,3±0,7 4-CP nw nw nw nw nw nw nw nw nw nw nw Stężenie parabenów ng/l±sd EP PP BP 10,1±0,2 5,2±0,4 4,5±0,1 12,2±2 5,5±0,7 4,6±0,5 10,1±0,3 5,2±0,4 4,2±0,1 10,4±0,5 6,8±0,3 4,1±0,3 11,2±0,6 4,7±0,6 5,1±0,7 10,8±0,04 4,5±0,2 3,8±0,2 11,0±0,8 5,0±0,5 3,8±0,2 10,9±0,3 3,9±0,2 4,2±0,4 11,5±1,2 6,8±1 2,9±0,2 9,4±0,2 5,2±0,9 3,1±0,3 11,0±0,1 36,1±0,9 4,5±0,1 Stężenie fenoli ng/l±sd 4-NP 4-n-NP 4-t-OP 4-n-OP 198,8±24,2 Nw 31,4±0,7 5,3±0,4 231,4±5,7 Nw 56,8±1,5 nw 275,7±16,1 Nw 55,9±5,1 4,5±0,8 210,0±13,4 Nw 47,3±6,3 5,1±0,3 217,7±2,2 Nw 63,7±8,8 4,9±1,1 191,2±7,5 Nw 38,4±1,2 3,6±0,1 205,8±19 Nw 49,6±1,5 4,6±0,7 181,4±24,1 Nw 50,7±0,5 4,2±0,5 328,6±59,8 Nw 33,9±0,5 4,8±0,5 203,3±12,3 Nw 109,6±5,8 4,6±0,5 215,5±20,4 nw 51,1±0,3 5,2±0,02 BzP 0,8±0,05 1,0±0,2 0,7±0,07 0,7±0,1 1,1±0,04 0,8±0,1 2,2±0,03 0,8±0,1 0,8±0,1 0,7±0,03 0,7±0,02 BPA 6,9±0,7 4,6±0,9 12,4±1,5 11,1±1,5 21,1±1,8 7,9±0,1 20,8±1,6 8,0±0,2 16,7±1,7 20,9±1,5 22,7±0,3 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy 03/31/DSPB/0296. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] A. Biłyk, G. Nowak-Piechota (2004) Synteza chemiczna 26:29-35 [2] D. Błędzka, J. Gromadzińska, W. Wąsowicz (2014) Environment Internationa 67:27-42 [3] A. Sobczak (2012) Medycyna Środowiskowa – Environmental Medicine 15:7-17 [4] Directive 2003/53/EC of the European Parliament and of the Council of 18 June 2003, amending for the 26th time Council Directive 76/769/EEC relating to restrictions on the marketing and use of certain dangerous substances and preparations (nonylphenol, nonylphenol ethoxylate and cement), Luxembourg 2003 [5] A. Zgoła-Grześkowiak, T. Grześkowiak, A. Szymański (2014) Przemysł Chemiczny 93:2170-2175 164 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. LIPOSOMOWE NOŚNIKI ZWIĄZKÓW BIOAKTYWNYCH Anna Bryła1*, Wojciech Juzwa2, Grażyna Lewandowicz2 1 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 61-131 Poznań Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 48, 60-637 Poznań * e-mail: [email protected] Czarny bez (Sambucus nigra) jest powszechną rośliną występującą w regionach o klimacie od umiarkowanego do subtropikalnego. Jest to krzew liściasty osiągający do 6 metrów wysokości, o białych kwiatach i ciemnych, purpurowych jagodach [1, 2]. Bogactwo antyoksydantów, kwasów organicznych, witamin, warunkuje rosnące zainteresowanie owocami czarnego bzu ze strony przemysłu farmaceutycznego i spożywczego, przy jednoczesnym wysokim zapotrzebowaniu na naturalne środki lecznicze i żywność funkcjonalną [3]. Potencjalnymi przeszkodami w wykorzystaniu owoców z czarnego bzu jako źródła związków bioaktywnych jest ich niepożądany, goryczkowy smak oraz obecność cyjanogennych glikozydów [4, 5]. Dodatkowo, cenne związki bioaktywne są podatne na degradację w skutek działania ciepła, obróbki mechanicznej, przetwarzania i przechowywania oraz mogą ulegać interakcjom w matrycy produktu spożywczego [6]. Ponad to, część związków aktywnych, nie jest efektywnie absorbowana z przewodu pokarmowego [7]. Jednak odpowiedni czas zbiorów i obróbka termiczna minimalizują poziom związków toksycznych [8]. Rozwiązanie może stanowić kapsułkowanie związków aktywnych [9, 10]. W literaturze opisano szereg metod mikrokapsułkowania bioaktywnych składników [11, 12]. Jednak, nanokapsułkowanie zapewnia większą powierzchnię wymiany, wyższą stabilność, minimalny wpływ na właściwości organoleptyczne produktu [7]. Liposomy są to pęcherzyki zbudowane z dwuwarstwy fosfolipidowej. Ze względu na pełną biokompatybilność, dobre właściwości barierowe, małe rozmiary i możliwość przenoszenia zarówno związków hydrofilowych jak i lipofilowych, są one wykorzystywane jako nanonośniki [13, 14]. Liposomy po raz pierwszy otrzymano i opisano w 1965 roku [15]. Od tamtej pory opracowano wiele metod wytwarzania liposomów, jednak pierwotna, uwadniania cienkiego filmu lipidowego jest nadal najczęściej stosowana [16]. Ostateczny wybór metody wytwarzania pęcherzyków jest uzależniony od ich zastosowania. Liposomy różnią się głownie rozmiarem (osiągają od 20 nm do > 1 µm średnicy) oraz strukturą (ilość dwuwarstw fosfolipidowych). Dla podaży doustnej rozmiary rzędu 100-200 nm są odpowiednie, jednak liczba dwuwarstw powinna być jak najniższa celem optymalizacji absorpcji z przewodu pokarmowego [9, 10]. Dodatkowo, dla zastosowania w żywności, liposomy powinny być wytwarzane z wykorzystaniem bezpiecznych, popularnych, stosunkowo tanich surowców. Fosfolipidy ekstrahowane z naturalnych surowców pochodzenia roślinnego i zwierzęcego spełniają te kryteria [17]. Komercyjne preparaty lecytyn z różnych źródeł różnią się przede wszystkim zawartością fosfatydylocholiny, fosfatydyloinozytolu, fosfatydyloetanolaminy 165 oraz związków pobocznych: BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. tryacylogliceroli, steroli, wolnych kwasów tłuszczowych, co znacząco wpływa na właściwości tworzonych z nich liposomów [18,19]. W zależności od składu wykorzystanej lecytyny, można spodziewać się odmiennych populacji liposomów, w szczególności różniących się rozmiarami i strukturą. Celem pracy było porównanie przydatności różnych lecytyn do nanokapsułkowania bioaktywnych składników żywności. W badaniach wykorzystano lecytyny z żółtka jaja kurzego, sojową oraz słonecznikową. Jako przykład koncentratu związków bioaktywnych wykorzystano ekstrakt z owoców czarnego bzu. Liposomy wytwarzano metodą uwadniania cienkiego filmu lipidowego. Pęcherzyki oddzielano od niezakapsułkowanego ekstraktu z wykorzystaniem sączenia molekularnego. Populacje liposomów oceniano pod kątem wydajności kapsułkowania, potencjału zeta oraz rozmiaru. Dodatkowo, przeprowadzono analizę rozkładu rozmiaru i struktury pęcherzyków w populacjach z zastosowaniem cytometrii przepływowej. Wykazano, że wszystkie trzy z pośród badanych lecytyn nadają się do wytwarzania liposomów. Jednak lecytyna sojowa warunkuje uzyskanie najbardziej stabilnego produktu, o najmniejszych rozmiarach (205 nm). Populacja liposomów z lecytyny sojowej była najbardziej jednorodna pod względem rozmiaru i struktury, a wydajność kapsułkowania uzyskano na poziomie 25%. Zastosowanie lecytyn z żółtka jaja kurzego i słonecznika skutkuje znacząco wyższymi wartościami wydajności procesu. Jednak otrzymane z powyższych surowców liposomy są mniej stabilne i wykazują większe zróżnicowanie rozmiaru i struktury w odniesieniu do liposomów z lecytyny sojowej. Literatura: [1] D. Charlebois, P. L. Byers, C. E. Finn, L. A. Thomas (1995) Elderberry: Botany, Horticulture, Potential. Horticultural Reviews, John Wiley &Sons Inc, USA, 17(4):213-280 [2] B. Kołodziejczak, K. Drożdżal (2011) Właściwości przeciwutleniające kwiatów i owoców bzu czarnego pozyskiwanego ze stanu naturalnego, Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 4(77):36-44 [3] I. Ochmian, J. Oszmiański, K. Skupień (2009) Chemical composition, phenolics, and firmness of small blach fruits, J. Appl. Botany Food Qual. 83:64-69 [4] R. A. Buhrmester, J. E. Ebinger, D. S. Seigler (2000) Sambunigrin and cyanogenic variability in population of Sambucus Canadensis L. (Caprifoliaceae), Biochem. Syst. Ecol. 28:689-695 [5] S. R. Jensen, B. J. Nielsen (1973) Cyanogenic glucosides in Sambucus nigra, L. Acta Chem. Scand. 27:2661–2662 [6]I. Ioannou, I. Hafsa, S. Hamdi, C. Charbonnel, M. Ghoul, (2012) Review of the effect of food processing and formulation on flavonol and anthocyanin behaviour, J. Food Eng. 111:208–217. [7] J. M. Odeberg, A. Lignell, A. Pettersson, P. Hoglund (2003) Oral bioavailability of the antioxidant astaxanthin on humans is enhanced by incorporation of lipid based formulations, Eur. J. Pharm. Sci. 19:299–304. [8] K. Kaack, L. Christensen, M. Hughes, R. Eder (2006) Relationship between sensory quality and volatile compounds of elderflower (Sambucus nigra L.) extracts, J. Eur. Res. Technol. 223:57–70. [9] M. R. Mozafari, K. Khosravi-Darani, G. G. Borazan, J. Cui, A. Pardakhty, S. Yurdugul (2008a) Encapsulation of food ingredients using nanoliposome technology, Int. J. Food Prop. 11:833–844. 166 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [10] M. R. Mozafari, C. Johnson, S. Hatziantoniou, C. Demetzos (2008b) Nanoliposomes and their applications in food nanotechnology, J. Liposome Res. 18:309–327 [11] S. Bo, Y. Wenli, Z. Yaping, L. Xiaoyong (2006) Study on microencapsulation of lycopene by spray-drying, J. Food Eng. 76:664–669 [12] S. Guorong, R. Liqun, Y. Huazhong, X. Hua, P. Guoping, L. Sang, Y. Chen (2007) Yeast-cell-based microencapsulation of chlorogenic acid as a water-soluble antioxidant, J. Food Eng. 80:1060–1067 [13] D. Baomiao, Z. Xiaoming, H. Khizar, X. Shiqin, J. Chengsheng, X. Mingyong, L. Chengmei (2011) Preparation, characterization and the stability of ferrous glycinate nanoliposomes, J. Food Eng. 102:202–208 [14] W. Zhou, W. Liu, L. Zou, W. Liu, C. Liu, R. Liang, J. Chen (2014) Storage stability and skin permeation of vitamin C liposomes improved by pectin coating, Colloid Surfaces: Biointerfaces 117:330–337 [15] A. D. Bangham, M. M. Standish, J. C. Watkins (1965) Diffusion of univalent ions across the lamellae of swollen phospholipids, J. Mol. Biol. 13(1):238–252 [16] L. A. Meure, N. R. Foster, F. Dehghani (2008) Conventional and dense gas techniques for the production of liposomes: a review, AAPS PharmSciTech 9(3):798–809. [17] T. M. Taylor, P. M. Davidson, B. D. Bruce, J. Weiss (2005) Liposomal nanocapsules in food science and agriculture. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 45:587–605 [18] D. J. McClements (2015) Encapsulation, protection, and release of hydrophilic active components: potential and limitations of colloidal delivery systems, Adv. Colloid Interface Sci. 219:27–53 [19] T. M. Taylor, P. M. Davidson, B. D. Bruce, J. Weiss (2005) Liposomal nanocapsules in food science and agriculture. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 45:587–605 167 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ADSORPCJA ERYTRYTOLU PO BIOKONWERSJI GLICEROLU Karolina Cieślak*, Ewa Kaczorek, Andrzej Olszanowski Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60 -965 Poznań * e-mail: [email protected] Erytrytol nie jest, w chwili obecnej, szeroko znanym i rozpoznawalnym produktem spożywczym. Jednak posiada on właściwości, które stają się niezwykle cenne i poszukiwane, przy stale rosnącym zainteresowaniu społeczeństwa zdrowym trybem życia oraz produktami o charakterze suplementów diety. Ten alifatyczny alkohol czterowodorotlenowy jest naturalnie występującym cukrem w winogronach, kukurydzy, sosie sojowym, grzybach jadalnych, a także w winach i piwie [1, 2]. Jest niskokaloryczny, niekancerogenny (słodzik dla diabetyków), nie oddziałuje na poziom insuliny we krwi [2]. Jednak do niedawna ze względu na małą wydajność procesu jego pozyskiwania (co przekłada się na wysoką cenę) nie znalazł szerokiego wykorzystania w przemyśle spożywczym. Produkcja erytrytolu na świecie na skalę przemysłową prowadzona jest zarówno metodą chemiczną jak i biologiczną. Proces chemiczny jest mało wydajny i zachodzi w obecności katalizatorów niklowych w wysokiej temperaturze i podwyższonym ciśnieniu. Dlatego też poszukiwano innych rozwiązań technologicznych, wśród których metody biologiczne produkcji erytrytolu są bardzo obiecujące, co zostało praktycznie wykorzystane w Japonii, gdzie prowadzi się proces produkcji erytrytolu z glukozy w skali przemysłowej przez osmofilne drożdże z rodzaju Aurobasidium sp. Alternatywnym sposobem otrzymania erytrytolu może być hodowla drożdży Yarrowia lipolityca na glicerolu [1], co przy zastosowaniu niskiego pH prowadzenia procesu, znacznie obniża jego koszty poprzez np. brak konieczności przeprowadzania kosztownego procesu sterylizacji podłoża i bioreaktora. Biotechnologiczna metoda produkcji tego poliolu z odpadowego glicerolu jest w stanie zastąpić chemiczne metody syntezy erytrytolu [3]. Zastosowanie tych metod w produkcji polioli pozwoli zwiększyć znaczenie tego produktu na rynku, co będzie odpowiedzią na popyt ze strony konsumentów w aspekcie ciągle rosnącego zainteresowania zdrową żywnością i aktywnym, sportowym trybem życia. Jednak etap umiejętnego wydzielenia pozyskanego erytrytolu z brzeczki po fermentacji glicerolu, jest podstawowym problemem podczas prowadzenia procesów biotechnologicznych. Etap ten jest nie tylko bardzo czasochłonny, ale także niezwykle skomplikowany i kosztowny. Jednym ze sposobów wydzielenia produktu końcowego może być zastosowanie układów adsorpcyjnych. Badania prowadzono na brzeczkach pofermentacyjnych, które zostały otrzymane w wyniku biokonwersji odpadowego glicerolu, który pochodził z procesu biokonwersji odpadowego glicerolu, powstałego w wyniku produkcji biodiesla, w ramach projektu „Zielona Chemia”, przy użyciu drożdży 168 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Yarrowia lipolityca, w Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. Tabela 1 przedstawia skład brzeczek pofermentacyjnych. TABELA 1 SKŁAD POSZCZEGÓLNYCH BRZECZEK POFERMENTACYJNYCH O Erytrytol [g/l] Mannitol [g/l] 254 4 2 7 Kwas Kwas αcytrynowy ketoglutarowy [g/l] [g/l] 5 4 B 130 2 1 2 3 2 C 55 10 2 3 5 4 D 143 5 3 5 16 1 E 50 12 1 24 6 5 Oznaczenie brzeczki A Arabitol [g/l] Glicerol [g/l] W prowadzonych badaniach zastosowano ponad 50 adsorbentów z grupy sorbentów dostępnych handlowo (m.in. Poropak Q, Diaion SK116, sita molekularne typu 5A oraz Amberlit XAD4), jak i węgle aktywne o różnym stopniu uziarnienia od 4 do 400 mesh Analizie HPLC MS/MS poddano próbki brzeczek pofermentacyjnych po przeprowadzeniu adsorpcji na wybranych adsorbentach. W każdej próbie oznaczono zawartość następujących produktów biokonwersji glicerolu: erytrytol, mannitol, arabitol, kwas cytrynowy, kwas α-ketoglutarowy oraz nieprzereagowany glicerol.Zestawienia zdolności sorpcyjnych poszczególnych sorbentów pod kątem adsorpcji alkoholi cukrowych przedstawiono w postaci wykresów obrazujących stopień zatrzymania danego składnika na sorbencie. Najwyższym stopieniem zatrzymania erytrytolu spośród adsorbentów handlowych charakteryzował się amberlite XAD 4 (rys. 1), który w brzeczce B zaadsorbował prawie 60% erytrytolu, natomiast w brzeczce D ponad 41% tego związku. Rysunek 1 Zatrzymanie erytrytolu na wybranych adsorbentach handlowych Na rysunku 2 przedstawiono zatrzymywanie poszczególnych składników brzeczki na węglach aktywnych o różnym stopniu uziarnienia dla brzeczki A (najwyższa zawartość erytrytolu). W stosunku do erytrytolu powinowactwo wykazywały wszystkie węgle aktywne, a stopień zatrzymania wynosił od 169 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. 23,5% do 27,4%. W stosunku do erytrytolu największym stopniem zatrzymania charakteryzował się węgiel aktywny 100-400 mesh, w stosunku do mannitolu najwięcej tego związku zaadsorbował węgiel aktywny o uziarnieniu 4-8 mesh, natomiast w przypadku arabitolu i glicerolu największym powinowactwem wykazał się węgiel aktywny 100-400 mesh, odpowiednio zaadsorbował 36% arabitolu oraz 43% glicerolu. Kwas cytrynowy najłatwiej zaadsorbował się na węglu aktywnym 20-60 mesh, natomiast kwas α-ketoglutarowy w największym stopniu zatrzymał się na węglu aktywnym 8-20 mesh oraz 100-400 mesh. Zaobserwowano, że żaden z węgli aktywnych nie wykazuje selektywnego powinowactwa w stosunku do którejkolwiek z substancji zawartych w brzeczkach pofermentacyjnych. Rysunek 2 Stopień zatrzymania poszczególnych składników brzeczki A na węglach aktywnych Zastosowanie wybranych sorbentów może przyśpieszyć i ułatwić wyizolowanie erytrytolu z brzeczek po konwersji glicerolu przez wyselekcjonowane organizmy. Jednak ze względu na charakter brzeczek pofermentacyjnych oraz różnorodny skład, jak i fakt, że żaden z przebadanych adsorbentów nie wykazuje znaczącej selektywności w stosunku do erytrytolu, układy adsorpcyjne mogą być jedynie jednym z etapów odseparowania pożądanego produktu końcowego. Badania współfinansowane przez UE z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Projekt POIG.01.01.02-00-074/09. Literatura: [1] L. Tomaszewska, M. Rakicka, W. Rymowicz, A. Rywińska (2014) A comparative study on glycerol metabolism to erythritol and citric acid in Yarrowia lipolytica yeast cells, FEMS Yeast Research 14:966–976 [2] H.J. Moon, M. Jeya, I. W. Kim, J.K. Lee (2010) Biotechnological production of erythritol and its application, Applied Microbiology and Biotechnology 86: 1017-1025 [3] A. Rywińska, P. Juszczyk, M. Wojtatowicz, M. Robak, Z. Lazar, L. Tomaszewska, W. Rymowicz (2013) Glycerol as a promising substrate for Yarrowia lipolytica biotechnological applications, Biomass and Bioenergy 48: 148-166 170 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIE AKTYWNOŚCI ANTYNOWOTWOROWEJ NOWYCH POCHODNYCH FOSFATYDYLOCHOLINY ZAWIERAJĄCYCH RESZTĘ KWASU WERATROWEGO WZGLĘDEM LINII KOMÓRKOWEJ LUDZKIEJ BIAŁACZKI (MV4-11) Marta Czarnecka1*, Anna Gliszczyńska1, Marta Świtalska2, Czesław Wawrzeńczyk1 1 Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25, 50-375 Wrocław Zakład Onkologii Doświadczalnej, Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda Polskiej Akademii Nauk, ul. R. Weigla 12, 53-114 Wrocław * e-mail: [email protected] 2 Polifenole są to związki organiczne charakteryzujące się szerokim wachlarzem aktywności biologicznej. Warto zwrócić uwagę na jednego z przedstawicieli tej grupy związków – kwas weratrowy (kwas 3,4-dimetoksybenzoesowy), który występuje m.in. w pełniku chińskim (Trollius chinensis) [1] i grzybach z gatunku Sparassis crispa [2]. W badaniach in vitro na linii komórkowej keratynocytów człowieka (HaCat) Shin i wsp. udowodnili, że kwas weratrowy chroni DNA komórek naskórka przed szkodliwym działaniem promieniowania ultrafioletowego (UVB) poprzez hamowanie tworzenia się cyklobutylowych dimerów pirymidynowych (CPDs), które prowadzą do powstawania wysoce specyficznych mutacji [3], dzięki czemu związek ten może być stosowany w ochronie przeciwsłonecznej. Warto również wspomnieć o innym istotnym działaniu omawianego kwasu. W badaniach na szczurach przeprowadzonych przez Saravanakumar i in. wykazano, że kwas weratrowy hamuje nadprodukcję tlenku azotu (NO) w komórkach śródbłonka, który w zwiększonym stężeniu prowadzi do powstawania stanów zapalnych lub oddziałuje negatywnie na mięśnie gładkie prowadząc do wzrostu ciśnienia krwi w organizmie [4]. Celem przeprowadzonych badań było otrzymanie serii nowych pochodnych fosfatydylocholiny zawierających w swojej strukturze cząsteczkę kwasu weratrowego. Takie połączenie dwóch aktywnych biologicznie związków miało skutkować zwiększeniem właściwości antynowotworowych uzyskanych pochodnych, co zostało potwierdzone badaniami in vitro na linii komórkowej ludzkiej białaczki (MV4-11). Badania realizowane są w ramach projektu nr 2013/09/D/NZ9/02457 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki Literatura: [1] R. Wang, X. Wu, L. Liu, Y. An (2014) Activity directed investigation on anti-inflammatory fractions and compounds from flowers of Trollius chinensis, Pakistan Journal of Pharmaceutical Sciences 27 (2):285-288 [2] I. Ferreira, L. Barros, R.Abreu, (2009) Antioxidants in wild mushrooms, Current Medicinal Chemistry 16 (12):1543-1560 [3] S.W. Shin, E. Jung, S. Kim et. al. (2013) Antagonist effects of veratric acid against UVB-induced cell damages, Molecules 18 (5):5405-5419 [4] R. Saravanakumar, B. Murugesan (2011) Veratric acid, a phenolic acid attenuates blood pressure and oxidative stress in L-NAME induced hypertensive rats, European journal of pharmacology 671 (1-3):87-94 171 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOTRANSFORMACJE FLAWONOIDÓW W KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH I ROŚLIN Monika Dymarska*, Tomasz Janeczko, Edyta Kostrzewa-Susłow Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław * e-mail: [email protected] Flawonoidy to duża i różnorodna grupa wtórnych metabolitów roślin. Badania prowadzone z wykorzystaniem enzymów, komórek i tkanek, ale również całych organizmów zwierzęcych (w tym badania kliniczne z udziałem ludzi) dowodzą, że związki te wykazują zróżnicowaną i często silną aktywność biologiczną. Szerokie spektrum działania flawonoidów obejmuje m. in. aktywność przeciwutleniającą, zmienianie aktywności enzymów (w tym enzymów cytochromu P450, które pełnią istotną rolę w metabolizmie leków), działanie przeciwmikrobiolobiczne, przeciwalergiczne, przeciwnowotworowe czy ochronne w stosunku do układu krążenia i komórek wątroby [1, 2, 3]. W związku z wysoką powszechnością w świecie roślinnym, flawonoidy są istotnym składnikiem diety człowieka. Szacuje się, że każdego dnia przyjmujemy kilkaset miligramów różnych pochodnych flawonoidowych. Istotnym źródłem tych polifenoli w diecie są m. in. owoce i warzywa, ale również kawa, herbata, wino i czekolada [4, 5]. Dlatego też duże znaczenie mają badania pozwalające śledzić przemiany flawonoidów, ale też innych ksenobiotyków w organizmach żywych. Prace mające na celu poznanie szlaków metabolicznych z wykorzystaniem ssaków są trudne i kosztowne. Dlatego zaproponowano wygodną alternatywę dla tych badań – biotransformacje w kulturach mikroorganizmów. Procesy te umożliwiają dodatkowo uzyskanie związków chemicznych, które mogą być wykorzystane jako leki czy składniki aktywne w kosmetykach. Transformacje mikrobiologiczne są procesami wykorzystywanymi przez ludzi od stuleci. W ten sposób produkowany jest dziś m. in. alkohol etylowy, ale również wiele substancji wykorzystywanych w farmacji, takich jak insulina. Zastosowanie biotransformacji ma przewagę nad syntezą chemiczną, ponieważ umożliwia otrzymanie związków z wysoką regio- i stereospecyficznością przy niewielkim zużyciu rozpuszczalników i bez konieczności stosowania drogich i obciążających środowisko katalizatorów [6]. Prowadzone przez nas badania miały na celu wybranie szczepów grzybów strzępkowych zdolnych do prowadzenia biotransformacji flawonoidów i uzyskanie związków o wyższym potencjale biologicznym, niż zastosowane substraty. W pracy wykorzystano również kultury kalusa, jako nowy i potencjalnie atrakcyjny biokatalizator. Pierwszy etap stanowiły biotransformacje w małej skali. Medium hodowlanym dla grzybów strzępkowych było podłoże Sabouraud, natomiast dla kultur kalusa – woda. Przebieg biotransformacji był określany przy wykorzystaniu technik chromatograficznych (TLC, HPLC). Produkty biotransformacji 172 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. prowadzonych w zwiększonej skali były oczyszczane metodami chromatograficznymi, a ich struktury określono przy użyciu metod spektroskopowych (NMR). Wykorzystane w badaniach szczepy grzybów strzępkowych rodzaju Aspergillus były zdolne m. in. do tworzenia pochodnych estrowych zastosowanych substratów flawonoidowych [7], przeprowadzania hydrolizy wiązań estrowych dając czyste optycznie produkty [8], prowadzenia demetylacji [9], a także przekształcania flawanonów do dihydrochalkonów, które charakteryzują się słodkim smakiem [10]. W kulturach kalusa z substratów flawanonowych uzyskano flawony cechujące się podwyższoną aktywnością przeciwutleniającą. Uzyskane w toku badań produkty mają szansę znaleźć zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym. Literatura: [1] B. H. Havsteen (2002) The biochemistry and medical significance of the flavonoids, Pharmacology & Therapeutics 96 (23):67-202 [2] A. Muhammad, G. Tel-Cayan, M. Öztürk, S. Nadeem, M. E. Duru, I. Anis, S. W. Ng, M. R. Shah (2015) Biologically active flavonoids from Dodonaea viscosa and their structure–activity relationships, Industrial Crops and Products 78:66-72 [3] H. P. Hoensch, R. Oertel (2015) The value of flavonoids for the human nutrition: Short review and perspectives, Clinical Nutrition Experimental 3:8-14 [4] G. Li, Y. Zhu, Y. Zhang, J. Lang, Y. Chen, W. Ling (2013) Estimated Daily Flavonoid and Stilbene Intake from Fruits, Vegetables, and Nuts and Associations with Lipid Profiles in Chinese Adults, Journal of The Academy of Nutrition and Dietetics 113 (6):786-794 [5] R. P. Feliciano, S. Pritzel, C. Heiss, A. Rodriguez-Mateos (2015) Flavonoid intake and cardiovascular disease risk, Current Opinion in Food Science 2:92-99 [6] M.-E. F. Hegazy, T. A. Mohamed, A. I. ElShamy, A.-E.-H. H. Mohamed, U. A. Mahalel, E. H. Reda, l. M. Shaheen, W. A. Tawfik, A. A. Shahat, K. A. Shams, N. Abdel-Azim, F. M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for drug development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research 6:17-33 [7] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, T. Janeczko (2014) Microbial Transformations of 3-methoxyflavone by Strains of Aspergillus niger, Polish Journal of Microbiology 63(1):111-114 [8] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, A. Białońska, T. Janeczko (2014) Enantioselective conversion of certain derivatives of 6-hydroxyflavanone, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 102:59-65 [9] E. Kostrzewa-Susłow, J. Dmochowska-Gładysz, T. Janeczko, K. Środa, K. Michalak, A. Palko (2012) Microbial Transformations of 6- and 7-Methoxyflavones in Aspergillus niger and Penicillium chermesinum Cultures, Zeitschrift für Naturforschung C 67 (7-8): 411-417 [10] T. Janeczko, W. Gładkowski, E. Kostrzewa-Susłow (2013) Microbial transformations of chalcones to produce food sweetener derivatives, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 98:55-61 173 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOTRANSFORMACJE JAKO UŻYTECZNE NARZĘDZIE DO OTRZYMYWANIA ZWIĄZKÓW AKTYWNYCH BIOLOGICZNIE Monika Dymarska*, Tomasz Janeczko, Edyta Kostrzewa-Susłow Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław *e-mail: [email protected] Tradycyjna medycyna przez stulecia opierała się na wykorzystaniu roślin, jako źródła związków o charakterze leczniczym. Wiązało się to z szeregiem ograniczeń: pożądane substancje występują w roślinie często w niewielkich ilościach, rośliny występują na ograniczonych geograficznie obszarach, rosną tylko w określonych porach roku [1]. Postęp w medycynie wymusza poszukiwanie nowych źródeł związków biologicznie aktywnych. Szereg badań dowodzi istotności stosowania w farmacji czystych optycznie substancji. Nierzadko poszczególne enancjomery tego samego związku znacznie różnią się od siebie aktywnością biologiczną, na przykład mają odmienne zapachy. Jednym z najbardziej znanych przykładów jest limonen: R izomer ma zapach cytrusowy z nutą pomarańczową i stanowi główny składnik olejków ze skórek cytrusów, natomiast S enancjomer limonenu charakteryzuje się zapachem cierpkim, podobnym do terpentyny z nutą cytrynową [2]. 1 2 Rysunek 1. R (1) i S (2) enancjomer limonenu Tragicznym w skutkach przykładem odmiennej aktywności biologicznej poszczególnych enancjomerów jest talidomid. Był to środek uspokajający i nasenny powszechnie stosowany w latach 50. i 60. u ciężarnych kobiet. R enancjomer tego związku posiada działanie terapeutyczne, S enancjomer jest teratogenny. W wyniku stosowania talidomidu urodziło się ponad 10 000 dzieci z różnego rodzaju wadami wrodzonymi [3]. Doskonałym sposobem na pokonanie ograniczeń syntezy chemicznej jest wykorzystanie biotransformacji. Są to procesy prowadzące do specyficznej modyfikacji struktury substratu często skutkujące otrzymaniem związków czystych optycznie. Jako katalizatory w tych reakcjach wykorzystywane są izolowane enzymy lub całe komórki bakterii, grzybów strzępkowych, drożdży, ale też roślin [4, 5]. 174 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Przykładem najbardziej znanej biotransformacji wykorzystywanej powszechnie w przemyśle spożywczym jest przekształcanie glukozy do alkoholu etylowego – fermentacja alkoholowa. Proces ten został opisany przez Ludwika Pasteura, który w 1857 roku odkrył, że za fermentację alkoholową odpowiadają drożdże [4]. Z zastosowaniem biotransformacji wiąże się wiele korzyści: reakcje zazwyczaj prowadzone są w pH zbliżonym do obojętnego, w temperaturze otoczenia, pod ciśnieniem atmosferycznym. Minimalna ilość produktów odpadowych i zmniejszone zużycie energii sprawia, że biotransformacje spełniają wymogi stawiane przez Green chemistry [4]. Wiele zróżnicowanych grup mikroorganizmów może być wykorzystanych w procesach transformacji mikrobiologicznej tworząc wysoce specyficzne produkty z tanich substratów, takich jak poprzemysłowe produkty odpadowe. Układy enzymatyczne mikroorganizmów katalizują wiele zróżnicowanych typów reakcji: addycję, eliminację, substytucję, reakcje perycykliczne, reakcje przegrupowania czy reakcje redoks. Hodowla mikroorganizmów jest tania i efektywna. Dodatkowo, stosowane mogą być różnorodne techniki mające na celu zwiększenie wydajności procesów biotransformacji, takie jak immobilizacja umożliwiająca prowadzenie procesów ciągłych czy modyfikacje genetyczne biokatalizatorów (mikroorganizmów, roślin) [4]. Biotransformacje mogą być wykorzystane do tworzenia bloków budulcowych wykorzystywanych w produkcji leków, np. formoterolu, salmeterolu używanych w terapii przewlekłej obturacyjnej choroby płuc [6]. Również wiele witamin jest obecnie produkowanych dzięki zastosowaniu metod biotechnologicznych. Przykładem jest siedmioetapowy proces syntezy witaminy C, którego pierwszym etapem jest mikrobiologiczne utlenienie D-sorbitolu do L-sorbozy przez szczep Gluconobacter oxydans. Witamina B2 jest produkowana przez koncerny BASF czy Roche dzięki zastosowaniu modyfikowanych genetycznie szczepów bakterii i grzybów: Bacillus subtillis, Ashbya gossypi, Eremothecium ashbyii czy Candida famata, dzięki temu proces produkcji ryboflawiny jest jednoetapowy i mniej kosztowny w porównaniu z syntezą chemiczną [7]. W świetle powyższych informacji uzasadnione jest poszukiwanie nowych szczepów zdolnych do syntezy związków biologicznie aktywnych, a w późniejszym etapie optymalizacja warunków biotransformacji i podejmowanie prób zwiększania skali tych procesów. Literatura: [1] R. Verpoorte, A. Contin, J. Memelink (2002) Biotechnology for the production of plant secondary metabolites, Phytochemistry Reviews 1:13–25 [2] K. Wińska, B. Potaniec, W. Mączka, M. Grabarczyk, M. Anioł. C. Wawrzeńczyk (2014) Izomery a zapach czyli nos jako stereochemik, Chemik 68(2):83-90 175 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [3] F. S. L. Vianna, M. Z. de Oliveira, M. T. V. Sanseverino, E. F. Morelo, D. de Lyra Rabello Neto, J. Lopez-Camelo, S. A. Camey, L. Schuler-Faccini (2015) Pharmacoepidemiology and thalidomide embryopathy surveillancein Brazil, Reproductive Toxicology 53:63-67 [4] M.-E. F. Hegazy, T. A. Mohamed, A. I. El-Shamy, A.-E.-H. H. Mohamed, U. A. Mahalel, E. H. Reda, l. M. Shaheen, W. A. Tawfik, A. A. Shahat, K. A. Shams, N. Abdel-Azim, F. M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for drug development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research 6:17-33 [5] K. Ishihara, H. Hamadab, T. Hirata, N. Nakajima (2003) Biotransformation using plant cultured cells, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 23:145–170 [6] T. Janeczko. M. Dymarska, E. Kostrzewa-Susłow (2014) Highly enantioselective production of (R)-halohydrins with whole cells of Rhodotorula rubra KCh 82 culture, International Journal of Molecular Sciences 15:22392-22404 [7] R. Duliński (2010) Biotechnologiczne metody produkcji witamin z wykorzystaniem mikroorganizmów, Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 1 (68):5-19 176 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. GLIKOZYLACJA FLAWONOIDÓW Z WYKORZYSTANIEM NOWEGO SZCZEPU ENTOMOPATOGENNYCH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH Monika Dymarska1*, Tomasz Janeczko1, Jakub Grzeszczuk2, Elżbieta Pląskowska2, Edyta Kostrzewa-Susłow1 1 Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław Katedra Ochrony Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Plac Grunwaldzki 24a, 50-363 Wrocław * e-mail: [email protected] 2 Nadmierne użycie środków ochrony roślin stało się w ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci istotnym problemem w krajach wysoko rozwiniętych i rozwijających się. Często środki te charakteryzują się niewielką selektywnością i oprócz szkodników zabijają również pożyteczne gatunki owadów. Skrajnym przykładem, do czego może doprowadzić niekontrolowane użycie środków owadobójczych jest Maoxian w Chinach, gdzie nadmierne użycie pestycydów doprowadziło do wymarcia dzikich pszczół. Jabłonie w sadach znajdujących się w tym regionie zapylane są ręcznie przez ludzi [1]. Rosnąca świadomość ekologiczna wśród konsumentów skłania rolników do poszukiwania alternatyw dla chemicznych insektycydów. Mączlik ostroskrzydły (Bemisia tabaci) jest istotnym i rozpowszechnionym na całym świecie szkodnikiem roślin uprawnych. Intensywne stosowanie chemicznych środków ochrony roślin doprowadziło w wielu regionach do wytworzenia przez tego owada odporności. Alternatywą dla tradycyjnie stosowanych insektycydów jest wykorzystanie szczepów entomopatogennych grzybów. Na rynku jest już dostępnych kilka środków opartych na tych mikroorganizmach. W przeciwieństwie do wielu patogenów, które dostają się do wnętrza owada drogą pokarmową, entomopatogenne grzyby penetrują ciało gospodarza bezpośrednio przez kutikulę. Proces infekcji jest złożony i obejmuje procesy mechaniczne, produkcję zróżnicowanych zewnątrzkomórkowych enzymów i pokonanie mechanizmów obronnych gospodarza po infekcji [2]. Entomopatogenne gatunki grzybów, poza uzdolnieniami pozwalającymi wykorzystać je w przemyśle rolnym, są zdolne do produkcji wielu związków, które mogą być wykorzystane w przemyśle farmaceutycznym. Przykładem jest fumorosinon produkowany przez gatunek Isaria fumosorosea, który może być wykorzystany w leczeniu cukrzycy typu II [3]. Szerokie spektrum aktywności enzymatycznej omawianych grzybów skłoniło nas do wykorzystania ich jako biokatalizatora w procesach biotransformacji. Biotransformacje są procesami umożliwiającymi otrzymanie związków o wysokiej aktywności biologicznej, a także poprawę właściwości chemicznych związków o znanym wysokim potencjale biologicznym (poprawa rozpuszczalności w wodzie, uzyskanie czystych optycznie enancjomerów) [4, 5]. W badaniach jako substraty wykorzystujemy różnorodne flawonoidy. Jest to szeroka grupa wtórnych metabolitów roślin wyższych. Pełnią one wiele istotnych funkcji w roślinach: chronią przed 177 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. atakiem patogenów, przed promieniowaniem ultrafioletowym, stresem oksydacyjnym, ale również nadają barwę kwiatom i dzięki temu pomagają wabić owady zapylające. Związki z grupy izoflawonów odpowiadają za symbiozę pomiędzy roślinami motylkowymi a bakteriami wiążącymi azot [6]. Spożywanie przez ludzi pokarmów pochodzenia roślinnego wiąże się z przyjmowaniem znacznej ilości związków flawonoidowych. Badania dowodzą istotnego pozytywnego wpływu flawonoidów na nasz organizm. Związki te mają działanie przeciwutleniające, chelatują jony metali, chronią układ krążenia, działają przeciwnowotworowo i przeciwalergicznie [6]. Dlatego istotne są badania mające na celu poszerzenie biblioteki związków flawonoidowych przede wszystkim dzięki wykorzystaniu biotransformacji, jako alternatywy dla obciążającej środowisko naturalne syntezy chemicznej. W eksperymencie zastosowano entomopatogenny szczep grzyba strzępkowego wyizolowany z ciała pająka. Jako substrat została wykorzystana daidzeina – związek należący do grupy izoflawonów występujący w soi. Ekstrakty sojowe bogate w izoflawony stosowane są m. in. w terapii łagodzącej objawy menopauzy [6]. W pierwszym etapie badań została przeprowadzona czterodniowa transformacja mikrobiologiczna w 30 mL podłoża Sabourauda. Postęp biotransformacji był kontrolowany przy wykorzystaniu technik chromatograficznych (TLC, HPLC). Na podstawie wstępnych badań został wyznaczony czas trwania biotransformacji w zwiększonej skali. Reakcja prowadzona była w 500 mL hodowli znajdującej się w 2 L kolbie płaskodennej przy ciągłym wstrząsaniu. Zastosowano 50 mg substratu rozpuszczonego w 1 mL dimetylosulfotlenku (DMSO). Produkty biotransformacji zostały wydzielone przy użyciu octanu etylu (trzykrotna ekstrakcja), a następnie rozdzielone poprzez preparatywną chromatografię cienkowarstwową. Struktury uzyskanych produktów zostały wyznaczone metodami spektroskopowymi (1H NMR i 13C NMR). HO MeO HO O mikroorganizm O OH O O O OH O OH OH Rysunek 1. Biotransformacje daidzeiny w kulturze entomopatogennego grzyba strzępkowego Problemem w stosowaniu flawonoidów w przemyśle farmaceutycznym jest ich niska rozpuszczalność w wodzie [5,7]. Dzięki przedstawionej powyżej reakcji glikozylacji można poprawić właściwości badanych związków, co może skutkować otrzymaniem nowych składników leków. 178 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] D. P. Abrol (2012) Pollination Biology, Springer, Holandia [2] J. Tian, H. Diao, L. Liang, C. Hao, S. Arthurs, R. Ma (2015) Pathogenicity of Isaria fumosorosea to Bemisia tabaci, with some observations on the fungal infection process and host immune response, Journal of Invertebrate Pathology 130:147-153 [3] L. Liu, J. Zhang, C. Chen, J. Teng, C. Wang, D. Luo (2015) Structure and biosynthesis of fumorosinone, a new protein tyrosine phosphatase 1B inhibitor firstly isolated from the entomogenous fungus Isaria fumosorosea, Fungal Genetics and Biology 81:191-200 [4] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, T. Janeczko (2014) Microbial transformations of 3-methoxyflavone by strains of Aspergillus niger, Polish Journal of Microbiology 63(1):111-114 [5] E. Kostrzewa-Susłow, M. Dymarska, A. Białońska, T. Janeczko (2014) Enantioselective conversion of certain derivatives of 6-hydroxyflavanone, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 102:59-65 [6] B. H. Havsteen (2002) The biochemistry and medical significance of the flavonoids, Pharmacology & Therapeutics 96(23):67-202 [7] J. Xiao, T. S. Muzashvili, M. I. Georgiev (2014) Advances in the biotechnological glycosilation of valuable flavonoids, Biotechnology Advances 32:1145-1156 179 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ANALIZA STRUKTUR TAUTOMERYCZNYCH AMINOWYCH POCHODNYCH 1,3-TIAZOLIDYN-4-ONU Łukasz Fijałkowski1*, Marcin Kowiel2, Volodymyr Horishny3, Roman Lesyk3, Andrzej Gzella2, Alicja Nowaczyk1 1 Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Collegium Medicum w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Dr. A. Jurasza 2, 85-094 Bydgoszcz 2 Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań 3 Katedra Chemii Farmaceutycznej, Organicznej i Bioorganicznej, Wydział Farmacji, Lwowski Narodowy Uniwersytet Medyczny, Pekarska 69, 79010 Lwów, Ukraina * e-mail: [email protected] Układ 1,3-tiazolidyn-4-onu należy do ważniejszych elementów strukturalnych we współczesnej chemii leków. Pięcioczłonowy pierścień heterocykliczny zawierający 3 atomy C, atomy S, N i O cechuje szerokie spektrum działania farmakologicznego. Związki zawierające tego typu połączenia wykazują prawie każdy rodzaj aktywności biologicznej, m.in. działanie: przeciwzapalne, hipoglikemiczne, przeciwnowotworowe, przeciwdrgawkowe, immunostymulujące, oraz przeciwdrobnoustrojowe (obejmujące bakterie, grzyby, wirusy). Celem pracy jest analiza zjawiska tautomerii aminowo-iminowej oraz keto-enolowej w grupie pochodnych 2-amino-1,3-tiazol-4(5H)-onu. Badania strukturalne przeprowadzono za pomocą metody dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii IR oraz obliczeń chemii kwantowej [1] Literatura: [1] A. Nowaczyk, M. Kowiel, A. Gzella, Ł. Fijałkowski, V. Horishny, R. Lesyk (2014) Conformational Space and Vibrational Spectra of 2-[(2,4-dimethoxyphenyl)amino]-1,3-thiazolidin-4-one, Journal of Molecular Modeling, 20:2366–2375 180 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ANALIZA PARAMETRÓW FIZYKOCHEMICZNYCH DLA POTENCJALNYCH LEKÓW UKŁADU SERCOWO-NACZYNIOWEGO Łukasz Fijałkowski1*, Magdalena Kowalska1, Marta Konieczka1, Katarzyna Kulig2, Alicja Nowaczyk1 1 Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmacji, Collegium Medicum w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Dr. A. Jurasza 2, 85-094 Bydgoszcz. 2 Zakład Fizykochemicznej Analizy Leku, Katedra Chemii Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, ul. Medyczna 9, 30-688 Kraków. * e-mail: [email protected] Szacuje się, że obecnie w Polsce ok. 41% zgonów spowodowanych jest chorobami układu sercowo - naczyniowego. Ze względu na niewyjaśniony do końca patomechanizm leczenie różnych zaburzeń pracy układu krążenia stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Przewidywanie użyteczności danego związku jako środka farmakologicznego jest możliwe poprzez porównanie wartości kluczowych parametrów fizykochemicznych analizowanej struktury oraz środków leczniczych o potwierdzonej aktywności [1]. W związku z tym dokonano analizy dla grupy pochodnych pirolidyn-2-onu w kierunku aktywności w układzie krążeniowym [2]. W oparciu o metody chemii obliczeniowej przeprowadzono analizy porównawcze parametrów Lipińskiego i Vebera w grupach badanych związków i leków stosowanych klinicznie. Literatura: [1] Sapa J, Nowaczyk A, Kulig K. (2011) Antiarrhythmic and antioxidant activity of novel pyrrolidin-2-one derivatives with adrenolytic properties. Naunyn-Schmiedeberg's archives of pharmacology, 383(1):13-25 [2] Nowaczyk A, Kulig K. (2012) QSAR studies on a number of pyrrolidin-2-one antiarrhythmic arylpiperazinyls. Medicinal Chemistry Research, 21(3):373-81 [3] Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, et al. (2012) Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Advanced drug delivery reviews, 64:4-17 181 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW IZOMERÓW CHLOROTOLUENU NA WYBRANE SZCZEPY BAKTERII ŚRODOWISKOWYCH (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Marta Galikowska*, Wojciech Smułek, Ewa Kaczorek (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60 -965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Izomery chlorotoluenu są związkami wykorzystywanymi w wielu gałęziach przemysłu. Stosuje się je do produkcji środków ochrony roślin, lakierów czy farb, przez co ich światowa produkcja wynosi ponad 130 tys. ton rocznie [1]. Należą do lotnych substancji, które w niewielkich ilościach rozpuszczają się w wodzie. Ponadto działają toksycznie na organizmy żywe. Ich powszechne wykorzystanie zwiększa ryzyko przedostawania się ich do środowiska, co skutkuje skażeniem wód powierzchniowych oraz gleb. Węglowodory, które wykazują dużą hydrofobowość, a zatem są słabo rozpuszczalne w wodzie, charakteryzują się niską biodostępnością w stosunku do mikroorganizmów, przez co ich rozkład jest utrudniony [2]. Odpowiedzią komórek mikroorganizmów na pojawienie się w ich otoczeniu hydrofobowych zanieczyszczeń jest uruchomienie szeregu mechanizmów adaptacyjnych. Z jednej strony następuje wzmocnienie ochrony komórki poprzez przebudowę błony komórkowej (np. zmiana profilu kwasu tłuszczowych), produkcję zewnątrzkomórkowych polisacharydów, zmiana hydrofobowości powierzchni komórki i in. Jednocześnie rozpoczyna się produkcja enzymów, odpowiedzialnych za degradację składników zanieczyszczeń [3]. Większość drobnoustrojów posiada enzymatyczne systemy, które pozwalają na katabolizm związków aromatycznych występujących w przyrodzie. Jakkolwiek proces biodegradacji związków aromatycznych przez bakterie jest złożony [4]. Badania miały na celu określenie wpływu toluenu oraz trzech izomerów chlorotoluenu na wybrane szczepy bakterii środowiskowych: Achromobacter sp., Aeromonas salmonicida oraz Raoultella planticola wyizolowanych z gleby skażonej substancjami ropopochodnymi. Oznaczono toksyczność toluenu oraz izomerów chlorotoluenu w stosunku do testowanych szczepów bakterii, jak i mikrobiologiczną adhezji mikroorganizmów do węglowodorów (MATH) opisaną przez Rosenberga [5]. Wykonane badania wykazały, że badanie związki wykazują zróżnicowany wpływ na wybrane szczepy bakteryjne. W teście toksyczności zauważono, że dodatek toluenu oraz jego chlorowych pochodnych negatywnie wpływa na szczep Achromobacter sp. – zaobserwowano inhibicję wzrostu komórek, natomiast w przypadku szczepu Aeromonas salmonicida zaobserwowano przyrost biomasy mikroorganizmów w układzie z toluenem oraz 2-chlorotoluenem. Dla bakterii szczepu Raoultella planticola, stymulatorami wzrostu okazały się, także przy wyższych stężeniach, toluen, 2-chlorotoluen oraz 4-chlorotoluen. 182 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Badania hydrofobowości pozwoliły zaobserwować odpowiedź komórek bakteryjnych na obecność badanych substancji w hodowlach. Niewielki wzrost hydrofobowości zaobserwowano podczas hodowli szczepów A. salmonicida jak i Achromobacter sp., gdzie źródłem węgla był toluen i jego pochodne. Układem odniesienia była tutaj hodowla na glukozie. W przypadku szczepu R. planticola zaobserwowano odmienną tendencję – podczas hodowli na glukozie szczep ten charakteryzował się bardziej hydrofobowymi właściwościami, niż w hodowlach na toluenie i jego pochodnych. Poczynione obserwacje wskazują na różnorodne reakcje badanych szczepów środowiskowych wobec toksycznych związków aromatycznych – toluenu i trzech izomerów chlorotoluenu. Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0500 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] D. Dobslaw, K.-H. Engesser (2011) Degradation of 2-chlorotoluene by Rhodococcus sp. OCT 10, Microbiology Biotechnology 93:2205-2214 [2] E. Kaczorek, K. Salek, U. Guzik, B. Dudzinska-Bajorek, A. Olszanowski (2013) The impact of long-term contact of Achromocacter sp. 4(2010) with diesel oil – Changes in biodegradation surface properties and hexadecane monooxygenase activity, International Biodeterioration & Biodegradation 78:7-16 [3] A. R. Johnsen, U. Karlson (2004) Evaluation of bacterial strategies to promote the bioavailability of polycyclic aromatic hydrocarbons, Applied Microbiology and Biotechnology 63:452–459 [4] E. Kwapisz (2006) Szlaki tlenowej biodegradacji węglowodorów ropy naftowej, Biotechnologia, 2:166-188 [5] M. Rosenberg (1984) Bacterial adherence to hydrocarbon: a useful technique for studying cell surface hydrophobicity, FEMS Microbiology Letters 22:289–295 183 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE EKSTRAKTU Z CZARNUSZKI - NIGELLA SATIVA DO OPRACOWANIA NOWEGO NUTRACEUTYKU O DZIAŁANIU PRZECIWBAKTERYJNYM I PRZECIWZAPALNYM – THYMOXAN Grzegorz Gawron*1, Leszek Kadziński1, Bogdan Banecki1, Paulina Werner1, Krzysztof Lemke2, Wojciech Krzyczkowski2, Alicja Ołdak2 1 Katedra Biologii Molekularnej i Komórkowej/Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii UG-GUMed, Uniwersytet Gdański, ul. Kładki 24, 80-822 Gdańsk 2 Biovico sp. z. o. o. ul. Hryniewickiego 6B/135, 81-340 Gdynia * e-mail: [email protected] Prowadzono badania, których efektem jest powstanie opartego o ekstrakty roślinne produktu Thymoxan o działaniu przeciwbakteryjnym oraz przeciwzapalnym. Rośliny, na których prowadzono badania, były od wieków stosowane w tradycyjnej medycynie wschodniej. Opracowany preparat w głównej mierze opiera się na olejku z czarnuszki (Nigella Sativa). Izolację związków aktywnych biologicznie z nasion czarnuszki prowadzono wykorzystując rozmaite metody ekstrakcji: ekstrakcję parą wodną, ekstrakcję rozpuszczalnikami organicznymi w aparacie Soxhleta oraz ekstrakcję z wykorzystaniem dwutlenku węgla w warunkach nadkrytycznych. Skład ekstraktów uzyskanych ostatnią z wymienionych metod wykazuje silną zależność od zastosowanej temperatury oraz ciśnienia, dlatego wymagała ona dokładnej optymalizacji. Zawartość związków aktywnych – olejków eterycznych oraz kwasów tłuszczowych - ilościowo oraz jakościowo określano stosując technikę chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas. Aby określić zawartość kwasów tłuszczowych, olejki zostały poddane reakcji estryfikacji metanolowej. Dzięki przemianie kwasów tłuszczowych w estry metylowe, możliwa była analiza tych związków pod kątem ilościowym z wykorzystaniem chromatografii gazowej. Następnie zbadano wpływ poszczególnych związków zawartych w nasionach czarnuszki na wzrost pięćdziesięciu szczepów bakterii, w tym wielu szczepów gronkowca złocistego, również szczepów wielolekoopornych. Dalszym krokiem był wybór metody ekstrakcji prowadzącej do powstania najbogatszego w pożądane substancje olejku, czyli tymochinonu, tymolu oraz p-cymenu. Uzyskany tą metodą olejek został również zbadany pod kątem wpływu na wzrost bakterii. Wyniki wskazują na silne, hamujące wzrost wszystkich użytych szczepów gronkowca złocistego oraz szeregu innych szczepów, działanie otrzymanego olejku, a także jego właściwości przeciwzapalne. 184 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Badania zostały przeprowadzone w ramach projektu: „Opracowanie oraz wdrożenie nowych immunomodulujących oraz przeciwbakteryjnych nutraceutyków.” realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1. H. J. Harzallah, B.Kouidhi, Guido Flamini, A. Bakhrouf, T.i Mahjoub (2011) Chemical composition, antimicrobial potential against cariogenic bacteria and cytotoxic activity of Tunisian Nigella sativa essential oil and thymoquinone, Food Chemistry 129:1469–1474 2. Z. Solati, B. Sham Baharin, H. Bagheri (2012) Supercritical carbon dioxide (SC-CO2) extraction of Nigella sativa L. oil using full factorial design, Industrial Crops and Products 36:519–523 3. M. Kiralan, G. Özkan, A. Bayrak, M. Fawzy Ramadan (2014) Physicochemical properties and stability of black cumin(Nigella sativa) seed oil as affected by different extraction methods, Industrial Crops and Products 57:52–58 185 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PORÓWNANIE ODCZYNNIKÓW KONDENSUJĄCYCH W SYNTEZIE OLIGOPEPTYDÓW Monika Gensicka Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk * e-mail: [email protected] Od wielu lat prowadzi się poszukiwania związków wykazujących aktywność biologiczną. Przykładem takiej substancji jest tuftsyna. Tetrapeptyd ten naturalnie występuje w organizmie ssaków, wykazując działanie przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, a także przeciwnowotworowe [1, 2]. Otrzymałam odpowiednio chronione pochodne tuftsyny. W celu utworzenia wiązania amidowego wykorzystałam metodę mieszanych bezwodników oraz odczynniki kondensujące jak EDCI, EEDQ, DCC oraz T3P. Deprotekcję osłony Boc przeprowadziłam za pomocą kwasu trifluorooctowego, z kolei osłony Fmoc przy użyciu 30% roztworu dietyloaminy w chloroformie. Otrzymane przeze mnie związki oczyściłam na kolumnie chromatograficznej wypełnionej żelem krzemionkowym oraz na płytkach TLC. Struktury chemiczne wszystkich pochodnych scharakteryzowałam za pomocą widm 1H NMR i MS. Uzyskane analogi tuftsyny po deprotekcji osłony Boc z N-końcowego aminokwasu będę łączyła ze związkami heterocyklicznymi. Praca finansowana przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) grant nr 2014/13/B/NZ7/02234. Literatura: [1] V.A. Najjar, K. Nishioka (1970) Tuftsin: a natural phagocytosis stimulating peptide, Nature 228:672-673 [2] M. Fridkin, V.A. Najjar (1989) Tuftsin: its chemistry, biology and clinical potential, Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 24:1-40 186 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIA NAD SYNTEZĄ ORAZ BIOLOGICZNYMI WŁAŚCIWOŚCIAMI NUKLEOZYDO AMIDOFOSFORANÓW Justyna Gołębiewska1*, Jacek Stawiński1, Adam Kraszewski1, Andrzej Guranowski2, Joanna Romanowska1** 1 Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań 2 Uniwersytet Przyrodniczy, ul. Wojska Polskiego 28, 60-637 Poznań * e-mail: [email protected] ** e-mail: [email protected] Wirus HIV jest jednym z trudniejszych do zwalczenia patogenów. Niemożliwym jest jego usunięcie z zainfekowanej komórki, ponieważ wbudowuje fragmenty swojego materiału genetycznego w DNA gospodarza. Jego szybki proces namnażania powoduje, że w krótkim czasie dochodzi do zakażenia kolejnych komórek. Bardzo dobre poznanie mechanizmu infekcji i namnażania wirusa pozwoliło na racjonalne projektowanie leków ukierunkowanych na określone cele molekularne, co obecnie umożliwia na kontrolowanie rozprzestrzeniania się wirusa. Jednym z takich celów jest proces odwrotnej transkrypcji, czyli przepisywania wirusowego RNA na cDNA gospodarza, katalizowany przez odwrotną transkryptazę [1]. Na tym etapie projektuje się analogi 2',3'-dideoksynukleozydów. Związki te nie posiadają funkcji 3'OH, co uniemożliwia przeprowadzenie procesu przepisywania materiału genetycznego wirusa. Analogi 2',3'-dideoksynukleozydów są w zasadzie prolekami i aby spełniać swoją funkcję w hamowaniu odwrotnej transkrypcji, po wniknięciu do komórki muszą zostać ufosforylowane do odpowiednich mono, di- i w końcu do aktywnych biologicznie trifosforanów. Niestety, terapia wykorzystująca tego rodzaju leki, nie jest w pełni efektywna. Okazało się, że kolejno zachodzące po sobie fosforylacje nie przebiegają z równą szybkością. Skutkiem tego może być kumulacja w komórce produktów przejściowych np. monofosforanu AZT, którego nadmiar jest głównym źródłem cytotoksyczności tego analogu nukleozydu. Dodatkowo, niektóre z tych związków (np. ddU) nie są substratami dla kinaz komórkowych, co czyni je mało użytecznymi terapeutycznie. W związku z ograniczeniami stosowanych analogów nukleozydów w terapii anty-HIV powstała idea pronukleotydów. Według tej koncepcji prolekiem byłby odpowiednio chroniony nukleotyd – pronukleotyd, z którego wewnątrz komórki usuwane są grupy maskujące resztę fosforanową i zostaje uwolniony nukleozydo 5'-monofosforan, fosforylowany następnie do di- i trifosforanu (rysunek 1). Idea pronukleotydów ma na celu przyspieszenie efektu terapeutycznego, omijając pierwsze, najtrudniejsze etapy fosforylacji proleków w komórce. 187 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Idea działania pronukleotydów Jedną z jednostek badawczych zajmujących się projektowaniem pronukleotydów jest Zakład Chemii Kwasów Nukleinowych IChB PAN. W zakładzie tym otrzymano wysoce reaktywne i charakteryzujące się niską cytotoksycznością pirydynylowe pochodne 5'-amidofosforanów [2]. Atrakcyjne parametry antywirusowe otrzymanych amidofosforanów zachęciły mnie do przeprowadzenia badań mających na celu próbę poznania ich właściwości w kontekście aktywności antywirusowej. Zakłada się, że rozpad amidofosforanów do pochodnych fosforanowych może zachodzić w wyniku rozerwania wiązania P-N w reakcji katalizowanej przez enzym o aktywności fosfoamidazy [3, 4]. Dlatego pierwszym z zadań było otrzymanie związków posiadających ugrupowanie P-NH2 na drodze możliwie szybkiej i efektywnej metody syntezy po to, by w następnej kolejności możliwe było przeprowadzenie dalszych badań z udziałem enzymów. Synteza tych związków okazała się jednak niemałym wyzwaniem. Dostępna literatura nie dostarcza bowiem efektywnej metody otrzymywania niepodstawionych nukleozydo amidofosforanów. W celu otrzymania tej klasy związków, zastosowałam nukleozydo H-fosfoniany jako substraty oraz amidki metali jako reagenty wprowadzające grupę -NH2 do reszty fosforanowej nukleozydu. Nowatorstwo metody polegało na użyciu amidków metali, które okazały się idealnymi czynnikami nukleofilowymi wprowadzającymi grupę -NH2, tworząc jak dotąd nieotrzymywane na tej drodze niepodstawione nukleozydo amidofosforany. Metoda ta okazała się być łatwą, szybką (prowadzoną w warunkach „one pot”) i wydajną drogą syntezy (60-90%) tych związków (rysunek 2). Szereg przeprowadzonych badań zmieniających parametry syntezy pozwoliło na ustalenie optymalnych warunków reakcji. Eksperymenty te pomogły dokładnie poznać mechanizm reakcji oraz zidentyfikować tworzące się produkty uboczne, co umożliwiło późniejsze wyeliminowanie czynników powodujących ich powstawanie. Rysunek 2. Schemat otrzymywania nukleozydo amidofosforanów 188 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Otrzymane związki były przekazane do badań biologicznych prowadzonych na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu, których celem było sprawdzenie właściwości substratowych otrzymanych związków wobec fosfoamidaz (izolowanych z ludzkich tkanek), enzymów posiadających zdolność hydrolizy wiązania P-NH2. Synteza amidofosforanów prowadzona na nukleozydo H-seleno- oraz H-tiofosfonianach jako substratach dowiodła, że opracowana metoda tworzenia wiązania P-NH2 jest łatwą i uniwersalną drogą otrzymywania nie tylko amidofosforanowych pochodnych tlenowych, ale również analogów siarkowych i selenowych. Nukleozydo tio- lub seleno- amidofosforany zawierające niepodstawioną grupę aminową mogą stanowić kolejną grupę pronukleotydów czyli nośników nukleozydo fosforanów, które w komórkach po usunięciu grupy maskującej -NH2, mogą ulegać fosforylacji wobec kinaz komórkowych do aktywnego trifosforanu. Mimo iż idea pronukleotydów zakłada tworzenie pochodnych nukleozydo fosforanowych zawierających w swojej budowie lipofilowe grupy ułatwiające przenikanie cząsteczki przez dwuwarstwową lipidową błonę komórkową, to wprowadzanie małej i neutralnej chemicznie grupy -NH2 może stanowić nowatorskie podejście w projektowaniu pronukleotydów kolejnej generacji. Wstępne rekonesansowe badania parametrów antywirusowych dla amidofosforanów AZT wskazały, że związki te nie są cytotoksyczne (CC50>200 µM) i w związku z tym mogą być rozważane jako nowy typ potencjalnych pronukleotydów. Dalsze prace nad tą grupą związków, dedykowane nukleozydo 5’-difosforanom, są kontynuowane w Zakładzie Chemii Kwasów Nukleinowych IChB PAN. Literatura: [1] M. Piosik, J. Gołębiewska, J. Romanowska (2014) Strategie w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV, w: Na pograniczu chemii i biologii XXXII, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań [2] J. Romanowska, M. Sobkowski, A. Szymańska-Michalak, K. Kołodziej, A. Dąbrowska, A. Lipniacki, A. Piasek, Z.M Pietrusiewicz, M. Figlerowicz, A. Guranowski, J. Boryski, J. Stawiński, A. Kraszewski (2011) J. Med. Chem. 54:6482-6491 [3] E. Brets, A.M. Wojdyła-Mamoń, J. Kowalska, J. Jemielity, R. Kaczmarek, J. Baraniak, A. Guranowski (2013) ABP Biochimica Polonica 60:249 -254 [4] A. Guranowski, A. M. Wojdyła, A.M. Rydzik, J. Stępiński, J. Jemielity, (2011) ABP Biochimica Polonica 58, 131-136 189 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. AMIGDALINA – ŁATWO DOSTĘPNY ZWIĄZEK O CIEKAWYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FARMAKOLOGICZNYCH (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Andrzej Günther1*, Barbara Bednarczyk-Cwynar2 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Zakład Analizy Instrumentalnej, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065 Szczecin 2 Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmaceutyczny, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Coll. Chemicum * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Amigdalina (1), z łac. amygdalum - migdał, jest naturalnym składnikiem żywności, powszechnie znanym pod nazwą witamina B17, jest również błędnie nazywana letrilem (2) [1]. Należy do grupy glikozydów naturalnych, które są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Szczególnie bogate w ten związek są nasiona z pestki moreli i wiśni, pestki gruszek, jabłek i śliwek, owoce czarnej dzikiej jagody, dzikiej jabłoni, czy jagody czarnego bzu [2]. Rysunek 1. Surowce roślinne oraz ich wodne ekstrakty zawierające amigdalinę dzięki swymi właściwościom farmakologicznym znalazły różnorodne zastosowanie w medycynie chińskiej oraz starożytnym Egipcie. Z zapisków historycznych wiemy, że leczono nimi obrzęki, grzybicę skóry, stosowano jako środki przeczyszczające, przeciwkaszlowe czy wykrztuśne. Amigdalina została wyizolowana w 1830 roku, z jąder pestek moreli (Prunus dulcis) przez dwóch francuskich chemików: Robiqueta i Charlanda. Amigdalina jest związkiem kontrowersyjnym, ponieważ od lat stosuje się ją jako lek potencjalnie przeciwnowotworowy, mimo braku twardych dowodów na jej skuteczność. Niedawno pojawiły się doniesienia, że amigdalina aktywowana enzymem -glukozydazą hamuje proliferację (szybki wzrost) i wywołuje apoptozę u ludzkich komórek raka wątroby Hep G2. -Glukozydaza odpowiedzialna jest za rozkład amigdaliny, katalizuje reakcję chemiczną, w wyniku której powstają dwie cząsteczki glukozy, benzaldehyd oraz cyjanowodór (rysunek 2) [4]. Inne badania dowiodły, że amigdalina hamuje wzrost komórek nowotworowych raka prostaty na liniach komórkowych DU145 i LNCaP [5], oraz komórek raka szyjki macicy HeLa [6]. Ponieważ wstępne badania wskazują jednak na możliwość działania przeciwnowotworowego amigdaliny, cieszy się ona coraz większym zainteresowaniem, zarówno wśród chemików, jak i farmakologów. Szersze poznanie aktywności biologicznych tego związku chemicznego 190 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. może zaowocować odkryciem nowych metod terapeutycznych, mogących mieć zastosowanie w leczeniu chorób nowotworowych. Rysunek 2. Z literatury znane są różne metody pozyskiwania surowca z jąder pestek moreli, takie jak: ekstrakcja eterem naftowym, metanolem czy izopropanolem. Jądra pestek moreli używane są ze względu na największą zawartość amigdaliny, która dochodzi do 17,5 mg/g, oraz łatwą dostępność i niskie koszty pozyskiwania. Celem badań była izolacja amigdaliny z pestek moreli, przy zastosowaniu dwóch metod, różniących się sposobem przygotowania materiału badawczego oraz użytym rozpuszczalnikiem, tj. stosując izopropanol lub wodę i eter naftowy. Potrzebne do badań jądra pestki moreli zostały nabyte drogą handlową, importowane z Izraela. Użyty materiał został rozdrobniony w homogenizatorze i następnie pozostawiony do wysuszenia w temperaturze pokojowej na okres tygodnia. Po tym czasie zauważono ubytek masy o 20%. Wysuszony materiał przeniesiono do aparatu Soxhleta i ekstrahowano bezwodnym alkoholem izopropylowym przez 8 godzin. W drugiej metodzie rozdrobiony materiał nie poddano osuszaniu, przeniesiono do dużej butelki z ciemnego szkła i zalano dużą ilością wody destylowanej. Butelkę odstawiono na okres 48 godzin, w temperaturze pokojowej, wstrząsając co jakiś czas. Następnie roztwór zdekantowano i przesącz ponowie przefiltrowano na lejku ze spiekiem. Kolejnym krokiem była kilkukrotna ekstrakcja eterem naftowym. Warstwę organiczną zatężono do ¼ objętości, podczas tego procesu zaobserwowano krystalizację amigdaliny. Produkt kilkukrotnie przekrystalizowano, z małej ilości bezwodnego etanolu. Otrzymaną substancję zidentyfikowano w oparciu o temperaturę topnienia, wyniki analizy 1H i 13C NMR, oraz IR. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że druga metoda jest najefektywniejsza; w pierwszej otrzymano oprócz amigdaliny spore ilości oleju, który bardzo utrudniał otrzymanie kryształów głównego związku i wymuszał dodatkowe oczyszczenie. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] Calrns T., Frobeng J. E., Gonazles S. (1978) Analytical Chemistry of Amygdalin. Anal. Chem. 50(2)317–322 191 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [2] Bolarinwa F.B., Orfila C., Morgan M.R.A. (2014) Amygdalin content of seeds, kernels and food products commerciallyavailable in the UK. Food Chemistry 152:133–139 [3] Wei-Feng Lv, Ding Ming-Yu. (2005) Isolation and Quantitation of Amygdalin in Apricot-kernel and Prunus Tomentosa Thunb. by HPLC with Solid-Phase Extracion. J Chromatogr Sci. 43(7)383–387 [4] Zhou C., Qian L., Ma H., Yu X., Zhang Y., Qu W., Zhang X., Xia W (2012) Enhancement of amygdalin activated with -dglucosidase on HepG2 cells proliferation and apoptosis, Carbohydr Polym. 90, pp 516–523 [5] Chang HK., Shin M., Yang H., Lee JW., Kim YS., Lee MH., Kim J., Kim KH., Kim CJ (2006) Amygdalin Induces Apoptosis through Regulation of Bax and Bcl-2 Expressions in Human DU245 and LNCaP Prostate Cancer Cells. Biol. Pharm. Bull. 29(8):1597–1602. [6] Chen Y., Ma J., Wang F., Hu J, Cui A., Wei C., Yang Q., Li F. (2013) Amygdalin induces apoptosis in human cervical cancer cell line HeLa cells. Immunopharmacol. Immunotoxicol. 35(1):43–51 192 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OPTYMALIZACJA ANALIZY LIPIDÓW WYSTĘPUJĄCYCH W MIOBLASTACH Jakub Idkowiak*, Jędrzej Dąbrowski, Łukasz Marczak, Maciej Stobiecki Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Noskowskiego 12/14, Poznań, Polska *e-mail: [email protected] Metabolomika to dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki związana z badaniem produktów przemian chemicznych zachodzących na poziomie komórkowym, tkankowym czy organizmu. Za podstawową grupę metabolitów uważa się obecnie lipidy i ich pochodne tworzone w wyniku różnorodnych oddziaływań z łańcuchami białkowymi – tzw. lipoproteiny. Intensywny rozwój badań nad lipidomami komórkowymi, trwający od ok. 10 lat, doprowadził do wyróżnienia lipidomiki, czyli dyscypliny metabolomiki poświęconej hierarchii organizacyjnej lipidów i ich pochodnych biorących udział w podstawowych procesach metabolicznych [1]. Lipidy stanowią szeroką grupę substancji chemicznych pełniących ważne funkcje biologiczne. Zapewniają integralność komórek poprzez tworzenie błon, magazynują energię, a także kreują odpowiednie, hydrofobowe, środowisko, które pozwala białkom błonowym na przekazywanie sygnałów między zewnętrznym i wewnętrznym środowiskiem komórki czy pełnienie roli katalizatorów reakcji biochemicznych [1, 2]. Wyróżnia się lipidy niepolarne, polarne i ich metabolity [1]. Pierwszą grupę stanowią przede wszystkim cholesterol i jego estry, a także triacyloglicerole (TAG). Charakterystyczne jest zróżnicowanie niepolarnych lipidów w zależności od typu badanych komórek, ale także ich budowa – składają się one z małych lub słabo polarnych fragmentów i dominujących hydrofobowych elementów, które np. w przypadku TAG - stanowią reszty kwasów tłuszczowych [1]. Wśród tzw. polarnych lipidów wyróżnia się fosfolipidy posiadające resztę kwasu fosforowego związaną z zasadą azotową np. choliną i jednocześnie połączoną wiązaniem estrowym z diacylowaną gliceryną. Inną grupą związków są sfingolipidy będące licznymi pochodnymi aminoalkoholu sfingozyny. Łańcuch sfingozyny łączy się poprzez mostek tlenowy z choliną, seryną czy etanoloaminą, a poprzez wiązanie amidowe z resztami kwasów tłuszczowych. Należy także zwrócić uwagę na glikolipidy, jako kolejną, często identyfikowaną grupę substancji wśród lipidów polarnych. Ich cząsteczki zbudowane są z łańcuchów kwasów tłuszczowych lub sfingozyny i reszt cukrowych (glukozy lub galaktozy) związanych z nimi [1, 2]. Z kolei metabolity lipidów powstają na drodze reakcji enzymatycznych, których substratami są cząsteczki lipidów lub ich prekursory. Wśród najbardziej znanych związków, należących do tej grupy, 193 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wyróżniamy acylokarnityny, wolne kwasy tłuszczowe (NEFA) i ich estry, ceramidy, lizolipidy, część koenzymów np. Acyl – CoA i wiele innych [1, 2]. Ze względu na silne zróżnicowanie budowy i właściwości cząsteczek lipidów, pełna analiza lipidomu jest trudna lub na chwilę obecną w wielu przypadkach wręcz niemożliwa. Komplikacje pojawiają się nie tylko na etapie pozyskania analitu z matrycy, ale także w czasie samej analizy. Stosowane są dwa podstawowe sposoby wydzielenia lipidów z próbek, do których należą ekstrakcja typu ciecz – ciecz oraz ekstrakcja do fazy stałej (SPE – ang. solid phase extraction). Rozpuszczalniki, które pozwalają na wyekstrahowanie szerokiej gamy lipidów to MTBE (eter tert – butylowo - metylowy), mieszanina metanolowo – chloroformowa, octan etylu z dodatkiem alkoholu izopropylowego czy heksan. Ekstrakcję intensyfikuje się przy pomocy ultradźwięków, mikrofal, zmian ciśnienia i temperatury lub poprzez użycie aparatu Soxhleta. Możliwe jest zastosowanie substancji w stanie nadkrytycznym np. nadkrytycznego CO2 [2, 3]. W przypadku stosowania techniki SPE do analizy lipidomu, fazę stacjonarną stanowią silikażele z powierzchnią modyfikowaną grupami cyjanowymi, aminowymi lub diolami. Popularnymi eluentami są metanol, heksan i chloroform [2]. Zastosowanie w analizie lipidomicznej ma chromatografia sprzężona z różnymi technikami spektrometrii mas [2, 3]. Celem badań było przeprowadzenie optymalizacji przygotowania próbek do analiz MS oraz skuteczna analiza jakościowa lipidów wyekstrahowanych z hodowli komórkowych. Analit ekstrahowano mieszaniną chloroformowo – metanolową oraz octanem etylu z dodatkiem alkoholu izopropylowego. Ekstrakty po przeniesieniu do fazy ruchomej analizowano metodami LC/q-ToF, nano-LC/q-ToF, a także przy pomocy tandemowego spektrometru mas z jonizacją typu Maldi (Maldi ToF/ToF) oraz techniki „Direct infusion”, czyli bezpośredniej analizy ESI-MS. Rezultatem przeprowadzonych analiz jest wybór optymalnej procedury analizy jakościowej pozwalającej na identyfikację szerokiej grupy metabolitów należących do lipidów. Literatura: [1] X. Han, R.W. Gross (2004) Shotgun lipidomics: electrospray ionization mass spectrometric analysis and quantitation of cellular lipidomes directly from crude extracts of biological samples, Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com) dostęp: 10.11.2015 r., 23:05 [2] P. Donato, F. Cacciola, M. Beccaria, P. Dugo, L. Mondello (2015) Lipidomics, Comprehensive Analytical Chemistry 68: 395-439 [3] V. Matyash, G. Liebisch, T.V. Kurzchalia, A. Shevchenko, D. Schwudke (2008) Lipid extraction by methyl-tert-butyl ether for high-throughput lipidomics, Journal of Lipid Research 49(5): 1137-1146 194 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE IDEE W PROJETOWANIU PRO-LEKÓW ANTY-HIV – NUKLEOZYDO DIFOSFORANY Tomasz Jakubowski, Marta Rachwalak, Joanna Romanowska* Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań, Poland; * e-mail: [email protected] Pro-nukleotydy odgrywają istotną rolę w terapii antywirusowej [1]. Substancje te muszą spełniać wiele, czasami sprzecznych z sobą, kryteriów: powinny być obojętne elektrycznie, wysoce lipofilowe, dobrze rozpuszczalne w wodzie, stabilne w warunkach fizjologicznych, powinny przenikać do docelowych komórek, a następnie na drodze chemicznej i/lub enzymatycznej zostać przekształcone do odpowiednich nukleotydów i wreszcie do ich aktywnych form, czyli 5’-trifosforanów. Jesteśmy przekonani, że zastosowanie boranowych grup maskujących zwiększy lipofilowość, przy jednoczesnym obniżeniu cytotoksyczności [2, 3] tego typu związków chemicznych. Bazując na chemii H-fosfonianów, został opracowany nowy protokół syntetyczny dla otrzymania nukleozydo 5’-difosforanów, nowej klasy pro-nukleotydów o potencjalnym zastosowaniu w terapii anty-HIV [4]. Rysunek 1. Ogólna metoda syntezy nukleozydo 5’-difosforanów Literatura: [1] J. Romanowska, M. Sobkowski, A. Szymańska-Michalak, K. Kołodziej, A. Dąbrowska, A. Lipniacki, A. Piasek, Z. Pietrusiewicz, M. Figlerowicz, A. Guranowski, J. Boryski, J. Stawiński, A. Kraszewski (2011) Aryl H-Phosphonates 17: (NAryl)phosphoramidates of Pyrimidine Nucleoside Analogues and Their Synthesis, Selected Properties, and Anti-HIV Activity J. Med. Chem. 54: 6482-6491 [2] H. Li, C. Hardin, B. R. Shaw (1996) Hydrolysis of Thymidine Boranomonophosphate and Stepwise Deuterium Substitution of the Borane Hydrogens. 31P and 11B NMR Studies J. Am. Chem. Soc. 118: 6606-6614 [3] I. H. Hall, B. S. Burnham, K. G. Rajendran, S. Y. Chen, A. Sood, B. F. Spielvogel, B. R. Shaw (1993) Hypolipidemic Activity of Boronated Nucleosides and Nucleotides in Rodents Biomed. Pharmacother 47: 79-87 [4] L. Weinschenk, T. Gollnest, D. Schols, J. Balzarini, Ch. Meier (2015) Bis(benzoyloxybenzyl)-DiPPro nucleoside diphosphates of anti-HIV active nucleoside analogues ChemMedChem 10: 891-900 195 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWUTLENIAJĄCE KAWY ZIELONEJ A ZANIECZYSZCZENIA MYKOTOKSYNAMI Magdalena Jeszka-Skowron1*, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak1, Agnieszka Waśkiewicz2 1 Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań 2 Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wojska Polskiego 75, 60-625 Poznań * e-mail: [email protected] Kawa (Coffea), obok herbaty, jest jednym z najczęściej spożywanych napoi. Najważniejszymi gatunkami kawy są Coffea arabica i Coffea canephora var. robusta. Kawa oprócz kofeiny, zawiera również inne związki bioaktywne, w tym kwasy chlorogenowe o właściwościach przeciwutleniających [1]. Stwierdzono również, że picie kawy w umiarkowanych ilościach obniża ryzyko powstawania nowotworów, cukrzycy, chorób wątroby, a także chroni przed powstawaniem chorób neurologicznych [2]. Wykazano, że ekstrakty z zielonych ziaren kawy powodują obniżenie zawartości tkanki tłuszczowej trzewnej oraz masy ciała [3]. Jakość kawy zależy również od obecności zanieczyszczeń mykologicznych. Niektóre pleśnie m.in. Fusarium, Trichoderma, Alternaria produkują niebezpieczne dla zdrowia mykotoksyny w tym ochratoksynę A i aflatoksyny, które mogą powodować wiele chorób, w tym nowotwory i choroby układu nerwowego [4]. Markerem zanieczyszczenia żywności mykotoksynami może być występowanie wysokiego stężenie ergosterolu [5]. Celem badań było oznaczenie aktywności przeciwutleniającej naparów z kawy zielonej Arabiki i Robusty za pomocą testów ze stabilnymi rodnikami ABTS (kwas 2,2’-azino-bis(3-etylobenzo-tiazolino6-sulfonowy) i DPPH (2,2’-difenylo-1-pikrylohydrazyl). Zielone ziarna kawy analizowano pod względem stężenia ergosterolu, mykotoksyn, w tym ochratoksyny A i aflatoksyn B1, B2, G1 i G2 za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrem mas. Materiałem do badań były zielone ziarna kawy pochodzące z 8 różnych krajów, w tym ziarna poddane dekofeinizacji (CH2Cl2) i obróbce parą wodną (steamed) oraz prażone. W badaniu aktywności przeciwutleniającej ziarna kawy ekstrahowano wodą dejonizowaną (94°C, 10 min). Ekstrakty analizowano techniką spektrofotometrii VIS [6]. Oznaczanie ergosterolu, aflatoksyn i ochratoksyny A w ziarnach kawy wykonano techniką HPLC-MS/MS [5]. Stwierdzono, że aktywność przeciwutleniająca naparów z zielonej kawy Robusta oznaczana testami ABTS, DPPH była najwyższa, natomiast dla Arabiki znacząco niższa (Tabela 1). Aktywność ta dla kawy Robusta pochodzącej z Wietnamu była najwyższa, zwłaszcza dla naparu z ziaren kaw poddanej procesom dekofeinizacji oraz obróbki parą wodną. Natomiast najniższą aktywność przeciwutleniającą wykazano dla kawy Arabika pochodzącej z Laosu. Prażanie ziaren kawy wpływa na obniżenie aktywności przeciwutleniającej naparów, zwłaszcza w teście ABTS. Podobne rezultaty były wcześniej 196 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. obserwowane [7]. Stosując liniową korelację Pearsona, stwierdzono bardzo wysoką pozytywną zależność pomiędzy wynikami aktywności przeciwutleniającej w testach ABTS i DPPH (r2=0.956). Ergosterol oznaczono we wszystkich badanych próbkach kawy od 173 ng g-1 dla kawy Arabika pochodzącej z Chin do 13954 ng g-1 dla kawy pochodzącej z Indonezji (Tabela 1). Średnie stężenie ergosterolu w kawach Arabika było niższe niż dla kaw Robusta. Stwierdzono, że prażenie kawy powoduje 90% obniżenie stężenia ergostrolu do 229 ng g-1 dla kawy prażonej z Wietnamu. Jednocześnie wysokie stężenie ergostrolu w indonezyjskiej kawie wskazuje na wysokie zanieczyszczenie pleśniami. Najczęściej występującą mykotoksyną była aflatoksyna B1 i najwyższe jej stężenie obserwowano dla ziaren kawy Robusta pochodzącej z Laosu (Tabela 1). Stwierdzono, że aflatoksyny B1 i G1 dominowały w ziarnach kawy zielonej i te obserwacje pokrywają się z wynikami Bokhari i Aly [8]. Stężenia mykotoksyn były niższe niż w innych badaniach [9,10]. Ochratoksyna A wystąpiła w 4 próbkach zielonych ziaren kawy: Robusta - Wietnam zielona oraz Uganda Sc12, a także w Arabice z Laosu oraz z Chin. Wartości te nie przekroczyły limitów UE i były zbliżone do rezultatów Leonga i wsp. [10]. Natomiat Bokhari oznaczył wyższe stężenie ochratoksyny A w zakresie od 3.77 do 25.9 ng g-1 w zielonych ziarnach kawy z Arabii Saudyjskiej [9]. Prażenie kawy powoduje obniżenie stężenia mykotoksyn w ziarnach kawy, podobnie jak ergosterolu. Zbliżone wyniki otrzymano w innych badaniach [8]. Nie stwierdzono korelacji liniowej pomiędzy stężeniem ergosterolu i mykotoksyn w badanych próbkach zielonej kawy. Podsumowując napary z zielonej kawy, zwłaszcza z gatunku Coffea canephora var. robusta, wykazują wyższe właściwości przeciwutleniające w porównaniu do naparów Coffea arabica. Zielone ziarna kawy Arabika i Robusta zawierają mykotoksyny, jednakże ich wartości nie przekraczają dopuszczalnych limitów ustanowionych przez Unię Europejską. Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy 03/31/DSPB/0296. Literatura: [1] M. Jeszka-Skowron, A. Zgoła-Grześkowiak, T. Grześkowiak (2015) Analytical methods applied for the characterization and the determination of bioactive compounds in coffee, European Food Research and Technology 240:19-31 [2] A. Cano-Marquina, J.J. Tarín, A. Cano (2013) The impact of coffee on health, Maturitas, 75:7-21 [3] H. Shimoda, E. Seki, M. Aitani (2006) Inhibitory effect of green coffee bean extract on fat accumulation and body weight gain in mice, BMC Complementary and Alternative Medicine 17:6-9 [4] A.A. Nuru (2015) Occurrence, harmful effects and analytical determination of ochratoxin A in coffee, Journal of Applied Pharmaceutical Science 5:120-127 197 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [5] E. Stanisz, A. Zgoła-Grześkowiak, A. Waśkiewicz, Ł. Stępień, M. Beszterda (2015) Can ergosterol be an indicator of fusarium fungi and mycotoxins in cereal products? Journal of the Brazilian Chemical Society 26:1-8 [6] M. Jeszka-Skowron, A. Zgoła-Grześkowiak (2014) Analysis of antioxidant activity, chlorogenic acid, and rutin content of Camellia sinensis infusions using response surface methodology optimization, Food Analytical Methods 7:2033-2041 [7] E. Nebesny, G. Budryn (2003) Antioxidative activity of green and roasted coffee beans as influenced by convection and microwave roasting methods and content of certain compounds, European Food Research and Technology 217:157-163 [8] F.M. Bokhari, M.M. Aly (2009) Evolution of traditional means of roasting and mycotoxins contaminated coffee beans in Saudi Arabia, Advances in Biological Research 3:71-78 [9] F.M. Bokhari (2007) Mycotoxins and toxigenic fungi in Arabic coffee beans in Saudi Arabia, Advances in Biological Research 1:56-66 [10] S.L. Leong, L.T. Hien, T.V. An, N.T. Trang, A.D. Hocking, E.S. Scott (2007) Ochratoxin A-producing Aspergilli in Vietnamese green coffee beans, Letters in Applied Microbiology 45:301-306 Tabela 1. Aktywność przeciwutleniająca oraz zawartość ergosterolu, aflatoksyn i ochratoksyny A w badanych kawach Kawa Robusta Arabika Pochodzenie kawy ABTS [mM Trolox na 100 g] DPPH [mM Trolox na 100 g] Ergosterol [ng g-1] Wietnam GR2 228,26 ± 8,24 37,60 ± 0,46 2218 ± 156 Wietnam steamed Wietnam dekafeinowana Wietnam GR2 prażona 270,36 ± 8,98 46,23 ± 0,54 2321 ± 161 - - 253,56 ± 1,17 43,24 ± 2,02 833 ± 85 4,87±1,02/ NW / 4,52±0,91 / NW NW 163,51 ± 9,15 34,26 ± 1,23 229 ± 8 NW/ NW/ NW/ NW NW Laos 220,23 ± 2,27 32,14 ± 2,62 3407 ± 104 17,45±2,11/ NW/ 5,23±0,62/ NW NW Uganda Bugishu 193,25 ± 2,40 33,56 ± 0,67 934 ± 44 NW/ NW/ NW/ NW NW Uganda Sc12 244,17 ± 4,32 44,40 ± 1,26 Indonezja 194,70 ± 3,96 32,55 ± 0,29 Indie Cherry 239,70 ± 3,21 42,70 ± 0,72 Laos 134,87 ± 0,85 16,13 ± 2,57 Brazylia 151,48 ± 2,79 22,24 ± 0,82 Rwanda 140,21 ± 8,05 21,39 ± 1,40 Chiny 154,89 ± 4,07 23,41 ± 1,81 NW – nie wykryto 198 Aflatoksyny B1/ B2/ Ochratoksyna A G1/ G2 [ng g-1] -1 [ng g ] 9,28±1,07/ NW/ NW/ 2,06±0,13 NW 5,53±0,66/ NW/ NW/ NW 10,35±0,93/ NW/ 13954 ± 324 9,28±1,84/ NW 7,11±1,45/ NW/ NW/ 900 ± 22 NW 6,16±0,74/ 1,11±0,09/ 194 ± 11 5,73±0,49/ NW 1,83±0,42/ NW/ 979 ± 71 0,82±0,07/ NW 2,91±0,40/ NW/ NW/ 1202 ± 64 NW 11,03±0,64/ 173 ± 14 1,44±0,08/ 8,14±0,71/ 0,95±0,05 2385 ± 139 1,27±0,08 NW NW 4,34±0,32 NW NW 1,57±0,33 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE POCHODNE MONENZYNY A – SYNTEZA, BADANIA SPEKTROSKOPOWE ORAZ OCENA WŁAŚCIWOŚCI ANTYPROLIFERACYJNYCH Greta Klejborowska1*, Michał Antoszczak1, Adam Huczyński1, Ewa Maj2, Joanna Wietrzyk2 1 Pracownia Chemii Bioorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda, Polska Akademia Nauk, ul. Rudolfa Weigla 12, 53-114 Wrocław * e-mail: [email protected] Monenzyna A (MON) jest przedstawicielem dużej grupy naturalnie występujących polieterowych antybiotyków jonoforowych i jest izolowana ze szczepu bakterii Streptomyces cinnamonensis. Związek ten charakteryzuje się szerokim spektrum właściwości biologicznych i znalazł zastosowanie w weterynarii jako kokcydiostatyk i niehormonalny stymulator wzrostu bydła. Ponadto monenzyna indukuje apoptozę niektórych komórek nowotworowych. Nie jest jednak stosowana w leczeniu ludzi, gdyż efekt terapeutyczny jest niewspółmierny do wywołanych skutków ubocznych [1]. Aktywność antybiotyków jonoforowych jest warunkowana przez ich zdolność do transportowania jonów przez błony komórkowe i mitochondrialne, co w rezultacie prowadzi do zniesienia naturalnego gradientu stężeń i zaburzenia istotnych procesów komórkowych. Wykazano dwa możliwe rodzaje transportu jonów przez monenzynę A: transport neutralny (ang. neutral transport) polegający na wymianie protonu grupy karboksylowej na kation metalu oraz transport elektrogenny (ang. electrogenic transport), czyli generujący napięcie elektryczne na płaskich dwuwarstwach lipidowych poprzez przeniesienie kationu metalu skompleksowanego przez cząsteczkę kwasu monenzynowego [2,3]. W literaturze istnieje szereg prac poświęconych modyfikacjom chemicznym, jednak żadna z pochodnych nie znalazła do tej pory zastosowania farmaceutycznego [4]. Celem naszej grupy badawczej jest synteza nowych pochodnych monenzyny o zróżnicowanych podstawnikach, które powinny wpłynąć na zwiększenie selektywności i obniżenie toksyczności związku. W wyniku ostatnich prac otrzymano serię nowych trzeciorzędowych amidów monenzyny oraz biokoniugat monenzyny z sylibną (SIL). Otrzymane pochodne charakteryzują się interesującymi właściwościami antyproliferacyjnymi, wysokim indeksem selektywności, a także przełamują lekooporność wybranych linii komórkowych [5,6]. 199 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OH O O OH O O O O O O O HO O OH O O MON-SIL (35%) OH OH OH O (a) OH O O HO OH O O O O O OH Monenzyna A (MON) (b) OH O R 1 (58%) N O OH O O O 2 (64%) O N O OH 3 (50%) O R= N 4 (73%) N 5 (84%) N H 6 (34%) N N O Rysunek 1. Synteza pochodnych monenzyny A. Reagenty i warunki: (a) Synteza koniugatu sylibiny z monenzyną: MON (1 eq), SIL (2,5 eq), DCC (1,5 eq), PPy (0,5 eq), p-TSA (0,23 eq), 0°C do RT, 24h; (b) Synteza trzeciorzędowych amidów monenzyny: MON (1eq), DCC (1,2 eq), HOBt (0,5 eq), odpowiednia amina drugorzędowa (2,5 eq), DMF, 0°C – 1h, później RT - 24h. Wydajności, z jakimi uzyskano oczyszczone produkty, zostały podane w nawiasach. 200 O BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] D. Łowicki, A. Huczyński (2012) Structure and antimicrobial properties of monensin A and its derivatives: Sumary of the achievements, BioMed Research International 2013: Article ID 742149 [2] A. Huczyński, J. Janczak, D. Łowicki, B. Brzezinski (2012) Monensin A acid complexed as a model of electrogenic transport of sodium cation, Biochimica et Biophysica Acta 1818(9): 2108-2119 [3] Y.N. Antonenko, T.I. Rokitskaya, A. Huczyński (2015) Electrogenic and nonelectrogenic ion fluxes cross lipid and mitochondria membranes mediated by monensin and monensin etyl ester, Biochimica et Biophysica Acta 1848(4): 995-1004 [4] M. Antoszczak, J. Rutkowski, A. Huczyński (2015) Structure and biological activity of polyether ionophores and their semisynthetic derivatives, w: G. Brahmarchi, Bioactive natural products, Wydawnictwo Wiley-VCH, Weinheim [5] A. Huczyński, G. Klejborowska, M. Antoszczak, E. Maj, J. Wietrzyk (2015) Anti-proliferatives activity of monensin and its tertiary amide derivatives, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 25: 4539-4543 [6] M. Antoszczak, G. Klejborowska, M. Kruszyk, E. Maj, J. Wietrzyk, A. Huczyński (2015) Synthesis and antiproliferative activity of silybin conjugates with Salinomycin and monensin, Chemical Biology & Drug Design, doi:10.1111/cbdd.12602 201 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I BIOCHEMICZNE ZASTOSOWANIE KOMPLEKSÓW METALOKARBONYLOWYCH NA NANOCZĄSTKACH MAGNETYCZNYCH POKRYTYCH ZŁOTEM Bogna Rudolf1, Aneta Kosińska1*, Agnieszka Z. Wilczewska2, Iwona Misztalewska2, Michele Salmain3,4 1 Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Łódzki, 91-403 Łódź 2 Instytut Chemii, Uniwersytet w Białymstoku, 15-245 Białystok 3 UMPC Uniwersytet w Paryżu 06, UMR 8232, IPCM, F-75005, Paryż, Francja 4 CNRS, UMR 8232, IPCM, F-75005 Paryż, Francja * e-mail: [email protected] Nanocząstki magnetyczne pokryte złotem o strukturze typu „rdzeń-powłoka” (ang. core-shell) MNPs@Au, ze względu na unikalne właściwości, takie jak np.: wysoki moment magnetyczny, możliwość modyfikacji powierzchni związkami organicznymi oraz powłokami polimerowymi, zyskują coraz większe zainteresowanie. Nanocząstki typu core-shell stosowane są między innymi w testach immunologicznych, separacji komórek, transporcie leków, hipertermicznym leczeniu guzów litych oraz jako środki kontrastowe do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Mogą być one wykorzystane np. jako katalizatory w syntezach organicznych, a następnie usuwane z mieszaniny przy użyciu zewnętrznego pola magnetycznego. W ciągu ostatnich lat w Katedrze Chemii Organicznej UŁ prowadzone są badania nad immobilizacją kompleksów typu (η5-cyklopentadienyl)M(CO)x(η1-N-maleimidato) (M=Fe, x=2, M=Mo, W x=3) na nanocząstkach magnetycznych pokrytych złotem. Wykazują one charakterystyczne pasma absorpcji w spektroskopii IR w zakresie 1800-2150 cm-1. Wskazane kompleksy mogą być zastosowane jako znaczniki, ponieważ większość biomolekuł nie wykazuje pasm absorpcji w tym zakresie. W prezentowanej pracy przedstawiono immobilizację kompleksów metalokarbonylowych (zawierających mostek dwusiarczkowy) oraz przeciwciał na nanocząstkach magnetycznych pokrytych złotem, a także charakterystykę fizykochemiczną takich nanoukładów [1]. Praca została wykonana w ramach grantu NCN, grant nr. DEC-2011/03/B/ST5/01480 Literatura: [1] B. Rudolf, M. Salmain, J. Grobelny, G. Celichowski, M. Cichomski (2013) Preparation of metallocarbonyl-gold-antibody bioconjugates for mid-IR optical immunosensing, Journal of Organometallic Chemistry 734: 32-37 202 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE 5'-TRÓJFOSFORANÓW-2'AZYDO-2'DEOKSYNUKLEOZYDÓW W BADANIU STRUKTURY DRUGORZĘDOWEJ RNA Weronika Kotkowiak, Żaneta Zarębska, Ryszard Kierzek Zakład Chemii i Biologii Strukturalnej Kwasów Nukleinowych, Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] Od wielu lat oligomery RNA zawierające modyfikowane nukleotydy są obiektem zainteresowania naukowców, ze względu na ich dużą odporność na hydrolizę chemiczną i enzymatyczną. Dzięki tym właściwościom znalazły zastosowanie m.in. w procesie wyciszania ekspresji genów, znakowaniu RNA oraz badaniu oddziaływań międzycząsteczkowych. Początkowo otrzymywano je na drodze syntezy chemicznej, następnie wraz z rozwojem inżynierii genetycznej, metodami enzymatycznymi przy wykorzystaniu mutantów polimerazy RNA bakteriofaga T 7 [1, 2]. Reakcja „click”, polegająca na łączeniu prostych substratów w bardziej złożone produkty, ściśle odzwierciedla procesy zachodzące w przyrodzie. Po raz pierwszy została opisana przez Sharpless i in. [3]. Do tej pory wykorzystywano ją do znakowania końca 3’ lub 5’ oligorybonukleotydów [4, 5] oraz w chemicznej syntezie dłuższych oligomerów RNA (powyżej 60 nt) [6]. W niniejszej pracy po raz pierwszy proponujemy połączenie transkrypcyjnej inkorporacji 5’-trójfosofranu-2’-azydo-2’-deoksynukleozydu z wprowadzeniem potranskrypcyjnej modyfikacji tej grupy przy zastosowaniu reakcji „click”. Umożliwi to stworzenie nowej, uniwersalnej metody określania struktury drugorzędowej RNA, użytecznej w badaniu dłuższych oligorybonukleotydów. W pierwszym etapie realizacji badań wykonaliśmy optymalizację reakcji transkrypcji 5S rRNA przy użyciu 5’-trójfosforanów-2’-azydo-2’-deoksynukleozydów oraz mutanta Pol T7 (Y639F). Pełnej długości produkt udało się uzyskać w przypadku, gdy mieszanina reakcyjna zawierała jeden z modyfikowanych nukleotydów: 5’-trójfosforan-2’-azydo-2’-deoksyadenozyny lub 5’-trójfosforan 2’-azydo-2’-deoksycytydyny lub 5’-trójfosforan-2’-azydo-2’-deoksyurydyny oraz 3 pozostałe, naturalne nukleotydy. Prowadzenie reakcji w obecności 5’-trójfosforanu-2’-azydo-2’-deoksyguanozyny za każdym razem kończyło się niepowodzeniem. Uzyskany transkrypt poddaliśmy reakcji sprzęgania grupy azydowej z estrem DBCO-sulfo-NHS. Następnie przeprowadziliśmy reakcję odwrotnej transkrypcji z użyciem znakowanych fluorescencyjnie starterów oraz elektroforezy kapilarnej w celu wykrycia miejsca modyfikacji badanego RNA. Pierwsze, wstępne wyniki eksperymentalne wskazują na występowanie różnicy poziomu modyfikacji RNA zawierającego w swoim łańcuchu 203 grupę 2’-azydkową w stosunku do BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. niemodyfikowanej kontroli. Konieczne jest jednak przeprowadzenie dalszych badań, które pozwolą zweryfikować istnienie różnic modyfikacji grupy 2’-azydowej w rejonach jedno- i dwuniciowych badanego oligorybonukleotydu. Poczynione obserwacje mogą stanowić podstawę do opracowania nowej metody określania struktury drugorzędowej RNA. Badania były finansowane w ramach realizacji projektu Młod-WK 500-8051. Literatura: [1] R. Sousa, R. Padilla (1995) A mutant T7 RNA polymerase as a DNA polymerase, The EMBO Journal 14: 4609-4621 [2] R. Padilla, R. Sousa (2002) A Y639F/H784A T7 RNA polymerase double mutant displays superior properties for synthesizing RNAs with non-canonical NTPs, Nucleic Acids Research 30: e138 [3] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless (2001) Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions, Angewandte Chemie International Edition 40: 2004-2021 [4] A. Samanta, A. Krause, A. Jaschke (2014) A modified dinucleotide for site-specific RNA-labelling by transcription priming and click chemistry, Chemical Communications 50: 1313-1316 [5] T. Santner, M. Hartl, K. Bister, R. Micura (2014) Efficient Access to 3’-Terminal Azide-Modified RNA for Inverse ClickLabeling Patterns, Bioconjugate Chemistry 25: 188-195 [6] J. Frommer, R. Hieronymus, T. Arunachalam, S. Heeren, M. Jenckel, A. Strahl, B. Appel, S. Müller (2014) Preparation of modified long-mer RNAs and analysis of FMN binding to the ypaA aptamer from B. subtilis, RNA Biology 11: 609-623 204 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. (odstęp pANALIZA WPŁYWU WYCIĄGÓW ROŚLINNYCH NA KIEŁKOWANIE NASION W UPRAWACH HYDROPONICZNYCH stęp pojedynczy, 10 pkt) Anna Kowalczyk, Joanna Leśniewicz, Patrycja Kachelska, Anna Parus* (odstęp Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Substancje roślinne wykazujące potencjał allelopatyczny pod względem chemicznym należą do całej gamy związków organicznych, są nimi m.in. etylen, kumaryny, sorgoleon, helianuol, jugnol. Związki te mogą stymulować lub inhibować rozwój innych sąsiadujących z nimi gatunków, jednakże związki stymulujące wzrost mogą w wysokich stężeniach pełnić funkcję inhibitorów, jak również związki uważane za inhibitory w niskich stężeniach mogą powodować stymulacje niektórych procesów. Większość substancji allelopatycznych między innymi ze względu na hydrofilowe właściwości, łatwo przenika do gleby, skąd pobierane są przez system korzeniowy, a następnie transportowane do innych organów roślinnych. Ich regulacyjne działanie może ujawnić się na każdym poziomie komórkowym, czy tkankowym. Postępujący rozwój rolnictwa, a przede wszystkim chemizacja go i rozwój środków ochrony roślin, stanowią istotne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Między innymi zainteresowano się praktycznym wykorzystaniem zjawiska allelopatii w zwalczaniu chwastów roślin uprawnych [1-5]. Celem badań była ocena wpływu roślinnych wyciągów wodnych na kiełkowanie roślin uprawnych w uprawach hydroponicznych. Badania prowadzono z wykorzystaniem dwóch gatunków roślin uprawnych, kukurydzy (Zea mays) oraz jęczmienia (Hordeum vulgare). Pierwszy etap badań obejmował przygotowanie wodnych wyciągów roślinnych. W tym celu 10 g suszu roślinnego (korzeń, liście, kwiat) lub gleby okołoryzosferycznej wrotyczu pospolitego (Tanacetum vulgare L.), mydlnicy lekarskiej (Saponaria officinalis L.), kory wierzby (Salix L.), orzecha włoskiego (Juglans regia L.) umieszczono w kolbie stożkowej i dodano 100 ml wody destylowanej, a następnie pozostawiono na 24 h w temperaturze pokojowej. Po tym czasie uzyskany wyciąg wodny przefiltrowano. Na płytki Petriego, z wcześniej przygotowanymi krążkami bibułowymi, wprowadzono po 10 ml uzyskanego wodnego wyciągu roślinnego, a następnie na tak przygotowane podłoże, ułożono po 20 ziaren kukurydzy lub jęczmienia. Przygotowane płytki wstawiono do cieplarki i pozostawiono na 6 dni w temperaturze 21oC. Do próby kontrolnej wprowadzono 10 ml wody destylowanej. Wszystkie próby wykonano w trzech powtórzeniach. Po upływie określonego czasu analizowano ilość skiełkowanych nasion, a także zmierzono długość korzenia zarodkowego i pędu. Wartości te pozwoliły na obliczenie indeksu kiełkowania (GI) oraz procent zahamowania wzrostu korzenia i pędu analizowanych roślin. 205 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Uzyskane w doświadczeniu wyniki wpływu wyciągów wodnych uzyskanych z wrotyczu, mydlnicy, wierzby oraz orzecha włoskiego były zróżnicowane w zależności od gatunku rośliny, z której został sporządzony wyciąg wodny, ale także zależał od gatunku rośliny, którą zastosowano do badań. Istotny wpływ zastosowanych wyciągów wodnych zaobserwowano już na etapie zahamowania kiełkowania nasion kukurydzy oraz jęczmienia. Wyciągi sporządzone z kwiatów i liści wrotyczu, liści mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej mydlnicy, a także z łupin orzecha włoskiego powodowały całkowite zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia. Pozostałe wyciągi wodne z korzenia wrotyczu oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu, a także korzenia mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej mydlnicy i kory wierzby powodowały zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia od 20 do 60%, przy czym najmniejszy wpływ na kiełkowanie zanotowano w przypadku wyciągów z kory wierzby. Pomimo tak silnego zahamowania kiełkowania nasion jęczmienia nie zaobserwowano wpływu na wzrost pędu, jedynie korzenie były o około 20 do 40 % mniejsze w porównaniu z plonem uzyskanym w próbie kontrolnej (Rys. 1.). Rysunek 1. Wpływ wyciągów wodnych na kiełkowanie i początkowy rozwój jęczmienia Nieco mniejszy wpływ analizowanych wyciągów wodnych zaobserwowano podczas upraw kukurydzy. Ekstrakty uzyskane z kwiatów i liści wrotyczu oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu, a także korzenia mydlnicy, kory wierzby oraz łupiny orzecha włoskiego powodowały, że 30 do 50% nasion kukurydzy wykiełkowało. Pozostałe wyciągi wodne sporządzone z korzenia wrotyczu, liści mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu ograniczały kiełkowanie nasion kukurydzy od 20 do 40%. Najmniejszy wpływ wodnych wyciągów roślinnych na rozwój korzeni i pędu zaobserwowano w obecności ekstraktów z gleby okołoryzosferycznej wrotyczu oraz korzenia mydlnicy (Rys. 2.). Najsilniejsze negatywne oddziaływanie na rozwój pędów i korzeni kukurydzy zanotowano w obecności wyciągu z łupiny orzecha włoskiego (około 80% zahamowanie wzrostu zarówno korzeni jak i pędów). 206 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 2. Wpływ wyciągów wodnych na kiełkowanie i początkowy rozwój kukurydzy Podsumowując, obecność wodnych wyciągów roślinnych w podłożu w istotny sposób wpływa zarówno na kiełkowanie jak i wzrost korzeni i pędów analizowanych roślin uprawnych. Większą fitotoksycznosć zaobserwowano w przypadku jęczmienia niż kukurydzy. Większość wodnych wyciągów powodowała całkowite zahamowanie kiełkowania nasion jęczmienia. Nasiona kukurydzy wykazały większą odporność na substancje zawarte w badanych wyciągach wodnych. Źródło finansowania: Środki Rektora Politechniki Poznańskiej przeznaczone na realizację grantów kół naukowych w roku 2015. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: ynczy10 pkt) [1] P. Bhowmik, C. Inderjit (2003) Challenges and opportunities in implementing allelopathy for natural weed management, Crop Protection 22: 661–671 [2] R. Cruz-Ortegar, A.L. Anaya, L. Ramos (1988) Effects of allelopathic compounds of corn pollen on respiration and cell division of watermelon. Journal of Chemical Ecology 14: 71–86 [3] R. Cruz-Ortega, G. Ayala-Cordero, A.L. Anaya (2002) Allelochemical stress produced by the aqueous leachate of Callicarpa acuminata: effects on roots of bean, maize, and tomato. Physiologia Plantarum 116: 20–27 [4] S.O. Duke, F.E. Dayan, J.G. Romagni, A.M. Rimando (2000) Natural products as sources of herbicides: current status and future trends. Journal Weed Research 40: 99–111 [5] J.R. Vyvyan (2002) Allelochemicals as leads for new herbicides and agrochemicals. Tetrahedron 58:1631–1646 207 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIOTRANSFORMACJE ANDROSTENDIONU W KULTURACH GRZYBÓW STRZĘPKOWYCH WYIZOLOWANYCH ZE ŚRODOWISKA NATURALNEGO Wojciech Jodełka1, Klaudia Pakuła1, Anna Kancelista2, Regina Stępniewicz2, Monika Dymarska1, Ewa Kozłowska1*, Edyta Kostrzewa-Susłow1, Tomasz Janeczko1 1 2 Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Norwida 25, 50-375 Wrocław Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Chełmońskiego 37/41, 51-630 Wrocław * e-mail: [email protected] Przekształcenia mikrobiologiczne steroidów są ważną, spełniającą wymogi „zielonej chemii”, metodą pozyskiwania nowych pochodnych steroidowych, o potencjalnej aktywności farmaceutycznej [1,2]. Monooksygenazy i reduktazy mikroorganizmów wykazują duże podobieństwo do tych, które występują u ssaków, dzięki temu możliwe jest śledzenie i przewidywanie metabolizmu badanych związków w organizmach wyższych, wykorzystując w tym celu modele mikrobiologiczne [3-5]. Prowadzone badania opierały się na uzyskaniu hydroksylowych pochodnych androstendionu oraz sprawdzeniu zdolności wybranych kultur grzybów strzępkowych do transformacji tego związku. Wykorzystywane nowe biokatalizatory były izolowane z naturalnego środowiska ich występowania. HO O CH3 CH3 O CH3 CH3 CH3 O CH3 OH O O W 5- O Ś5 - 36% 9% W5 - 5% Ś1 - 34% CH3 O Ś1 -6 % OH CH3 Ś1 - 6% HO CH3 O Ś1 - 10% O CH3 CH3 O O M K1 -9 Ś1 -6 % % CH3 CH3 CH3 O HO Rysunek 1. Przekształcenia androstendionu w kulturach badanych grzybów 208 OH O BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W wyniku biotransformacji androstendionu w kulturze szczepu nieoznaczonego W5 uzyskano dwa produkty 14α-hydroksyandrostendion i 11α-hydroksyandrostendion (Rys. 1.). W przypadku szczepu Penicillium sp. Ś1 głównym produktem biotransformacji jest 14α-hydroksyandrostendion stanowiący 47% powstałych produktów. Dodatkowo substrat ulega przekształceniu do: 11α-hydroksyandrostendionu, 5α-androstan-3β-ol-17-onu, 7α-hydroksyandrostendionu oraz 6α-hydroksyandrostendionu. Szczep nieoznaczony MK1 posiada zdolność do wprowadzania grupy hydroksylowej w pozycji 7α. Otrzymany 7α-hydroksyandrostendion jest głównym produktem i stanowi 70% mieszaniny reakcyjnej. Związek ten jest wykorzystywany do syntezy diuretyków. Podczas inkubacji zastosowanego substratu w kulturze szczepu Gymnopilus sp. Ś5 otrzymano jeden produkt, zidentyfikowany jako 14α-hydroksyandrostendion. Związek ten znajduje zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym np. do syntezy leków stosowanych w chemioterapii. Mikroorganizmy wykorzystane do uzyskania 14α-hydroksyandrostendionu, 7α-hydroksyandrostendion i 11α- hydroksyandrostandion zostaną poddane oznaczeniu genetycznemu w celu poznania gatunku. Literatura: [1] M.-E.F. Hegazy, T.A. Mohamed, A.I. ElShamy, A.-E.-H.H. Mohamed, U.A. Mahalel, E.H. Reda, A.M. Shaheen, W.A. Tawfik, A.A. Shahat, K.A. Shams, N.S. Abdel-Azim, F.M. Hammouda (2015) Microbial biotransformation as a tool for drug development based on natural products from mevalonic acid pathway: A review, Journal of Advanced Research, 6(1):17-33 [2] M.C. Bryan, B. Dillon, L.G. Hamann, G.J. Hughes, M.E. Kopach, E.A. Peterson, M. Pourashraf, I. Raheem, P. Richardson, D. Richter, H.F. Sneddon (2013) Sustainable Practices in Medicinal Chemistry: Current State and Future Directions, Journal Of Medicinal Chemistry 56: 6007-6021 [3] K. Srisilam, C. Veeresham (2003) Biotransformation of drugs by microbial cultures for predicting mammalian drug metabolism, Biotechnology Advances 21: 3-39 [4] T. Patil, A. Kasurde, T. Kanchala, A. Tiwarkhede, D.R. Majumdar (2014) Fungi: An ideal biotransformation model for mimicking mammalian drug metabolism, International Journal of Medicine and Pharmaceutical Sciences, 4: 15-24 [5] I. Lacroix, J. Biton, R. Azerad (1999) Microbial models of drug metabolism: Microbial transformations of Trimegestone® (RU27987), a 3-Keto-4,9(10)-19-norsteroid drug, Bioorganic & Medicinal Chemistry 7: 2329-2341 209 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWY ARACHNOFAGICZNY SZCZEP JAKO EFEKTYWNY BIOKATALIZATOR HYDROKSYLACJI ZWIĄZKÓW STEROIDOWYCH Ewa Kozłowska1*, Monika Dymarska1, Jakub Grzeszczuk2, Elżbieta Pląskowska2, Edyta KostrzewaSusłow1, Tomasz Janeczko1 1 2 Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Norwida 25, 50-375 Wrocław Katedra Ochrony Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, pl. Grunwaldzki 24a, 53-363 Wrocław * e-mail: [email protected] Związki steroidowe posiadają szeroki wachlarz właściwości biologicznych przez co znalazły zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym [1-3]. Hydroksylacje steroidów za pomocą mikrobiologicznych monooksygenaz (cytochromu P-450: duże podobieństwo budowy i działania do enzymów występujących u ssaków) stały się źródłem związków o pożądanej aktywności biologicznej oraz produktów pośrednich w syntezie chemicznej [4,5]. Selektywność działania enzymów oraz łagodne warunki prowadzenia biotransformacji przyczyniły się do rozwoju tej dziedziny badań [6,7]. Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie zdolności katalitycznych szczepu grzyba strzępkowego infekującego pająki. Substratami w tych badaniach były wybrane związki steroidowe: androstendion, adrenosteron, 17α-metylotestosteron oraz dehydroepiandrosteron. Wszystkie zastosowane substraty były efektywnie przekształcane przez układ enzymatyczny zastosowanego katalizatora. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń można stwierdzić, że budowa substratu, a w efekcie jego ułożenie w kieszeni enzymatycznej, ma kluczowy wpływ na miejsce i orientacje wprowadzenia grupy hydroksylowej. Androstendion ulegał efektywnej hydroksylacji w pozycję 7α, co skutkuje uzyskaniem z wysoką konwersją 82% - 7α-hydroksyandrost-4-en-3,17-dionu, związku wykorzystywanego w przemysłowej syntezie diuretyków (Rys. 1.) [8]. Adrenosteron ulegał hydroksylacji w pozycję 6β (Rys. 2.). Analogiczną pochodną zidentyfikowano podczas biotransformacji 17α-metylotestosteronu. Podczas inkubacji tego substratu zidentyfikowano również 15β-hydroksypochodną oraz produkt podwójnej hydroksylacji 6β,12β-dihydroksy-17α-metylotestosteron (Rys. 3.). DHEA oprócz hydroksylacji w pozycję 7β ulegał również dalszemu utlenieniu w kulturze badanego biokatalizatora, co skutkowało uzyskaniem 7-okso-DHEA oraz 3β,7β-dihydroksy-17a-oksa-D-homo-androst-5-en-17-onu (Rys. 4). CH3 O CH3 CH3 CH3 O O Rysunek 1. Przekształcenie androstendionu 210 OH O BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CH3 O O O CH3 O CH3 CH3 O O OH Rysunek 2. Przekształcenie androsteronu CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 OH OH CH3 CH3 CH3 OH CH3 + OH CH3 CH3 OH CH3 + OH O O O O OH OH Rysunek 3. Przekształcenia 17α-metylotestosteronu CH3 O CH3 CH3 CH3 HO HO O CH3 CH3 + O HO O CH3 O + OH HO O CH3 OH Rysunek 4. Przekształcenia DHEA 7-Hydroksypochodne DHEA powodują zwiększenie odpowiedzi immunologicznej i mogą być pomocne w leczeniu otyłości. Wykazują aktywność antyglikokortykoidową i mogą odgrywać kluczową rolę w regulacji aktywności glikokortykoidów i w procesach odpornościowych organizmu [9]. Literatura: [1] T.A. Crabb, J.A. Saul, R.O. Williams (1981) Microbiological transformations. Part 4. Microbiological transformations of 5α-androstan-17-ones and of 17a-aza-D-homo-5α-androstan-17-ones with the fungus Cunninghamella elegant, Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1 1: 1041-1045 [2] P. Žnidaršič-Plazl, I. Plazl (2010) Development of a continuous steroid biotransformation process and product extraction within microchannel system, Catalysis Today 157: 315-320 [3] A. Schmid, J.S. Dordick, B. Hauer, A. Kiener, M. Wubbolts, B. Witholt (2001) Industrial biocatalysis today and tomorrow, Nature 409: 258 [4] T. Kołek, N. Milecka, A. Świzdor, A. Panek, A. Białońska (2011) Hydroxylation of DHEA, androstenediol and epiandrosterone by Mortierella isabellina AM212. Evidence indicating that both constitutive and inducible hydroxylases catalyze 7 alpha- as well as 7 beta-hydroxylations of 5-ene substrates, Organic & Biomolecular Chemistry 9, 5414-5422 [5] L. You (2004) Steroid hormone biotransformation and xenobiotic induction of hepatic steroid metabolizing enzymes, Chemico-Biological Interactions 147: 233-246 [6] K.B. Borges, W. de Souza Borges, R. Durán-Patrón, M.T. Pupo, P.S. Bonato, I.G. Collado (2009) Stereoselective biotransformations using fungi as biocatalysts, Tetrahedron: Asymmetry 20: 385-397 [7] P. Fernandes, A. Cruz, B. Angelova, H.M. Pinheiro, J.M.S. Cabral (2003) Microbial conversion of steroid compounds: recent developments, Enzyme and Microbial Technology 32: 688-705 211 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [8] L.L. Wong (1998) Cytochrome P450 monooxygenases, Current Opinion in Chemical Biology 2: 263-268 [9] W. Ge, S. Wang, L. Shan, N. Li, H. Liu (2008) Transformation of 3β-hydroxy-5-en-steroids by Mucor racemosus, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 55: 37-42 212 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. (WPŁYW WYBRANYCH WYCIĄGÓW WODNYCH NA KIEŁKOWANIE NASION I POCZĄTKOWY ROZWÓJ ROŚLIN UPRAWNYCH stęp pojedynczy, 10 pkt) Joanna Leśniewicz, Anna Kowalczyk, Patrycja Kachelska, Anna Parus* (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Zjawisko allelopatii stanowi przedmiot zainteresowania ze względu na możliwości wykorzystania go w praktyce rolniczej, a szczególnie w zintegrowanej ochronie plonów. Zdolność wydzielania substancji, które powodują oddziaływanie na inne organizmy wykształciły rośliny, które konkurują o zasoby naturalne, a także opierają się atakom fagów i patogenów. Allelozwiązki wykryto we wszystkich organach roślin, lecz największe znaczenie przypisywane jest substancjom zawartym w organach wegetatywnych. Substancje allelopatyczne wydzielane przez organy roślinne do roztworu glebowego mogą oddziaływać na organizmy konkurencyjne. Wśród substancji allelopatycznych rozpuszczalnych w wodzie najczęściej wymienia się związki fenolowe, benzoksyazynoidy, glukozynolany i ich pochodne, jak również niektóre kwasy organiczne [1-6]. Celem badań była ocena wybranych wodnych wyciągów, sporządzonych ze świeżej lub suchej masy roślinnej, a także gleby okołoryzosferycznej wrotyczu pospolitego (Tanacetum vulgare L.), mydlnicy lekarskiej (Saponaria officinalis L.) oraz nawłoci kanadyjskiej (Solidago canadensis L.) na zdolność kiełkowania oraz początkowy rozwój kukurydzy (Zea) oraz jęczmienia (Hordeum vulgare L.). Doświadczenia przeprowadzono z użyciem testu kiełkowania i wczesnego wzrostu roślin – Phytotoxkit firmy Tigret. Badania obejmowały trzy niezależne serie doświadczeń laboratoryjnych po 3 powtórzenia. W badaniach wykorzystano wodne wyciągi sporządzone z 10 g suchej lub świeżej masy roślinnej zalanej 100 ml wody destylowanej na 24 h. W przypadku korzeni wrotyczu i korzeni mydlnicy sporządzono dwa wyciągi. Pierwszy uzyskano po 24 h, natomiast drugi sporządzono zalewając korzenie obu roślin świeżą porcją wody po uprzednim zlaniu ekstraktu 24 h (oznaczono na wykresie z II). Na glebę, do której wprowadzono wyciągi wodne, wysiano po 10 nasion, odpowiednio, kukurydzy lub jęczmienia. Próby kontrolne podlano wodą destylowaną. Płytki testowe umieszczono w inkubatorze w temp. 21 ± 1 °C na 6 dni. Po 6 dniach uprawy zliczono ilość nasion, które wykiełkowały, a następnie zmierzono długość pędu oraz korzenia zarodkowego. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono indeks kiełkowania oraz zahamowanie wzrostu pędu i korzenia zarodkowego. Indeks kiełkowania obliczono korzystając z poniższego wzoru: GI Gx L * x * 100 % Gc Lc 213 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Gdzie: Gx - ilość wykiełkowanych nasion w próbie, Gc - ilość wykiełkowanych nasion w próbie kontrolnej, Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm], Lc – średnia długość korzenia w próbie kontrolnej [cm]. Natomiast zahamowanie wzrostu korzeni lub pędu odpowiednio: Inhibition ( Lc Lx Lc ) *100 % lub Inhibition ( Pc Px Pc ) *100 % Gdzie: Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm], Lc – średnia długość korzenia w próbie kontrolnej [cm], Px – średnia długość pędu w próbie [cm], Pc – średnia długość pędu w próbie kontrolnej [cm]. Otrzymane wyniki wykazują zróżnicowany wpływ wyciągów wodnych zarówno na kiełkowanie jak i wzrost poszczególnych części roślin. Największy wpływ na kiełkowanie nasion kukurydzy wykazały wyciągi wodne sporządzone z gleby okołoryzosferycznej wrotyczu (60% nasion wykiełkowało) (Rys. 1.), z kolei na jęczmień wyciągi sporządzone z suszu korzenia mydlnicy oraz gleby okołoryzosferycznej wrotyczu, powodując, iż 60 - 70% nasion jęczmienia wykiełkowało (Rys. 2.). Rysunek 1. Wpływ wodnych wyciągów roślinnych na wzrost kukurydzy (gdzie: Kw – kwiat, L –liście, K – korzeń, G – gleba okołoryzosfeyczna, W – wrotycz, M – mydlnica, N – nawłoć kanadyjska). Natomiast wyciągi wodne sporządzone z korzenia mydlnicy powodowały silne zahamowanie (86%) wzrostu korzeni kukurydzy. Również wyciągi z kwiatów i liści wrotyczu hamowały wzrost korzeni od 40 do 60%. Natomiast mniejszy wpływ na wzrost pędu kukurydzy zaobserwowano pod wpływem tych wyciągów. Z kolei wyciąg sporządzony z suszu liści nawłoci kanadyjskiej powodował 214 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. 50% zahamowanie rozwoju części nadziemnej rośliny. Duże zahamowanie rozwoju korzeni jęczmienia zanotowano pod wpływem wyciągów z korzenia mydlnicy (82%), liści nawłoci (40%) oraz kwiatów wrotyczu (26%). Podobną zależność zaobserwowano również dla wzrostu hipokotyli jęczmienia pod wpływem wodnych wyciągów z korzeni mydlnicy (65%) oraz z suszu kwiatów i liści nawłoci (odpowiednio 45% i 60%). Rysunek 2. Wpływ wodnych wyciągów roślinnych na wzrost jęczmienia (gdzie: Kw – kwiat, L –liście, K – korzeń, G – gleba okołoryzosfeyczna, W – wrotycz, M – mydlnica, N – nawłoć kanadyjska). Analizowane wyciągi roślinne wywołują zróżnicowane oddziaływanie na kukurydzę oraz jęczmień. Największy wpływ na kiełkowanie oraz wzrost korzeni i pędów zarówno kukurydzy jak i jęczmienia wywołała obecność wyciągu z korzenia mydlnicy. Porównując wpływ pozostałych wyciągów wodnych na obie rośliny uprawne stwierdzono, iż obecność wyciągów roślinnych w podłożu wpływa negatywnie na rozwój kukurydzy. Powodują znaczne zahamowanie wzrostu, zarówno pędu jak i korzeni kukurydzy. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Źródło finansowania: Środki Rektora Politechniki Poznańskiej przeznaczone na realizację grantów kół naukowych w roku 2015. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] T.P.T. Pham, W.-Y. Cho, Y.-S. Yun (2010) Environmental fate and toxicity of ionic liquids: A review, Water Res. 44:352 [2] J.R. Vyvyan (2002) Allelochemicals as leads for new herbicides and agrochemicals, Tetrahedron, 58: 1631-1646. [3] A. Gniazdowska, K. Oracz, R. Bogatek (2004) Allelopatia – nowe interakcje oddziaływań pomiędzy roślinami, Kosmos 53(2):207-217. [4] A. Stokłosa (2006) Bioherbicydy i alleloherbicydy w walce z chwastami, Postępy Nauk Rolniczych 6:41-52. [5] H.P. Singh, D.R. Batish, R.K. Kohli (2003) Allelopathic interactions and allelochemicals: new popossibilities for sustainable weed management. Crit. Rev. Plant Sci. 22:239-311. [6] I. Jasicka-Misiak (2009) Allelopatyczne właściwości metabolitów wtórnych roślin uprawnych. Wiadomości Chemiczne 63(1-2) 39-62. 215 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA, BADANIA SPEKTROSKOPOWE ORAZ DOKOWANIE MOLEKULARNE NOWYCH POCHODNYCH KOLCHICYNY , 1 1 Urszula Majcher *, Adam Huczyński , Ewa Maj2, Joanna Wietrzyk2, Jacek Tuszyński3 1 Pracownia Chemii Bioorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda, Polska Akademia Nauk, ul. Rudolfa Weigla 12, 53-114 Wrocław 3 Department of Oncology, University of Alberta, Edmonton, Alberta T6G 1Z2, Canada * e-mail: [email protected] Kolchicyna jest związkiem naturalnym, pozyskiwanym głównie z Colchicum autumnale i Gloriosa superba [1]. Związek ten posiada godne uwagi właściwości przeciwzapalne, anty-mitotyczne i antyzwłóknieniowe. Obecnie kolchicyna jest stosowana w leczeniu dny moczanowej, rodzinnej gorączki śródziemnomorskiej, choroby Behceta, oraz zapaleniu osierdzia [2,3]. Szczególnie ważną właściwością kolchicyny jest jej znacząca aktywność przeciwnowotworowa obserwowana już na poziomie stężeń nanomolowych. Mechanizm działania przeciwnowotworowego kolchicyny, polega na wiązaniu się jej z tubuliną w kolchicynowym miejscu wiążącym w metafazie (jedna z faz podziału komórkowego). W dwóch etapach powstaje trwały kompleks kolchicyna - tubulina, który hamuje polimeryzację mikrotubul, co prowadzi do zablokowania tworzenia wrzeciona kariokinetycznego i zahamowania mitozy. Ponieważ jedną z podstawowych cech charakterystycznych dla komórek nowotworowych jest zwiększone tempo mitozy, oznacza to, że komórki nowotworowe są znacznie bardziej wrażliwe na zatrucie kolchicyną niż normalne, zdrowe komórki. Niestety zastosowanie kliniczne kolchicyny w leczeniu nowotworów jest obecnie ograniczone ze względu na stosunkowo wysoką toksyczność i niską biodostępność [4-7]. Aktualnie trwają intensywne badania nad chemiczną modyfikacją kolchicyny w celu otrzymania nowych pochodnych, charakteryzujących się takimi samymi właściwościami biologicznymi oraz mniejszą toksycznością. Celem naszej grupy badawczej jest opracowanie metod skutecznej i wydajnej modyfikacji chemicznej kolchicyny w pozycji C(7) oraz C(10) (Rys. 1.) w celu otrzymania jej nowych aktywnych biologicznie pochodnych oraz ich analiza spektralna i strukturalna. Ocena ich aktywności antyproliferacyjnych wraz z badaniami rozpoznania molekularnego (dokowanie molekularne) (Rys. 2.) nowo otrzymanych związków z kolchicynowym miejscem wiążącym służyć będą odnalezieniu korelacji pomiędzy aktywnością przeciwnowotworową, a strukturą otrzymanych związków (SAR – ang. Structureactivity relationship). 216 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. O O NH O O O NH O NH O O O O NH O N3 O S O O S O O O O NH O O NH O O O O O NH O O O O O NH O O NH O O KOLCHICYNA NH OH O O O O NH NH NH O O O O O O O O O O O HN O N N N N OH O OR O R = LAS (reszta kwasu lasalowego) R= MON (reszta kwas monoenzynowego) R= SAL (reszta kwasu salinomycynowego) Rysunek 1. Schemat przykładowych modyfikacji kolchicyny w pozycji C(7) oraz C(10) Z przeprowadzonych badań rozpoznania molekularnego dla jednej z otrzymanych przez nas serii pochodnych kolchicyny wynika, że dopasowywanie się tych związków do kolchicynowego miejsca wiążącego wpływa w istotny sposób na ich właściwości biologiczne. Korelacja ta jest silniej widoczna w przypadku komórek linii lekowrażliwej nowotworów (HL-60, LoVo), niż w linii komórek lekoopornych nowotworów (HL-60vinc, LoVoDX). Tłumaczyć to można nadekspresją białek oporności wielolekowej (ang. multidrug resistance protein) m.in. glikoproteiny-P w komórkach lekoopornych oraz ekspresją izotopów tubuliny w różnych nowotworach [8]. 217 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 2. Interakcja pochodnej kolchicyny z resztami tubulinowymi w sąsiedztwie kolchicynowego miejsca wiążącego Literatura: [1] A. Slobodnick, B. Shah, M.H. Pillinger, S. Krasnokutsky (2015), Colchicine Toxicity: An Exaggerated Reality?, Am. J. Med. 128: 461-470. [2] T. Kozaka, K. Nakagawa-Goto, Q. Shi, C.Y. Lai, E. Hamel, K.F. Bastow, A. Brossi, K.H. Lee (2010), Antitumor agents 273. Design and synthesis of N-alkyl-thiocolchicinoids as potential antitumor agents, Bioorg Med Chem Lett. 20: 4091-4094. [3] S. Deftereos, G. Giannopoulos, N. Papoutsidakis, V. Panagopoulou, C.Kossyvakis, K. Raisakis, M.W. Cleman, C. Stefanadis (2013) Colchicine and the Heart, J Am Coll Cardiol. 20: 1817-1825. [4] E. Balasubramanian and T. Gajendran (2013), Comparative studies on the anticancer activity of colchicines by various controlled drug delivery modes, International Journal of Pharma and Bio Sciences 4(1): 9-26. [5] Y. Molad (2002), Update on colchicine and its mechanism of action, Curr Rheumatol Rep. 3: 252–256. [6] B. Bbattacbaryya, D. Panda, S. Gupta, M. Banerjee (2008) Anti-mitotic activity of colchicine and the structural basis for its interaction with tubulin, Med Res Rev. 28: 155–183. [7] A. Huczyński, J. Rutkowski, K. Popiel, E. Maj, J. Wietrzyk, J. Stefańska, U. Majcher, F. Bartl, (2015), Synthesis, antiproliferative and antibacterial evaluation of C-ring modified colchicine analogues, Eur. J. Med. Chem. 90: 296-301. [8] A. Huczyński, U. Majcher, E. Maj, J. Wietrzyk, J. Janczak, M. Moshari, J. A. Tuszynski, F. Bartl (2015), Synthesis, antiproliferative activity and molecular docking of colchicine derivatives, under review. 218 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ANALIZA JAKOŚCIOWA I ILOŚCIOWA RAMNOLIPIDÓW P.Manicki1*, M.Konieczna2, I.Michałowska2 , A.Szulc2 1 Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b; 61-614 Poznań, BioInicjatywa 2 Insytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4; 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Ramnolipidy są glikozydami zbudowanymi z części cukrowej połączonej wiązaniem glikozydowym z częścią niecukrową. Bakterie produkują wiele typów ramnolipidów. Odkrycie ramnolipidów nastąpiło w 1946 roku, kiedy Bergström opisał olejową glikolidową substancję produkowana przez szczep Pseudomonas pyocyanea (obecnie Pseudomonas aeruginosa) hodowany na glukozie [1, 2]. Potencjalne przemysłowe i biotechnologiczne aplikacje ramnolipidów są różnorodne [3]. Ramnolipidy są używane do syntezy i stabilizacji nanocząstek [4, 5], rozdziału mikroemulsji [6, 7], jako środek przeciw aglomeracji [8], jako środek dyspergujacy [9, 10] oraz jako surowiec do produkcji ramnozy [11]. Pomimo tego, że ramnolipidy są komercyjnie dostępne, głównym problemem jest fakt, że otrzymywane są z potencjalnie patogennego szczepu bakteryjnego. Biosurfaktanty analogicznie do surfaktantów syntetycznych zwiększają biodostępność węglowodorów poprzez zmianę hydrofobowości komórek, zwiększenie dyspersji węglowodorów w wodzie [12, 13]. Zaobserwowano także wpływ surfaktantów na zwiększanie hydrofobowości komórek bakteryjnych oraz tworzenie biofilmu, co prowadziło do powierzchniowej rozpuszczalności zanieczyszczenia. Sugeruje się, że niektóre mikroorganizmy mogą same modyfikować swoją ścianę komórkową w celu przyczepienia się do hydrofobowych powierzchni poprzez usunięcie lipopolisacharydów. Również działanie odwrotne (odłączanie się) jest możliwe [14, 15]. Zastosowanie różnych metod remediacji, ale bez udziału biosurfaktantów, zmniejszało degradację węglowodorów, co sugeruje dużą rolę biosurfaktantów w procesach zwiększania biodostępności zanieczyszczenia [16]. Konieczność kontroli stężenia biosurfaktantu w hodowli szczepów z gatunku Pseudomonas, powoduje konieczność opracowania procedur izolowania i oznaczania tych związków w matrycy wodnej. Istotny wpływ na odzysk tych związków z próbek mają parametry takie jak pH próbki, stosowany ekstrahent i wybrana technika separacji. Podczas analizy ilościowej biosurfaktantu z próbek hodowlanych konieczne jest usunięcie przed ekstrakcją komórek organizmów produkujących glikolipidy [17-21]. Izolowanie ramnolipidów z brzeczki fermentacyjnej przeprowadzić można również z wykorzystaniem ultrafiltracji. Przy wykorzystaniu tej techniki istotne są wysokość zastosowanego ciśnienia oraz objętość i rodzaj użytego rozpuszczalnika [22]. Z uwagi na występowanie ramnolipidów w wodzie w formie zdysocjowanej, ekstrakcje opisywane w doniesieniach naukowych prowadzono w środowisku kwaśnym [16, 18, 21]. W doniesieniach naukowych jako ekstrahent wykorzystywano chloroform [23], octan etylu [21], eter [20], mieszaninę chloroformu z metanolem [17, 19] lub z etanolem. 219 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Dzięki zastosowaniu wspomagania ultradźwiękami tradycyjnej ekstrakcji ciecz-ciecz zwiększono odzysk biosurfaktantu jak również zmniejszono objętość zużytego ekstrahenta [23]. Wyekstrahowane ramnolipidy powszechnie oznaczane są ilościowo za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas [17-22] lub tandemową spektrometrią mas [23], chromatografii cienkowarstwowej [17, 21, 24], rzadziej chromatografii gazowej [24] bądź samej spektrometrii mas [19]. Celem wykazania obecności biosurfaktantu użyteczne mogą być metody kolorometryczne, takie jak testy antronowy i orcinolowy [17, 24]. Celem pracy było opracowanie metody oznaczania analizy jakościowej i ilościowej ramnolipidów. Analiza ramnolipidów została wykonana z zastosowaniem wysokosprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas. Analizie poddano próby zawierające piasek różniący się wilgotnością z dodatkiem ramnolipidów oraz środowiskowych konsorcjów bakteryjnych. Wstępna analiza otrzymanych wyników wykazała, że ramnolipidy są podatne na bakteryjny rozkład. Jest to ważny ekologiczny aspekt zastosowania dodatku ramnolipidów w celu usuwania zanieczyszczeń środowiskowych. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/D/NZ9/00981. Literatura: [1] Bergström S., Theorell H., Davide H. (1946). On a metabolic product of Ps. pyocyania. Pyolipic acid active against M. tuberculosis. Arkiv. Kemi. Mineral. Geol. 23A:1-12 [2] Bergström S., Theorell. H, Davide. H (1946). Pyolipic acid. A metabolic product of Pseudomonas pyocyanea active against Mycobacterium tuberculosis. Arch. Biochem. Biophys. 10: 165-166. [3] Singh A., Van Hamme J.D., Ward O.P. (2007). Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects. Biotechnol. Adv. 25: 99-121. [4] Palanisamy P., Raichur A.M. (2009). Synthesis of spherical NiO nanoparticles through a novel biosurfactant mediated emulsion technique. Mater. Sci. Eng. C. Biomim. Supramol. Syst. 29: 199-204. [5] Xie Y.W., Ye R.Q., Liu H.L. (2006). Synthesis of silver nanoparticles in reverse micelles stabilized by natural biosurfactant. Colloids Surf A Physicochem Eng. Asp. 279: 175-178 [6] Nguyen T.T., Sabatini D.A. (2009). Formulating alcohol free microemulsions using rhamnolipid biosurfactant and rhamnolipid mixtures. J. Surfactants Deterg. 12: 109 115. [7] Xie Y.W., Ye R.Q., Liu H.L. (2007). Microstructure studies on biosurfactant rhamnolipid/n butanol/water/n heptane microemulsion system. Colloids Surf A Physicochem. Eng. Asp. 292: 189-195. [8] York J.D., Firoozabadi A. (2008). Comparing effectiveness of rhamnolipid biosurfactant with a quaternary ammonium salt surfactant for hydrate anti agglomeration. J. Phys. Chem. B 112: 845-851. [9] Raichur A.M. (2007). Dispersion of colloidal alumina using a rhamnolipid biosurfactant. J. Dispersion Sci. Technol. 28: 1272-1277. [10] Tripathy S.S., Raichur A.M. (2008). Dispersibility of barium titanate suspension in the presence of polyelectrolytes: a review. J. Dispersion Sci. Technol. 29: 230-239. [11] Linhardt R.J., Bakhit R., Daniels L., Mayer F., Pickenhagen W. (1989). Microbially produced rhamnolipid as a source of rhamnose. Biotechnol Bioeng. 33: 365-368. [12] Chrzanowski Ł., Stasiewicz M., Owsianiak M., Szulc A., Piotrowska-Cyplik A., Olejnik-Schmidt A.K., Wyrwas B. (2009). Biodegradation of diesel fuel by a microbial consortium in the presence of 1-alkoxymethyl-2-methyl-5hydroxypyridinium chloride homologues. Biodegradation 20: 661–671 220 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [13] Southam G., Whitney M., Knickerbocker C. (2001). Structural characterization of the hydrocarbon degrading bacteria-oil interface: implications for bioremediation. Biodeterio. Biodegrad. 47: 197-201. [14] Efroymson R.A., Alexander M. (1994). Role of partitioning in biodegradation of phenanthrene dissolved in nonaqueousphase liquids. Environ. Sci. Technol. 28: 1172–1179. [15] Prokop A., Erickson L.E., Paredes-Lopez O. (1971). Growth models of cultures with two liquid phases. V. Substrate dissolved in disperse phase - experimental observations. Biotechnol. Bioeng. 13: 241–256. [16] Rahman, K.S.M., Banat I.M., Thahira J., Thayumanavan T., Lakshmanaperumalsamy P. (2002). Bioremediation of gasoline contaminated soil by a bacterial consortium amended with poultry litter, coir pith and rhamnolipid biosurfactant. Biores. Technol. 81: 25-32. [17] S.S. Cameotra, P. Singh (2008) Bioremediation of oil sludge using crude biosurfactants, International Biodeterioration & Biodegradation 62: 274–280. [18] S.G.V.A.O. Costa, M. Nitschke, F. Lépine, E. Déziel, J.Contiero (2010). Structure, properties and applications of rhamnolipids produced by Pseudomonas aeruginosa L2-1 from cassava wastewater, Process Biochemistry; 45: 511–1516. [19] A. Perfumo, I.M. Banat, F. Canganella, R. Marchant (2006) Rhamnolipid production by a novel thermophilic hydrocarbon-degrading Pseudomonas aeruginosa AP02-1, Appl Microbiol Biotechnol 72: 132–138. [20] C.O. Obuekwe, Z.K. Al-Jadi, E.S. Al-Saleh (2008) Comparative hydrocarbon utilization by hydrophobic and hydrophilic variants of Pseudomonas aeruginosa. Journal of Applied Microbiology 105: 1876–1887. [21] H. Yin, J. Qiang, Y. Jia, J. Ye, H. Peng, H. Qin, N. Zhang, B. He (2009) Characteristics of biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa S6 isolated from oil-containing wastewater, Process Biochemistry 44: 302–308. [22] A. Witek-Krowiak, J. Witek, A. Gruszczyńska, R.G. Szafran, T Koźlecki, S. Modelski (2011) Ultrafiltrative separation of rhamnolipid from culture medium, World J Microbiol Biotechnol, DOI 10.1007/s11274-011-0655-0. [23] A. Zgoła-Grześkowiak, E. Kaczorek (2011) Isolation, preconcentration and determination of rhamnolipids in aqueous samples by dispersive liquid–liquid microextraction and liquid chromatography with tandem mass spectrometry, Talanta 83: 744–750. [24] M. Heyd, A. Kohnert, T.-H. Tan, M. Nusser, F. Kirschhöfer, G. Brenner-Weiss, M. Franzreb, S. Berensmeier (2008). Development and trends of biosurfactant analysis and purification using rhamnolipids as an example, Anal Bioanal Chem 391:1579–1590. 221 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MIKROBIOLOGICZNA DEGRADACJA IBUPROFENU W HODOWLACH KOMETABOLICZNYCH W OBECNOŚCI WYBRANYCH ZWIĄZKÓW AROMATYCZNYCH Ariel Marchlewicz*, Urszula Guzik, Danuta Wojcieszyńska Katedra Biochemii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice * e-mail: [email protected] Wśród pojawiających się w środowisku zanieczyszczeń coraz większe znaczenie zyskują farmaceutyki z grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ). Jednym z najszerzej stosowanych, a zarazem dostępnych bez recepty NLPZ jest ibuprofen. W 2000 r. spożycie ibuprofenu w Polsce wyniosło 58 ton [5]! W konsekwencji ibuprofen oraz jego metabolity są coraz częściej wykrywane zarówno w ściekach surowych jak i oczyszczonych, trafiających bezpośrednio do środowiska, a także w wodach powierzchniowych [1,2,4]. Świadczy to o niedostatecznej wydajności oczyszczalni ścieków w usuwaniu tego typu zanieczyszczeń. Sytuacja ta może być niezwykle niebezpieczna dla organizmów bytujących w środowisku, szczególnie wodnym, gdyż leki modyfikują procesy fizjologiczne różnych gatunków w sposób trudny do przewidzenia. Udowodniono, iż ibuprofen m.in. zaburza wylęg jaj ryb Oryzias latipes, czy też może pośrednio wpływać na zmiany w produkcji hormonów płciowych [3]. W badaniach zespołu Katedry Biochemii wyizolowano szczep bakterii Bacillus sp. B1(2015b) wykazujący zdolność do metabolizowania ibuprofenu w obecności dodatkowego źródła węgla. Szczep został pozyskany z terenów składowania odpadów poprodukcyjnych nawozów i środków ochrony roślin Zakładów Chemicznych „Organika-Azot” w Jaworznie. Biorąc pod uwagę, iż w środowisku w znakomitej większości przypadków nie występuje sytuacja zanieczyszczenia tylko jednym rodzajem substancji, postanowiliśmy zbadać wpływ wybranych związków aromatycznych, takich jak fenol, 2chlorofenol, 4-chlorofenol, benzoesan sodu, 4-hydroksybenzoesan sodu, kwas wanilinowy czy kwas cynamonowy w stężeniach 1 mM, na rozkład ibuprofenu przez szczep Bacillus sp. B1(2015b). Hodowlę mikroorganizmów prowadzono w pożywce mineralnej z glukozą w stężeniu 1 g/l jako substrat wzrostowy. Stężenie ibuprofenu oraz związków aromatycznych kontrolowano przy użyciu techniki wysokosprawnej chromatografii cieczowej w odwróconym układzie faz z detektorem z matrycą diodową. W układach kontrolnych całkowity ubytek ibuprofenu w stężeniu 10 mg/l zaobserwowano po 36 godzinach trwania eksperymentu. Odpowiedź mikroorganizmów na zastosowane związki aromatyczne była zróżnicowana, jednakże ich ogólny wpływ na rozkład leku kierował się w stronę wydłużenia czasu degradacji. Wprowadzenie fenolu nie wpłynęło w zauważalny sposób na rozkład ibuprofenu, natomiast 222 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. sam związek został zdegradowany po 24 godzinach. Benzoesan sodu rozkładany był w ciągu 12 godzin prowadzenia hodowli, natomiast 4-hydroksybenzoesan sodu po 24 godzinach, jednakże obecność tych związków spowodowała wydłużenie czasu degradacji leku do 60 godzin. W stosunku do 2-chlorofenolu, 4-chlorofenolu oraz kwasów wanilinowego i cynamonowego szczep Bacillus sp. B1(2015b) nie wykazał potencjału degradacyjnego lub był on nieznaczny. Związki te wydłużyły o 12 godzin degradację ibuprofenu, z wyjątkiem 4-chlorofenolu, który zahamował wzrost szczepu o 61% oraz degradację leku do 18,16%. Mimo zauważalnego zmniejszenia szybkości rozkładu ibuprofenu w obecności badanych związków aromatycznych, wykazano, iż zastosowanie badanych arenów (za wyjątkiem 4-chlorofenolu) nie hamuje rozkładu ibuprofenu. Daje to potencjalne możliwości w zastosowaniu pozyskanego szczepu w oczyszczaniu terenów skażonych związkami aromatycznymi. Źródło finansowania: Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (2013/09/B/NZ9/00244) Literatura: [1] H.R. Buser, T. Poiger, M.D. Muller (1999) Occurrence and environmental behavior of the chiral pharmaceutical drug ibuprofen in surface waters and in wastewater, Environmental Science and Technology 33: 2529–2535 [2] J. Dębska A. Kot–Wasik, J. Namiesnik (2005) Determination of nonsteroidal anti–inflammatory drugs in water samples using liquid chromatography coupled with diode–array detector and mass spectrometry, Journal of Separation Science 28: 2419–2426 [3] S. Han, K. Choi, J. Kim, K. Ji, S. Kim, B. Aho, J. Yun, K. Choi, J.S. Khim, X. Zhang, J.P. Giesy (2010) Endocrine disruption and consequences of chronic exposure to ibuprofen in Japanese medaka Oryzias latipes and freshwater cladocerans Daphnia magna and Moina macrocopa, Aquatic Toxycology 98: 256–264 [4] J. Rzepa (2009) Oznaczanie leków i pestycydów w wodach powierzchniowych, W: B.K Głoda, Postępy Chromatografii, Monografie nr 111, Siedlce, WAP, 67–77 [5] K. Sosnowska, K. Styszko–Grochowiak, J. Gołaś (2009) Leki w środowisku – źródła, przemiany, zagrożenia, IV Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, 395–404 223 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FOSFOBETAINY N-TLENKOWE W SYNTEZIE ANALOGÓW NUKLEOTYDÓW Magdalena Materna*, Jacek Stawiński, Michał Sobkowski Zakład Chemii Kwasów Nukleinowych, Instytut Chemii Bioorganicznej Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] Syntetyczne analogi oligonukleotydów, w których chiralne wiązanie internukleotydowe posiada zdefiniowaną konfigurację, stanowią interesującą grupę związków o dużym potencjale aplikacyjnym w terapii antysensowej [1]. Kluczowym wyzwaniem dla syntezy takich analogów jest pełna kontrola nad chiralnością centrów fosforowych. Jedną ze stereospecyficznych strategii tworzenia wiązania internukleotydowego jest koncepcja katalizy wewnątrzcząsteczkowej z wykorzystaniem O-nukleofili opracowana w grupie badawczej prof. Stawińskiego (Rys. 1) [2]. Rysunek 1. Postulowany mechanizm działania chiralnego czynnika fosforylującego z grupą katalityczną W naszych badaniach rozwinęliśmy strategię katalitycznej kontroli chiralności koncentrując się na opracowaniu metody syntezy czystych stereochemicznie czynników fosforylujących zawierających O-nukleofilowe katalizatory, pozwalających na pełną stereospecyficzność fosforylacji dowolnych związków, np. nukleozydów, amin i tioli. Przygotowane przez nas protokoły syntetyczne w układzie H-fosfonianów z N-tlenkami ujawniły niezwykłą złożoność analizowanych procesów, kierując nas do nowego nurtu badań - nieznanych dotąd fosfobetain O-nukleofilowych. Zastosowanie N-tlenków w organicznej chemii fosforu ogranicza się do metody fosfotriestrowej w syntezie oligonukleotydów oraz reakcji deoksygenacji ze związkami trójwiązalnego fosforu typu PX3 [3,4]. Dlatego też, by poszerzyć wiedzę na temat reaktywności N-tlenków w układach PIII i PV stosowanych w syntezie czynników fosforylujących, 224 zaprojektowaliśmy szereg reakcji BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. z udziałem różnych typów O-nukleofili wobec H-fosfonianów 1a i 1b oraz halogenofosforanów 1c (Rys. 2). W eksperymentach uwzględniliśmy dodatkowo zależność efektywności układów reakcyjnych od po- Rysunek 2. Reaktywność N-tlenków wobec H-fosfonianów i halogenofosforanów larności rozpuszczalników, obecności dodatkowych katalizatorów zasadowych i nukleofilowych oraz charakteru estrowych grup w związkach fosforu. Badania wykazały, iż O-nukleofile mogą działać jako utleniacze w układach H-fosfonianowych zawierających dobrą grupę odchodzącą. Dlatego też diarylowe oraz alkiloarylowe H-fosfoniany reagowały gwałtownie, tworząc nieoczekiwanie zamiast fosforanodiestrów reaktywne fosfobetainy 2. Związki te zostały wyizolowane i scharakteryzowane dla analogów fenylowych oraz nukleozydowych. W odniesieniu do arylowych fosfobetain możliwa była analiza krystalograficzna jednoznacznie potwierdzająca strukturę związków. Natomiast H-fosfoniany dialkilowe oraz dinukleozydowe wykazywały stabilność w obecności N-tlenków. Jednakże możliwość transformacji tych diestrów do halogenofosforanów (zastosowanie I2 lub CCl4) funkcjonalizowała N-tlenki jako donory atomu tlenu, prowadząc do otrzymania fosforanodiestrów 3 lub fosfobetain 2. Rozważania mechanistyczne dotyczące otrzymywania fosfobetain doprowadziły nas do postulowania trzech ścieżek reakcji zakładających tworzenie metafosforanu lub trójwiązalnego związku fosforu (Rys. 3). Dotychczasowe eksperymenty dowodzą, iż najbardziej prawdopodobna jest droga B1. Bazując na wynikach eksperymentów dotyczących reaktywności fosfobetain opracowaliśmy metodę one-pot dla syntezy nukleotydów oraz ich analogów w warunkach bezwodnych (Rys. 4). Blokowane nukleozydy były fosfonylowane poprzez DPP [5], a następnie traktowane alkilowymi N-tlenkami formując reaktywne fosfobetainy 2, które efektywnie ulegały transformacji do szeregu pochodnych fosforanowych, np. 4 i 5. Natomiast zastosowanie halogenofosforanów pozwalało otrzymywać fosforanodiestry 3. 225 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 3. Postulowane alternatywne mechanizmy formowania fosfobetain Rysunek 4. Synteza one-pot analogów nukleotydów w warunkach bezwodnych Przeprowadzone eksperymenty dotyczące reaktywności N-tlenków wobec związków PIII pozwoliły na dogłębne poznanie złożoności reakcji towarzyszących syntezie stereospecyficznych czynników fosforylujących w strategii katalizy wewnątrzcząsteczkowej. Nasze badania ujawniły ponadto znaczny potencjał N-tlenków jako utleniaczy i donorów atomu tlenu wobec H-fosfonianów oraz halogenofosforanów. Pozwoliło to na otrzymanie nowej klasy niezwykle reaktywnych związkówfosfobetain N-tlenkowych. Na podstawie sporządzonego profilu reaktywności opracowaliśmy metodę one-pot dla syntezy analogów nukleotydów w warunkach bezwodnych. Literatura: [1] F. Eckstein (2000) Phosphorothioate oligodeoxynucleotides: What is their origin and what is unique about them?, Antisense and Nucleic Acid Drug Development 10(2):117-121 226 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [2] H. Almer, T. Szabo, J. Stawinski (2004) A new approach to stereospecific synthesis of P-chiral phosphorothioates. Preparation of diastereomeric dithymidyl-(3’-5’) phosphorothioates, Chemical Communications (3):290-291 [3] V.A. Efimov, O.G. Chakhmakhcheva, Yu.A. Ovchinnikov (1985) Improved rapid phosphotriester synthesis of oligodeoxyribonucleotides using oxygen-nucleophilic catalysts, Nucleic Acids Res. 13(10):3651-3666 [4] E.N. Shaw (1961) Pyridine N-oxides, Pyridine and its Derivatives in: Chemistry of Heterocyclic Compounds, Interscience Publishers, 14(2):98-154 [5] J. Jankowska, M. Sobkowski, J. Stawiński, A. Kraszewki (1994) Studies on aryl H-phosphonates.I. An efficient method for the preparation of deoxyribo-and ribonucleoside 3’-H-phosphonate monoesters by transesterification od diphenyl H-phosphonate, Tetrahedron Lett. 35(20):3355-3358 227 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SONDY OLIGONUKLEOTYDOWE NA BAZIE G-KWADRUPLEKSÓW ZNAKOWANE UGRUPOWANIEM PIRENYLOWYM (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Julia Masterniak *, Angelika Świtalska2, Bernard Juskowiak2 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkiewicza, ul. Fredy 10, 61-701 Poznań 2 Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp , 10 pkt) 1 pojedynczy Piren ze względu na swoje właściwości fluorescencyjne, w tym zdolność do tworzenia ekscymerów, jest wykorzystywany do tworzenia oligonukleotydowych sond molekularnych [1]. Zbadano właściwości spektroskopowe oligonukleotydowych sond znakowanych pirenem pod kątem ich wykorzystania do detekcji kationów K+. Jedną z istotnych właściwości fluorescencyjnych pirenu jest możliwość uzyskania szerokiego pasma przy dłuższych długościach fal (w zakresie od 425 do 550 nm, z max. przy 480 nm) w wyniku utworzenia wzbudzonego stanu ekscymerowego. Powstaje on kiedy 2 pierścienie pirenu znajdują się dostatecznie blisko (~10 Å) i oddziałują ze sobą [2,3]. Stosując głównie metody spektrofluorymetryczne monitorowano proces tworzenia wzbudzonego stanu ekscymerowego, a i co za tym idzie struktur G-kwadrupleksowych. W obecności kationów K+, sonda oligonukleotydowa ulega transformacji do struktury G-kwadrupleksu, w którym końce 3’ i 5’ znajdują się dostatecznie blisko, żeby obie cząsteczki pirenu mogły ustawić się równolegle (ang. face-to-face). G-kwadrupleksy (tetrapleksy, G4 DNA) są czteroniciowymi strukturami zawierającymi jedną lub więcej nici kwasu nukleinowego, bogatego w reszty guaninowe, w orientacji równoległej bądź też antyrównoległej. Cztery ułożone płasko guaniny oddziałują ze sobą za pomocą wiązań wodorowych typu Hoogsteen’a, formując G-kwartety. Dwa, trzy lub cztery G-kwartety są ułożone w stos wewnątrz kwadrupleksu i utrzymywane są razem dzięki niewiążącym oddziaływaniom π-π. Najbardziej interesującą cechą G-kwadrupleksów jest obecność kanału, który może kompleksować wybrany kation metalu [4]. W badaniach wykorzystano oligonukleotydowe sondy na bazie sekwencji aptameru antytrombinowego (TBA) znakowane pirenem (TBA-py) i dodatkowo ugrupowaniem cholesterolowym (sonda ChTBA). Sekwencja antytrombinowa (TBA), zbudowana z 15 nukleotydów (5’-GGTTGGTGTGGTTGG-3’), przyjmuje strukturę czteroniciową i powstały intramolekularny kwadrupleks o dwóch kwartetach guaninowych stanowi idealną platformę do konstrukcji biosensorów. Do badań stosowano wysokosprawną chromatografię cieczową (HPLC), spektroskopię UV-Vis, spektroskopię dichroizmu kołowego (CD) oraz fluorescencję. W przypadku sond ekscymerowych należy oczekiwać efektów związanych z mikrośrodowiskiem (wygaszanie lub podwyższanie fluorescencji 228 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. pirenu). Dodatkowym czynnikiem decydującym o efektywności emisji ekscymerowej będą ograniczenia strukturalne. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] P. Conlon, C.J. Yang, Y. Wu, Y. Chen, K. Martinez, Y. Kim, N. Stevens, A.A. Marti, S. Jockusch, N.J. Turro, W. Tan (2008) Pyrene excimer signaling molecular beacons for probing nucleic acids, J. Am. Chem. Soc. 130: 336-342. [2] S.S. Lehrer (1995) Pyrene excimer fluorescence as a probe of protein conformational change, Subcell. Biochem. 24: 115132. [3] J.B. Birks (197) Excimers. In Photophysics of Aromatic Molecules, JohnWiley & Sons, Inc: New York, NY, USA, 301371. [4] H. Hayashida, J. Paczesny, B. Juskowiak (2008) Interactions of sodium and potassium ions with oligonucleotides carrying human telomeric sequence and pyrene moities at both termini, Bioorganic & Medicinal Chemistry 16: 9871-9881. 229 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KONCEPCJA TERMOSTABILIZOWANEGO NEBULIZATORA PNEUMATYCZNEGO Lubomira Broniarz-Press, Magdalena Matuszak*, Sylwia Włodarczak, Marek Ochowiak Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Aerozoloterapia zalicza się do nowoczesnych metod terapii instrumentalnej, której celem jest dostarczanie leku w formie aerozolu do dróg oddechowych [1]. Do rozpylenia leku najczęściej wykorzystywane są inhalatory medyczne o zróżnicowanej konstrukcji i mechanizmie pracy [2]. Aerozolem nazywany jest układ dyspersyjny zawieszonych w gazie (najczęściej: tlen, powietrze, rzadziej: mieszanina gazów) cząsteczek ciała stałego lub substancji płynnej o niewielkich rozmiarach [1]. Aplikacja leków do organizmu pacjenta przez drogi oddechowe stanowi coraz ciekawszą alternatywę w odniesieniu do innych metod dostarczania leków, takich jak metody iniekcyjne i doustne [3]. Ciągły wzrost zainteresowania aerozoloterapią potęguje dalszy rozwój rozmaitych urządzeń i preparatów wziewnych, co umożliwia zwiększenie obszaru zastosowań terapii wziewnej. W związku z powyższym obserwuje się pojawienie nowych środków farmaceutycznych przeznaczonych do inhalacji wziewnej, m.in.: biofarmaceutyki wziewne, leki immunosupresyjne, steroidy wziewne, szczepionki, leki przeciwnowotworowe, leki antycholinergiczne [3-7]. Coraz częściej nebulizacji w inhalatorach medycznych poddawane są białka terapeutyczne oraz peptydy (np. insulina, hormon wzrostu) [4,8,9]. W ostatnich latach sporo uwagi poświęcono aerozoloterapii genowej oraz preparatom leczniczym nowej generacji (określane mianem leków rekombinowanych) [10,11]. W celu wytworzenia leków rekombinowanych konieczne jest przeprowadzenie szeregu procesów biotechnologicznych oraz wykorzystanie technik inżynierii genetycznej. Preparaty te stanowią kopie endogenne aktywnych biologicznie białek, do których zalicza się: szczepionki, hormony, przeciwciała oraz środki diagnostyczne [4,11]. Skuteczność inhalacji wziewnej zależy od wielu czynników, przede wszystkim od właściwości cieczy oraz konstrukcji urządzenia rozpylającego. Kluczową rolę w efektywności aerozoloterapii odgrywa wielkość kropel generowanego aerozolu, która warunkuje depozycję rozpylonego leku w układzie oddechowym pacjenta. Wyraźny wpływ na rozmiar kropel i/lub rozkład wielkości kropel generowanego aerozolu wywiera temperatura rozpylanego roztworu. W wielu pracach opisano zjawisko ochłodzenia temperatury aerozolu o 10÷15 ºC na wylocie z nebulizatora pneumatycznego na skutek rozpylania cieczy. Zarejestrowany spadek temperatury może wywoływać zaburzenia homeostazy błony śluzowej układu oddechowego lub skurcz oskrzeli, co prowadzi do pogorszenia zdrowia pacjenta. Jest szczególnie niebezpieczny w przypadku inhalacji wziewnej prowadzonej u niemowląt, noworodków, 230 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. alergików, chorych na nadwrażliwość i z nadreaktywnością drzewa oskrzelowego. Literatura dowodzi, że znacząca część nebulizatorów pneumatycznych dostępnych na rynku generuje aerozol o obniżonej temperaturze (20÷25 °C). W związku z powyższym konieczne jest wytworzenia aerozolu o temperaturze zbliżonej do temperatury ciała człowieka (28÷37 ºC). Celem podjętych badań było określenie wpływu temperatury rozpylanej cieczy na rozmiar kropel oraz rozkład wielkości kropel. W celu poprawy efektywności rozpylania oraz zwiększenia bezpieczeństwa terapii wziewnej zastosowano technikę termostatowania cieczy, na potrzeby której opracowano i zbudowano termostatowany nebulizator pneumatyczny. Jego zadaniem było zwiększenie temperatury wytwarzanych aerozoli do temperatury ciała człowieka, a tym samym zmniejszenie rozmiaru generowanych cząstek aerozolu. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych nebulizacji cieczy modelowej, którą stanowiła woda destylowana, w zakresie temperatur od 20 do 70 ± 1 ºC. Badania wykonano w tych samych warunkach pracy (temperatura otoczenia: 20 ± 1 ºC, wilgotność powietrza: 60 ± 1%). Stanowisko doświadczalne składało się z: nebulizatora z naczyniem nebulizacyjnym, mikroskopu, komputera z oprogramowaniem, elementu wykonawczego z sondami pomiarowymi oraz platformy komputerowej Raspberry Pi. Proces atomizacji cieczy prowadzono w nebulizatorze pneumatycznym Philips Respironics PRO Soft Touch wraz z naczyniem nebulizacyjnym Jet Pro marki Philips, w którym umieszczono element grzewczy. Warto zaznaczyć, że naczynie nebulizacyjne zostało wyposażone także w ustnik. Głowicę nebulizacyjną zaopatrzono w regulator temperatury umożliwiający sterowanie temperaturą generowanego aerozolu. Obiekt regulacji stałowartościowej stanowi zmiana temperatury aerozolu, która jest rejestrowana na wylocie z głowicy nebulizacyjnej. Wykorzystany do badań regulator jest regulatorem dwupołożeniowym, występujący w formie modułu elektronicznego, gdzie element wykonawczy stanowi przekaźnik. Głównym elementem (regulatorem) zaproponowanego układu sterującego procesem atomizacji jest platforma komputerowa Raspberry Pi. Elementem nastawczym natomiast jest komputer z odpowiednim oprogramowaniem. Zastosowane cyfrowe sondy temperatury pełnią funkcje członu pomiarowego, a przekaźnik z uzwojeniem grzewczym to element wykonawczy. W celu przeprowadzenia analizy wielkości kropel posłużono się metodą wyłapywania kropel na ciecz immersyjną. Za pomocą kamery Opta-Tech połączonej z mikroskopem Nikon Eclipse 50i sfotografowano próbki rozpylonej cieczy. Uzyskane obrazy mikroskopowe powstałego aerozolu poddano analizie komputerowej wykorzystując do tego oprogramowanie Image-Pro Plus oraz MultiScanBase [12]. Analizie komputerowej poddano przynajmniej 1400 średnic kropel dla pojedynczej serii pomiarowej. Dokładność pomiaru średnicy kropli stanowiła około ± 0,3 μm. Uzyskane wyniki badań pozwalają jednoznacznie stwierdzić, że spadek wartości lepkości cieczy (na skutek wzrostu temperatury cieczy) powoduje zmniejszenie wielkości kropel generowanego aerozolu, a tym samym następuje spadek wartości mediany rozkładu liczbowego (CMD, ang. Count Median 231 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Diameter). CMD definiuje wartość średnicy kropli, dla której wielkość dystrybuanty wynosi 0,5 [1]. Dane doświadczalne dowodzą, że wzrost temperatury nebulizowanej cieczy powoduje spadek ilości dużych kropel oraz wyraźny wzrost ilości małych kropel. Ponadto analiza uzyskanych wyników wykazała, że wzrost temperatury cieczy przyczynia się do zwężenia rozkładu średnic kropel oraz jego przesunięcia w kierunku mniejszych wielkości średnic kropel. Zaobserwowano także, że na skutek wzrostu temperatury cieczy wzrasta temperatura generowanego aerozolu. Założony przez autorów cel prowadzonych badań zostaje osiągnięty dla cieczy podgrzanej do temperatury 40÷50 ºC, co pozwoliło na wytwarzanie aerozolu o temperaturze zbliżonej do temperatury ciała człowieka. Przeprowadzone badania wykazały, że średnia średnica kropel w istotny sposób zależy od temperatury oraz lepkości nebulizowanej cieczy. Uzyskano krople o mniejszych średnicach, co jest istotne z punktu widzenia depozycji leku w dolnych drogach oddechowych, bowiem wyłącznie cząsteczki termoaerozolu mniejsze od 5 µm docierają do płuc. Kontrolowanie rozmiaru kropel jest warunkiem koniecznym w produkcji środków farmaceutycznych o oczekiwanych właściwościach. Uzyskane dane eksperymentalne umożliwią lepsze zrozumienie mechanizmu procesu nebulizacji. Praca wykonana w ramach działalności statutowej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0522. Literatura: [1] T.R. Sosnowski (2012) Aerozole wziewne i inhalatory, Politechnika Warszawska, Warszawa [2] J. Bąk, T.R. Sosnowski (2010) Wpływ własności fizykochemicznych leków na ich atomizację w inhalatorze pneumatycznym, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 49(2):21-22 [3] D.C. Cipolla, I. Gonda (2011) Formulation technology to repurpose drugs for inhalation delivery, Drug Discovery Today: Therapeutic Strategies 8(3–4):123-130 [4] S.A. Shoyele, S. Cawthorne (2006) Particle engineering techniques for inhaled biopharmaceuticals, Advanced Drug Delivery Reviews 58:1009-1029 [5] J.G.Y. Chan, J. Wong, Q.T. Zhou, S.S.Y. Leung, H.K. Chan (2014) Advances in device and formulation technologies for pulmonary drug delivery, Journal of the American Association of Pharmaceutical Scientists 15(4):882-897 [6] Y.B. Wang, A.B. Watts, J.I. Peters, S. Liu, A. Batra, R.O. Williams III (2014) In vitro and in vivo performance of dry powder inhalation formulations: comparison of particles prepared by thin film freezing and micronization, Journal of the American Association of Pharmaceutical Scientists 15(4):281-993 [7] K. Berkenfeld, A. Lamprecht, J.T. McConville (2015) Devices for dry powder drug delivery to the lung, Journal of the American Association of Pharmaceutical Scientists 16(3):479-490 [8] S.A. Shoyele, A. Slowey (2006) Prospects of formulating proteins/peptides as aerosols for pulmonary drug delivery, International Journal of Pharmaceutics 314:1-8 [9] J.P. Cassidy, N. Amin, M. Marino, M. Gotfried, T. Meyer, K. Sommerer, R.A Baughman (2011) Insulin lung deposition and clearance following Technosphere®Insulin inhalation powder administration, Pharmaceutical Research 28:2157-2164 [10] J.C. Johnson, J.C. Waldrep, J. Guo, R. Dhand (2008) Aerosol delivery of recombinant human DNase I: in vitro comparison of a vibrating-mesh nebulizer with a jet nebulizer, Respiratory Care 53(12):1703-1708 232 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [11] J. Rodziewicz (2009) Właściwości lecznicze i bezpieczeństwo stosowania leków rekombinowanych, Czasopismo Aptekarskie 10(190):15-23 [12] L. Broniarz-Press, M. Ochowiak, M. Matuszak, S. Włodarczak, (2014) The effect of shear and extensional viscosity on atomization in medical inhaler, International Journal of Pharmaceutics 468:199-206 233 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW WYBRANYCH ZWIĄZKÓW STYRYLOCHINOLINOWYCH NA MIKROFLORĘ OSADU CZYNNEGO Justyna Michalska1*, Ariel Marchlewicz1, Katarzyna Malarz2, Danuta Wojcieszyńska1, Piotr Musioł2, Wioletta Cieślik2, Izabela Greń1 1 2 Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Śląski w Katowicach, ul. Szkolna 9, 40-006 Katowice * e-mail: [email protected] Antybiotykoterapia stanowi jedną z najczęściej stosowanych form leczenia we współczesnej medycynie. Niestety skuteczność działania antybiotyków jest coraz bardziej ograniczana przez rosnącą liczbę mikroorganizmów patogennych, opornych na ich działanie. Towarzyszący powszechnemu nadużywaniu antybiotyków problem antybiotykoodporności, wiąże się z wzrostem zachorowalności oraz śmiertelności, jak również ze zwiększonymi kosztami leczenia i wymusza konieczność poszukiwania nowych leków przeciwbakteryjnych [1]. Pośród tych związków szczególnie duże zainteresowanie w ciągu ostatnich kilku dekad, ze względu na ich dobre właściwości terapeutyczne, zyskały związki heterocykliczne, zawierające w swojej strukturze atom azotu [2, 3]. Jednym z najczęściej występujących związków N-heterocyklicznych w chemii medycznej jest chinolina, która charakteryzuje się strukturą podwójnego pierścienia benzenowego skondensowanego z pirydyną. Obecnie wiele środków farmaceutycznych opartych jest na szkielecie chinoliny. Dzięki rozszerzonej strukturze zdelokalizowanych elektronów π, zastosowanie pochodnych chinoliny nie ogranicza się jednak jedynie do przemysłu farmaceutycznego. Związki te mogą bowiem wykazywać unikalne właściwości optyczne, będąc cząsteczkami idealnymi do potencjalnego zastosowania w materiałach optycznych czy sondach luminescencyjnych [3,4]. Z tego względu chinolina wielokrotnie była uznawana jako cząsteczka uprzywilejowana i stanowi fragment strukturalny o szczególnym znaczeniu w projektowaniu aktywnych bioefektorów. Pomimo szerokiego spektrum zastosowań w medycynie, a także niejednokrotnie wysokiej aktywności antybakteryjnej pochodnych chinoliny, towarzyszy im wysoka toksyczność [5]. W wyniku powszechnego wykorzystania chinoliny i jej pochodnych w wielu dziedzinach życia, związki te wraz z innymi zanieczyszczeniami dostają się do środowiska. Ze względu na wysoką rozpuszczalność w wodzie i mobilność w glebie ich rozkład może być utrudniony. Podobnie, jak inne ksenobiotyki, związki chinolinowe, trafiają wraz z zanieczyszczeniami do oczyszczalni ścieków i mogą wpływać na obniżenie efektywności procesu oczyszczania, wywierając negatywny wpływ na skład i aktywność mikroorganizmów osadu czynnego. Ponadto cząsteczki te wykazują zdolność do bioakumulacji w organizmach żywych, a ich biotransfomacja może prowadzić do powstania aktywnych intermediatów epoksydowych. Niektóre z tych form mogą wiązać się z białkami i kwasami nukleinowymi, wykazując działanie genotoksyczne [4, 6]. Stosunkowo nową grupą pochodnych chinoliny, które wykazują szerokie spektrum aktywności 234 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. biologicznej, w tym działanie przeciwnowotworowe, przeciwgrzybicze i przeciwbakteryjne są styrylochinoliny, posiadające w swojej strukturze grupy hydroksylowe [4, 5, 7]. Szczególnie obiecujące wyniki, wskazujące na wysoką aktywność antyproliferacyjną względem komórek raka jelita grubego, otrzymano w przypadku styrolochinolin opartych o fragment 8-hydroksychinoliny. Dane ekotoksykologiczne donoszą, iż większość z nich nie wywiera negatywnego wpływu na organizmy w krótkim czasie lecz cechuje się toksycznością chroniczną, będącą wynikiem ich długotrwałego oddziaływania w danym środowisku [8]. Obecnie badania dotyczące wpływu farmaceutyków na środowisko prowadzone są ex post facto, po wielu latach ich stosowania. Celem niniejszych badań była symulacja i ocena wpływu wybranych analogów 8-hydroksystyrylochinoliny na mikroflorę osadu czynnego pochodzącego z oczyszczalni ścieków komunalnych oraz z oczyszczalni ścieków przemysłowych. Badane analogi 8-hydroksystyrylochinoliny odznaczają się wysoką aktywnością przeciwnowotworową w badaniach in vitro i mogą znaleźć w przyszłości potencjalne zastosowanie w badaniach klinicznych w terapii przeciwnowotworowej. Zdolność tych związków do elektroluminescencji oraz ich właściwości fotochromowe, mogą także umożliwić ich potencjalne zastosowanie w urządzeniach optycznych lub biosensorach. W związku z tym, substancje te mogą się w przyszłości pojawić zarówno w ściekach komunalnych, jak również przemysłowych, dopływających do oczyszczalni ścieków. Ocenę toksycznego wpływu czterech pochodnych 8-hydroksystyrylochinoliny na mikroflorę osadu czynnego przeprowadzono z wykorzystaniem testu inhibicji wzrostu (ang. growth inhibition test). Do inokulacji zastosowano osady czynne pochodzące z dwóch oczyszczalni ścieków, przyjmujących ścieki komunalne zaszczepiano następnie płytki lub komunalno-przemysłowe. mikrotitracyjne. Wzrost Zhomogenizowanym mikroorganizmów osadem kontrolowano spektrofotometrycznie przy długości fali równej 590 nm. W celu opracowania wyników i oceny istotności różnic między nimi zastosowano testy statystyczne ANOVA oraz post-hoc z użyciem oprogramowania statystycznego Statistica 12. Przeprowadzone badania wskazują na różnice w toksyczności badanych analogów 8hydroksystyrylochinoliny przeprowadzenie a względem priori badań mikroorganizmów osadu ekotoksykologicznych czynnego. nowo Na tej podstawie syntezowanych związków przeciwnowotworowych, o potencjalnym szerokim spektrum zastosowania, wydaje się być słusznym rozwiązaniem, pozwalającym na ocenę ryzyka związanego z ich przyszłym wpływem na ekosystemy. 235 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] J. Lin, K. Nishino, M. C. Roberts, M. Tolmasky, R. I. Aminov, L. Zhang (2015) Mechanisms of antibiotic resistance, Frontiers in Microbiology 6(34):1-3 [2] P. Martins, J. Jesus, S. Santos, L. R. Raposo, C. Roma-Rodriges, P. V. Baptista, A. R. Fernandes (2015) Heterocyclic Anticancer Compounds: Recent Advances and the Paradigm Shift towards the Use of Nanomedicine’s Tool Box, Molecules 20: 16852-16891 [3] V. R. Solomon, H. Lee (2011) Quinoline as a privileged scaffold in cancer drug discovery, Current Medicinal Chemistry 18: 1488–1508 [4] W. Cieślik, R. Musioł, J.E. Nycz, J. Jampilek, M. Vejsova, M. Wolff, B. Machura, J. Polański (2012) Contribution to investigation of antimicrobial activity of styrylquinolines, Bioorganic and Medicinal Chemistry 20(24):6960–6968 [5] M. Rams-Baron, M. Dulski, A. Mrozek-Wilczkiewicz, M. Korzec, W. Cieślik, E. Spaczyńska, P. Bartczak, A. Ratuszna, J. Polański, R. Musioł (2014) Synthesis of New Styrylquinoline Cellular Dyes, Fluorescent Properties, Cellular Localization and Cytotoxic Behavior, PLoS ONE 10(6): 1-17 [6] Q Bai, L. Yang, R Li, B. Chen, L Zhang, Y. Zhang, B. E. Rittmann (2002) Accelerating quinolinebiodegradation and oxidation with endogenous electron donors, Environmental Science and Technology 49: 11536-11542 [7]R. Musioł, J. Jampilek, K. Kralova (2007) Investigating biological activity spectrum for novel quinoline analogues, Bioorganic and Medicinal Chemistry 15(3): 1280-1288 [8] K. Affek, M. Załęska-Radziwił, M. Łabkowska (2013) Wyznaczanie bezpiecznej zawartości leków w środowisku wodnym na podstawie badań ekotoksykologicznych, Ochrona Środowiska 4(35): 51-56 236 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. REAKCJE KOMPLEKSOWANIA ANTYBIOTYKÓW β-LAKTAMOWYCH Z JONAMI MATALI I INNYMI BIOLIGANDAMI Martyna Nowak*, Renata Jastrząb Zakład Chemii Koordynacyjnej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Wieniawskiego 1, 61-712 Poznań * e-mail: [email protected] Benzylopenicylina (penicylina G, PenG) (Rys. 1.) jest organicznym związkiem chemicznym należącym do grupy antybiotyków β-laktamowych. W swojej strukturze zawiera grupę karboksylową oraz amidową, które ulegają protonacji. Rysunek 1. Struktura penicyliny G Mechanizm działania tego antybiotyku oparty jest na blokowaniu syntezy bakteryjnej ściany komórkowej [1]. Kwas D-glukuronowy (Rys. 2.) jest pochodną glukozy, która wraz z N-acetyloglukozaminą tworzą disacharyd stanowiący monomer kwasu hialuronowego (liniowego polisacharydu). Kwas D-glukuronowy w swojej strukturze posiada zarówno grupę karboksylową, jak i hydroksylowe, które mogą brać udział w koordynacji jonów metali. Związek ten wykazuje zdolność chelatowania jonów metali poprzez atom tlenu grupy karboksylowej i atom tlenu grupy α-hydroksylowej [2]. W organizmach żywych bierze udział w procesie detoksykacji. [3,4]. Rysunek 2. Struktura kwasu D-glukuronowego 237 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Miedź to metal odgrywający istotną rolę w organizmie człowieka. Wchodzi on w skład wielu enzymów odpowiedzialnych za kluczowe procesy biochemiczne [5]. W organizmach żywych przy pH fizjologicznym jony miedzi mogą oddziaływać z różnymi bioligandami i tym samym mogą wpływać na zmianę ich właściwości oraz pełnione funkcje. Celowym jest zatem badanie połączeń koordynacyjnych, które pomogą poznać i zrozumieć w jakim stopniu kompleksowanie wpływa na procesy przeprowadzane w organizmach żywych. Zbadano reakcje kompleksowania w układach podwójnych zawierających jony Cu2+ i jeden z ligandów: benzylopenicylinę (penicylina G, BPG) lub kwas D-glukuronowy (GluA) oraz w układach potrójnych: Cu2+/GluA/BPG. Ogólne stałe trwałości tworzących się w badanych układach kompleksów zostały oznaczone na podstawie badań potencjometrycznych połączonych z komputerową analizą danych (Tabela 1.). Tabela 1. Stałe równowagi reakcji tworzenia form kompleksowych w układach Cu(II)/PenG Kompleks pH logβ Reakcja log Ke Cu(PenG) 4.5 10.83 (5) Cu2+ + PenG Cu(PenG) 10.83 Cu(PenG)(OH) 7.0 4.6 (10) Cu2+ + PenG + H2O Cu(PenG)(OH) + H+ 18.35 Cu(PenG)(OH)2 9.0 -3.3 (10) Cu2+ + PenG + 2H2O Cu(PenG)(OH)2 + 2H+ 24.20 Sposób koordynacji został określony na podstawie analizy widm otrzymanych z kilku niezależnych metod spektroskopowych (Rys. 3.) 0,040 0,030 Cu(PenG)(OH)2 0,035 0,025 Cu(GluA)(OH)2 0,030 0,020 0,025 Cu(PenG)(OH) A A 0,015 0,020 Cu(PenG) Cu(GluA)(OH) 0,010 0,015 0,005 0,010 Cu(GluA) 0,000 0,005 0,000 -0,005 500 600 700 800 900 500 600 700 800 [nm] [nm] Rysunek 3. Widma Vis dla kompleksów w układach: a) Cu(II)/PenG b) Cu(II)/GluA Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] M.Baia, S. Astilean, T. Iliescu (2008), Springer, 97-109 [2] E. Ferrari, R. Grandi, S. Lazzari, M. Saladini (2005), Journal of Inorganic Biochemistry, 99:2381–2386 [3] R. Stocker, A.F. McDonagh, A.N. Glazer, B.N. Ames (1990), Meth. Enzymol., 186:301-309 [4] R. Stocker, Y. Yamamoto, A.F. McDonagh, A.N. Glazer, B.N. Ames (1987), Science, 1043-1046 [5] Di Donato, B. Sarkar (1997), Biochim. Biophys. Acta, 1360: 3-16 238 900 1000 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZWIĄZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE POCHODZENIA ROŚLINNEGO Amanda Pacholak*, Wojciech Smułek, Agata Zdarta, Ewa Kaczorek Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Do związków powierzchniowo czynnych szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie należą saponiny. Ich obecność została wykazana w ponad 100 rodzinach roślin oraz w kilku gatunkach organizmów morskich (rozgwiazdy, strzykwy). Należą one do wtórnych metabolitów roślinnych [1], co oznacza, że ich obecność nie jest niezbędna do wzrostu i rozwoju roślin lecz pełnią one wiele funkcji w całym cyklu życia rośliny. Wtórne metabolity roślinne pośredniczą między innymi w oddziaływaniach roślin ze środowiskiem, pełnią funkcje obronne i allelopatyczne [2]. Saponiny są obecne przede wszystkim u roślin dwuliściennych (Dicotyledones) w klasie Magnoliopsida i jednoliściennych (Monocotyledones) w klasie Liliopsida [3]. W roślinach jednoliściennych najczęściej znajdują się saponiny o budowie steroidowej, natomiast o budowie triterpenowej spotykamy u roslin dwuliściennych. Do najważniejszych gatunków roślin bogatych w saponiny można zaliczyć [4, 5]: nasienie kasztanowca zwyczajnego, Aesculus hippocastanum, liść bluszczu, Herba (Folium) Hederae, korzeń żeń–szenia Radix Ginseng, kora mydłoki, Cortex Quillajae saponaria, korzeń lukrecji, Radix Glycyrrhizae, korzeń mydlnicy lekarskiej, Radix Saponariae officinalis, Jukka, Yucca filamentosa (cała roślina), nasienie kozieradki Foenugraeci semen, korzeń lucerny, Medicago sativa. Nazwa saponin pochodzi od łacińskiego słowa sapo, co znaczy mydło – dzięki połączeniu polarnych i niepolarnych elementów strukturalnych w swoich cząsteczkach, saponiny podczas wytrząsania z wodą, zachowują się jak mydło – pienią się [3]. Są to glikozydy – zbudowane z polarnej części cukrowej i niepolarnej zwanej aglikonem lub sapogeniną. Lipofilowy aglikon, pochodzenia steroidowego lub triterpenowego może być związany z maksymalnie trzema hydrofilowymi łańcuchami oligosacharydowymi. Ze względu na liczbę łańcuchów wyróżnia się: monodesmozydy (Monodesmosidic saponins) – są to związki, które mają pojedynczy łańcuch cukrowy, zwykle przyłączony w pozycji C3, 239 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. didesmozydy (Bidesmosidic saponins) – posiadają dwa łańcuchy cukrowe, często z jednym przyłączonym poprzez wiązanie eterowe w pozycji C3 i drugim przyłączonym poprzez wiązanie estrowe w pozycji C28 (saponiny triterpenowe) lub wiązanie eterowe w pozycji C26 (furastanol saponins), tridesmozydy (Tridesmosidic saponins) – z trzema łańcuchami cukrowymi [6]. Natomiast najczęściej występującymi cukrami prostymi w strukturze saponin są: D–glukoza (Glc), D–galaktoza (Gal), D– kwas glukuronowy (GlcA), D– kwas galakturonowy (GalA), L–ramnoza (Rha), L–arabinoza (Ara), D–ksyloza (Xyl) oraz D–fukoza (Fuc) [7]. Strukturalna różnorodność saponin ma szerokie odzwierciedlenie w ich biologicznych i fizykochemicznych właściwościach: posiadają one właściwości pieniące i emulgujące, właściwości farmakologiczne, lecznicze, hemolityczne, przeciwdrobnoustrojowe, owadobójcze i mięczakobójcze. Znalazły wiele zastosowań w przemyśle spożywczym, między innymi w napojach, wyrobach cukierniczych, jak również kosmetykach, czy produktach farmaceutycznych [3]. Celem prowadzonych badań była izolacja i charakterystyka saponin z orzechów piorących oraz mydlnicy lekarskiej w kierunku ich potencjalnego zastosowania w biodegradacji hydrofobowych zanieczyszczeń. Przedmiotem badań były także oddziaływania tych związków powierzchniowo czynnych na właściwości powierzchniowe mikroorganizmów środowiskowych. Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0500 Literatura: [1] K. Mędrzycka (1995) Detergenty a środowisko naturalne, Pismo PG 4 [2] E. Kaczorek, U. Guzik, D. Wojcieszyńska, M. Krysiak (2010) Mikrobiologiczny rozkład alkanów ropopochodnych, Nafta gaz 11:1019–1027 [3] Y. Qina, G. Zhanga, B. Kangb, Y. Zhao (2005) Primary Aerobic Biodegradation of Cationic and Amphoteric Surfactants, Journal of Surfactants and Detergents 8 (1) [4] M. K. Błaszyk (2007) Mikroorganizmy w ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [5] H. Górna, Ł. Ławniczak, A. Zgoła–Grześkowiak, E. Kaczorek (2011) Differences and dynamic changes in the cell surface properties of three Pseudomonas aeruginosa strains isolated from petroleum–polluted soil as a response to various carbon sources and the external addition of rhamnolipids, Bioresource Technology 102:3028–3033 [6] E. Kaczorek, K. Sałek, U. Guzik, T. Jesionowski, Z. Cybulski (2013) Biodegradation of alkyl derivatives of aromatic hydrocarbons and cell surface properties of a strain of Pseudomonas stutzeri, Chemosphere 90:471–478 [7] M.J. Rosen, L. Feia, Yun–Peng Zhua, S. W. Morrall (1999) The Relationship of the Environmental Effect of Surfactants to Their Interfacial Properties, Journal of Surfactants and Detergents 2(3):343–347 240 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BADANIE SKŁADU CHEMICZNEGO EKSTRAKTÓW Z LIŚCI CZOSNKU POSPOLITEGO (ALLIUM SATIVUM L.) Monika Pawlikowska*, Halina Kwiecień Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin * e-mail: [email protected] Czosnek pospolity (zwyczajny) (Allium sativum L.) należący do podrodziny czosnkowatych (Allioideae Herb.) z rodziny amarylkowatych (Amaryllidaceae) jest byliną uprawną jednoroczną lub dwuletnią. Teren jego występowania obejmuje niemal wszystkie strefy klimatyczne, zwłaszcza obszary chłodne i górzyste, a głównymi światowymi producentami są Chiny, Egipt, Indie i Hiszpania. Roślina ta wywodzi się z Azji Środkowej i jest powszechnie stosowanym warzywem przyprawowym o potencjalnych właściwościach terapeutycznych, znajdującym zastosowanie jako żywność funkcjonalna. Jego wartość ceniono już w starożytności [1]. Według literatury, poszczególne substancje zawarte w czosnku wykazują szerokie spektrum aktywności biologicznej: przeciwgrzybicznej, przeciwwirusowej, przeciwbakteryjnej, antyoksydacyjnej, obniżającej ciśnienie krwi [2]. Najlepiej poznanym i przebadanym pod względem składu surowcem czosnku jest jego cebula (główka, bulwa) otulona łuskami, złożona z różnej ilości ząbków (cebulek), zazwyczaj od 6 do 24. Głównym składnikiem cebuli czosnku jest woda (do 68%) i węglowodany (do 30%), a także białka (do 2,1%), wolne aminokwasy (do 1,6%), błonnik (ok. 1,5%), lipidy (do 0,2%) i saponiny (do 0,11%) [3]. Ząbki czosnku pospolitego zawierają w składzie wiele substancji aktywnych: fitosterole, flawonoidy, witaminy z grupy B i C, pektyny oraz cenne związki siarki (do 3,5% składu) nadające tej roślinie specyficzny, ostry zapach i którym to przypisywana jest aktywność biologiczna cebuli czosnku. Należy do nich bezwonny, lotny aminokwas alliina (sulfotlenek L-(+)-S-allilocysteiny) (1), ulegająca przekształceniu do allicyny (tisulfinianu diallilu) (2) poprzez działanie enzymu allinazy. Allinaza jest uwalniana z kompartmentów komórkowych poprzez naruszenie tkanek cebulek czosnku (rozdrabnianie, rozcieranie, krojenie). Allicyna wykazuje silne działanie antybiotyczne i ulega rozpadowi do wielosiarczków, głównie disulfidu diallilowego (3) i trisulfidu diallilowego (4). Innymi związkami siarkowymi występującymi w cebuli czosnku są ajoeny: (E)-Ajoen (5) i (Z)-Ajoen (6), powstałe z trzech cząsteczek allicyny oraz winyloditiiny: 2-winylo-[4H]-1,3-ditiina (7) i 3-winylo-[4H]-1,2-ditiina (8), powstałe z kolei jako produkty nieenzymatycznego rozkładu allicyny. 241 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Skład chemiczny oraz aktywność biologiczna ekstraktów z cebuli czosnku są bardzo dobrze poznane. Nieliczne publikacje dotyczą rozważań nad pozostałymi organami czosnku pospolitego. Źródła podają, że oprócz ząbków, ciekawymi surowcami czosnku o potencjalnym działaniu aktywnym są, często utylizowane i wyrzucane podczas procesu jego przetwarzania: liście, kwiaty, cebulki powietrzne, korzenie, a także, według najnowszych doniesień literaturowych, łuski okrywające cebulę czosnku. Badania potwierdzają, iż wszystkie te organy posiadają właściwości antyoksydacyjne, odpowiadają zatem za neutralizację wolnych rodników [4]. Spośród wymienionych organów, najwyższą aktywnością charakteryzują się liście czosnku pospolitego, będące surowcem jak do tej pory mało przebadanym i nie znajdującym szerokiego zastosowania w celach żywieniowych. Wykazano, że ich działanie przeciw wolnym rodnikom może przewyższać skutecznością cebule czosnku [5]. Głównymi składnikami olejów ze świeżych (zielonych) liści czosnku pospolitego, wykrytymi za pomocą analizy GC-MS są: trisulfid diallilowy oraz disulfid diallilowy, a także: trisulfid allilometylowy (9), disulfid allilopropylowy (10), izotiocyjanian izobutylu (11), 1,2-dimerkaptocyklopentan (12), 3-metylo-2-cyklopenten-1-tion (13), disulfid allilometylowy (14), disulfid 1-propenylo metylowy (15), 2-winylo-[4H]-1,3-ditiina i 3-winylo-[4H]-1,2-ditiina [6]. Na temat składu chemicznego ekstraktów z liści czosnku wiadomo niewiele. Według dostępnych źródeł literaturowych występuje w nich alliina oraz związki fenolowe. [7] W posterze przedstawiono badanie nad składem chemicznym ekstraktów z liści czosnku pospolitego (Allium sativum L.) pochodzącego z polskiej uprawy. Liście oddzielono od cebul, oczyszczono, a następnie wysuszono i rozdrobniono. Tak przygotowany materiał poddano ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników charakteryzujących się różnym stopniem polarności: etanolu, 242 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. metanolu, n- heksanu, chloroformu, chlorku metylenu, octanu etylu i eteru dietylowego metodą ekstrakcji ciągłej w aparacie Soxhleta. Do ekstrakcji użyto 3 g materiału roślinnego i 80 ml rozpuszczalnika. Reakcja prowadzona była w temperaturze łagodnego wrzenia rozpuszczalnika przez 9 godzin. Po ekstrakcji rozpuszczalnik oddestylowano z wyciągów za pomocą wyparki i wykonano próbki w celu ustalenia składu chemicznego poszczególnych ekstraktów. Próbki analizowano za pomocą chromatografii gazowej przy użyciu aparatu Agilent 6890N z detektorem mas 597, wyposażonym w kolumnę kapilarną typu HP-5ms 30 m × 0,25 mm, z 5% fenylometylopolisiloksanowym wypełnieniem i 0,25 μm grubością filmu. Temperaturę zaprogramowano od 60°C do 320°C. Detekcję prowadzono w trybie pełnego skanowania (40-500 m/z). Związki identyfikowano za pomocą biblioteki widm mas NIST 02. Widmo jakości wyszukiwania ustalono na poziomie 90% i określano indeksy retencji, za kryterium przyjmując zaprogramowaną temperaturę. Otrzymane wyciągi charakteryzowały się różnym zabarwieniem (od żółtego po brunatno-zielony) oraz zróżnicowanym udziałem procentowym poszczególnych związków. Głównymi związkami zawartymi w ekstraktach były fitosterole oraz estry wyższych kwasów tłuszczowych. Otrzymane wyniki badań zostaną omówione w posterze. Literatura: [1] H. Takagi (1990) Garlic (Allium sativum), w: H.D. Rabinowitch, J.L. Brewster Onions and Allied Crops Vol. 3, Wydawnictwo CRC, Floryda [2] S. Mukherjee, I. Lekli, S. Goswami, D. K. Das (2009) Freshly Crushed Garlic is a Superior Cardioprotective Agent than Processed Garlic, Journal of Agricultular and Food Chemistry, 57(15):7137-7144 [3] H. Kwiecień (2008) Chemistry and biological activity of garlic (Allium sativum), Wiadomości chemiczne, 62(9-10): 901942 [4] F. Kallel, D. Driss, F. Chaari, L. Belghith, F. Bouaziz, R. Ghorbel, S. E. Chaabouni (1014) Garlic (Allium sativum L.) husk waste as potential source of phenolic compounds: Influence of extracting solvents on its antimicrobial and antioxidant properties, Industrial Crops and Products (62):34-41 [5] L. Micheli, C. Nencini, A. Menchiari (2015) Evaluation of antioxidant defense system of Wild Allium neapolitanum Cyr. From Italy, The Pharma Innovation Journal, 4(3):56-60 [6] A. E. Edris, H. M. Fadel (2002) Investigation of the volatile aroma components of garlic leaves essential oil, European Food Research and Technology (214):105-107 [7] S.A. Nasim, B. Dhir, F. Samar, K. Rashmi, Mahmooduzzafar, A. Mujib (2009) Sulphur treatment alerts the therapeutic potency of alliin obtained from garlic leaf extract, Food and Chemical Toxicology, (47):888-892 243 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE IDEE W PROJEKTOWANIU PROLEKÓW ANTY-HIV – NUKLEOZYDO DIFOSFORANY Marta Rachwalak*, Tomasz Jakubowski, Małgorzata Rożniewska, Joanna Romanowska** Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] ** e-mail: [email protected] Jak dotąd, nie zdołano wynaleźć skutecznej szczepionki czy leku powodującego całkowitą eliminację HIV z organizmu chorego, co stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań współczesnej medycyny i chemii medycznej. Dlatego stale poszukuje się nowych możliwości terapii, prowadząc równocześnie badania nad ulepszaniem już istniejących. Jednym z celów molekularnych terapii anty-HIV jest proces odwrotnej transkrypcji. Pierwszym uznanym przez FDA lekiem na AIDS była 3’-azydo-3’-deoksytymidyna (AZT, Zidowudyna, Retrovir®) [1], należąca do grupy nukleozydowych inhibitorów odwrotnej transkrypcji (NRTIs). Związki te charakteryzują się brakiem w swej strukturze funkcji 3’-OH, której obecność jest kluczowa dla replikacji wirusa HIV. Brak tej funkcji implikuje przerwanie procesu transkrypcji, co z kolei prowadzi do hamowania replikacji wirusa HIV i ochrony przed AIDS. Fakt ten wykorzystano do syntezy szeregu proleków, analogów 2’,3’-dideoksynukleozydów, które per se nie wykazują aktywności antywirusowej, natomiast w organizmie po chemicznych lub/i enzymatycznych przemianach uwalniają aktywne leki, wywołujące pożądany efekt terapeutyczny (Schemat 1) [2]. Błona komórkowa Schemat 1. Wewnątrzkomórkowy metabolizm nukleozydów (na przykładzie AZT) Aby spełnić swoją funkcję w hamowaniu odwrotnej transkrypcji HIV, AZT oraz i inne analogi 2’,3’-dideoksynukleozydów po wniknięciu do komórki muszą zostać ufosforylowane (za pomocą kinaz komórkowych) najpierw do nukleozydo 5’-monofosforanu (NMP), następnie do 5’-nukleozydo 244 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. difosforanu (NDP), a w końcu do 5’-trifosforanu (NTP) – właściwego leku anty-HIV (Schemat 1). Niestety, związki te są niekiedy słabymi substratami dla tych enzymów, w związku z tym ich użyteczność terapeutyczna znacznie spada. W związku z ograniczeniami stosowania 2’,3’-dideoksynukleozydów w celach leczniczych, zrodziła się koncepcja pronukleotydów, które zaprojektowano po to, aby omijać pierwszy, kluczowy i zarazem często najbardziej chimeryczny etap fosforylacji analogu nukleozydu w komórce. Według tej koncepcji, prolekiem miałby być nukleotyd zawierający grupy maskujące na reszcie fosforanowej, które w komórce, na skutek hydrolizy chemicznej i/lub enzymatycznej, zostają usunięte i uwolniony zostaje nukleozydo 5’-monofosforan, który dalej jest fosforylowany do di-, a następnie do 5’-trifosforanu (Schemat 2) [3]. Błona komórkowa Schemat 2. Mechanizm działania pronukleotydów Niestety okazało się, że często i ta koncepcja zawodzi. Stwierdzono, że w przypadku AZT, najtrudniejszym etapem tworzenia aktywnego leku jest fosforylacja NMP do NDP w komórce. W związku z tym, powstała idea, aby dostarczać do organizmu odpowiednio maskowane na resztach fosforanowych nukleozydo 5’-difosforany, które po wniknięciu do komórki będą uwalniały NDP, co w rezultacie ułatwi tworzenie aktywnego trifosforanu, a tym samym przyspieszy wywołanie efektu terapeutycznego (Schemat 3). Błona komórkowa Schemat 3. Nowe idee w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV – nukleozydo 5’-difosforany 245 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Koncepcja ta jest w ostatnim czasie intensywnie rozwijana w Zakładzie Chemii Kwasów Nukleinowych Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. W ramach prowadzonych badań w oparciu o chemię H-fosfonianów, została opracowana nowa metoda otrzymywania nukleozydo 5’-diforsforanów (Schemat 4). Schemat 4. Otrzymywanie nukleozydo 5’-difosforanów w oparciu o chemię H-fosfonianów W metodzie tej, nukleozydo H-fosfonian kondensowano wobec jodu z alkilowymi lub arylowymi fosforanami monoestrów lub diestrów, otrzymując odpowiednie alkilowe i arylowe pochodne nukleozydo 5’-difosforanów. Procedura ta pozwala (z dobrą wydajnością) syntezować szereg analogów difosforanów. Otrzymane związki zostały następnie przebadane w kontekście ich aktywności biologicznej i cytotoksyczności. Znakomita większość nukleozydo 5’-difosforanów wykazuje wysoką aktywność przeciwwirusową i niską cytotoksyczność, przez co związki te mogę być rozpatrywane jako potencjalne proleki. Dalsza eksploatacja badań nad tą grupą związków jest kontynuowana w Zakładzie Chemii Kwasów Nukleinowych IChB PAN. Literatura: [1] http://www.fda.gov/ForPatients/Illness/HIVAIDS/Treatment/ucm118915.htm (30.11.2015r.) [2] M. Piosik, J. Gołębiewska, J. Romanowska (2014), Strategie w projektowaniu pronukleotydów anty-HIV, w : Na pograniczu chemii i biologii XXXII, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań [3] C. Meier (1998), Synlett, 233-242 246 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. LIŚCIE GLICYNII CHIŃSKIEJ (WISTERIA SINENSIS) JAKO BOGATE ŹRÓDŁO WITAMINY E Paulina Rokosz*, Halina Kwiecień Zakład Syntezy Organicznej i Technologii Leków, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, al. Piastów 17, 71 – 310 Szczecin * e-mail: [email protected] Witamina E należy do organicznych związków chemicznych, których cechą wspólną jest obecność cyklicznego układu 6-hydroksychromanu i łańcucha bocznego zawierającego 16 atomów węgla. Obecnie znanych jest osiem kongenerów wykazujących aktywność witaminy E, spośród których cztery mają nasycony łańcuch boczny (tokoferole), a pozostałe cztery w łańcuchu bocznym posiadają trzy wiązania podwójne (tokotrienole), Rys. 1. W zależności od liczby oraz umiejscowienia grup metylowych wyróżnia się α, β, γ, δ - tokoferole oraz α, β, γ, δ - tokotrienole [1]. CH3 CH3 CH3 H3C CH3 O H3C CH3 CH3 O CH3 CH3 H3C CH3 CH3 H3C - tokoferol HO - tokotrienol CH3 HO CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 O H3C CH3 CH3 O CH3 CH3 - tokoferol HO CH3 CH3 - tokotrienol CH3 HO CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 O H3C CH3 H3C CH3 O CH3 CH3 H3C - tokoferol CH3 CH3 - tokotrienol HO HO CH3 CH3 CH3 H3C O CH3 H3C CH3 CH3 O CH3 CH3 - tokoferol CH3 - tokotrienol HO HO Rysunek 1. Wzory strukturalne tokoferoli i tokotrienoli 247 CH3 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Witamina E jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie. Najbogatszym źródłem jej występowania są oleje roślinne pozyskiwane z kiełków pszenicy, kukurydzy czy orzechów, ale również występuje w liściach wielu roślin np. sałaty czy podbiału [2]. Największą aktywność biologiczną i równocześnie największe znaczenie praktyczne ma występujący w przyrodzie 2R,4’R,8’R (w skrócie R,R,R)-α-tokoferol [2,5,7,8-tetrametylo-2-(4’,8’,12’-trimetylotrideka)6-chromanol]. Tokoferole są jasnożółtymi, przezroczystymi olejami. Ze względu na 16-węglowy łańcuch boczny wykazują charakter hydrofobowy, w związku z czym są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych m.in. w eterze naftowym, chloroformie, nieco gorzej w etanolu czy acetonie. W środowisku beztlenowym odznaczają się odpornością na działanie wysokiej temperatury (nawet do 200°C), kwasów oraz zasad. Są natomiast wrażliwe na wpływ promieni UV i tlenu. Podczas utleniania ulegają przekształceniu w tokochinony, wspólnie tworząc pewien system redukcyjno – oksydacyjny, który z kolei odpowiedzialny jest za działanie tokoferoli jako przeciwutleniaczy (antioxydantia). Rola witaminy E jako antyoksydantu jest niezmiernie istotna z punktu widzenia ochrony błony komórkowej przed szkodliwymi oddziaływaniami na nią wolnych rodników tworzących się w wyniku peroksydacji tłuszczów. Bierze ona także udział w procesach metabolicznych [3]. Jej niedobór może być przyczyną zaburzeń neurologicznych, które powstają w wyniku peroksydacji błon komórkowych neuronów i procesów degeneracyjnych w mózgu, które zwiększają się w okresie starzenia. W następstwie niedoboru witaminy E w organizmie, wzrasta ryzyko pojawienia się chorób infekcyjnych, sercowo – naczyniowych oraz procesów zapalnych [4]. Witamina E odgrywa również istotne znacznie w kosmeceutykach, mianowicie łagodzi podrażniania i poparzenia skóry powstałe w skutek działania promieni słonecznych. Ponadto dobrze przenika przez naskórek, dzięki czemu zapewnia poprawę elastyczności i odżywienia skóry. Dodatkowo jako składnik aktywny wspomaga leczenie przebarwień i niweluje objawy kontaktowego zapalenia skóry [5]. Jak wynika z danych literaturowych witamina E ze względu na swoje dobroczynne właściwości odgrywa istotne znaczenie zarówno w przemyśle medycznym, jak i kosmetycznym, co z kolei składnia badaczy do ciągłych poszukiwań nowych, cennych surowców roślinnych, które mogą stanowić bogate źródło tych wartościowych związków biologicznie aktywnych. Przykładem takiego surowca roślinnego jest właśnie glicynia chińska (Wisteria sinensis). Glicynia chińska zwana również w literaturze jako słodlin chiński czy wisteria chińska, jest długowiecznym pnączem z rodziny bobowatych (Fabaceae). Naturalnie występuje na terenach Azji oraz Ameryki Północnej, szczególnie obficie porasta obszary Chin, Japonii oraz południowe części Stanów Zjednoczonych, gdzie uznawana jest wręcz za gatunek inwazyjny, ze względu na swoją dominację i hamowanie wzrostu innych gatunków roślin [6]. Obecnie dzięki swoim walorom estetycznym 248 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. uprawiana jest w wielu krajach świata, również w Polsce, pomimo tego informacji odnoszących się do samej rośliny, jak i właściwości jakimi się charakteryzuje jest niewiele. W dostępnej literaturze znajdują się doniesienia na temat aktywności farmakologicznej ekstraktów z kwiatów i liści glicynii. W medycynie chińskiej ekstrakty zarówno z kwiatów, jak i liści glicynii znajdują zastosowanie w leczeniu raka żołądka, nowotworu piersi, a także u pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów [7,8]. Z przeglądu literatury wynika również, że ekstrakty charakteryzują się właściwościami antyutleniającymi, przeciwbakteryjnymi oraz przeciwgrzybicznymi [9]. Nie ma jednak żadnych doniesień odnoszących się do witaminy E, jako składnika znajdującego się w ekstraktach z glicynii chińskiej. Celem prezentowanych w posterze badań jest analiza składu chemicznego otrzymanych ekstraktów z liści glicynii chińskiej (Wisteria sinensis), jako nowego, cennego źródła witaminy E. Materiał do badań pochodził z prywatnego ogrodu w Szczecinie, liście zebrano w dwóch okresach czasowych – w czerwcu i w październiku 2015 roku. Ekstrakty otrzymano poprzez ośmiogodzinną ekstrakcję ciągłą stosując różne rozpuszczalniki tj. eter naftowy, n-heksan, chloroform, octan etylu, metanol, etanol. Otrzymane ekstrakty analizowano za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej z detektorem mas (GC/MS). Otrzymane ekstrakty charakteryzują się odmiennym składem chemicznym, co spowodowane jest różnym okresem zbioru surowca. W badanych ekstraktach stwierdzono obecność witaminy E, steroli roślinnych oraz estrów wyższych kwasów tłuszczowych. Literatura: [1] P. Moszczyński, R. Pyć (1999) Biochemia witamin Część II Witaminy lipofilne i kwas askorbinowy, Wydawnictwo PWN, Warszawa [2] A. Kołodziejczyk (2013) Naturalne związki organiczne, Wydawnictwo PWN, Warszawa [3] R. Szymańska, B. Nowicka, J. Kruk (2009), Witamina E – metabolizm i funkcje, Problemy Nauk Biologicznych, 58(1-2): 199-210 [4] A. Zielińska, I. Nowak (2014), Tokoferole i tokotrienole jako witamina E, Chemik, 68(7): 585-591 [5] E. Lamer – Zarawska, C. Chwała, A. Gwardys (2012), Rośliny w kosmetyce i kosmetologii przeciwstarzeniowej, Wydawnictwo lekarskie PZWL, Warszawa [6] J. Trusty, B.G. Lockaby, W.C. Zipperer, L.R. Goertzen (2007), Identity of naturalized exotic Wisteria (Fabaceae) in the south-eastern United States, Weed Research, 47(6): 479-487 [7] T. Konoshima, M. Takasaki, M. Kozuka, H. Tokuda, H. Nishino, E. Matsuda (1997), Antitumor promoting activities of isoflavonoids from wisteria brachybotrys, Biological Pharmaceutical Bulletin, 20(8): 865-868 [8] J. Yan-Haul, F. Xiao-Huil, J. Hua (2009), Extraction of Wisteria sinensis active constituent and its inhibitory effect on fungi and bacteria, Journal of Henan Agricultural Sciences 3: 60 [9] M.A. Mohamed, M.M. Hamed, A.M. Abdour, W.S. Ahmed, A.M. Saad (2011), Antioxidant and cytotoxic constituents from Wisteria sinensis, Molecules 16: 4020-4030 edynczy, 10 pkt) 249 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OLIGOPEPTYDOWE POCHODNE RETRO-TUFTSYNY (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Agnieszka Siebert* (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Retro-tuftsyna (Arg-Pro-Lys-Thr) jest tetrapeptydem o odwróconej sekwencji tuftsyny. Ponieważ retro-tuftsyna, zarówno jak tuftsyna, są krótkimi peptydami, otrzymywanie ich na drodze syntezy w roztworze nie stanowi większego problemu, co ułatwia wprowadzanie modyfikacji w strukturze tych peptydów. Wiąże się to ze zwiększonym działaniem biologicznym oraz trwałością metaboliczną. Na Politechnice Gdańskiej obecnie prowadzone są badania wykorzystujące oligopeptydowe pochodne retro-tuftsyny w koniugatach z substancjami aktywnymi. W celu otrzymania retro-tuftsyny użyłam metody mieszanych bezwodników, natomiast do syntezy wiązania izopeptydowego wykorzystałam zarówno metodę mieszanych bezwodników, jak i odczynniki kondensujące, takie jak: EDCI, EEDQ, T3P czy HBTU. Wykorzystałam osłonę Boc, chroniącą grupy α-aminowe, a także osłonę Fmoc na grupach ε-aminowych. Otrzymane oligopeptydy zostały scharakteryzowane widmami 1H NMR, 13C NMR i MS. 250 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW SAPONIN NA BIODEGRADACJĘ WĘGLOWODORÓW W OBECNOŚCI RÓŻNYCH GLEB (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1* Grzegorz Smułek , Jakub Zdarta , Wojciech Smułek2, Teofil Jesionowski2, Ewa Kaczorek1 1 2 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, Uniwersytet Jagielloński, ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Stale rosnące wydobycie i przetwórstwo ropy naftowej oraz wykorzystanie jej pochodnych niesie ze sobą w konsekwencji liczne skażenia środowiska naturalnego węglowodorami. Związki te zanieczyszczają glebę, wody gruntowe i powierzchniowe. Ponieważ zaburzają homeostazę, hamują wymianę gazową, ograniczają dostęp światła, jak i zmniejszają stężenie rozpuszczonego tlenu, ograniczają rozwój flory i fauny na skażonym obszarze. Hydrofobowy charakter węglowodorów wiąże się z ich niewielką rozpuszczalnością w wodzie oraz ich ograniczoną biodostępnością przez mikroorganizmy. Ponadto wykazują one, większą niż związki hydrofilowe i łatwo rozpuszczalne w roztworach wodnych, adhezję do cząstek stałych składających się na osady denne zbiorników wodnych oraz tworzących glebę. Istotnym parametrem są przy tym właściwości fizykochemiczne matrycy stałej [1]. Glebę definiuje się jako naturalną zewnętrzną warstwę skorupy ziemskiej, która powstała w wyniku oddziaływania klimatu i żywych organizmów na zwietrzelinę skalną (tzw. macierzysty materiał glebowy) w warunkach określonego reliefu oraz w ciągu pewnego przedziału czasu, przy czym istotny jest również bezpośredni lub pośredni wpływ działalności człowieka [2]. Fizykochemiczne metody oczyszczania prowadzące do rekultywacji skażonych gruntów opierają się na ekstrakcji z parą wodną, przemywaniu gleby roztworami surfaktantów lub rozpuszczalników organicznych, termicznej desorpcji i in.. Główną wadą tych rozwiązań jest to, że w ich następstwie zanieczyszczenia są przenoszone do innego ośrodka. Alternatywą jest wykorzystanie do degradacji węglowodorów naturalnej zdolności mikroorganizmów, które są w stanie wykorzystywać je jako źródło węgla i energii [3]. Aby zwiększyć ograniczoną biodostępność węglowodorów dla mikroorganizmów glebowych stosuje się związki powierzchniowo czynne, które obniżają napięcie powierzchniowe i międzyfazowe cieczy oraz emulgują substancje lipofilowe powodując zwiększenie powierzchni wymiany masy i rozpuszczalności. Wykorzystanie surfaktantów podczas bioremediacji gleby wiąże się ze złożonymi oddziaływaniami pomiędzy surfaktantem, glebą, zanieczyszczeniem i mikroorganizmami. Wśród nich należy uwzględnić m. in. zmniejszoną adsorpcję węglowodorów na glebie [4]. 251 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem badań było określenie wpływu surfaktantów pochodzenia roślinnego, saponin, na biodegradację węglowodorów oleju napędowego w obecności gleb o różnym składzie fizykochemicznym. W eksperymentach wykorzystano środowiskowy szczep bakteryjny Raoultella planticola, wyizolowany z próbek pochodzących z terenów skażonych węglowodorami. Saponiny są ekstraktem z kory rośliny Quillaya saponaria (Sigma Aldrich). Gleby wykorzystane w badaniach: piasek, ił, czarna ziemia i rędzina, pochodzą z kolekcji gleb Instytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Po sterylizacji gleb w temperaturze 180ºC wykonano analizę sitową próbek oraz ich widma FTIR (Brucker Vertex). Do 5 g próbek dodawano po 0,25 g oleju napędowego (PKN Orlen) i 20 ml medium mineralnego [5], a następnie zaszczepiono je wybranym szczepem bakteryjnym. Do jednej serii hodowli dodano saponiny w ilości 2 mg na hodowlę. Próbę odniesienia stanowiła hodowla bakteryjna z olejem napędowym nie zawierające żadnej gleby, a jedynie medium mineralne. Po 7 dniach oznaczono w próbkach ilościową biodegradację węglowodorów metodą grawimetryczną [5]. Analiza sitowa próbek gleb pokazała, że najbardziej jednorodny skład ma piasek morski, gdzie 80% stanowią cząstki o rozmiarach 500-250 µm. Z kolei w przypadku piasku lessowego dominowała frakcja o rozmiarach cząstek poniżej 125 µm (42%), w czarnej ziemi frakcja 1000-500 µm (45%), a w rędzinie po 32% stanowiły frakcje 1000-500 µm oraz 250-125 µm. Najefektywniej biodegradacja zachodziła w obecności rędziny (68%), najmniej efektywnie – w hodowlach z piaskiem (22%). Biodegradacja w próbie odniesienia wyniosła 36%. Niezależnie od rodzaju gleby (z wyjątkiem hodowli z piaskiem lessowym) dodatek saponin wiązał się ze wzrostem efektywności biodegradacji o kilkanaście punktów procentowych, co w przypadku hodowli z rędziną pozwoliło osiągnąć biodegradację węglowodorów na poziomie 79%. Analiza FTIR gleb dodanych do hodowli mikroorganizmów biodegradujących węglowodory wykazała obecność szeregu sygnałów związanych z krzemowo-tlenową strukturą badanych materiałów. Wśród najważniejszych należy wymienić obecny na wszystkich widmach sygnał przy liczbie falowej około 1050 cm-1, związany z drganiami rozciągającymi grup Si-O-Si. Poniżej 1000 cm-1 widoczny jest szereg pasm, które generowane są przez różnego typu połączenia atomów krzemu z atomami tlenu. Bardzo charakterystyczny sygnał, obecny na widmach wszystkich próbek, posiadający maksimum przy 3748 cm-1, związany jest z występowaniem grup silanolowych w strukturze analizowanych próbek. Istotne pasmo, wskazujące na charakter hydrofilowo-hydrofobowy tych substancji przypada w zakresie 3580-3420 cm-1, jest generowane przez drgania rozciągające grup –OH. Należy podkreślić, iż wraz ze spadkiem intensywności tego pasma (zmniejszenie ilości grup hydroksylowych - wzrost charakteru hydrofobowego materiału) spada efektywność biodegradacji oleju napędowego, co związane jest prawdopodobnie ze zwiększeniem powinowactwa hydrofobowych węglowodorów do powierzchni gleby. 252 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Przeprowadzone badania pokazały, jak istotny wpływ na efektywność biodegradacji węglowodorów ma charakter skażonej nimi gleby. Zebrane wyniki wskazują przy tym, że decydującym parametrem może być hydrofobowo-hydrofilowy charakter gleby i związane z nim powinowactwo węglowodorów do gleby. Jednocześnie wykazano korzystny wpływ dodatku naturalnego surfaktantu, saponin z Quillaja saponaria, na efektywność biodegradacji oleju napędowego przez wykorzystany bakteryjny szczep środowiskowy. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Praca została przygotowana i sfinansowana w ramach projektu badawczego Politechniki Poznańskiej nr 03/32/DSPB/0500 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] M. Megharaj, B. Ramakrishnan, K. Venkateswarlu, N. Sethunathan, R. Naidu (2011) Bioremediation approaches for organic pollutants: A critical perspective, Environment International 37(8):1362-1375 [2] J. Marcinek, J. Komisarek, (red.) (2011) Systematyka gleb Polski, Roczniki Gleboznawcze 62(3):13-24 [3] M. Kopytko, D. M. Ibarra-Mojica (2009) Możliwość biodegradacji węglowodorów ropopochodnych w glebach zanieczyszczonych przez przemysł naftowy, Inżynieria Mineralna 2(3):31-48 [4] S.S. Cameotra, J.M. Bollag (2003) Biosurfactant-enhanced bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons, Critical Reviews in Environmental Science and Technology 30(2):111-126 [5] W. Smułek, E. Kaczorek (2015) Wykorzystanie surfaktantów naturalnych w biodegradacji oleju napędowego, Nafta-Gaz 2:104-109 0 pkt) jedynczy, 10 pkt) 253 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYKORZYSTANIE SAPONIN Z QUILLAJA SAPONARIA W BIODEGRADACJI OLEJU NAPĘDOWEGO Wojciech Smułek, Agata Zdarta, Ewa Kaczorek*, Andrzej Olszanowski Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Zanieczyszczenia środowiska naturalnego związkami ropopochodnymi stanowi nadal ogromny problem ekologiczny. Słaba rozpuszczalność tych związków w wodzie powoduje, że ich biodostępność dla komórek mikroorganizmów uczestniczących w procesie biodegradacji jest ograniczona [1]. Zastosowanie związków powierzchniowo czynnych w bioremediacji jest jednym ze sposobów przyspieszenia biologicznego rozkładu hydrofobowych związków węglowodorowych [2]. Związki te mogą powodować solubilizację węglowodorów, zwiększać powierzchnię kontaktu zanieczyszczeń z mikroorganizmami poprzez ich emulgowanie, jak również bezpośrednio oddziaływań na powierzchnię mikroorganizmów prowadząc do jej modyfikacji [3]. Interakcje pomiędzy mikroorganizmami a hydrofobowymi związkami organicznymi w znacznym stopniu uzależnione są od hydrofobowości powierzchni komórek. W eksperymentach wykorzystano saponiny będące ekstraktem z kory drzewa południowoamerykańskiego Quillaja saponaria. Jest to grupa związków należących do glikozydów, które posiadają ugrupowania hydrofilowe, do których zalicza się: pentozę i heksozę, oraz triterpenowe ugrupowanie hydrofobowe. Analizowano wpływ stężenia saponin (60, 120 i 360 mg/L) na biodegradację oleju napędowego przez środowiskowy szczep Sphingomonas paucimobilis ET, jak również ich oddziaływanie na powierzchnię komórek testowanego szczepu. Eksperyment prowadzono w temperaturze 30oC przez 7 dni. Hydrofobowość powierzchni komórek oznaczano w ich logarytmicznej fazie wzrostu. Zaobserwowano, że wyizolowany ze środowiska szczep bakteryjny charakteryzuje się właściwościami hydrofilowymi (Rys. 1). Wprowadzenie do układu saponin spowodowało modyfikacje właściwości powierzchniowych w kierunku cech hydrofobowych. Nie odnotowano istotnych różnic związanych z ilością wprowadzonego do układu surfaktantu. Wzrost hydrofobowości powierzchni komórek zaobserwowano także podczas hodowli na oleju napędowym (36%). Jakkolwiek w układach saponiny - olej napędowy obserwowano zwiększenie ilości hydrofilowych komórek w stosunku do układu zawierającego same saponiny. Wraz ze wzrostem ilości wprowadzonego surfaktantu następował wzrost cech hydrofilowych powierzchni testowanego szczepu. wprowadzenie saponin do układu z olejem napędowym spowodowało obniżenie hydrofobowości powierzchni komórek wraz ze wzrostem stężenia saponin. 254 Hydrofobowość powierzchni komórek (%) BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 60 120 360 Stężenie saponin (mg/L) saponiny saponiny + ON Rysunek. 1. Hydrofobowość powierzchni szczepu Sphingomonas paucimobilis ET w układzie saponiny oraz saponiny + ON (olej napędowy). Testowany szczep środowiskowy odznacza się słabym potencjałem biodegradacyjnymi w stosunku do oleju napędowego. Jakkolwiek wprowadzenie do układu saponin powoduje wzrost biodegradacji oleju napędowego (Tabela 1) przez sczep Sphingomonas paucimobilis ET. Najwyższą biodegradację zaobserwowano dla ilości saponin 360 mg/L (32%). Wzrostowi biodegradacji wraz ze wzrostem ilości dodawanych do układu saponin towarzyszył spadek hydrofobowości powierzchni komórek. W układzie dominowały komórki o właściwościach hydrofilowych. Tabela 1. Wpływ saponin na biodegradacje oleju napędowego przez szczep Sphingomonas paucimobilis ET. Biodegradacja oleju napędowego (%) Stężenie saponin (mg/L) 0 60 120 360 4±1,2 15±1,8 26±2,9 32±3,1 Saponiny pochodzenia naturalnego mogą stanowić alternatywę dla syntetycznych surfaktantów stosowanych w bioremediacji zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi. Dodatkowymi korzyściami wynikającymi z ich stosowania, jest ich stosunkowo niska toksyczność w stosunku do mikroorganizmów, biodegradowalność i kompatybilność ze srodowiskiem. Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/B/NZ9/00950 255 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] M. Megharaj, B. Ramakrishnan, K. Venkateswarlu, N. Sethunathan, R. Naidu (2011) Bioremediation approaches for organic pollutants: a critical perspective. Environmental International 37:1362-1375 [2] G.M. Zeng, Z.F. Liu, H. Zhomg, J.B. Li, X.Z. Yuan, H.Y. Fu, Y. Ding, J. Wang, M.F. Zhou (2011) Effect of monorhamnolidid on the degradation of n-hexadecane by Candida tropicalis and the association with cell surface properties. Applied of Microbiology and Biotechnology 90:1155-1161 [3] Y. Shoji, T. Igarashi, H. Nomura, T. Eitoku, K. Katayama (2012) Liposome solubilization induced by surfactant molecules in a microchip. Analytical Sciences 28:339-343 256 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. AKTYWNOŚĆ PRZECIWUTLENIAJĄCA POCHODNYCH FLAWONOIDÓW UZYSKANYCH NA DRODZE BIOTRANSFORMACJI (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Sandra Sordon*, Anna Madej, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina, Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław * e-mail: [email protected] Flawonoidy to duża grupa naturalnie występujących związków polifenolowych. Są one szeroko rozpowszechnionymi wtórnymi metabolitami roślin, pełniącymi wiele różnorakich funkcji w roślinach. Flawonoidy mają istotny wpływ na wzrost i rozwój rośliny, chronią je przed negatywnym działaniem promieniowania UV, przed infekcjami bakteryjnymi oraz grzybowymi, a także nadają barwę owocom i kwiatom [1]. Flawonoidy wykazują szerokie spektrum aktywności biologicznych, takich jak: aktywność przeciwutleniająca, przeciwbakteryjna, przeciwzapalna, przeciwnowotworowa i przeciwwirusowa [2]. Flawonoidy obecne w pożywieniu korzystnie wpływają na zdrowie człowieka. Obok rozpuszczalnych w tłuszczach tokoferoli, są najpowszechniejszymi i najbardziej aktywnymi antyoksydantami występującymi w żywności, działającymi zarówno w układach hydrofilowych, jak i hydrofobowych. Wiele badań sugeruje, że większość korzystnych efektów zdrowotnych flawonoidów jest przypisane do ich zdolności antyoksydacyjnej. Na ogół większa liczba podstawników hydroksylowych w flawonoidach powoduje wyższą aktywność antyoksydacyjną [3,4]. Procesy biotransformacji, w przeciwieństwie do klasycznej syntezy chemicznej, są przyjazne dla środowiska, prowadzone są w łagodnych warunkach i pozwalają na regio- i stereoselektywną modyfikację substratu. Ponadto, zgodnie z prawem Unii Europejskiej, produkty uzyskane w drodze biotransformacji związków naturalnych zaliczane są również do naturalnych (Dyrektywa UE 88/388/ EEC). W toku naszych badań wykorzystano czerwone drożdże do otrzymywania bioaktywnych związków pochodzenia naturalnego na drodze transformacji mikrobiologicznej. Otrzymane produkty posiadają znacznie większą aktywność przeciwutleniającą w porównaniu do substratów. Jako jedną z metod porównawczych zastosowano określenie aktywności przeciwutleniających, a dokładniej zdolności do neutralizowania wolnego rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylowego (DPPH). Biotransformacja takich naturalnych flawonoidów jak: naringenina, luteolina, hesperetyna i chryzyna prowadziła do powstania hydroksylowanych produktów z ugrupowaniem katecholowym, będących dobrymi zmiataczami wolnych rodników. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 257 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] G. Forkmann, S. Martens (2001) Metabolic engineering and applications of flavonoids, Current Opinion in Biotechnology 12:155–160 [2] A. Wang, F. Zhang, L. Huang, X. Yin, H. Li, Q. Wang, Z. Zeng, T. Xie (2010) New progress in biocatalysis and biotransformation of flavonoid, Journal of Medicinal Plants Research. 4:847-856 [3] C. A. Rice-Evans, N. J. Miller, G. Paganga (1996) Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic acids, Free Radical Biology and Medicine 20: 933-956 [4] P. G. Pietta (2000) Flavonoids as antioxidants, Journal of Natural Products 63: 1035-1042 258 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FLAWONOIDY JAKO ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE CZYNNE (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Sandra Sordon*, Jarosław Popłoński, Tomasz Tronina, Agnieszka Bartmańska, Ewa Huszcza (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra Chemii, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. C. K. Norwida 25, 50-375 Wrocław * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Flawonoidy to rozległa grupa naturalnych związków, wtórnych metabolitów roślin, zawierających w swej budowie szkielet, w którym dwa pierścienie aromatyczne A i B połączone są trójwęglowym fragmentem, tworzącym najczęściej dodatkowy heterocykliczny pierścień C, który wraz z pierścieniem A tworzy układ chromanu (dihydrobenzopiranu), bądź chromenu (benzopiranu). W zależności od pozycji przyłączenia aromatycznego pierścienia B do pochodnej benzopiranu, flawonoidy możemy podzielić na trzy klasy: flawonoidy, izoflawonoidy oraz neoflawonoidy (Rys. 1). Natomiast flawonoidy nie mające układu chromanu lub chromenu określa jako flawonoidy drugorzędowe [1]. Rysunek 1. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) W zależności od stopnia utlenienia pierścienia C, każdą z głównych grup flawonoidów dzieli się na podklasy, w obrębie których poszczególne związki różnią się między sobą liczbą i rozmieszczeniem grup hydroksylowych. Ponieważ grupy hydroksylowe charakteryzują się dużą reaktywnością, mogą one ulegać reakcjom O-metylacji, O-acylacji, O-sulfatacji itp., czego efektem jest olbrzymia różnorodność struktur chemicznych flawonoidów (Rys. 2) [1]. Flawonoidy występują naturalnie w większości roślin. Są skoncentrowane przede wszystkim w skórce owoców, kwiatach, pestkach oraz korze. Związki te mają duże znaczenie w fizjologii roślin. Nadają barwę kwiatom, liściom i owocom. Dzięki zdolności do pochłaniania promieniowania UV, flawonoidy chronią rośliny przed niekorzystnymi skutkami jego działania. Związki te chronią także rośliny przed infekcjami bakteryjnymi oraz grzybowymi [2]. Zarówno medycyna tradycyjna, jak i współczesna, wykorzystuje ekstrakty roślinne zawierające związki biologicznie czynne, w tym flawonoidy, do leczenia wielu schorzeń. Działanie farmakologiczne flawonoidów przejawia się w różny sposób. W ostatnim czasie zwrócono uwagę na właściwości przeciwutleniające flawonoidów, są one wykorzystywane jako naturalne antyoksydanty oraz jako tzw. zmiatacze wolnych rodników, odpowiedzialnych między innymi za powstawanie nowotworów czy 259 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. procesy starzenia komórkowego [3]. Flawonoidy pozytywnie wpływają na uszczelnianie i wzmacnianie naczyń kapilarnych, dzięki temu znalazły one zastosowanie jako środki zapobiegające krwawieniom, wybroczynom oraz żylakom. Preparat Rutinoscorbin, zawierający flawonoid rutynę, jest stosowany w leczeniu chorób żył i zaburzeń w mikrokrążeniu. C-glukozydy flawonoidów zawarte w preparatach otrzymanych z głogu znalazły zastosowanie w leczeniu chorób serca [4]. Dowiedziono również przeciwalergiczne, przeciwzapalne oraz antydrobnoustrojowe działanie flawonoidów [5]. Ze względu na szeroki zakres biologicznego działania, flawonoidy są bardzo ciekawą grupą związków naturalnych, coraz szerzej wkraczającą na rynek farmaceutyczny jako nutraceutyki oraz suplementy diety. Rysunek 1. Podstawowe szkielety związków flawonoidowych: a) flawonoidy, b) izoflawonoidy, c) neoflawonoidy, d) flawonoidy drugorzędowe 260 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] A. Samanta, G. Das, S. K. Das (2011) Roles of flavonoids in plants, International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences 6: 2-35 [2] G. Forkmann, S. Martens (2001) Metabolic engineering and applications of flavonoids, Current Opinion in Biotechnology 12:155–160 [3] P. G. Pietta (2000) Flavonoids as antioxidants, Journal of Natural Products 63: 1035-1042 [4] P. Knekt, J. Kumpulainen, R. Järvinen, H. Rissanen, M. Heliövaara, A. Reunanen, T. Hakulinen, A. Aromaa (2002) Flavonoid intake and risk of chronic diseases, The American Journal of Clinical Nutrition 76: 560-568 [5] A. Wang, F. Zhang, L. Huang, X. Yin, H. Li, Q. Wang, Z. Zeng, T. Xie (2010) New progress in biocatalysis and biotransformation of flavonoid, Journal of Medicinal Plants Research. 4:847-856 261 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOWALENCYJNE PRZYŁĄCZENIE HEMINY DO OLIGONUKLEOTYDU DNA Z WYKORZYSTANIEM CHEMII „CLICK” Alicja Stanisławska, Joanna Kosman*, Agata Głuszyńska, Bernard Juskowiak Pracowania Chemii Bioanalitycznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 60-614 Poznań * e-mail: [email protected] G-kwadrupleksy, będące fragmentami kwasów nukleinowych, zdolne są do tworzenia kompleksów z cząsteczkami heminy i wykazywania aktywności katalitycznej. Takie układy noszą nazwę DNAzymów, które katalizują reakcje peroksydazowe, zachodzące między nadtlenkiem wodoru, a organicznym substratem, w wyniku czego obserwowany jest sygnał analityczny. DNAzymy tworzone z oligonukleotydów bogatych w reszty guanozyny, poprzez oddziaływanie niekowalencyjne lub wiązanie kowalencyjne (grupa prostetyczna DNAzymu) z heminą, wykazują aktywność peroksydazową [1]. Sama hemina również cechuje się wysokim potencjałem oksydo-redukcyjnym, jednakże jest on znacznie mniejszy niż w przypadku połączenia z oligonukleotydem. Mechanizm takiego oddziaływania polega na zwiększeniu gęstości elektronowej na atomie żelaza porfiryny, przez co kompleks cechuje się wyższym sygnałem analitycznym. Związanie kowalencyjne heminy do oligonukleotydu może wpłynąć na wykazywaną aktywność oraz zredukować sygnał pochodzący od samej porfiryny. Utrudnieniem jest słaba rozpuszczalność heminy w wodnych roztworach buforowych oraz jej silna tendencja do tworzenia dimerów i oligomerów. Wówczas takie połączenia wykazują znikomą, lub w ogóle nie cechują się aktywnością peroksydazową. Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie detergentów, które niwelują możliwość oddziaływania ze sobą porfiryn. Tworzenie się DNAzymu jest silnie zależne od sekwencji oligonukleotydu, zatem także od topologii utworzonego DNAzymu. Sekwencje bogate w reszty guanozyny mogą tworzyć G-kwadrupleksy o topologii antyrównoległej, równoległej, a także mieszanej (równoległa i antyrównoległa). Istotny jest wpływ jonów(Na+, K+) na daną topologię oraz dodatek samego liganda [1]. Udowodniono, że struktury G-kwadrupleksowe występują także w około 40% promotorów genów. Jednakże znacznie mniej jest ich w genach supresorowych. Z kolei bogactwo G-tetrad obserwowane jest w protoonkogenach, które stanowią około 1% wszystkich genów. Geny te, obecne w prawidłowej komórce, zdolne są do rozpoczęcia procesu transformacji nowotworowej. Informacje gromadzone na podstawie badań pozwalają stwierdzić, że struktury G-kwadrupleksów tworzą się w m.in. protoonkogenie c-myc, VEGF, c-kit, HIF-1R, RET, b-cl2 [1]. Takie układy formowane są także na zakończeniach sekwencji telomerowych, co może posłużyć do oznaczenia aktywności telomerazy [3], obecnej w znakomitej większości komórek nowotworowych. Modelową sekwencją do badań nad aktywnością peroksydazową jest np. PS2M ( 5’- GTG GGG CAT TGT GGG TGG-3’). 262 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Cechuje się dużą zdolnością do oddziaływania z heminą, posiada wyższe zdolności do katalizowania reakcji peroksydacji niż telomerowe DNA [2]. Rysunek 1 Ułożenie heminy nad terminalną G-tetradą. Układ katalityczny bazujący na G-kwadrupleksie charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami niż enzym, jest tańszy w syntezie, prostszy w modyfikacji, prawe stukrotnie stabilniejszy niż białka i może przechodzić denaturację w sposób odwracalny, dlatego ich zastosowanie jest alternatywą do peroksydaz stosowanych w detekcji określonych substancji. DNAzymy znalazły zastosowanie w detekcji kationów, m.in. miedzi, srebra, ołowiu, rtęci, terbu. Służą także do detekcji białek, kwasów nukleinowych oraz wielu biomolekuł [1]. Coraz częstszym połączeniem jest użycie nanocząstek wiążących kwasy nukleinowe, które oddziałując z heminą formują G-kwadrupleksy (kropki kwantowe, nanocząstki złota, srebra, nanocząstki magnetyczne). Takie układy, będące sensorami, oddziałują z białkami na powierzchni komórek nowotworowych, z komórkami o obniżonym pH, co spotykane jest w przypadku komórek zmienionych patologicznie Wykorzystując właściwości peroksydazowe utworzonych DNAzymów w reakcji z heminą i organicznym indykatorem, możliwa jest detekcja produktów reakcji utlenienia. Nanocząstki cechuje stabilność oddziaływania z DNA oraz łatwy transport do wnętrza komórek. Posiadają znacznie wyższe współczynniki ekstynkcji, co czyni je bardziej wydajnymi niż barwniki organiczne. Z wysoką wydajnością układy takie dostają się do wnętrza komórek nowotworowych HeLa, stanowiąc wewnątrzkomórkowe sensory dla jonów metali, markerów i mutacji w genach związanych z nowotworzeniem [1]. Utworzenie połączenia kowalencyjnego między heminą, a oligonukleotydem możliwe jest dzięki zastosowaniu chemii „click”. Z wyniku działania katalizatora Cu (I) dochodzi do utworzenia trwałego pierścienia triazolowego między azydkiem heminy, a oligonukleotydem modyfikowanym grupą alkinową. Modyfikacja ta może mieć miejsce na obu końcach oligonukleotydu, bądź wewnątrz sekwencji. Celem pracy jest kowalencyjne przyłączenie azydku heminy do oligonukleotydu, zbadanie wpływu miejsca przyłączenia na aktywność peroksydazową charakterystyka spektralna utworzonego połączenia. 263 utworzonego DNAzymu oraz BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 2. Schematyczny przebieg reakcji. Literatura: [1] H. Yaku, T. Murashima, D. Miyoshi, N. Sugimoto (2012) Specific Binding of Anionic Porphyrin and Phthalocyanine to the G-Quadruplex with a Variety of in Vitro and in Vivo Applications, Molecules 17:10586-10613 [2] H.-W. Lee, Daniel J.-F. (2004) Chinnapen, and Dipankar Sen “Structure–function investigation of adeoxyribozyme with dual chelatase and peroxidase activities, Pure Appl. Chem. 76:1537-1545. [3] L.-J. Wang, Y. Zhang, C.h-Y. Zhang (2013) Ultrasensitive Detection of Telomerase Activity at the Single-Cell Level, Anal. Chem. 85:11509−11517. , 10 pkt) 264 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PRZEMIANY ESTRU 2-ETYLOHEKSYLOWEGO KWASU p-DIMETYLOAMINOBENZOESOWEGO POD WPŁYWEM CZYNNIKÓW UTLENIAJĄCYCH I PROMIENIOWANIA UV (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Waldemar Studziński* (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Zakład Analityki Żywności i Ochrony Środowiska , Uniwersytet Technologiczno- Przyrodniczy w Bydgoszczy, ul. Ks. Kordeckiego 20, Bydgoszcz * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Ester 2-etyloheksylowy kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego (OD-PABA) jest jednym z najczęściej stosowanych organicznych filtrów UV, którego zadaniem jest ochrona ciała, a także minimalizacja szkodliwych rezultatów wywołanych nadmierną ekspozycją światła [1]. Wzrost produkcji oraz konsumpcji filtrów UV przekłada się na przenikanie tych związków do środowiska. Związki, które uważane są za nowe zanieczyszczenia środowiska, wymagają szczególnej uwagi, ponieważ trudno jest przewidzieć ich zachowanie pod wpływem różnych czynników. Aktualnie można zaobserwować dużo badań na temat zachowań filtrów UV w różnych środowiskach, co powoduje zwiększenie niezbędnych danych na temat potencjalnych zagrożeń, spowodowanych wpływem tego rodzaju substancji. Z przeprowadzonych dotąd badań wynika, że substancje promieniochronne mogą przedostawać się do środowiska i ulegać fotodegradacji oraz reakcjom z innymi związkami obecnymi w nim. Wykazano, iż na degradację filtrów wpływa wiele czynników, m.in. promieniowanie UV, pH, rodzaj matrycy, w jakiej znajduje się ten związek, czy też obecność związków sąsiednich (pobocznych). Istotnymi czynnikami wpływającym na degradację filtrów UV, są nadtlenek wodoru, ozon oraz chloran (I) sodu, stosowane do oczyszczania ścieków czy dezynfekcji wód [2]. Celem pracy było zbadanie, w jaki sposób podstawowe czynniki utleniające wpływają na stabilność estru 2-etyloheksylowego kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego. W wyniku addytywnego działania promieniowania UV oraz czynników utleniających następuje reakcja demetylacji grupy aminowej. Przy zastosowaniu chloranu (I) sodu dochodzi do powstawania mono- i dichloro- substytutów, zarówno związku macierzystego, jak i jego metabolitów. Badania wpływu układu oksychlorującego na ester 2-etyloheksylowy kwasu p-dimetyloaminobenzoesowego również wykazały powstawanie szeregu produktów chloroorganicznych. Literatura: [1] D. L. Giokas, A. Salvador, A. Chisvert (2007) UV filters, From sunscreens to human body and the environment, Trendsin Analytical Chemistry, Vol. 26, 2007,str. 361 [2] L Fent, P. Y Kunzac., E.Gomezd (2008) UV Filters in the Aquatic Environment Induce Hormonal Effects and Affect Fertility and Reproduction in Fish, Chimia, Vol. 62, 2008, str. 368-370; 265 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. INTERAKCJE PIRAZOLOPOCHODNEJ Z WYBRANYMI AMINOKWASAMI KIESZENI RECEPTOROWEJ – ANALIZA NMR I OBLICZENIA KWANTOWOMECHANICZNE (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Paulina Szulc , Kornelia Czaja , Elżbieta Jodłowska1, Tomasz Ratajczak2, Marcin K. Chmielewski2, Jacek Kujawski1*, Marek K. Bernard1 1 1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań 2 Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Pochodne pirazolu są rzadko spotykane w świecie naturalnym. Połączenia te jednakże są bioizosterami jednych z najważniejszych związków naturalnych, a mianowicie pirolu, pirymidyny i puryny, stanowiąc ważny kierunek poszukiwań nowych struktur wiodących. Otrzymywane obecnie biblioteki nowych pochodnych pirazolu i indazolu cechują się szerokim spektrum aktywności biologicznej [1,2]. Kontynuując badania naszego zespołu dotyczące interakcji biologicznie ważnych azahetarenów w otoczeniu chemicznym [1-4], skupiono uwagę na oddziaływaniu otrzymanego w Katedrze 1-metylo-6-(4-metylofenylosulfonylo)-4H-pirazolo[4,3-c]pirazolu (Rys. 1) z aminokwasami kieszeni receptorowych, będącymi najczęstszymi miejscami wiązania się pochodnych pirazolu o aktywności przeciwnowotworowej, tj. Glu, Cys, Met, Ala, Lys i Asp, z uwzględnieniem widm temperaturowych (25ᵒC, 40ᵒC, 60ᵒC) 1 H NMR azolu oraz w obecności danego aminokwasu, z zastosowaniem dużego rozcieńczenia próby oraz w obliczu zaniedbywalnej zmiany pH w badanej próbie. Wykazano przy tym największe fluktuacje sygnałów pirazolopochodnej w obecności Glu i Cys (Tabela 1). Doświadczenie wykazało, że w funkcji wzrostu temperatury największą zmianę przesunięcia chemicznego pod wpływem badanego aminokwasu odnotowano w przypadku protonu związanego z pirolowym atomem azotu (N-H) oraz protonem zlokalizowanym w pozycji B. Podyktowane jest to labilnym charakterem protonu N-H oraz względami natury sterycznej (odsłonięciem protonu B). Obecna w strukturze azolu grupa sulfonowa wydaje się mieć stabilizujący charakter powstałego adduktu azol– aminokwas. Analogiczne wnioski odnotowano w przypadku analizy interakcjami badanego azolu z ważnymi z punktu widzenia kancerogenezy jonami magnezu [4]. Oszacowanie energii interakcji azol– aminokwas z uwzględnieniem błędu superpozycji bazy BSSE (B3LYP/6-31g(d,p) i program Gaussian G09 D.01) wykazały dominujący wpływ aminokwasów na ekranowanie jądra protonu N-H. W przypadku cysteiny większy wpływ na energię oddziaływania wydaje się mieć wpływ ugrupowanie aminowe azolu (Rys. 2, energia interakcji E = -10,75 kcal/mol), niż rozmyty ładunek grupy karboksylowej (Rys. 3, energia interakcji E = -9,86 kcal/mol). W pierwszym przypadku (Rys. 2) obliczenia statyczne wykazały możliwość utworzenia silnego wiązania wodorowego typu N-H…NH2 (rN-H = 1,036 Å; dH-N = 1,876 Å; 266 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. = 166,5°), przy czym odległość protonu B względem grupy aminowej Cys w przyjętym modelu wyniosła 4,927 Å, natomiast odległość N-H…S-H wyniosła 4,092 Å. W kolejnym modelu azol–Cys (Rys. 3) odnotowano słabsze wiązanie wodorowe typu N-H…S-H (rN-H = 1,017 Å; dH-S = 2,599 Å; oraz kontakt typu SO2…HOOC (rO-H = 0,983 Å; dH-O = 1,888 Å; = 148,8°) = 149,4°), jednak rozmyty charakter elektronowy karboksylu nie zwiększa siły tegoż oddziaływania, podobnie też jak odległość protonu B względem grupy tiolowej (5,458 Å). Z kolei brak bliskiego sąsiedztwa karboksylu i grupy tiolowej cysteiny względem protonu B w obliczu znikomego wpływu protonu N-H azolu (Rys. 4) skutkuje energią oddziaływania na poziomie E = -3,23 kcal/mol. Z kolei w przypadku oddziaływania azolu z kwasem glutaminowym największą wartość energii oddziaływania (E = -16,19 kcal/mol) odnotowano w przypadku adduktu azol–Glu zobrazowanego na Rys. 5. i podyktowana ona była silnym wiązaniem wodorowym typu N-H…HOOC (rN-H = 1,023 Å; dH-O = 1,913 Å; = 143,6°), jak również bliskością grupy aminowej względem karboksylu w strukturze Glu oraz względnie bliskim sąsiedztwem sulfonylu azolu względem karboksylu Glu, a także protonów C i D tosylu w stosunku do terminalnego ugrupowania karboksylowego oddziałującego aminokwasu. Na obecnym etapie prowadzone są rozważania uwzględniające wpływ pozostałych ugrupowań aminokwasów z uwzględnieniem stabilizującej roli tosylu. Natura powstałych wiązań wodorowych będzie także przedmiotem analizy topograficznej gęstości elektronowej z uwzględnieniem analizy Badera Atoms-in-Molecules (program AIMAll, wersja 14.11.23). H N B N N N O2S Me E C C D D Me A Rysunek 1. Rysunek 2. Rysunek 4. Rysunek 3. Rysunek 5. 267 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Tabela 1. Azol Lokant Azol–Glu Lokant δ [ppm] 40 C 7,851 7,605 7,434 4,074 60 C 7,849 7,581 7,431 4,072 A 2,374 2,379 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 2,385 D B C E 25 C 7,854 7,624 7,435 4,075 Azol–Cys δ [ppm] δ [ppm] Lokant D B C E 25 C 7,861 7,644 7,444 4,084 40 C 7,858 7,625 7,444 4,083 60 C 7,855 7,602 7,442 4,081 A 2,375 2,380 2,387 D B C E 25 C 7,859 7,637 7,442 4,081 40 C 7,856 7,619 7,441 4,080 60 C 7,853 7,597 7,439 4,079 A 2,374 2,379 2,386 Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] J. Kujawski, M. Doskocz, H. Popielarska, A. Myka, B. Drabińska, J. Kruk, M. K. Bernard (2013) Interactions between indazole derivative and magnesium cations - NMR investigations and theoretical calculations, J. Mol. Struct. 1047, 292-301 [2] J. Kujawski, K. Czaja, M. Doskocz, M. K. Bernard, B. Drabińska, J. Kruk, A. Myka (2015) On the interactions of indazole derivative with nucleosides - Toward modeling the cytotoxic activity mechanism, Comput. Theor. Chem. 1059, 45-50 [3] J. Kujawski, M. K. Bernard, E. Jodłowska, K. Czaja, B. Drabińska (2015) On the interactions of leflunomide and teriflunomide within receptor cavity - NMR studies and energy calculation, J. Mol. Model. 21(5), 105 1-12] [4] K. Czaja, J. Kujawski, U. Girrser, J. J. Panek, M. Doskocz, M. K. Bernard (2015) Possible interactions between fused pyrazole derivative and magnesium ions - NMR experiments and theoretical calculations, Arkivoc (w recenzji) 268 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WŁAŚCIWOŚCI SPEKTROSKOPOWE I ZASTOSOWANIE APLIKACYJNE OLIGONUKLEOTYDOWYCH SOND ZNAKOWANYCH UGRUPOWANIEM PIRENYLOWYM (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Angelika Świtalska *, Julia Masterniak2, Bernard Juskowiak1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkiewicza, ul. Fredy 10, 61-701 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Istnieje szeroki wachlarz sond fluorescencyjnych, dzięki którym można zrozumieć organizacje molekularną cząsteczek biologicznych. Sondy znakowane pirenem są jednymi z najstarszych wykorzystywanych do badania wielu biocząsteczek: białek, lipidów i kwasów nukleinowych [1,2]. Komunikat ten opisuje oligonukleotydowe sondy wykorzystujące fluorescencję pirenu (końce 5’ i 3’ oligonukleotydu znakowane są grupami pirenylowymi) stosowane do monitorowania zmian konformacyjnych cząsteczek DNA – tworzenia G-kwadrupleksów. G-kwadrupleksy (G4 DNA) są to czteroniciowe struktury formowane na niciach bogatych w guaninę (G). Czteroniciowa helisa DNA jest tworzona dzięki tetradom guaninowym – cztery zasady guaninowe formujące tą strukturę są stabilizowane przez wiązania wodorowe typu Hoogsteen’a jak również przez kation metalu, zwykle K+ lub Na+. G4 DNA mogą powstać w wyniku zwinięcia pojedynczej nici DNA (intramolekularny G4 DNA) lub asocjacji dwóch lub czterech łańcuchów (intermolekularny G4 DNA). Do niedawna struktury te istniały wyłącznie w probówce. Najnowsze badania dowodzą, że udało się wykryć biologicznie aktywną ich formę w ludzkich komórkach, co jest bardzo ważnym faktem z punktu widzenia biologii i medycyny [3,4]. Należy podkreślić, że fotofizyka cząsteczki pirenu jest zjawiskiem złożonym z udziałem wielu procesów. Wzbudzenie cząsteczki monomeru (M) powoduje powstanie wzbudzonego stanu monomerowego (M*), a typowe widmo emisji składa się z dwóch pasm, z max. przy λ=380 i λ=400 nm (hνM) → (M → M* → M + hνM). Natomiast, gdy 2 cząsteczki monomeru (M+M) znajdują się w przestrzeni blisko siebie, możliwe są 2 rozwiązania: (1) wzbudzenie (M•M) powoduje uzyskanie stanu ekscymerowego (E*) z uzyskaniem szerokiego przesuniętego pasma z max. λ=480 nm (hνE) → (M + M → M•M → M•M* → E* → M•M + hνE); (2) lub może powstawać niefluorescencyjny kompleks (M•M), który jest statycznie wygaszany (2 ugrupowania pirenu są w niekorzystnej konfiguracji ekscymerowej) → (M + M → M•M → M•M* → M•M) [5,6]. Podstawą działania układów sensorowych opisywanych w komunikacie jest selektywne kompleksowanie jonów K+ lub Na+ przez znakowany oligonukleotyd (py/py), czemu towarzyszy utworzenie struktury czteroniciowej (G4 DNA), a reorganizacja przestrzenna sondy skutkuje generacją 269 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. sygnału fluorescencyjnego (Rys. 1). W miejscu monomerowej emisji pirenu (2 zespoły pasm przy λ=380 i λ=400 nm) obserwuje się emisję ekscymerową (pasmo λ=480 nm). Oligonukleotyd odpowiedzialny za kompleksowanie kationów K+ i Na+ dobrany był w sposób zapewniający dobrą selektywność, a jest nim aptamer antytrombinowy (TBA) – d(GGTTGGTGTGGTTGG). Wiadomo, że w obecności jonów K+ sekwencja ta przyjmuje formę krzesełkową [7]. Zaprojektowano 2 sondy fluorescencyjne: TBA-py i ChTBApy na bazie tego aptameru do oznaczania jonów K+ w układach biologicznych. Istotną cechą strukturalną sond jest sposób przyłączenia cząsteczki pirenu do sekwencji sondy oraz w przypadku sondy ChTBA-py obecność ugrupowania cholesterolowego (Ch), które również ma wpływ na reorganizację molekularną sondy. Scharakteryzowano spektralnie (spektroskopia UV-Vis, spektroskopia fluorescencyjna, dichroizm kołowy) zaprojektowane oligonukleotydowe sondy fluorescencyjne. Stosunek escymer/monomer (e/a) obliczony na podstawie porównania intensywność pasma fluorescencji ekscymeru (~480 nm) w stosunku do pierwszego pasma pochodzącego od monomeru (~380 nm) jest wskaźnikiem stopnia tworzenia stanu ekscymerowego, a co za tym idzie formowania struktury kwadrupleksowej. Rysunek 1. Schemat sondy oligonukleotydowej znakowanej ugrupowaniami pirenylowymi, opartej na strukturze G-kwadrupleksu do detekcji jonów K+. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] J.N. Wilson, E.T. Kool (2006) Fluorescent DNA base replacements: Reporters and sensors for biological systems, Org. Biomol. Chem. 4: 4265-4274. [2] C. Wu, C. Wang, L. Yan, C.J. Yang (2009) Pyrene excimer nucleic acid probes for biomolecule Signaling, J. Biomed. Nanotechnol. 5: 495-504. [3] B. Juskowiak (2006) Analytical potential of the quadruplex DNA-based FRET probes, Anal. Chim. Acta 568:171-180. [4] G. Biffi, D.H. McCafferty, S. Balasubramanian (2013) Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells, Nature Chem. 5: 182-186. [5] G. Bains , A.B. Patel, V. Narayanaswami (2011) Pyrene: A Probe to Study Protein Conformation and Conformational Changes, Molecules 16: 7909-7935. [6] S.S. Lehrer (1995) Pyrene excimer fluorescence as a probe of protein conformational change, Subcell. Biochem. 24: 115-132. [7] L. C. Block, L. C. Griffin, J. A. Latham, E. H. Vermaas, J. J. Toole (1992) Selection of single-stranded DNA molecules that bind and inhibit human thrombin, Nature 355(6360): 564-566. 270 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. POTENCJALNE LEKI ANTYRESORPCYJNE: BADANIA IN SILICO I SORPCJA NA HYDROKSYAPATYCIE Rafał Tomczak1*, Monika Pietrzyńska1, Danuta Rusińska-Roszak1, Joanna Zembrzuska2, Adam Voelkel1 1 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań e-mail: [email protected] Bisfosfoniany stanowią istotną grupę związków chemicznych, które znalazły szerokie zastosowanie w leczeniu chorób układu kostnego, będących skutkiem zaburzeń metabolizmu wapnia. Choć dokładny mechanizm molekularny funkcjonowania tych substancji nie został w pełni wyjaśniony, przypuszcza się, że ich korzystne efekty terapeutyczne wynikają z bezpośredniego oddziaływania na osteoklasty i osteoblasty, co w rezultacie prowadzi do zahamowania resorpcji tkanki kostnej oraz pobudzenia procesu kościotworzenia [1]. Cechą charakterystyczną bisfosfonianów stosowanych obecnie jako leki antyresorpcyjne jest to, że wykazują silne powinowactwo do fazy nieorganicznej kości, której podstawową składową jest hydroksyapatyt. Pomimo wielu przeprowadzonych badań, mechanizm sorpcji tych związków na powierzchni kości wciąż budzi wiele wątpliwości. Najczęściej reprezentowany pogląd wyraża przekonanie, że zjawisko to jest efektem wiązania, jakie tworzy się pomiędzy grupami fosfonianowymi tych substancji, a jonami wapnia obecnymi w strukturze hydroksyapatytu [2]. Wprawdzie zdolność tych leków do chemicznego wiązania się z tkanką kostną nie znajduje pełnego odzwierciedlenia w ich efekcie terapeutycznym wynikającym z oddziaływań na poziomie komórkowym, to analiza sorpcji na hydroksyapatycie posiada istotne znaczenie na etapie badań wstępnych [3]. Głównym problemem ograniczającym skuteczność działania bisfosfonianów jest ich niska biodostępność (1-7%) i niedostateczna wchłanialność z przewodu pokarmowego, co związane jest ściśle z ich lipofobowym charakterem i zdolnością do kompleksowania różnego rodzaju jonów, w tym np. 2+ Mg [4]. Fakt ten skłania do poszukiwania nowych leków antyresorpcyjnych, które pozbawione będą niekorzystnych właściwości, a przy tym wykazywać będą podobny wpływ na układ kostny. Celem badań była analiza sorpcji na hydroksyapatycie wybranych związków fosforoorganicznych, w tym estrów kwasu ortofosforowego(V). W zależności od struktury danego związku wykorzystano technikę UV (dla substancji z pierścieniem aromatycznym) lub LC-MS/MS. Próbki do badań sporządzono przy użyciu płynu Tris∙HCl∙NaCl w pH 7,2-7,3. Podjęto również próbę porównania otrzymanych wyników doświadczalnych z badaniami in silico przeprowadzonymi przy użyciu programu Gaussian® 09 dla soli typu anion związku–Ca2+ zoptymalizowanych w bazie funkcyjnej 6-31+G(d,p) na poziomie DFT/B3LYP. Potencjalne działania farmakologiczne i toksyczne przebadanych związków oszacowano wykorzystując program PASS (ang. Prediction of Activity Spectra for Substances), który opracowany został w Instytucie Chemii Biomedycznej Rosyjskiej Akademii Nauk 271 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. w Moskwie do oceny spektrum bioaktywności związków chemicznych, w tym potencjalnych leków na etapie ich projektowania [5]. Literatura: [1] E. V. Giger, B. Castagner, J.-C. Leroux (2013) Biomedical applications of bisphosphonates, J. Control. Release 167(2):175-188 [2] E. Sewerynek, M. Stuss (2007) Bisfosfoniany – leki antyresorpcyjne o działaniu przeciwbólowym?, Prz. Menopauz. 6(5):276-282 [3] R. Bartl, B. Frisch, E. von Tresckov, C. Bartl (2007) Bisphosphonates in Medical Practice, Springer-Verlag, Berlin [4] S. Reinsdorf, B. Habermann, K. Hochmuth, A. A. Kurth (2007) Bisphosphonate in der Osteoporosetherapie. Standards und Perspektiven, Orthopäde 36(2):110–117 [5] D. A. Filimonov, V. V. Poroikov, E. I. Karaicheva, R. K. Kazarian, A. P. Budunova, E. M. Mikhailovskii, A. V. Rudnitskikh, L. V. Goncharenko, I. V. Burov (1995) The computerized prediction of the spectrum of biological activity of chemical compounds by their structural formula: the PASS system. Prediction of Activity Spectra for Substance, Eksp. Klin. Farmakol. 58(2):56-62. 272 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. DEGRADACJA WYBRANYCH BARWNIKÓW SYNTETYCZNYCH Z WYKORZYTANIEM LAKKAZY Z TRAMETES SP. IMMOBILIZOWANEJ NA MATRYCY FERROMAGNETYCZNEJ Agata Wasak*, Radosław Drozd Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin * e-mail: [email protected] Barwniki syntetyczne są powszechnie stosowane w przemyśle tekstylnym, papierniczym, farmaceutycznym, tworzyw sztucznych, spożywczym, chemicznym, kosmetycznym i innych [1,2]. Zdecydowana większość z nich jest odporna na działanie światła słonecznego, wysokich temperatur, detergentów oraz mikroorganizmów. Jednak to łatwość i opłacalność procesu ich syntezy oraz duża różnorodność kolorystyczna sprawiają, że zainteresowanie nimi wciąż rośnie. Co roku na świecie wytwarza się około 7 x 105 ton różnych barwników i pigmentów. Blisko 10 % z nich trafia do wody, tworząc barwne ścieki [3]. Ograniczają one penetrację wody przez światło słoneczne, spowalniając proces fotosyntezy, hamując wzrost fauny i flory oraz zakłócając rozpuszczalność gazów w zbiornikach wodnych [4]. Remediacja barwnych ścieków jest ważna nie tylko ze względu na sam kolor, ale przede wszystkim ich toksyczność, mutagenność i możliwość tworzenia przez nie w środowisku wodnym kancerogennych amin [5]. Konwencjonalne fizyczne i chemiczne metody oczyszczania ścieków tekstylnych (filtracja, precypitacja, fotodegradacja, metody chemiczne, adsorpcja, ozonowanie) są kosztowne, wiążą się z niebezpieczeństwem powstawania toksycznych produktów pośrednich oraz są mało wszechstronne [6]. Rozwiązaniem tych problemów jest wykorzystanie alternatywnych metod bioremediacji z użyciem mikroorganizmów i ich enzymów [7]. Grzyby z rodzaju Trametes sp. wykształciły szlaki metaboliczne umożliwiające im utlenianie wielu związków organicznych oraz nieorganicznych w tym również aromatycznych np. barwników syntetycznych. W procesy te zaangażowany jest złożony kompleks enzymatyczny, którego głównym elementem jest oksydaza p - difenolowa (EC 1.10.3.2), zwana lakkazą. Charakteryzuje się ona szerokim zakresem specyficzności substratowej. Jako enzym egzocelularny, pozostaje stabilna w środowisku pozakomórkowym, co daje możliwość jej wydajnego oczyszczenia i wykorzystania w procesach biotechnologicznych w formie wolnej i zimmobilizowanej [8]. Jedną z najbardziej wydajnych metod immobilizacji lakkaz jest kowalencyjne wiązanie enzymu do nośnika. Obiecującą modyfikacją tej techniki jest zastosowanie matrycy ferromagnetycznej, dającej łatwość manipulacji oraz możliwość szybkiego odseparowania lakkazy ze środowiska reakcyjnego wykorzystując zwykły magnes [9]. 273 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem badań była analiza zdolności lakkazy zimmobilizowanej na nośniku ferromagnetycznym do degradacji wybranych barwników syntetycznych z grupy barwników azowych oraz arylometanowych. Źródło enzymu stanowił grzyb z rodzaju Trametes sp. o numerze identyfikacyjnym - 7/23/03/13, pochodzący z kolekcji mikroorganizmów Katedry Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Jego hodowle prowadzono w płynnych pożywkach PDB (Potato Dextrose Broth) z dodatkiem 0,1% zieleni malachitowej, jako induktora dla sekrecji lakkazy. Kultury prowadzono do chwili zaniku absorbancji przy 620 nm (≈ 7 dni), następnie filtrowano i zagęszczano. Następnie przeprowadzono wieloetapowy proces oczyszczania enzymu z zastosowaniem metod: frakcjonowania w trzech fazach (TPP), sita molekularnego oraz chromatografii jonowymiennej. Czystość końcowego preparatu enzymatycznego analizowano elektroforetycznie z wykorzystaniem 10% żelu SDS-PAGE. Oczyszczoną lakkazę poddano wielostronnej analizie jej właściwości katalitycznych i strukturalnych z wykorzystaniem standardowych technik analitycznych. Wyznaczono stałą Km, optima katalityczne i stabilności względem temperatury oraz pH. Oznaczono specyficzność substratową, wpływ wybranych jonów metali (m. in.: miedzi, manganu, niklu, kobaltu, rtęci) oraz właściwości strukturalne np. masę molekularną. Scharakteryzowany enzym poddano procesowi immobilizacji na silanizowanym APTS ((3-aminopropylo)trietoksysilan) nośniku ferromagnetycznym aktywowanym glutaraldehydem. Opracowany układ poddawany był testom sprawdzającym wydajność procesu immobilizacji oraz wpływu tego procesu na parametry kinetyczne enzymu. Następnie oceniono jego efektywność w procesie dekoloryzacji wybranych barwników syntetycznych. Wyizolowana i oczyszczona lakkaza wykazywała porównywalne właściwości do znanych lakkaz grzybowych. Nie stwierdzono istotnych różnic w właściwościach katalitycznych immobilizowanego enzymu i jego formy wolnej, co świadczyło o znikomym wpływie zastosowanej metody immobilizacji, na jego strukturę. Immobilizowana lakkaza wykazywała dużą wydajność w procesie odbarwiania zieleni malachitowej i oranżu metylowego. Jednakże degradacja barwników wymagała obecności mediatora w postaci ABTS. Uzyskane wyniki wskazują na potencjalną przydatność badanego układu do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających barwniki azowe oraz arylometanowe. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] S. Rodríguez Couto (2009) Dye removal by immobilised fungi, Biotechnology Advances 27, 227–235 [2] E. A. Erkurt , A. Unyayar, H. Kumbur (2007) Decolorization of synthetic dyes by white rot fungi, involving laccase enzyme in the process, Process Biochemistry 42, 1429–1435 [3] M. A. Mazmanci, A. Ünyayar, E. A. Erkurt, N. B. Arkçı, E. Bilen, M. Özyurt (2009) Colour removal of textile dyes by culture extracts obtained from white rot fungi, African Journal of Microbiology Research Vol. 3(10) pp. 585-589 [4] M. A. Amoozegar, M. Hajighasemi, J. Hamedi, S. Asad, A. Ventosa (2011) Azo dye decolorization by halophilic and halotolerant microorganisms, An Microbiol, 61:217–230 274 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [5] H. R. Kariminiaae-Hamedaani, A. Sakurai, M. Sakakibara (2007) Decolorization of synthetic dyes by a new manganese peroxidase-producing white rot fungus, Dyes and Pigments 72, 157e162 [6] J. T. Chacko, K. Subramaniam (2011) Enzymatic Degradation of Azo Dyes – A Review, International Journal of Environmental Sciences Volume 1, No 6, 201 [7] I. Eichlerova, I. Homolka, F. Nerud (2002) Decolorization of Synthetic Dyes by Pleurotus ostreatus Isolates Differing in Ligninolytic Properties, Folia Microbiol. 47 (6), 691q595 [8] M. Fernández - Fernández, M. Ángeles Sanromán, D. Moldes (2013) Recent developments and applications of immobilized laccase, Biotechnology Advances 31:1808 – 1825 [9] J. Rotkova, R. Sulakova, L. Korecka, P. Zdrazilova, M. Jandova , J. Lenfeld, D. Horak, Z. Bılkova (2009) Laccase immobilized on magnetic carriers for biotechnology applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 321:1335 - 40 odstęp pojedynczy, 10 pkt) 275 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MAGNEZOWA PORFIRAZYNA DIAZEPINOWA Z PERYFERYJNYMI UGRUPOWANIAMI 3,5-BISBENZYLOKSYBENZYLOWYMI JAKO POTENCJALNY FOTOSENSYBILIZATOR W TERAPII FOTODYNAMICZNEJ (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Ewelina Wieczorek *, Jarosław Piskorz 2, Łukasz Popenda 3, Stefan Jurga 3,4, Jadwiga Mielcarek 2, Tomasz Gośliński 1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra i Zakład Technologii Chemicznej Środków Leczniczych, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Polska 2 Katedra i Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, Polska 3 Centrum NanoBioMedyczne, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 85, 61-614 Poznań, Polska 4 Zakład Fizyki Makromolekularnej, Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 85, 61-614 Poznań, Polska * e-mail: [email protected] §(odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Porfirazyny należą do makrocyklicznych związków zawierających w rdzeniu atomy azotu w miejscach, gdzie w porfirynach występują mostki metinowe. Związki porfirazynowe, posiadające peryferyjne ugrupowania dendrymeryczne, stwarzają szerokie perspektywy zastosowań w medycynie i bionanotechnologii. Makrocykle tej grupy wykazują interesujące właściwości optyczne, w szczególności fluorescencję oraz zdolność generowania tlenu singletowego. Wzbudzenie cząsteczki porfirynoidu, po jego kumulacji w tkance zmienionej nowotworowo światłem o odpowiedniej długości fali, wywołuje konwersję energii świetlej w energię chemiczną. Przeniesienie energii wzbudzenia z fotosensybilizatora na tlen trypletowy prowadzi do wytworzenia tlenu singletowego charakteryzującego się stosunkowo długim czasem życia i silnymi właściwościami utleniającymi, co w konsekwencji wywołuje zniszczenie patogenów lub tkanek nowotworowych (Rys. 1) [1]. O O 1 O2* O O Źródło światła O O O O N N O N O N N O O N Mg N N O N N N N O N N O N N O O O O O O O O O Rysunek 1. Uproszczony schemat terapii fotodynamicznej (PDT). 276 tkanka nowotworowa BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Zastosowanie terapii fotodynamicznej (PDT) jako terapii fotochemioterapeutycznej do leczenia onkologicznego jest możliwe głównie dzięki zastosowaniu fotouczulaczy o określonych właściwościach. Z tego względu, porfirazyny posiadające w strukturze skondensowany z rdzeniem pierścień diazepinowy stały się tematem badań fizykochemicznych [2]. Porfirazyny diazepinowe w zakresie UV-Vis charakteryzują się kilkoma pasmami absorpcji, z których najbardziej charakterystyczne jest szerokie pasmo Q w przedziale 530-620 nm. Obecność tego pasma warunkuje możliwość zastosowania tych makrocykli jako fotosensybilizatorów w PDT. O O O O O O O O O O O O N N N O N NH2 N N 1 N N O N O N N O O N Mg N O O N N N N NH2 N N BuOH, Mg, I2 24h, reflux N N N O O O O O O O O O O O 2 3 Zsyntezowano ugrupowaniem i scharakteryzowano 3,5-bisbenzyloksybenzylowym, nową z porfirazynę y, 10 pkt) diazepinową wykorzystaniem z komercyjnie peryferyjnym dostępnego diaminomaleonitrylu (1). Najpierw przeprowadzono trzyetapową syntezę 5,7-dipodstawionej pochodnej diazepinowej (2). Następnie związek ten został poddany reakcji makrocyklizacji w warunkach reakcji Linsteada. Otrzymaną porfirazynę diazepinową (3) oczyszczano na drodze chromatografii kolumnowej oraz scharakteryzowano z wykorzystaniem technik NMR oraz UV-vis. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Badania wykonano w ramach grantu Sonata Bis NCN (2012/05/E/NZ7/01204). ŁP i SJ dziękują NCBiR za finansowanie badań (PBS1/A9/13/2012).(odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] S. Yano, S. Hirohara, M. Obata, Y. Hagiya, S. Ogura, A. Ikeda, H. Kataoka, M. Tanaka, T. Joh (2011) Current states and future views in photodynamic therapy, J. Photochem. Photobiol. C 12(1):46-67 [2] J. Piskorz, K. Konopka, N. Düzgüneş, Z. Gdaniec, J. Mielcarek, T. Goslinski (2014) Diazepinoporphyrazines containing peripheral styryl substituents and their promising nanomolar photodynamic activity against oral cancer cells in liposomal formulations, ChemMedChem 9(8):1775-1782. 277 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW CZWARTORZĘDOWYCH SOLI PIRYDYNIOWYCH NA WZROST POPULACJI BAKTERII OSADU CZYNNEGO (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Aleksandra Wojciechowska*, Wojciech Smułek, Irmina Wojciechowska, Karolina Wieszczycka, Ewa Kaczorek (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Czwartorzędowe sole pirydyniowe są związkami o szerokim spektrum zastosowania, m.in. znalazły zastosowanie jako środki ochrony roślin, surfaktanty, składniki preparatów grzyboi bakteriobójczych, a także w ostatnich latach jako ligandy w procesie odzysku metali z roztworów odpadowych [1-5]. Potencjalne wykorzystanie czwartorzędowych soli pirydyniowych na skalę przemysłową może doprowadzić do skażenia środowiska poprzez przypadkowe wycieki ścieków i dostanie się ich do wód odpadowych. Z kolei obecność tego typu związków w wodach ściekowych może wpłynąć na równowagę biologiczną osadu czynnego w oczyszczalniach ścieków. Oczyszczanie wód odpadowych metodą biologiczną z wykorzystaniem osadu czynnego ma na celu mineralizację zanieczyszczeń organicznych przez mikroorganizmy, które znajdują się w osadzie. W ten sposób pozyskują one energię niezbędna do życia, następuje przyrost biomasy oraz powstają mineralne formy węgla, fosforu, siarki i azotu. Osad czynny jest kłaczkowatą zawiesiną, w skład której wchodzą bakterie heterotroficzne (głównie z rodzaju Pseudosomonas, Bacillus i Alcaligenes), pierwotniaki (orzęski i wiciowce), wrotki oraz grzyby [6]. Charakter substancji obecnych w ściekach istotnie wpływa na pracę osadu czynnego. Przykładowo, substancje organiczne, które są trwałe i trudne do degradacji, wymagają wydłużonego czasu kontaktu z osadem i recyrkulacji ścieków oczyszczonych. W obecności substancji silnie toksycznych może dojść również do zachwiania równowagi biologicznej, a nawet wymarcia mikroorganizmów osadu czynnego. Celem badań było określenie wpływu wybranych czwartorzędowych soli pirydyniowych na dynamikę wzrostu bakterii obecnych w osadzie czynnym. Otrzymanie badanych związków obejmowało trzyetapową syntezę. W pierwszym etapie otrzymano keton decylowo-3-pirydynowy w reakcji Gringarda, który następnie poddano reakcji oksymowania w obecności silnej zasady. Ostatni etap polegał na przeprowadzeniu oksymu 1-(3-pirydylo)undekan-1-onu (3PC10) w odpowiednią sól pirydynową (Rys. 1.). Struktury wszystkich otrzymanych związków zostały potwierdzone za pomocą metod spektroskopowych: 1H i FT-IR oraz ESI-MS. 278 13 C NMR, BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. O C N 1) C10H21MgBr / Et2O C10H21 + 2) H2O, H , 2 dni N N NH2OH*HCl NaOH EtOH, 2h rt. OH OH N N C10H21 RBr C10H21 CH3CN, rt. N N R Br 3PC10 R= C2-C4 Rysunek 1. Schemat syntezy czwartorzędowych soli pirydyniowych. Do badań wybrano następujące czwartorzędowe sole pirydyniowe: 3PC10-EtBr - bromek 1-etylo-3-[1-(hydroksyimino)undecylo]pirydyniowy; 3PC10-PrBr - bromek 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylo pirydyniowy; 3PC10-BuBr - bromek 1-butylo-3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-pirydyniowy. W badaniach użyto konsorcjum bakteryjne pochodzące z osadu czynnego pobranego z oczyszczalni komunalnej w Koziegłowach k. Poznania. Konsorcjum przechowywano na płytkach agarowych z podłożem Mueller-Hinton. Hodowle płynne zawierały (w g/l): 4,0 peptonu; 0,4 wyciągu mięsnego; 5,4 hydrolizatu kazeiny; 1,7 hydrolizatu drożdży; 3,5 NaCl. Drugą serię hodowli prowadzono w medium hodowlanym [7] zawierającym sole mineralne będące źródłem makro- i mikroelemntów. Hodowle o objętości 25 ml prowadzono w szklanych kolbach stożkowych o objętości 250 ml i inkubowano w temperaturze 30°C. Hodowle zaszczepiono konsorcjum bakteryjnym i wprowadzono testowane związki w ilości 10, 25, 100, 200 oraz 500 mg/l hodowli. Próbę odniesienia stanowiła hodowla nie zawierająca badanych związków. Pomiary przyrostu biomasy wykonano po 24, 48 i 120 h mierząc gęstość optyczną przy długości fali 600 nm. Zebrane wyniki dla hodowli prowadzonych na bulionie odżywczym wykazały, że we wszystkich próbach po początkowym etapie wzrostu następował spadek gęstości optycznej, co może wskazywać na obumieranie komórek bakteryjnych. W hodowlach z 3PC10-BuBr spadek ilości biomasy był mniejszy niż w przypadku pozostałych związków. Wyniki pokazują także wyraźny wzrost toksyczności przy wzroście stężenia soli pirydyniowych w hodowlach. W hodowlach prowadzonych jedynie na medium hodowlanym w badanym okresie czasu nie zaobserwowano, aby następował przyrost ilości biomasy. Świadczyć to może o braku włączenia tych związków w szlaki metaboliczne bakterii składających się na konsorcjum. 279 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Badania wykazały, że czwartorzędowe sole pirydyniowe mogą stanowić zagrożenie dla równowagi biologicznej bakterii osadu czynnego. Nie stwierdzono również, aby szczepy konsorcjum mogły wykorzystywać te związki, jako źródło węgla i energii. Ich toksyczność rośnie wraz z malejącą długością łańcucha węglowego. Badania zrealizowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0520. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] R. Mikláš, N. Miklášová, M. Bukovsky , B. Horváth, J. Kubincová , F. Devínsky (2014) Synthesis, surface and antimicrobial properties of some quaternary ammonium homochiral camphor sulfonamides, European Journal of Pharmaceutical Sciences 65:29–37 [2] Y.H. Kim, G. Sun (2002) Functional finishing of acrylic and cationic dyeable fabrics: intermolecular interactions, Textile Research Journal 72:1052–1056 [3] J. Krysiński, J. Placzek, A. Skrzypczak, B. Predki (2009) Analysis of relationships between structure, surface properties, and antimicrobial activity of quaternary ammonium chlorides, QSAR & Combinatorial Science 28:995–1002 [4] Y. Pico, G. Font, J.C. Molto, J. Manes (2000) Solid-phase extraction of quaternary ammonium herbicides, Journal of Chromatography A 885:251–271 [5] K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, M. Krupa, R. Kordala-Markiewicz (2013) Quaternary Pyridinium Ketoximes as Zinc Extractants from Chloride Solution, Journal of Chemical and Engineering Data 58(11):3207–3215 [6] J. Kalka (2000) Oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego, w: K. Miksch (red.), Biotechnologia ścieków, Politechnika Śląska, Gliwice [7] E. Kaczorek, W. Smułek, A. Zgoła-Grześkowiak, K. Bielicka-Daszkiewicz, A. Olszanowski (2015) Effect of Glucopon 215 on cell surface properties of Pseudomonas stutzeri and diesel oil biodegradation, International Biodeterioration and Biodegradation 104:129-135 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 280 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. BIODEGRADACJA LEKÓW NOOTROPOWYCH, KTÓRE WSPÓŁCZEŚNIE ZANIECZYSZCZAJĄ NASZ EKOSYSTEM (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1,2 Marta Woźniak *, Łukasz Chrzanowski1, Monika Cvancarová2, Philippe F.X. Corvini2, Danuta Cichocka2 1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań, Polska 2 Institute for Ecopreneurship, School of Life Sciences, University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland, Muttenz, Switzerland * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Leki nootropowe są nową grupą farmaceutyków współcześnie zanieczyszczających środowisko. Stały się bardzo popularne ze względu na ich stosowanie jako substancji psychoaktywnych. Występują w lekach, suplementach, odżywkach i żywności funkcjonalnej (probiotycznej), które aktywizują procesy psychiczne, w szczególności poziom świadomości, procesy kognitywne, pamięciowe, poprawiają inteligencję, aktywność, motywację oraz koncentrację. W Polsce coraz częściej pojawiają się na rynku farmaceutycznym, wabiąc swoimi właściwościami szczególnie osoby pracujące umysłowo. Metylofenidat (znany jako Ritalin) jest znanym stymulantem ośrodkowego układu nerwowego, a jego nadużywanie jako substancji psychoaktywnej prowadzi do zwiększenia efektywności pracy [1]. Raporty międzynarodowych instytucji dotyczące spożywania substancji nielegalnych sugerują, że produkcja metylofenidatu wzrosła trzykrotnie w latach 2000-2009 [2]. Jedynie w Niemczech ilość recept z metylofenidatem wzrosła z 8 mln DDD (zdefiniowane dzienne dawki 30 mg) do 52,3 mln DDD tylko w ostatnich 9 latach, co stanowi około 1570 kilogramów metylofenidatu rocznie [1]. Metylofenidat jest metabolizowany w organizmie i wydalany jako kwas ritalinowy. Piracetam zaś jest substancją stymulującą mózg i układ nerwowy, a dodatkowo nadużywany jest w celu zwiększenia funkcji poznawczych tj. pamięci oraz koncentracji. Cieszy się coraz większym zainteresowaniem wśród studentów jako wspomagacz podczas egzaminów [3]. Substancje nootropowe zostały niedawno wykryte w wodach powierzchniowych, ściekach i wodzie pitnej [4, 5], ale do tej pory nie ma żadnych doniesień dotyczących stabilności tych związków w środowisku oraz możliwości ich usuwania. Celem badań było określenie potencjału biodegradacji kwasu ritalinowego (RA) oraz piracetamu (PIR) w różnych próbkach środowiskowych. Po raz pierwszy podjęto próbę izolacji i scharakteryzowania nowych szczepów bakteryjnych zdolnych do biodegradacji substancji nootropowych oraz określenia ich szlaków metabolicznych. Do izolacji mikroorganizmów degradujących nootropiki wykorzystano próbki gleby pochodzące ze Szwajcarii, Niemiec i Polski oraz osady czynne z oczyszczalni ścieków znajdujące się w obrębie zakładów przemysłu farmaceutycznego. Wyizolowano pięć czystych szczepów degradujących RA: trzy Arthrobacter sp., jeden Nocardioides sp. oraz jeden Phycicoccus sp. (16S rRNA). Potwierdzono ich 281 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. zdolności biodegradacyjne oraz wzrost na RA jako jedynym źródle węgla oraz azotu. Próby identyfikacji metabolitu sugerują wysokie prawdopodobieństwo różnych szlaków metabolicznych w zależności od biodegradującego szczepu. Wyizolowano dwa czyste szczepy degradujące piracetam. W oparciu o wariancje w genie recA zidentyfikowano je na poziomie gatunku (specyficzna reakcja PCR). Mineralizacja piracetamu została potwierdzona za pomocą związku znakowanego izotopowo (izotop 14 C). Dalsze badania w kierunku zidentyfikowania stabilnych metabolitów będą prowadzone w najbliższej przyszłości. Biodegradację obu tych substancji zaobserwowano w próbkach środowiskowych różnego pochodzenia, sugerując, że zdolność do rozkładu kwasu ritalinowego i piracetamu może być rozpowszechniona w środowisku. Potencjalne stosowanie tych związków jako markerów do monitorowania nadużywana farmaceutyków może być utrudnione. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Projekt został sfinansowany ze środków Scientific Exchange Programme NMS.CH no.13.217 entitle “Microbial degradation of emerging trace organic contaminants”. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] Letzel M., Weiss K., Schussler W., Sengl M. (2010) Occurrence and fate of the human pharmaceutical metabolite ritalinic acid in the aquatic system, Chemosphere 81(11):1416-22 [2] International Narcotics Control Board, Report of the International Narcotics Control Board for 2009. 2010: Austria. [3] Moore D.R., Burgard D.A., Larson R.G., Ferm M. (2014) Psychostimulant use among college students during periods of high and low stress: An interdisciplinary approach utilizing both self-report and unobtrusive chemical sample data, Addictive Behaviors 39:987-993 [4] Bijlsma L., Emke E., Hernández F., de Voogt P. (2013) Performance of the linear ion trap Orbitrap mass analyzer for qualitative and quantitative analysis of drugs of abuse and relevant metabolites in sewage water, Analytica Chimica Acta, 768:102-110 [5] Östman M., Fick J., Näsström E., Lindberg R.H. (2014) A snapshot of illicit drug use in Sweden acquired through sewage water analysis, Science of the Total Environment, 472:862-71 282 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW CZĄSTECZEK QUORUM SENSING NA PROFILE BIOSURFAKTANTÓW PRODUKOWANYCH PRZEZ BAKTERIE WYIZOLOWANE Z ODCHODÓW ZWIERZĄT HODOWLANYCH Marta Woźniak1*, Kamila Myszka2, Agata Sznajdrowska1, Alicja Szulc1, Agnieszka Zgoła-Grześkowiak3, Mateusz Sydow1, Anna Parus1, Łukasz Ławniczak1, Łukasz Chrzanowski1 1 Instystut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Poznań, Polska Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, Uniwersytet Przyrodniczy, Poznań, Polska 3 Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, Poznań, Polska * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 2 Ramnolipidy, będące biosurfaktantami glikolipidami, należą do najlepiej poznanych do tej pory biosurfaktantów. Składają się z cukru - ramnozy oraz β-hydroksykwasu [1]. Pod względem budowy opisano około 60 różnych kongenerów, z czego można wyróżnić dwa główne rodzaje: monoramnolipidy (z jedną cząsteczką ramnozy) oraz diramnolipidy (z dwiema cząsteczkami ramnozy) [2]. Powiązanie mechanizmu produkcji ramnolipidów z potencjalną patogennością bakterii oraz tworzeniem biofilmów sugeruje, że mikroorganizmy żyjące w przewodach pokarmowych zwierząt i będące obecne w ich odchodach mogą być obiecującym źródłem do izolacji szczepów produkujących te cząsteczki [3,4]. Dotychczasowe badania dotyczące produkcji ramnolipidów prowadzono z wykorzystaniem pojedynczych szczepów bakteryjnych, jednakże ostatnie doniesienia literaturowe wskazują na zwiększenie produkcji tych biosurfaktantów w obecności autoinduktorów (AI-2) wydzielanych przez mikroflorę towarzyszącą [5]. Celem badań jest określenie zdolności do produkcji ramnolipidów przez kultury bakteryjne wyizolowane z odchodów krów, świń, kurcząt oraz obornika. Dodatkowo przebadano wpływ sygnałów komunikacji międzygatunkowej [6] na ilościowe i jakościowe różnice w produkcji ramnolipidów. Łącznie wyizolowano 51 kultur bakteryjnych. Do oceny zdolności badanych kultur do produkcji biosurfaktantów wybrano cztery metody skrinningowe. Wstępne badania pokazały, że około 36% kultur mieszanych wykazywało potencjał do produkcji biosurfaktantów. Do kolejnych badań wybrano aktywną kulturę mieszaną wyizolowaną z odchodów krów. Dzięki analizie sekwencji kodującej 16S rRNA określono przynależność gatunkową wyizolowanej kultury mieszanej: Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli. Badania napięcia powierzchniowego wykazały, że tylko P. aeruginosa produkował związki obniżające napięcie powierzchniowe. Monitorowano zmiany napięcia powierzchniowego oraz wydzielanie autoinduktorów (AI-2) podczas hodowli bioreaktorowej monokultury P. aeruginosa oraz kultury mieszanej. Zaobserwowano znaczące różnie w produkcji ramnolipidów pomiędzy kulturą mieszaną (4,70 mg/L), a czystym szczepem P. aeruginosa (0,54 mg/L). Odnotowano również różnice w jakościowym składzie produkowanych 283 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. kongenerów. Zwiększona produkcja ramnolipidów występowała w momencie wydzielania cząsteczek (AI-2) odpowiedzialnych za komunikacje międzygatunkową. Odchody zwierzęce charakteryzowały się dużą zdolnością do produkcji biosurfaktantów. Otrzymane wyniki sugerują również wpływ quorum sensing na jakościową i ilościową efektywność biosyntezy ramnolipidów. Obserwacje te mogą mieć wpływ na wielkoskalową produkcje biosurfaktatów, otwierając nowe rozwiązania w oparciu o wykorzystanie kultur mieszanych bądź dodatku cząsteczek (AI2) stymulujących te procesy. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/D/NZ9/00981 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] Déziel E., Lépine F., Milot S., Villemur R. (2000) Mass spectrometry monitoring of rhamnolipids from a growing culture of Pseudomonas aeruginosa strain 57RP, Biochim Biophys Acta, 1485:145–52 [2] Nitschke M., Costa S., Contiero J. (2011) Rhamnolipids and PHAs: Recent reports on Pseudomonas-derived molecules of increasing industrial interest, Process Biochemistry, 46(3):621-30 [3] Laabei M., Jamieson W.D., Lewis S.E., Diggle S.P., Jenkins A.T. (2014) A new assay for rhamnolipid detection-important virulence factors of Pseudomonas aeruginosa, Appl Microbiol Biotechnol, 98(16):7199-209 [4] Chrzanowski Ł., Ławniczak Ł., Czaczyk K. (2012) Why do microorganisms produce rhamnolipids? World J Microbiol Biotechnol, 28:401–19 [5] Kuniho N, Akihiro Y, Yasuhiro Y. (1998) Correlation between autoinducers and rhamnolipids production by Pseudomonas aeruginosa IFO 3924. J Ferment Bioengineer 1998;86(6):608–10 [6] Dusane D.H., Zinjarde S.S., Venugopalan V.P., McLean R.J., Weber M.M., Rahman P.K. (2010) Quorum sensing: implications on rhamnolipid biosurfactant productionm, Biotechnol Genet Eng Rev, 27:159-84 284 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. POLIAMINY BIOGENNE JAKO CZYNNIK KOMPLEKSUJĄCY JONY LANTANOWCÓW M. Zabiszak1, R. Jastrząb1 1 Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań. [email protected] Pierwiastki metali ziem rzadkich nie występują naturalnie w organizmach żywych, jednak ich związki kompleksowe znalazły szerokie zastosowanie medyczne i biologiczne [1]. Związki chelatowe lantanowców wykazujące luminescencję stosuje się w badaniach fluoroimmunologicznych [2] oraz jako znaczniki kwasów nukleoinowych i protein [3]. Kompleksy lantanowców stosowane są w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego MRI. Detekcja wielu chorób wymaga zastosowania czynnika kontrastującego, którym najczęściej są kompleksy chelatowe gadolinu. Najczęściej używanymi czynnikami kontrastującymi są kompleksy lantanowców z aminokwasami oraz kwasami karboksylowymi [4]. Istotną rolę w układach biologicznych odgrywają poliaminy biogenne takie jak spermina, która powstaje w organizmach żywych w wyniku eliminacji grupy karboksylowej z cząsteczek aminokwasów. Aminy biogenne stabilizują błony komórkowe, aktywują niektóre enzymy oraz katalizują biosyntezę białek i kwasów nukleinowych. Stężenie poliamin w organizmie zależy od rodzaju komórek i ich wieku. Zaobserwowano, że najwyższe stężenie poliamin występuje w komórkach młodych oraz komórkach nowotworowych. Zwiększony poziom poliamin we krwi wskazuje również na np. infekcje pasożytnicze. Występują one w układach biologicznych głównie w postaci polikationów co czyni je „atrakcyjną” grupą ligandów dla jonów metali [5]. Badania reakcji kompleksowania w układach podwójnych zawierających jony lantanowców i sperminę wykazały tworzenie się połączeń koordynacyjnych. Wykorzystując badania potencjometryczne oraz komputerową analizę danych (program HYPERQUAD) określono skład oraz ogólne stałe trwałości (logβ) otrzymanych kompleksów. Otrzymane wartości ogólnych stałych trwałości otrzymanych form przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Wartości logβ otrzymanych kompleksów La3+ Nd3+ Eu3+ Gd3+ Tb3+ Ho3+ Lu3+ MLH 14,84(9) 16,97(1) 17,86(9) 18,02(1) 17,84(4) 18,05(3) 18,45(2) ML 6,15(1) 7,71(2) 6,15(1) 8,68(1) 7,97(5) 8,65(5) 8,49(3) MLOH -5,50(7) -2,72(1) -5,50(7) -2,27(2) --- -1,57(5) --- ML2H --- 24,15(5) --- --- --- --- --- 285 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: 1. Montgomery C.P., Murray B.S., New E.J., Paj R., Parker D., Acc. Chem. Res., 2009, 42, 925. 2. Hemmila I., Laitala V., J. Fluoresc. 15 (2005) 529-542. 3. Yam V. W. W.; Lo, K. K. W. , J. Coord. Chem. Rev., 1999, 184 ,157. 4. Montgomery C.P., Murray B.S., New E.J., Paj R., Parker D., Acc. Chem. Res., 2009, 42, 925-937 5. Kalac P., Food Chemistry, 2014, 161, 27-39 286 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WPŁYW RODZAJU ŹRÓDŁA WĘGLA W HODOWLI NA HYDROFOBOWOŚĆ POWIERZCHNI KOMÓREK MIKROORGANIZMÓW (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Agata Zdarta*, Wojciech Smułek, Ewa Kaczorek (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Skład chemiczny ropy naftowej może być różny w zależności od miejsca wydobycia. Wśród związków wchodzących w skład ropy naftowej można wyróżnić ok. 40 różnych związków tj. alkany, cykliczne alkany, alkeny oraz węglowodory aromatyczne. Substancje te są w dużej mierze toksyczne i różnią się podatnością na biodegradację. Węglowodory alifatyczne są łatwiej biodegradowalne, niż aromatyczne. Alkany długołańcuchowe charakteryzują się mniejszą toksycznością i są łatwiej metabolizowane. Toksyczność, hydrofobowość oraz odporność na biodegradację zwiększa się wraz ze wzrostem liczby pierścieni aromatycznych [1]. Poważnym zagrożeniem dla ekosystemów wodnych i lądowych są straty występujące na każdym etapie procesu wydobycia, transportu, a także stosowanie produktów przetworzenia ropy naftowej. Najbardziej narażone na skażenia, a zarazem wymagające remediacji, są ekosystemy lądowe, które obejmują miejsca i okolice wydobycia ropy naftowej, magazynowania i stosowania [2]. Zdolność do transformacji związków ropopochodnych przez mikroorganizmy kształtowała się na przestrzeni wieków na skutek wycieków ropy naftowej na powierzchnię ziemi. W ten sposób pewne grupy bakterii wyspecjalizowały się w tej działalności. Mikroorganizmy zdolne do rozkładu węglowodorów ropopochodnych zajmują najczęściej miejsca naturalnego występowania ropy naftowej i gazu ziemnego. Bakterie utylizujące węglowodory stanowią od 0,1 do 10% populacji bakterii obecnych w środowisku [3]. Czynnikiem decydującym o szybkości biodegradacji węglowodorów przez mikroorganizmy są właściwości powierzchniowe komórki podczas bezpośredniego kontaktu z substancją ropopochodną [4]. Hydrofobowy charakter powierzchni komórek mikrobów ułatwia wykorzystanie hydrofobowych węglowodorów jako pokarmu dla bakterii. Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że na hydrofobowość powierzchni mikroorganizmów ma wpływ wiele parametrów, które można w odpowiedni sposób modyfikować podczas prowadzenia hodowli [5]. Celem przeprowadzonych badań było określenie zmian właściwości powierzchniowych komórek szczepów z rodzaju Pseudomonas w wyniku hodowli na podłożach z surową ropą, a także ze związkami aromatycznymi oraz alifatycznymi. W badaniu określono właściwości powierzchniowe komórek z logarytmicznej fazy wzrostu. Hydrofobowość powierzchni komórek wyznaczono za pomocą metody MATH (mikrobiologicznej adhezji do węglowodorów) [5]. 287 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Przedstawione wyniki potwierdzają, że w zależności od różnorodności podłoża hodowlanego oraz dostępności składników pokarmowych hydrofobowość powierzchni badanych komórek zmienia się. Dominująca wydaje się tendencja do zwiększania hydrofobowości powierzchni komórek na podłożach z analizowanymi związkami, a największy wzrost hydrofobowości powierzchni odnotowano dla szczepu Pseudomonas fluorescens w hodowli ze związkami alifatycznymi oraz Pseudomonas alcaligenes w hodowli z surową ropą. Wszystkie badane szczepy po 9 miesiącach hodowli na wybiórczych podłożach z analizowanymi związkami wykazywały większą hydrofobowość powierzchni komórek, niż próba kontrolna. Uzyskane wyniki potwierdzają zmiany adaptacyjne, zachodzące na powierzchni komórek drobnoustrojów, które ułatwiają im przyłączenie i rozkładanie związków aromatycznych obecnych w substancjach ropopochodnych, co predestynuje badane mikroorganizmy do wykorzystania w procesie bioremediacji. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/B/NZ9/00950 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] Mulligan C. N. (2005) Enviromental applications for biosurfactants, Environmental Pollution 133:183-198 [2] Singh A., Van Hamme J.D., Ward O.P. (2007) Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects, Biotechnology Advances 25: 99-121. [3] Malina G., Szczepański A. (1994) Likwidacja zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi w środowisku wodnogruntowym, w: Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa [4] Zhang M.-L., Dang Z., Wu F.-J., Liang X.-J., Guo C.-L., Lu G.-N., Yang C. (2014) Using flow cytometry to explore the changes of Sphingomonas sp. GY2B bacterial surface characteristics in the process of degrading phenanthrene, Huanjing Kexue/Environmental Science 35 (4): 1449-1456 [5] Kaczorek E., Moszyńska S., Olszanowski A. (2011) Modification of cell surface properties of pseudomonas alcaligenes s22 during hydrocarbon biodegradation, Biodegradation 22: 359-366 288 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. DNAZYMY O AKTYWNOŚCI PEROKSYDAZOWEJ, KOWALENCYJNE ADDUKTY HEMINA/G-KWADRUPLEKS (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Krzysztof Żukowski*, Joanna Kosma, Bernard Juskowiak (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Pracownia Chemii Bioanalitycznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań, * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) DNAzymy to nowa klasa biokatalizatorów, w których funkcję apobiałka przejęła cząsteczka kwasu nukleinowego. Jednym z przedstawicieli DNAzymów jest kompleks heminy z oligonukleotydem w formie G-kwadrupleksu, który posiada właściwości peroksydazy [1]. Znalazł on zastosowanie w nowych wariantach testów enzymatycznych, a także w całkowicie nowych rozwiązaniach biosensorowych. Do dzisiaj prowadzone są intensywne prace dotyczące opracowania bardziej wydajnych i czułych układów tego typu oraz badania podstawowe, których celem jest poznanie mechanizmu działania DNAzymów i wpływu różnych czynników na ich efektywność [2,3]. Celem realizowanej pracy jest opracowanie nowych układów DNAzymów o aktywności peroksydazowej poprzez przyłączenie heminy do łańcucha oligonukleotydu tworzącego G-kwadrupleks. Planowanych jest kilka wariantów. Najprostszy z nich to reakcja sprzęgania modyfikowanego grupą alkiloaminową z aktywnym estrem heminy. Przyłączenie heminy do oligonukleotydu może być realizowane w różnych pozycjach (końce 3’ i 5’ oraz w pozycjach wewnętrznych pętli G-kwadrupleksu). Kolejnym etapem jest charakterystyka fizykochemiczna otrzymanych sond, zbadanie ich aktywności enzymatyczne oraz wybór najbardziej efektywnego układu do zastosowań sensorowych w układach heterogenicznych (fluorescencja, SPR). Otrzymane układy umożliwią zniwelowanie wartości sygnału analitycznego próby zerowej pochodzącego od heminy, co zapewnić może wyższą czułość oznaczeń w sensorach opartych na danych DNAzymach. Autorzy dziękują za wsparcie finansowe z Narodowego Centrum Nauki - Projekt „Harmonia” 2013/10/M/ST4/00490. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] P. Travascio ,Y. Liu, D. Sen (1998) Chemistry and Biology, 505-517 [2] S. Nakayama, J Wang, H. O. Sintim (2011) Chemistry-A European Journal, 17(20), 5691-5698 [3] A. V. Gribas, S. P. Korolev, T. S. Zatsepin, M. B. Gottikh, I. Y. Sakharov (2015) RSC Advances, 5(64), 51672-51677 289 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYBRANE METODY MODYFIKACJI POWIERZCHNI MATERIAŁÓW STOSOWANYCH W IMMOBILIZACJI Joanna Żur*, Danuta Wojcieszyńska, Urszula Guzik Katedra Biochemii, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 40-032 Katowice * e-mail: [email protected](odstęp pojedynczy, (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp o pojedynczy, 10 pkt) , 10 pkt) Głównym celem modyfikacji powierzchni materiałów jest zmiana ich parametrów, skutkująca określonym i zamierzonym zachowaniem komórek immobilizowanych (np. bakterii, komórek macierzystych). Trzy główne metody modyfikacji obejmują metody biologiczne, fizykochemiczne i chemiczne. Ze względu na istotność wprowadzanych zmian oraz towarzyszące im efekty fizykochemiczne (tj. dyfuzja jonów lub wolnych rodników potencjalnie zaburzająca strukturę materiałów) oraz chemiczne (związane głównie ze zmianą orientacji łańcuchów polimerowych), proces modyfikacji powinien być dobrze zdefiniowany [1]. Biologiczne metody funkcjonalizacji obejmują powierzchniową immobilizację cukrów (oligoi polisacharydy, cukry proste), białek (przeciwciała, enzymy, antygeny), lipidów (kwasy tłuszczowe, fosfolipidy, glikolipidy) oraz antybiotyków i kwasów nukleinowych lub szczepienie wybranych kompozytów białkowych i aminokwasów. Unieruchomienie molekuł aktywnych biologicznie na powierzchni nośników pozwala na zwiększenie możliwości wiązania dodatkowych cząsteczek, a tym samym umożliwia wzrost potencjału aplikacyjnego takich materiałów i stosowane jest często w przypadku polimerów, metali, szkła oraz ceramiki. Wyróżnia się trzy główne sposoby modyfikacji powierzchni metodami biologicznymi. Dwie z nich związane są ze zjawiskiem adsorpcji i pułapkowania, trzecia natomiast polega na wytworzeniu wiązań kowalencyjnych. Za fizysorpcję odpowiedzialne są siły van der Waalsa, elektrostatyczne, powinowactwa elektronowego oraz dyspersyjne Londona. Modyfikację polegającą na wytworzeniu wiązań pomiędzy biocząsteczkami a powierzchnią stosuje się głównie w przypadku polimerów, co związane jest z obecnością na ich powierzchni różnorodnych grup funkcyjnych. Nośniki modyfikowane biologicznie znalazły szerokie zastosowanie. Unieruchomione powierzchniowo enzymy z grupy lizyn, odpowiedzialne za rozpuszczanie włókien fibrynowych, przeciwdziałają tworzeniu się skrzepu. Zrekombinowane szczepy Bacillus subtilis zdolne do wytwarzania toksyn cytotoksycznych immobilizowane w zmodyfikowanych powłokach polilizynowo- polietylenoiminowych wykorzystywane są do niszczenia komórek zmienionych nowotworowo [1, 2]. Chemiczna modyfikacja powierzchni materiałów obejmuje reakcje zarówno specyficzne jak i niespecyficzne. Reakcje specyficzne ukierunkowane są na konkretne grupy funkcyjne np. C=O lub COOH. Druga grupa reakcji dotyczy jednoczesnych zmian w różnych grupach funkcyjnych (silanizacja, utlenianie powierzchni kwasem chromowym lub mieszaniną podtlenków). Do chemicznych metod modyfikacji powierzchni materiałów zaliczane są również reakcje szczepienia i trawienia. Najczęściej 290 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. stosowane metody szczepienia, polegające na przyłączeniu reaktywnych grup chemicznych, m.in. -OH, -NH2 czy –COOH, do powierzchni materiałów hydrofobowych lub inertnych i klasyfikowane według zastosowanego źródła energii, obejmują: szczepienie z użyciem jonizacyjnego źródła promieniowania (najczęściej typu γ), szczepienie promieniami UV (fotoszczepienie) oraz szczepienie z użyciem wysokoenergetycznej wiązki elektronowej [3]. Jedną z najciekawszych i najczęściej stosowanych metod chemicznej modyfikacji powierzchni jest metoda samoorganizujących się warstw (ang. SAMs - self-assembled monolayers). Modyfikatorami stosowanymi dla metali (Au, Cu) są di- i alkanotiole, platyny – aminy oraz alkohole, krzemionki, szkła i glinu – n-alkilosilany. W powstający film SAMs zaangażowane są wiązania kowalencyjne, siły van der Waalsa oraz wiązania wodorowe. Monowarstwy zdolne są do sieciowania białek lub zasad azotowych kwasów nukleinowych. Filmy SAMs znalazły również zastosowanie w oczyszczaniu wód ze związków rtęci oraz arsenu [4, 5]. Modyfikacje fizykochemiczne polegają głównie na zmianie stopnia chropowatości, tekstury materiałów lub ich zwilżalności. Zwiększona odporność na korozję osiągana jest dzięki zastosowaniu technik implantacji jonów i anodyzacji. Modyfikację chropowatości powierzchni umożliwia obróbka plazmą, natomiast obniżenie hydrofobowości możliwe jest dzięki zastosowaniu warstwy PEG (glikolu polietylenowego) [1, 3]. Przedstawione sposoby modyfikacji parametrów powierzchniowych metodami biologicznymi, chemicznymi i fizykochemicznymi znacząco zwiększają możliwości aplikacyjne nośników. Dla polimerów o zastosowaniu biomedycznym wykazano związek pomiędzy parametrami powierzchni a odpowiedzią komórkową, m.in. adsorpcją białek, adhezją komórek, proliferacją czy aktywnością enzymów komórkowych. Immobilizacja komórek bakterii, a tym samym możliwość ich praktycznego zastosowania np. w oczyszczaniu ścieków, również w dużym stopniu uzależniona jest od struktury sorbentów (ładunku powierzchniowego, hydrofobowości, szorstkości, porowatości czy obecności grup funkcyjnych). (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: [1] B. Świeczko-Żurek (2009) Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk. [2] Z. Bakuła, R. Stachowiak, J. Wiśniewski, L. Granicka, J. Bielecki (2013) Immobilizacja komórek – znaczenie biomedyczne, Post. Mikrobiol. 52(30): 233-245. [3] E. Stodolak (2006) Badania nad modyfikacją powierzchniową i wpływem włókien na materiał polimerowy i odpowiedź komórkową. Praca doktorska. Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Kraków. [4] J. C. Love, L. A. Estroff, J. K. Kriebel, R. G. Nuzzo, G. M. Whitesides (2005) Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology, Chem. Rev. 105: 1103-1169. [5] S. V. Mattigod, G. E. Fryxell, R. Skaggs, K. E. Parker (2006) Functionalized Nanoporous Ceramic Sorbents for Removal of Mercury And Other Contaminant, NSTI-Nanotech 1: 355-357. 291 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CHEMIA ORGANICZNA 292 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. WYKŁAD SEKCYJNY NOWE KONIUGATY STEROIDOWE: SYNTEZA, ANALIZA SPEKTROSKOPOWA I ZASTOSOWANIE Tomasz Pospieszny Pracownia Chemii Mikrobiocydów, Wydział Chemii UAM Umultowska 89b, 61-614 Poznań e-mail: [email protected] Steroidy należą do związków pochodzenia naturalnego powszechnie występujących w mikroorganizmach, organizmach roślinnych i zwierzęcych. Pełnią w nich decydujące funkcje o fundamentalnym znaczeniu dla metabolizmu – są hormonami płciowymi ssaków (testosteron, estrogeny) i roślin (brasinosteroidy), regulują przemianę materii (kwas glikocholowy i taurocholowy, witaminy D), są też ważnymi glikozydami nasercowymi (digoksyna, gitoksyna). Szczególnie interesujące są sterole, do których należą m. in. cholesterol, ergosterol czy stigmasterol. Cholesterol jest najbardziej znanym związkiem z grupy steroidów zaliczanym do zoosteroli. Tworząc estry stabilizuje i usztywnia błony komórkowe, a jednocześnie zmniejsza ich przepuszczalność oraz płynność. Z kolei ergosterol pełni podobne funkcje metaboliczne w komórkach grzybów. Ponadto cholesterol jest ważnym metabolitem, z którego w wątrobie biosyntezowane są kwasy żółciowe [1-5]. Kwasy żółciowe np. litocholowy, deoksycholowy, cholowy charakteryzuje duży, sztywny i zakrzywiony szkielet steroidowy, różne położone grupy hydroksylowe (3 ; 3 ,7 ; 3 ,7 ,12 ) oraz właściwości amfifilowe (Rysunek 1). Mają one istotny wpływ na rozpuszczalność zawartego w żółci cholesterolu, zmniejszają napięcie powierzchniowe i emulgują tłuszcze. 21 18 19 HO 3 8 5 6 22 CO2H 28 R2 23 24 27 7 R1 HO 25 26 (1) ergosterol OH (2) cholesterol (3) R1 = R2 = H kwas litocholowy (4) R1 = H; R2 = OH kwas deoksycholowy (5) R1= R2 = OH kwas cholowy Rysunek 1. Wzory strukturalne oraz numeracja w wybranych sterolach (1,2) i kwasach żółciowych (3-5). W ostatnich latach ze względu na unikatowe właściwości biochemiczne steroidów syntezowane są, modyfikowane oraz izolowane nowe koniugaty (ang. coniugates) pochodzenia naturalnego. Związki takie charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi właściwościami fizycznymi, biologicznymi, a także farmakologicznymi.7,8 Ich najważniejszą cechą jest zwiększona aktywność biobójcza i zmniejszona toksyczność względem związków tworzących koniugat. 293 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Jednym z najbardziej znanych związków tego typu jest skwalamina (Rysunek 2). Została on wyizolowana z komórek wątroby kolenia pospolitego (Squalus acanthias).9,10 Związek ten jest stosowany jako antybiotyk o szerokim spektrum aktywność biobójczej wobec bakterii Gram-dodatnich i Gramujemnych, a także grzybów, pierwotniaków czy wirusów. (a) OSO3H H N H2N H N HO (6) skwalamina (b) Rysunek 2. Wzór strukturalny (a) oraz obliczona struktura molekularna skwalaminy (b). Tematem wykładu będzie synteza różnorodnych koniugatów steroidowych oraz ich analiza spektroskopowa (1H i 13 C NMR, FT-IR). Omówione zostaną także wybrane metody semiempiryczne (PM5), aktywność biologiczna i zastosowanie koniugatów steroidowych. Literatura [1] P. M. Dewick (2003) Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach 3 rd Ed., Wiley and Sons, London. [2] D. Lednicer (2011) Steroid Chemistry at a Glance, Wiley and Sons, London. [3] A. M. P. Koskinen (2012) Asymmetric Synthesis of Natural Products, Wiley and Sons, London. [4] W. Templeton (1969) An Introduction to the Chemistry of Terpenoids and Steroids, Butterworths, London. [5] A. Kołodziejczyk (2003) Naturalne związki organiczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. [6] Z. Paryzek, M. Piasecka, T. Pospieszny, I. Skiera (2011) Steroidy wybrane zagadnienia i ćwiczenia, UAM, Poznań. [7] D. B. Salunke, B. G. Hazra, V. S. Pore (2006) Curr. Med. Chem. 13:813–847. [8] T. Pospieszny (2015) Steroidal Conjugates: Synthesis, Spectroscopic, and Biological Studies, w: Studies in Natural Products Chemistry 46:169–200. [9] T. Pospieszny (2015) Mini-Rev. Org. Chem., 12:258–270. [10] K. S. Moore, S. Wehrli, H. Roder, M. Rogers Jr., J.N. Forrest Jr., D. McCrimmon, M. Zasloff (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90:1354–1358. [11] S. Wehrli, K. S. Moore, H. Roder, S. Durell, M. Zasloff (1993) Steroids 58: 370–378. 294 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA I POTENCJALNE ZASTOSOWANIE NOWYCH NANOKATALIZATORÓW Weronika Ambrożkiewicz* Instytut Chemii, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Szkolna 9, 40-006 Katowice *e-mail: [email protected] Rosnące zainteresowanie nanomateriałami wywarło wpływ na poszukiwanie nowych katalizatorów heterogenicznych. Nanokatalizatory ze względu na swoje specyficzne właściwości posiadają duży potencjał dla zastosowania w wielu gałęziach chemii [1]. Niedawno opracowana została wydajna metoda rozpraszania nanocząsteczek z wykorzystaniem ultradźwięków na powierzchni amorficznej krzemionki wytworzonej metodą Stöbera [2]. Późniejsze badania doprowadziły do udoskonalenia metody o przeniesienie nananometalu z krzemionki, która pełni tu również funkcję nośnika pośredniego, na ziarnistą powierzchnię nośnika metalicznego. W ten sposób powstaje układ bimetaliczny [3]. Metal wykorzystany jako nośnik, jest również zaangażowany w proces katalityczny i może poprzez synergię zwiększać działanie składnika aktywnego. Struktura tego typu w postaci nanopalladu na miedzi elektrolitycznej Pd NPs/Cu znalazła zastosowanie w reakcji sprzęgania Sonogashiry [1]. Z kolei nanozłoto na krzemionce AuNPs/SiO2 daje dobre wyniki w reakcji utleniania glicerolu, będącego produktem ubocznym produkcji biodiesla [4]. Wykorzystując tą procedurę pozyskano również wydajny katalizator niskotemperaturowego rozkładu amoniaku PdNPs/Ni o potencjalnym zastosowaniu w przemyśle [5]. W trakcie badań znajduje się szereg nanokatalizatorów metali grupy przejściowej, osadzonych na krzemionce oraz serie odpowiadających im układów bimetalicznych, osadzonych na takich nośnikach jak Cu, Ni, Co i Mo. Zaobserwowano również aktywność katalityczną dla kombinacji multimetalicznych. Badane są możliwości zastosowania analogicznych nanoukładów na nośnikach w postaci siatek metalicznych, szczególnie przydatnych dla reakcji przeprowadzanych w fazie gazowej. Ponieważ proces wytwarzania katalizatorów wymaga redukcji nanometali w piecu wodorowym, co nie zawsze jest korzystne, badane są alternatywne metody redukcji. Wykorzystanie mikroorganizmów takich jak okrzemki do produkcji tego typu struktur pozwoliłoby nie tylko na uniknięcie procesu redukcji w piecu wodorowym, ale również na pominiecie kilku innych etapów pośrednich. Literatura [1] M. Korzec, P. Bartczak, A. Niemczyk, J. Szade, M. Kapkowski, P. Zenderowska, K. Balin, J. Lelątko, J. Polański (2014) Bimetallic nano-Pd/PdO/Cu system as a highly effective catalyst for the Sonogashira reaction. Journal of Catalysis, 313, 1-8 [2] P. Bartczak, M. Korzec, M. Kapkowski, J. Polański Patent application P.405270 [3] P. Bartczak, M. Korzec, M. Kapkowski, J. Polański Patent application P.405268 295 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [4] M. Kapkowski, P. Bartczak, M. Korzec., R. Sitko, J. Szade, K. Balin, J. Lelątko, J. Polański (2014) SiO2-, Cu-, and Nisupported Au nanoparticles for selective glicerol oxidation in the liquid phase. Journal of Catalysis, 319, 110-118 [5] J. Polanski, P. Bartczak, W. Ambrozkiewicz, R. Sitko, T. Siudyga, A. Mianowski, J. Szade, K. Balin, J. Lelątko (2015) NiSupported Pd Nanoparticles with Ca Promoter: A New Catalyst for Low Temperature Ammonia Cracking PLOS ONE e0136805. doi:10.1371 296 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT STEREOKONTROLOWANA SYNTEZA POCHODNYCH KARBAZOLOWYCH Magdalena Grzelak1*, Mariusz Majchrzak1, Bogdan Marciniec2 1 Zakład Chemii Metaloorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Centrum Zaawansowanych Technologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89c, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Karbazol należy do grupy organicznych związków heterocyklicznych, które zawierają w swoim pierścieniu atom azotu. Celem pracy było otrzymanie nowych sprzężonych, pochodnych karbazolowych na drodze modyfikacji wprowadzonych w szkielecie węglowym oraz przez podstawienie atomu azotu grupami alkilowymi [1], a następnie wykorzystanie ich do syntezy nowych układów organicznych i krzemoorganicznych. W tym celu zastosowano reakcje katalizowane związkami kompleksowymi metali przejściowych np. reakcję sprzęgania Suzuki – Miyaura oraz reakcję sililującego sprzęgania olefin z winylosilanami. W pierwszym etapie badań, zmodyfikowano warunki syntezy bromopochodnych i N-modyfikacji karbazolu, prowadząc reakcje w łagodnych warunkach, co pozwoliło na zwiększenie ich wydajności i selektywności oraz znacznie skróciło czas ich trwania. Ponadto zastosowane modyfikacje pozwoliły na poprawę właściwości związków, które stanowiły substraty w reakcjach sprzęgania. Kolejnym zastosowanym procesem była reakcja Suzuki-Miyaura szeroko definiowana jako katalizowane palladem sprzęganie halogenków winylowych, arylowych z organicznymi związkami boru w środowisku zasady, która jest skutecznym sposobem syntezy olefin, styrenów i bifenyli poprzez wytworzenie wiązania węgiel- węgiel (C-C) [2,3]. Zoptymalizowanie warunków tej reakcji i użycie jako reagentów kwasów boronowych pozwoliło na otrzymanie z bardzo dobrą wydajnością, nowych winylofenylenowych pochodnych karbazolu, które zastosowano jako substraty w kolejnych etapach. Wśród wielu reakcji kluczową rolę pełni sililujące sprzęganie olefin, które poprzez wykorzystanie różnorodności substratów i katalizatorów jest efektywną metodą, pozwalającą otrzymywać 1-sililo-1-alkeny, winylosilany oraz bis(sililo)eteny tworzące ważną grupę związków krzemoorganicznych. Reakcja sililującego sprzęgania w przeciwieństwie do reakcji metatezy przebiega nie przez rozerwanie wiązania wielokrotnego węgiel - węgiel (C=C) lecz poprzez aktywację i rozerwanie wiązań węgiel - krzem (Cwinyl-Si) w winylosilanie oraz wiązania węgiel - wodór (C-H) w drugiej cząsteczce substratu - winylosilanu dla reakcji homo – sprzęgania bądź w olefinie w przypadku ko - sprzęgania [4,5]. Zastosowanie tej reakcji pozwoliło na otrzymanie nowych sililo-pochodnych karbazolu w reakcji styrylokarbazoli z różnymi winylosilanami. Otrzymane produkty cechowały się 297 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wysoką stereoregularnością, (>99%) czystością oraz zostały scharakteryzowane za pomocą metod spektroskopowych. Rysunek 1. Synteza sprzężonych pochodnych karbazolu Przedstawione reakcje katalityczne mogą znaleźć zastosowanie w syntezie związków molekularnych, makromolekularnych oraz polimerowych. Poprzez wykorzystanie dobrze zdefiniowanych katalizatorów, możemy w bardzo wydajny, efektywny i stereokontrolowany sposób otrzymywać π - sprzężone materiały o ciekawych właściwościach fizykochemicznych. Zaproponowane metody katalityczne są kontrolowane i pozwalają na otrzymanie pożądanego trans - stereoregularnego produktu. Autorzy dziękują za wsparcie finansowe z Narodowego Centrum Nauki - Projekt 'Maestro' No. UMO - 2011/02/A/ST5/00472. Literatura: [1] M. Ludwiczak, M. Majchrzak, M. Bayda, B. Marciniak, M. Kubicki, B. Marciniec, (2014) Stereoselective synthesis and luminescence properties of novel trans-regular N-alkylcarbazolylene–silylene–vinylene polymers, Journal of Organometallic Chemistry, 750, 150–161 [2] M. Majchrzak, S. Kostera, M. Kubicki, I. Kownacki (2013) Synthesis of new styrylarenes via Suzuki–Miyaura coupling catalysed by highly active, well-defined palladium catalysts, Dalton Transactions, 42,15535 [3] M. Majchrzak, M. Hybsz, S. Kostera, M. Kubicki, B. Marciniec (2014) A highly stereoselective synthesis of new styryl-πconjugate organosilicon compounds, Tetrahedron Letters, 19, 3055 [4] B. Marciniec,(2005) Coordination Chemistry Reviews, 249, 2374 [5] M. Majchrzak, B. Marciniec, Y. Itami (2005), Highly Stereoselective Synthesis of Arylene‐Silylene‐Vinylene Polymers, Advanced Synthesis & Catalysis, 347 (2005), 1285 298 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT ACYLOWANIE 2-ETYLOBENZO[B]FURANU (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Andrzej Günther1*, Halina Kwiecień2 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Zakład Analizy Instrumentalnej, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065 Szczecin 2 Zakład Syntezy Organicznej i Technologii Leków, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT, ul. Piastów 42, 71-065 Szczecin * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Struktura benzo[b]furanu (1) obecna jest w wielu aktywnych związkach zarówno pochodzenia naturalnego jak i syntetycznych, które wykazują szerokie spektrum aktywności farmakologicznej. Rośliny bogate w pochodne benzo[b]furanu znane były już w starożytności z cennych właściwości terapeutycznych. Do takich roślin należy między innymi Myszopłoch kolczasty (Ruscus aceleatus), w którym stwierdzono obecność benzo[b]furanu (1). Wyciąg z tej rośliny uszczelnia naczynia włosowate, a także działa przeciwzapalnie. Moracyny (2 i 3), bogato występujące w korze korzenia morwy białej (Morus alba), posiadają cenne właściwości przeciwgrzybiczne i przeciwnowotworowe [1]. Wyciąg z aminka egipskiego (Ammi visnaga) zawierający kelinę (4) starożytni Egipcjanie stosowali w leczeniu astmy. W medycynie ludowej ekstrakt z aminka stosowany był jako terapeutyk rozszerzający naczynia krwionośne. Obecnie w lecznictwie stosowane są analogi keliny, które są podstawą wielu preparatów nasercowych [2]. Syntetyczne benzo[b]furany a w szczególności ich acylowe pochodne są składnikiem znanych leków nasercowych. Jednym z nich jest amiodaron (5), którego struktura podobna jest do tyroksyny, hormonu gruczołu czołu tarczycy. Amiodaron stosowany jest w leczeniu rzadkiego typu arytmii tzw. syndromu WPW, Wolffa-Parkinsona-White’a [3, 4]. Benzbromaron (6) bromowa pochodna 3-benzoilobenzo[b]furanu, jest stosowany w leczeniu dny moczanowej, obniża stężenie kwasu moczowego w surowicy krwi oraz hamuje biosyntezę puryn [5]. Celivaron (7) jest kolejnym lekiem stosowanym w leczeniu arytmii, działa ponadto przeciwnadciśnieniowo [6]. 299 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem badań było opracowanie optymalnych warunków acylowania 2-etylobenzo[b]furanu chlorkiem kwasu 3,4,5-trimetoksybenzoesowego. Potrzebny do badań 2-etylobenzo[b]furan otrzymano według technologii opracowanej w Zakładzie Syntezy Organicznej i Technologii Leków. Stosowana metoda syntezy składa się z trzech etapów: kondensacji, hydrolizy i cyklizacji (schemat 1), a jej surowcami są aldehyd salicylowy i kwas masłowy (8). Aldehyd salicylowy był pochodzenia handlowego, natomiast 2-bromomaślan (9) otrzymano z kwasu masłowego (8) poprzez kolejne reakcje – chlorowania chlorkiem tionylu, bromowania i estryfikacji. Wszystkie procesy prowadzono w jednym reaktorze, w sposób ciągły, a pożądany produkt otrzymano z wysoką wydajnością. Reakcję acylowania 2-etylobenzo[b]furanu prowadzono w 1,2-dichloroetanie, w obecności chlorku glinu jako katalizatora. Produkty po reakcji wydzielano w znany sposób i analizowano za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej z detektorem mas (GC-MS). W wyniku analizy w mieszaninie po reakcyjnej stwierdzono obecność dwóch związków: 2-etylobenzo[b]furan-3-ylo)(4-hydroksy-3,5-dimetylofenylo)metanonu (11) jako produktu acylowania, oraz 2-etylobenzo[b]furan-3-ylo)(3,4,5-trimetoksyfenylo)metanonu jednoczesnego acylowania i odmetylowania. 300 (12) powstałego w wyniku BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. W celu ustalenia warunków selektywnego przebiegu acylowania wykonano szereg prób reakcji, w których zmieniano stosunek molowy reagentów i czas reakcji. W wyniku przeprowadzonych badan stwierdzono, że: 1. Produkt acylowania w pozycji 3 2-etylobenzo[b]furanu otrzymano z wysoką (89%) wydajnością, gdy zastosowano 1,5 molowy nadmiar chlorku glinu w stosunku do 2-etylobenzo[b]furanu i reakcje prowadzono przez 8 godzin. 2. Produkt acylowania połączonego z odmetylowaniem grupy metoksylowej pozycji para uzyskano z wysoką wydajnością, gdy proces prowadzono stosując 2,5 molowy nadmiar katalizatora w stosunku do substratu organicznego. 3. Strukturę otrzymanych i oczyszczonych poprzez krystalizację obydwu produktów ustalono za pomocą spektroskopii 1H i C13 NMR. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: [1] Rollinger J.M., Bodensieck A., Seger C., Ellmerer EP., Bauer R., Langer T., Stuppner H., (2005) Discovering COXInhibiting Constituents of Morus Root Bark: Activity-Guided versus Computer-Aided Methods. Planta Med, 2005, 71, 39. [2] Kołodziejczyk A., (2013) Naturalne związki organiczne. Wydawnictwa Naukowe PWN. Warszawa 301 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [3] Lednicer D., (2008) The Organic Chemistry of Drug Synthesis, Volume 7. John Wiley & Sons, Inc. [4] Michalak R., Zieleniewski W., (2010) Terapia amiodaronem a zaburzenia czynności gruczołu tarczowego. Folia Medica Lodziensia, 2010, 37, 205. [5] Weinberg A. G., Mize C.E., Worthen H.G., (1976) The occurrence of hepatoma in the chronic form of hereditary tyrosinemia. J Pediatr, 1976, 88, 434. [6] Gautier P., Serre M., Cosnier-Pucheu S., Djandjighian L., Roccon A., Herbert J.-M., Nisato D., (2005) In vivo and in vitro antiarrhythmic effects of SSR149744C in animal models of atrial fibrillation and ventricular arrhythmias. J Cardiovasc Pharmacol, 2005, 45, 125. 302 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA SIARKOFUNKCYJNYCH ZWIĄZKÓW ZAWIERAJĄCYCH PIERWIASTKI Z GRUPY WĘGLOWCÓW Krzysztof Kuciński1* 1 Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Synteza siarkofunkcyjnych pochodnych otrzymywanych w reakcji tioli z nienasyconymi związkami pierwiastków z grupy węglowców, a katalizowanej przez kwasy Lewisa, może odbywać się na drodze reakcji sprzęgania lub addycji wiązania S-H. Hydrosulfidowanie polegające na addycji wiązania siarka-wodór do wiązań nienasyconych, stanowi bardzo ważną reakcję, pozwalającą otrzymywać skomplikowane struktury chemiczne [1]. W zależności od warunków prowadzenia procesu, addycja ugrupowania S-H może przebiegać zgodnie lub niezgodnie z regułą Markownikowa. Pierwszą grupę związków uzyskuje się stosując katalizatory metali przejściowych lub kwasy Lewisa, natomiast regioizomery anty-Markownikowa otrzymuje się przede wszystkim na drodze reakcji wolnorodnikowych [2,3]. W komunikacie zaprezentowano wyniki badań nad reakcjami tioli, z różnymi grupami związków nienasyconych, katalizowanymi przez trifluorometanosulfonian skandu(III) (Schemat 1). Pierwszą grupę przebadanych związków stanowiły allilo- i etynylosilany [4]. Addycja S-H do allilosilanów przebiega zgodnie z regułą Markownikowa. Etynylyosilany wykazały, iż charakteryzują się mniejszą reaktywnością, a addycja zachodzi niezgodnie z regułą Markownikowa. Drugą grupę testowanych związków stanowiły allilogermanany. Zaowocowało to opracowaniem nowej metody otrzymywania tiogermananów, gdyż dochodzi do reakcji S-germylowania [5]. Ostatnią grupę przebadanych związków stanowiły różne -olefiny [6]. Prowadząc proces w obecności triflatu skandu(III) w łagodnych warunkach i bez rozpuszczalnika, otrzymano z wysoką wydajnością i selektywnością produkty addycji niezgodne z regułą Markownikowa. W opublikowanej pracy przebadano bardzo szeroką grupę olefin. 303 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Literatura: [1] A. B. Lowe (2014) Thiol-yne ‘click’/coupling chemistry and recent applications in polymer and materials synthesis and modification, Polymer 55(22):5517–5549. [2] R. Castarlenas, A. Di Giuseppe, J. J. Perez-Torrente, L. A. Oro (2013) The Emergence of Transition-Metal-Mediated Hydrothiolation of Unsaturated Carbon–Carbon Bonds: A Mechanistic Outlook, Angew. Chem. Int. Ed. 52(1):211–222. [3] J. R. Cabrero-Antonino, A. Leyva-Perez, A. Corma (2012) Iron-Catalysed Markovnikov Hydrothiolation of Styrenes, Adv. Synth. Catal. 354(4):678-687. [4] K. Kuciński, P. Pawluć, B. Marciniec, G. Hreczycho (2015) Highly Selective Hydrothiolation of Unsaturated Organosilicon Compounds Catalyzed by Scandium(III) Triflate, Chem. Eur. J. 21(13):4940-4943. [5] K. Kuciński, P. Pawluć, G. Hreczycho (2015) Metal triflate-mediated coupling of allylgermanes with thiols: a facile route to thiogermanes, Dalton Trans. 44:10943-10946. [6] K. Kuciński, P. Pawluć, G. Hreczycho (2015) Scandium(III) triflate-catalyzed anti-Markovnikov hydrothiolation of functionalized olefins, Adv. Synth. Catal. doi:10.1002/adsc.201500720. 304 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT SYNTEZA ORAZ TRANSFORMACJE POCHODNYCH KWASÓW FOSFONOWYCH Patrycja Mrowiec*, Magdalena Rapp, Henryk Koroniak Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Wieniawskiego 1, 61-712 Poznań * e-mail: [email protected] Pochodne kwasów fosfonowych, zawierające grupę aminową, hydroksylową lub atom(y) fluoru w pozycji α w stosunku do grupy fosfonianowej; wykazują wiele udokumentowanych przykładów związków o aktywności biologicznej będącej wynikiem ich podobieństwa do naturalnie występujących w organizmie fosforanów czy aminokwasów. Do grupy estrów kwasów fosforowych należą składniki fosfolipidów, nukleotydów, w tym ATP (nośnika energii chemicznej) wykorzystywanego w metabolizmie komórek, a także fragmenty kwasów nukleinowych przechowujących informacje genetyczne. W związku z tym pochodne fosforanów znalazły zastosowanie w medycynie głównie jako leki działające na zasadzie wiązania się z centrum aktywnym enzymów prowadząc w ten sposób do hamowania ich działania. Otrzymanie pochodnych kwasów fosfonowych - analogów fosforanów, zawierających odpowiednie grupy funkcyjne w cząsteczce daje szanse na znalezienie nowych, charakteryzujących się znaczną aktywnością biologiczną analogów tych naturalnych substancji. [1-4] Fosfoniany zawierają w swojej cząsteczce wiązanie C-P niepodatne na działanie czynników chemicznych, hydrolizę przez fosfatazy, fotolizę, a także rozkład termiczny. Obecność odpornego na biodegradację wiązania jak również możliwość specyficznego koordynowania metali znajdujących się w centrum aktywnym enzymów; sprawiają, że fosfoniany są wbudowywane we fragmenty biomolekuł stających się w ten sposób inhibitorami pewnych szlaków biosyntez. Co więcej, pochodne kwasu fosfonowego można stosunkowo łatwo poddać modyfikacjom. [1-5] pKa2 wartość 6,45 7,65 6,20 5,64 118,7° 112,1° 113,2° 116,5° kąta C-X-P X = O, CH2, CHF lub CF2 Rysunek 1. 305 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Wprowadzenie atomu lub atomów fluoru w pozycji α w stosunku do grupy fosfonianowej zwiększa podobieństwo fosfonianów do fosforanów zawierających wysokoelektroujemny mostkujący atom tlenu (C-O-P). Zastąpienie jednego atomu wodoru atomem fluoru prowadzące do otrzymania α-fluoroalkilowych pochodnych kwasów fosfonowych zawierających grupę (C-CHF-P), wpływa na wartość pKa2 (6,20) zbliżając ją do wartości pKa2 odpowiednich fosforanów (6,45) – Rysunek 1. Natomiast wprowadzenie dwóch atomów fluoru prowadzące do otrzymania α,α-difluoroalkilowych pochodnych wpływa na wartość kąta C-CF2-P (116,5°) zbliżając go do wartości kąta C-O-P w fosforanach (118,7°). Przedstawione zmiany właściwości wynikające z wprowadzenia atomu fluoru do cząsteczki zostały wykorzystane w syntezie nowych leków. [3] Jedną z możliwości wprowadzenia atomu fluoru do cząsteczki jest podstawienie grupy hydroksylowej α-hydroksyfosfonianu przy użyciu trifluorku dietyloaminosiarki (DAST – Rysunek 2). W reakcji alkoholu R1R2CH-OH z odczynnikiem fluorującym kluczowym etapem jest utworzenie związku zawierającego dobrą grupę opuszczającą R1R2CH-OSF2NEt2, która w kolejnym etapie ulega podstawieniu wytworzonym anionem fluorkowym (Rysunek 2). [3,6] Rysunek 2. Reakcja zachodzi zarówno w przypadku pierwszo-, jak i drugo- a nawet trzeciorzędowych alkoholi. Dla alkoholi pierwszo- i drugorzędowych często przebiega stereoselektywnie i z inwersją konfiguracji. Do problemów związanych z otrzymywaniem związków fluoroorganicznych tą metodą jest możliwość wystąpienia reakcji wtórnych, dehydratacji bądź przegrupowania związku. [1,3,6] 306 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 3. W czasie prac nad syntezą pochodnych α-fluorofosfonianowych zaobserwowano interesujące przegrupowanie będące wynikiem reakcji α-hydroksyfosfonianu 1 z trifluorkiem dietyloaminosiarki (DAST), prowadzące do otrzymania pochodnej 2 analogu znanego antybiotyku – fosfomycyny 3 (Rysunek 3). Utworzony w pierwszym etapie reakcji kwas fluorowodorowy powoduje usunięcie grupy izopropylidenowej pierścienia dioksolanowego w wyniku czego tworzy się diol. Ostatnim etapem reakcji jest utworzenie pierścienia oksiranowego spowodowane atakiem pary elektronowej sąsiedniego atomu tlenu grupy hydroksylowej na utworzony karbokation zgodnie z mechanizmem S N1, za którym przemawia powstanie wyłącznie diastereoizomeru 1R,2R. [7] Rysunek 4. 307 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W ramach kontynuacji projektu badawczego przeprowadzono syntezy dodatkowych α-hydroksyfosfonianów (pochodnej seryny 3 oraz glukopiranozy 4), które poddano działaniu odczynnika fluorującego DAST. W wyniku tych reakcji otrzymano produkty przegrupowania, które scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR oraz spektrometrii mas MS. Literatura: [1] V.D. Romanenko, V.P. Kukhar (2006) Fluorinated Phosphonates: Synthesis and Biomedical Application, Chem. Rev. 106(9):3868-3935 [2] V.D. Romanenko, V.P. Kukhar (2008) Fluorinated organophosphates for biomedical targets, Tetrahedron 64:6153-6190 [3] J.P. Begue, D. Bonnet-Delpon (2008) Bioorganic and Medicinal Chemistry of Fluorine, Wiley & Sons Press. Inc., Hoboken (New Jersey) [4] J. Nieschalk, A.S. Batsanov, D. O’Hagan, J.A.K. Howard (1996) Synthesis of Monofluoro- and Difluoromethylenephosphonate Analogues of sn-Glycerol-3-phosphate as Substrates for Glycerol-3-Phosphate Dehydrogenase and the X-Ray Structure of the Fluoromethylenephosphonate Moiety, Tetrahedron 52(1):165-176 [5] O.I. Kolodiazhnyi (2005) Asymmetric synthesis of hydroxyphosphonates, Tetrahedron: Asymmetry 16:3295-3340 [6] L. Baptista, G.F. Bauerfeldt, G. Arbilla, E.C. Silva (2006) Theoretical study of fluorination reaction by diethylaminosulfur trifluoride (DAST), Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 761:73–81 [7] A.E. Wróblewski, I.I. Bąk-Sypień (2007) Studies towards the synthesis of (1R,2S)- and (1S,2S)-1,2-epoxy-3hydroxypropylphosphonates and (1S,2S)- and (1R,2S)-2,3-epoxy-1-hydroxypropylphosphonates, Tetrahedron: Asymmetry 18:2218–2226 308 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KOMUNIKAT BORYLOBUTA-1,3-DIENY – SYNTEZA ORAZ ZASTOSOWANIE JAKO TZW. BLOKI BUDULCOWE WE WSPÓŁCZESNEJ SYNTEZIE ORGANICZNEJ ORAZ METALOORGANICZNEJ. Jadwiga Pyziak1*, Marcin Hoffman2, Bogdan Marciniec3 1 Zakład Chemii Metaloorganicznej/Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 89B, 61-614 Poznań 2 Pracownia Chemii Kwantowej / Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 89B, 61-614 Poznań 3 Centrum Zaawansowanych Technologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza,Umultowska 89C, 61-614 Poznań, * e-mail: [email protected] Związki metaloorganiczne pierwiastków grup głównych układu okresowego, w szczególności boro-, krzemo-, germano- i cynoorganiczne, ze względu na dużą reaktywność, a jednocześnie dobrą stabilność chemiczną stosowane są w współczesnej syntezie organicznej, jako tzw. bloki budulcowe umożliwiające łatwe wprowadzenie nienasyconych układów wiązań C=C, czy C≡C. Szeroka gama procesów demetalacji, sprzęganie Hecka, Suzuki, Negishi, Hiyamy, czy Stilla, pozwala wbudować w strukturę związku różne grupy funkcyjne (Schemat 1) [1]. Metody te znalazły zastosowanie w syntezie produktów pochodzenia naturalnego, w szczególności liniowych łańcuchów polienowych. Wykorzystanie tego typu reagentów metaloorganicznych pozwala selektywnie otrzymać rozbudowane strukturalnie związki, o określonej geometrii, które znajdują zastosowanie w wielu gałęziach współczesnego przemysłu. Schemat 1. Potencjalne zastosowanie 1-borylo-4-metaloidobuta-1,3-dienów. 309 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Borylobutadieny są obecnie stosowane jako kluczowe substraty w procesach syntezy analogów produktów naturalnych, zwłaszcza substancji biologicznie czynnych, w tym leków. Reagenty te są wykorzystane w syntezie między innymi: makrolaktyny A, eteru heptametylomulberrofuranu C, Fusariu, Lucilactaenu, Restryctynolu, Klerodanu, kluczowych produktów pośrednich w cyklu inhibitorów trombiny - α-aminoboranianów, (+)-Kalikuliny A oraz (-)-Kalikuliny B, kwasu β-parynowego, (13E,15E,18Z,20Z)-1-hydroksypentakoza-13,15,18,20-tetraen-1-yn-4-on-1-octanu, Gomisinu E, Inerioferinu A, Angeloylgomisinu. Tak szerokie perspektywy aplikacyjne wynikają z łatwości przeprowadzania procesów przekształcania grupy borylowej, sililowej bądź germylowej borylometaloidobutadienu w inne grupy funkcyjne. Co więcej, jednoczesna niesymetryczna funkcjonalizacja buta-1,3-dienów grupami borylowymi i sililowymi (lub germylowymi) otwiera możliwość selektywnego zastąpienia jednej z tych grup z pozostawieniem niezmienionej drugiej, co stwarza perspektywę jej dalszej modyfikacji poprzez funkcjonalizację w innym procesie syntetycznym. Obecnie najintensywniejszy rozwój przeżywają badania katalitycznych przemian z udziałem tego typu związków metaloidoorganicznych. Doniesienia literaturowe przedstawiają liczne drogi syntezy borylobutadienów (Schemat 2.). Znacznie mniej jest danych odnoście możliwości pozyskania borylometaloidobutadienów (Schemat 2.). Schemat 2. Drogi syntezy 1-borylo-1,3-dienów (schemat po stronie lewej oraz 1-borylo-4-metaloidobuta-1,3-dienów (schemat po stronie prawej). Przedstawione toki syntetyczne są to w większości procesy wieloetapowe, często niemożliwe do przeprowadzenia tzw. metodą „one-pot”, jak również cechujące się niską selektywnością procesu oraz prowadzące przeważnie do uzyskania mieszaniny izomerycznych produktów. Stosowane w nich reagenty nie są przeważnie odczynnikami komercyjnie dostępnymi. Przedstawiona na schemacie 3 odkryta na zakładzie prof. Marcińca reakcja kodimeryzacji winyloboranów z terminalnymi alkinami i sililoalkinami, z wyjątkiem fenyloacetylenu, prowadzi w obecności kompleksów zawierających 310 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wiązanie Ru-H (w szczególności [RuH(CO)Cl(PCy3)2]) do otrzymania dwóch izomerów borylo-, borylosililo- borylogermylopodstawionych buta-1,3-dienów - w zdecydowanej przewadze związku o geometrii wiązań (1E),(3E) [2-4]. Do zalet tej metody należy otrzymywanie borylo- oraz borylo(sililo)buta-1,3-dienów a także borylo(germylo)buta-1,3-dienów przy niewielkiej ilości użytego katalizatora, jej jednoetapowość oraz wysoka selektywność procesu. Schemat 3. Reakcja kodimeryzacji winyloboranów z terminalnymi alkinami. Badania mechanistyczne w oparciu o teorię funkcjonału gęstości (DFT) etapu insercji fenyloacetylenu oraz etynylocykloheksanu do kompleksu [Ru]-H potwierdziły brak postępu reakcji kodimeryzacji fenyloacetylenu z winyloboranami i bierność tego reagenta w procesie sililującego sprzęgania winylosilanu (Schemat 4. oraz Wykres 1.). Schemat 4. Badany etap insercji z fenyloacetylenu oraz etynylocykloheksanu do komleksu rutenu(II). Wykres 1. Profil energetyczny insercji (niebieska linia opisuje insercję fenyloacetylenu, czerwona etynylocykloheksanu). Uzyskane wyniki wykazały duży udział orbitali atomowych węgli pierścienia aromatycznego w tworzeniu orbitalu molekularnego obejmującego całą cząsteczkę. Ma to istotny wpływ na stabilizację całego układu. 311 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Ta praca została wykonana w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki (Polska) Maestro nr. UMO-2011/02 / A / ST5 / 00472. Badania był wykonywane przy wykorzystaniu infrastruktury PL-Grid. Literatura: [1] a) T, Hayashi, K. Yamasaki (2003) Chem. Rev., 103: 2829-2844; b) A. P. Lightfoot, S. J. R. Twiddle, A. Whiting (2005) Org. Biomol. Chem., 3: 3167-3172; c) J. Uenishi, K. Matsui, A. Wada (2003) Tetrahedron Lett., 44: 3093-3096; d) J. Cornil, A. Guérinot , J. Cossy (2015) Org. Biomol. Chem., 13: 4129-4142; e) M. E. Welker (2008) Tetrahedron, 64: 11529–11539 [2] J. Walkowiak, M. Jankowska-Wajda, B. Marciniec (2008) Chem. Eur. J., 14: 6679-6686. [3] J. Pyziak, J. Walkowiak, M. Hoffmann, B. Marciniec (2015) J. Mol. Catal. A: Chem., 396: 239-244. [4] J. Pyziak, J. Walkowiak, M. Hoffmann, B. Marciniec (2015) J. Organomet. Chem., 794: 96-103. 312 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CHEMIA ORGANICZNA POSTERY 313 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA O- I N-ALKILO PIRYDYNOAMIDOKSYMÓW Przemysław Aksamitowski1*, Irmina Wojciechowska1, Aleksandra Wojciechowska1, Karolina Wieszczycka1, Grzegorz Framski2 1 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Chemii Organicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań, 2 Instytut Chemii Bioorganicznej, Zakład Chemii Kwasów Nukleinowych, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] Rozwój społeczno-ekonomiczny współczesnego świata wymusza na przemyśle syntezy organicznej produkcję związków chemicznych, które spełniałyby określone właściwości, a ich synteza byłaby ekonomicznie opłacalna. Podczas syntezy związków organicznych bardzo ważny jest dobór optymalnych warunków procesu, które zapewnią wysoką wydajność i czystość otrzymanego produktu, a także uwzględnią ekonomiczny aspekt całego procesu. Grupą związków organicznych znajdujących się w obrębie zainteresowań przemysłu chemicznego są amidoksymy. Ważnym zastosowaniem tych związków stanowiło wykorzystanie ich, jako odczynniki kompleksujące jony metali w celu ich analitycznego oznaczania [1]. Ta cecha pozwoliła wysnuć wniosek, że mogą sprawdzić się one również w roli ekstrahentów. Celem badań była synteza i modyfikacja pirydynoamidoksymów w nowe pochodne o spodziewanych właściwościach ekstrakcyjnych. Syntezowane pirydynoamidoksymy zawierają grupę O- lub N-alkilową: prostą (oktylową) lub rozgałęzioną (2-etyloheksylową). Zastosowana metoda otrzymywania O-alkilo pochodnych polega głównie na reakcji soli sodowej lub potasowej pirydynoamidoksymu z halogenkiem alkilu (synteza eterów Williamsona) i prowadzi do mieszaniny produktów (w tym również N-alkilo), która jest rozdzielana za pomocą destylacji próżniowej. Typowa synteza N-alkilo pochodnych jest bardziej skomplikowana i polega w pierwszym etapie na otrzymaniu odpowiedniej amidyny [2], a następnie przeprowadzenia reakcji oksymowania za pomocą hydroksyloaminy. W przypadku O-alkilo pochodnych rozpuszczalnikami zastosowanymi podczas syntezy były etanol oraz izopropanol, natomiast przy syntezie N-alkilo pochodnych wykorzystano DMSO, DMF oraz dichlorometan (Rysunek 1). 314 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. N NH2OH.HCl/ NaHCO3 C N OH C EtOH/i-PrOH N NH R-NH2/AlCl3 DMSO/DMF/dichlorometan N NH2OH.HCl/NaOH N NH R R I NH2 N C O C EtOH/i-PrOH NH2 N N R-X/NaOH OH C EtOH/i-PrOH N II NH R Rysunek 1. Schemat syntezy O-alkilo (i) oraz N-alkilo (ii) pirydynoamidoksymu z cyjanopirydyny. R=alkil (oktyl, 2-etylheksyl) X = halogenek (chlor, brom). Niska wydajność i kłopotliwe wydzielenie właściwego produktu z mieszaniny wymusiło zaproponowanie modyfikacji, dzięki której reakcja O-alkilowania przebiegała szybciej i wydajniej. Zmiana polegała na zastąpieniu halogenku alkilu tosylanem alkilu. Zabieg ten poprawił wydajność reakcji oraz ograniczył ilość produktów ubocznych. Tak jak w przypadku O-alkilowania, N-alkilowanie wg metody przedstawionej na rysunku 1 nie okazało się zbyt wydajne. W tym przypadku należało całkowicie zmienić strategię. Wykorzystując dostępne odczynniki został zaproponowany następujący cykl reakcji [3,4] (Rysunek 2): O C N H N NH2OH.HCl/ NaHCO3 OH N NCS/NBS/SOCl2 C C EtOH/i-PrOH DMF H N OH N N OH X R-NH2 C N NH R NaOH Rysunek 2. Schemat syntezy N-alkilo pirydynoamidoksymu z pirydynokarboaldehydu W wyniku przeprowadzonych syntez otrzymaliśmy 12 nowych związków z różnymi wydajnościami (od 30 do 92%, w zależności od obranej drogi syntezy), które będą badane pod kątem właściwości ekstrakcyjnych. Wszystkie reakcje były kontrolowane przy wykorzystaniu chromatografii cienkowarstwowej TLC. Struktury otrzymanych związków zostały potwierdzone za pomocą widm UV, IR oraz NMR (1H oraz 13C). Pracę sfinansowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DSMK/0520. 315 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] F. Eloy, R. Lenaers (1962) The chemistry of amidoximes and related compounds, Chemical Reviews 62(2):155-183, [2] A. Ashraf, A. Nour El-Din, A. M. Nour El-Din (2008) Functionality of amidines and amidrazones, ARKIVOC (I):153-194, [3] D. N. Nicolaides, E. A. Varella (1992), The chemistry of amidoximes, w: S. Patai, The chemistry of acid derivatives. Volume 2, John Wiley & Sons, Chichester, [4] L. I. Belen’kii (2008), Nitrile Oxides, w: H. Feuer, Nitrile oxides, nitrones & nitronates in organic synthesis: novel strategies in synthesis. Second edition, John Wiley & Sons, New Jersey. 316 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE POLIMEROWYCH MEMBRAN INKLUZYJNYCH DO WYDZIELANIA JONÓW CYNKU(II) I ŻELAZA(II) Z ROZTWORÓW CHLORKOWYCH Monika Baczyńska*, Martyna Rzelewska, Magdalena Regel-Rosocka, Maciej Wiśniewski Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Praca przedstawia wyniki badań dotyczących możliwości zastosowania trzech fosfoniowych cieczy jonowych: chlorku triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 101), bis(2,4,4-trimetylopentylo)fosfinianu triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 104) oraz chlorku tributylo(teradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 167) jako przenośników jonów Zn(II) i Fe(II) przez polimerowe membrany inkluzyjne. Stwierdzono, że zastosowane przenośniki są skutecznymi przenośnikami jonów Zn(II). W przypadku transportu jonów Fe(II) odnotowano zdecydowanie niższą skuteczność transportu. Zwiększenie świadomości ekologicznej w zakresie ochrony środowiska spowodowało wzrost zainteresowania membranowymi technikami separacji w tym ciekłymi membranami. Najnowszym rodzajem membran ciekłych są membrany formowane techniką wylewania roztworu zawierającego polimerową matrycę, przenośnik jonów oraz plastyfikator. Membrany takie zwane polimerowymi membranami inkluzyjnymi PIM (Polymer Inclusion Membranes) mogą stanowić alternatywę dla pozostałych typów membran ciekłych, gdyż charakteryzują się zdecydowanie większą wytrzymałością mechaniczną. W czasie formowania polimerowej membrany inkluzyjnej ma miejsce proces fizycznej immobilizacji (unieruchomienia) przenośnika jonów w polimerowej membranie [1, 2]. Współcześnie membrany te znajdują zastosowanie w procesach transportu m.in.; metali szlachetnych, metali alkalicznych, lantanowców, aktynowców, metali ciężkich [2-5]. Fosfoniowe ciecze jonowe z powodzeniem znalazły zastosowanie jako przenośniki jonów Zn(II), Fe(II), Fe(III) z chlorkowych roztworów wodnych [3-5]. Celem niniejszej pracy jest porównanie skuteczności transportu jonów Zn(II) i Fe(II) przez polimerowe membrany inkluzyjne z wykorzystaniem fosfoniowych cieczy jonowych jako przenośników jonów metali. Preparatyka membran: triheksylo(tetradecylo)fosfoniowy Trzy (Cyphos fosfoniowe IL 101), ciecze jonowe, chlorek bis(2,4,4-trimetylopentylo)fosfinian triheksylo(tetradecylo)fosfoniowy (Cyphos IL 104) oraz chlorek tributylo(teradecylo)fosfoniowy (Cyphos IL 167) (Cytec Ind. Inc., USA) zastosowano jako przenośniki Zn(II) i Fe(II) przez PIM. Rolę polimerowej matrycy pełnił trioctan celulozy (CTA), zaś plastyfikatora eter o-nitrofenylooktylowy 317 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. (NPOE). Poszczególne substancje wchodzące w skład membrany rozcieńczono dichlorometanem, a następnie taką mieszaninę wylewano na szalki Petriego i pozostawiono do odparowania rozpuszczalnika. Roztwór fazy zasilającej zawierał: 0,1 g/dm3 Zn(II) i 0,1 g/dm3 Fe(II); 0,58 M HCl, 5 M Cl-. Jako fazę odbierającą zastosowano 1 M H2SO4. Transport Zn(II) i Fe(II) przez PIM: Gotową membranę umieszczono w module membranowym typu sandwich, składającym się z dwóch jednakowych komór, pomiędzy którymi umieszczona była membrana. Roztwory faz wodnych znajdowały się w kolbach stożkowych, a następnie zasilano nimi w sposób ciągły w obiegu zamkniętym obie komory. W trakcie procesu pobierano w określonych odstępach czasu po 1 cm3 każdej z faz w celu określenia stężenia jonów Zn(II) i Fe(II) za pomocą atomowej spektroskopii absorbcyjnej. Transport jonów Zn(II) i Fe(II) przez PIM przedstawiono na rysunku 1 jako zmianę stężenia jonów metali w fazie zasilającej i odbierającej. a) Zn(II) b) Fe(II) Rysunek 1. Zmiana stężenia jonów Zn(II) i Fe(II) w fazie zasilającej (■) i odbierającej (●) w wyniku transportu przez membrany zawierające 55% CTA, 40% IL 101, 5% NPOE. W przypadku transportu jonów Fe(II) przez PIM obserwuje się niewielką skuteczność przenoszenia jonów metalu z fazy zasilającej do odbierającej. Po upływie 72 godzin wyekstrahowano niewiele ponad 30% początkowej ilości jonów Fe(II). W przypadku transportu Zn(II) przez polimerową membranę inkluzyjną odnotowano zdecydowanie wyższą skuteczność transportu. Dodatkowo, w celu zobrazowaniu wpływu zastosowanego przenośnika do przenoszenia jonów Zn(II) i Fe(II) na rysunku 2. przedstawiono wyniki procentu ekstrakcji (% E) oraz współczynnika odzysku (RF). Wartość procentu ekstrakcji (E) oraz współczynnika odzysku (RF) obliczono na podstawie następujących wzorów: E RF c0 c 100 % c0 (1) cs 100 % c0 (2) 318 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. c0 – początkowe stężenie jonów metalu w fazie zasilającej (M), c- stężenie jonów metalu w fazie zasilającej po czasie t (M), cs- stężenie jonów metalu w fazie odbierającej po 48 godzinach (M), t- czas trwania procesu (s) a) Zn(II) b) Fe(II) Rysunek 2. Porównanie wartości procentu ekstrakcji (■) oraz współczynnika odzysku (□) jonów Zn(II) i Fe(II) przez PIM o składzie: 55% CTA, 40% IL 101, 5% NPOE. Najwyższe wartości procentu ekstrakcji oraz współczynnika odzysku odnotowano w przypadku transportu Zn(II) przez membranę, która w swoim składzie zawierała Cyphos IL 104 (wartości E i RF ponad 90%). Równie skuteczny transport Zn(II) odnotowano przez membrany zawierające jako przenośnik Cyphos IL 101. W przypadku transportu jonów Fe(II) najwyższą skuteczność transportu odnotowano dla membran zbudowanych z Cyphos IL 104 jednak wartości te nie przekraczają 40%. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowane jako przenośniki fosfoniowe ciecze jonowe są skutecznymi przenośnikami jonów Zn(II) przez polimerowe membrany inkluzyjne. Transport jonów Fe(II) przez PIM był zdecydowanie mniej skuteczny. Najwyższą skuteczność uzyskano w przypadku transportu Zn(II) przez PIM zawierające jako przenośnik Cyphos IL 104. Praca wykonana w ramach grantu 03/32/DS-PB/0501. Literatura: [1] M. Bodzek, J. Bohdziewicz, K. Konieczny (1997) Techniki membranowe w ochronie środowiska, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [2] L. D. Nghiem, P. Mornane, I. D. Potter, J. M. Perera, R. W. Catrall, S. D. Kolev (2006) Extraction and transport of metal ions and small organic compounds using polymer inclusion membranes (PIMs), Journal of Membrane Science 281 [3] M. Baczyńska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2013) Zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych w procesie transportu jonów metali, Przemysł Chemiczny 92(6) 928-935 [4] M. Baczyńska, M. Regel-Rosocka, M. Nowicki, M. Wiśniewski (2015) Effect of the structure of polymer inclusion membranes on Zn(II) transport from chloride aqueous solutions, Journal of Applied Polymer Science 132:42319 [5] M. Baczyńska, M. Rzelewska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2015) Transport of iron ions from chloride solutions using cellulose triacetate matrix inclusion membranes with an ionic liquid carriers, Chemical Papers, DOI: 10.1515/chempap2015-0198 319 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODYFIKOWANE, MOSTKOWANE TRIANGLAMINY – NOWE PREKURSORY MATERIAŁÓW POROWATYCH, CHIRALNYCH SELEKTORÓW I LIGANDÓW Mateusz Bardziński*, Paweł Skowronek Pracownia Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Modyfikacja trianglaminy poprzez podstawienie protonów związanych z atomem azotu skutkuje przeważnie zwiększeniem mobilności konformacyjnej makrocykla, a tym samym trudnościami w interpretacji widm NMR i krystalizacji. Mostkowanie trianglaminy za pomocą paraformaldehydu prowadzi do otrzymania makrocykla z trzema mostkami metylenowymi, co częściowo usztywnia strukturę, przez co w ciele stałym obserwuje się tworzenie kanałów, do których może wnikać rozpuszczalnik. Powstaje trwały materiał porowaty, w którym po usunięciu rozpuszczalnika kanały zostają zachowane a struktura nie zapada się. W zależności od rozpuszczalnika użytego do krystalizacji otrzymuje się kryształy o zróżnicowanych parametrach i stechiometrii gość-gospodarz. 320 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Poprzez wprowadzenie do pierścienia aromatycznego makrocykla podstawników o zróżnicowanych rozmiarach i właściwościach chemicznych (m.in. Br, CN, NO2, Ar), można sterować powinowactwem wnęki makrocyklicznej i jednocześnie kontrolować wielkość tworzących się w ciele stałym kanałów. Dodatkowo, użycie niesymetrycznego dialdehydu do syntezy trianglamin może zmieniać stereoselektywność reakcji makrocyklizacji – produkt cyklokondensacji może charakteryzować się symetrią C3 lub C1, podczas gdy symetrycznych dialdehydów maksymalna symetria to D2. Celem projektu jest synteza biblioteki związków makrocyklicznych na bazie trianglaminy, modyfikowanych w części aldehydowej, mostkowanie ich oraz poddanie badaniom strukturalnym. Literatura: [1] J. Gawroński et al. (2006) Trianglamines—Readily Prepared, Conformationally Flexible Inclusion-Forming Chiral Hexamines Chem. Eur. J. 12:1807-1817 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 321 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FUNKCJA OCHRONNA GRUPY TRYTYLOWEJ W CHEMII SUPRAMOLEKULARNEJ (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Wioletta Bendzińska-Berus*, Urszula Rychlewska (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Zakład Krystalografii, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Grupa trytylowa (trifenylometylowa) znana jest powszechnie jako grupa ochronna w syntezie organicznej[1], natomiast dotychczas niezbadane pozostają jej właściwości blokujące na poziomie supramolekularnym. Wynikają one z faktu, że duża objętościowo grupa trytylowa może hamować uczestnictwo sąsiadujących z nią grup funkcyjnych w oddziaływaniach międzycząsteczkowych, a więc pełnić rolę grupy ochronnej w chemii supramolekularnej. Ponadto, wystąpienie zawady przestrzennej na poziomie molekularnym niejednokrotnie przekłada się na trudności z efektywnym upakowaniem cząsteczek w krysztale. Równoległe badania obu tych zjawisk przeprowadzono na grupie chiralnych trytyloacetamidów oraz bis-trytyloacetamidów. Badane związki zostały zsyntezowane w Pracowni Stereochemii Organicznej Wydziału Chemii UAM kierowanej przez dr. hab. Marcina Kwita [2]. W wystąpieniu zaprezentowany zostanie sposób upakowania w krysztale przez cząsteczki charakteryzujące się znacznym zatłoczeniem przestrzennym i jednakową chiralnością. Określony też zostanie stopień zaangażowania grupy amidowej w oddziaływania wewnątrz- i międzycząsteczkowe. Dotychczasowe badania wykazały, że w grupie bis-trytyloacetamidów obecność grup trytylowych przyłączonych do sztywnego szkieletu cykloheksanu w pozycji 1,2 prowadzi do generowania luk strukturalnych o dostatecznie dużej objętości, by pomieścić cząsteczki rozpuszczalnika. Na podstawie badań strukturalnych i analizy termicznej stwierdzono obecność kompleksów gość/gospodarz w stosunku 1:1, 2:1 oraz 1:1:1. Co znamienne, nie udało się, jak dotychczas, otrzymać kryształów jednoskładnikowych. (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] P. G. M. Wuts, T. W. Greene (2007) Greene's Protective Groups in Organic Synthesis (4th ed.), Wiley, Canada [2] N. Prusinowska, W. Bendzińska-Berus, J. Szymkowiak, B. Warżajtis, J. Gajewy, M. Jelecki, U. Rychlewska M. Kwit (2015) Double helicity induction in chiral bis(triphenylacetamides) RSC Advances 5:83448-83458 322 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPOWA SONDY OPARTEJ NA STRUKTURZE I-MOTYWU Z WBUDOWANYM FLUORESCENCYJNYM ANALOGIEM 1,3-DIAZO-2OKSOFENOTIAZYNĄ Patrycja Bielecka*, Bernard Juskowiak Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej * e-mail: [email protected] I-motywem (i-tetrapleksem) nazywamy czteroniciową strukturę DNA złożoną z sekwencji oligonukleotydowej bogatej w cytozyny. Warunkiem powstania i-tetrapleksu jest obniżenie wartości pH, w wyniku czego tworzą się pary cytozyna-cytozyna+ stabilizujące ową strukturę [1-3]. Punktem przejścia pojedyncza nić → i-motyw przypada w przedziale wartości pH od 5,5 do 6,5 w zależności od sekwencji oligonukleotydu [4-5]. Jak wiadomo środowisko o odczynie kwasowym stwarza dogodne warunki formowania i-motywów, jednak ich dokładniejszą charakterystykę układu wymaga dodatkowe znakowanie. W niniejszych badaniach skoncentrowano się na wykorzystaniu fluorescencyjnego analogu cytozyny 1,3-diazo-2-oksofenotiazynę (tC) [6]. Zaletą stosowania analogu jest przede wszystkim możliwość włączenia analogu w środku łańcucha oligonukleotydowego (para C-C+ czy też pętla i-motywu), a nie tylko na jego końcach. W celu monitorowania procesu formowania się i-motywu wykorzystana została fluorescencja analogu cytozyny (tC). Charakterystyka badanych układów obejmuje również rejestracja widm absorpcji UV-Vis oraz dichroizmu kołowego (CD). Ocenę trwałości utworzonego i-motywu umożliwiło wyznaczenie wartości temperatur topnienia z profili temperaturowych zmierzonych w zakresie temperatur 10-90˚C. Dodatkowo naprzemienne dodatki jonów H+ oraz OH- pozwoliły ocenić odtwarzalność pracy zaprojektowanego układu sensorowego oraz jego czułość. Rysunek 1. Idea działania sondy oparta na strukturze i-motywu znakowana fluorescencyjnym analogiem cytozyny tC. 323 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] C. Kang, I. Berger, C. Lockshin, R. Ratliff, R. Moyzis, A. Rich (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 91:11636–11640 [2] J. L. Leroy, M. Gueron, J. L. Mergny, C. Helene (1994) Nucleic Acids Res. 22:1600-1606 [3] J. L. Leroy, M. Gueron (1995) Structure 3: 101-120 [4] N. Escaja, Ju. Viladoms, M. Garavı´s, A. Villasante, E. Pedroso, C. Gonza´lez (2012) Nucleic Acids Research 40:11737– 11747 [5] A. Dembska, P. Rzepecka, B. Juskowiak (2013) J. Fluoresc. 23:807–812 [6] L. M. Wilhelmsson, A. Holmen, P. Lincoln, P. E. Nielsen, B. Norden (2001) J. Am. Chem. Soc. 123:2434-2435. 324 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. UTLENIANIE ALKOHOLI PIERWSZO- I DRUGORZĘDOWYCH KOMPLEKSAMI ŻELAZA W UKŁADZIE TERPIRYDYNOWYM A.Bocian, A. Gorczyński, M. Zaranek, P. Pawluć, V.Patroniak Uniwersytet im. Adama Mickiewicza ul. Umultowska 89B 61-614 Poznań, Wydział Chemii e-mail: [email protected] Reakcje katalityczne pozwalają przyspieszać procesy chemiczne. Alkohole można utleniać stosując różnego rodzaju katalizatory [1], między innymi: żelazowe [2,3] czy manganowe [4]. Oprócz nich ważną rolę w układach reakcyjnych spełniają utleniacze oraz rozpuszczalniki organiczne [5]. Stosowane reagenty wchodzą w skład systemu katalizującego i w zależności od ich doboru można otrzymać różne wyniki stopnia konwersji alkoholi. Badania katalityczne przeprowadzono z użyciem cyklopentanolu i 1-fenyloetanolu. Katalizatorem stosowanym w tym procesie był [FeLCl(µ-O)FeCl3], gdzie L: 6,6”-dimetylo 2,2’;6,2”-terpirydyna. W testach katalitycznych utleniaczami były: t-BuOOH, mCPBA, H2O2. Po przeprowadzeniu reakcji zmierzono stopień konwersji za pomocą GC/MS Otrzymany wynik porównywano z stopniem konwersji z następnego dnia. Tabela 1. Przeprowadzone badania i otrzymane wyniki pokazują, że stosowanie różnych utleniaczy ma wpływ na wartość stopnia konwersji. Rozszerzeniem projektu będzie przeprowadzenie badań z użyciem alkoholi alifatycznych i aromatycznych. Badania przeprowadzono w ramach projektu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego: Grant nr 0111 / DIA / 2012 / 41 w ramach programu „Grantu Diamentowego''. Literatura: [1] J.H. Han, S.K. Yoo, J.S. Seo, S.J. Hong, S.K. Kim, C. Kim (2004) Dalton Trans. 402-404 [2] M.T. Raisanen, A. Al.-Hunaiti, E. Atosuo, M. Kemell, M. Leskela, T. Repo (2014) Cat. Sc. & Technology [3] B.M. Peterson, M.E. Herried, R.L. Neve, R.W. McGaff (2014) Dalton Trans. [4] P. Shejwalkar, N.P. Rath, E.B. Bauer (2011) Dalton Trans. 7617, 7619, 7626 [5] J.W. Shin, J.W. Bae, C. Kim, K.S. Min (2011) Dalton Trans. 4001, 4004, 4006 325 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NATURALNY SORBENT JAKO DOSKONAŁY MATERIAŁ DO WYDZIELANIA I ZATĘŻANIA DODEKANOLU I OKSYETYLENOWANYCH ALKOHOLI Martyna Caban*, Joanna Zembrzuska, Irena Budnik Wydział technologii Chemicznej, Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej, Politechnika Poznańska, ul Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] W dzisiejszych czasach kładzie się coraz większy nacisk na ekologię, w związku z czym używane są produkty, które są nieszkodliwe, często wielorazowego użytku, a ich odpady są biodegradowalne. W dziedzinie sorbentów pojawił się trend używania produktów, które są tanie i bezpieczne dla środowiska, czyli tzw. sorbentów „lowcost”. Ziemia okrzemkowa, (diatomit) składa się z 87-91% tlenku krzemu (SiO2) z niewielkim dodatkiem tlenku glinu (Al2O3) i tlenku żelaza (Fe2O3) [1]. W związku ze specyficznymi właściwościami (porowata struktura, wysoka zawartość krzemu, niska gęstość, niski współczynnik przewodnictwa, itp.) [1] znalazła ona wiele zastosowań, takich jak: medium do filtracji, adsorbent [2], medium izolacyjne, jako nośnik lub wsparcie reakcji katalizy i naturalny środek owadobójczy lub chroniący ziarna zbóż [3]. Zauważono, że ziemia okrzemkowa ma doskonałe właściwości adsorpcyjne. Zawdzięcza je właśnie swojej mikroporowatej strukturze. Dlatego jednym z jej zastosowań jest użycie jako adsorbentu dla cieczy, takich jak: kwasy, płynne nawozy, oleje, woda i alkohole [1]. Ziemia okrzemkowa jako adsorbent posiada niezwykle cenne zalety: niskie koszty, przyjazna dla środowiska, możliwość wykorzystania odpadu z przemysłu browarniczego (stosowana jest do filtracji piwa). Celem pracy było sprawdzenie czy ziemia okrzemkowa jest dobrym sorbentem do wydzielania i zatężania homogenicznych oksyetylenowanych alkoholi zwierających od 1 do 9 grup oksyetylenowych w cząsteczce (C12EO1-9) i dodekanolu (C12OH). Proces wydzielania i zatężania kontrolowano techniką chromatografii cieczowej połączonej z tandemową spektrometrią mas (LC-MS/MS). W celu sprawdzenia właściwości sorpcyjnych ziemi okrzemkowej przeprowadzono serię eksperymentów. Wykorzystano komercyjnie dostępną ziemię okrzemkowa typu F50 wyprodukowaną przez LB Materials (Czechy). Po osuszeniu materiału napełniono nią kolumienki do ekstrakcji do fazy stałej (SPE). Masa złoża w kolumience wynosiła 500 mg. Do wymycia zatrzymanych analitów wykorzystano 3 rozpuszczalniki organiczne: chloroform, metanol i octan etylu. Adsorpcję przeprowadzono dla przygotowanych wodnych roztworów modelowych, w których stężenie każdego z homologów oksyetylenowanych alkoholi i wolnego alkoholu wynosiło 0,5 µg/50 mL. Ekstrakcję przeprowadzono według procedury składającej się z następujących kroków: kondycjonowanie złoża przemycie kolumienki 5 mL rozpuszczalnika; przemycie złoża 5 mL wody destylowanej; adsorpcja 326 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. analitów; przemycie złoża 5 mL wody destylowanej; suszenie złoża przez 30 min; elucja analitów 5 mL rozpuszczalnika. Uzyskane wyniki (Rysunek 1) wskazują, że ziemia okrzemkowa jest dobrym sorbentem badanych analitów. Świadczą o tym odzyski poszczególnych związków. Rozpatrując użyte do elucji zaadsorbowanych surfaktantów oraz wolnego alkoholu rozpuszczalniki zauważono iż związki hydrofobowe skuteczniej wymywane są rozpuszczalnikiem hydrofobowym. Dlatego też elucja chloroformem daje odzyski ok. 100% tylko dla wolnego alkoholu i C12EO1-C12EO3. Wzrost długości łańcucha oksyetylenowanego w cząsteczce oksyetylatu, a zatem wzrost hydrofobowości analitu powoduje drastyczny spadek odzysku przy użyciu tego eluentu. Odwrotną sytuację obserwuje się dla metanolu jako eluentu. W tym przypadku wraz ze wzrostem hydrofilowości związku (wzrostu długości łańcucha oksyetylenowanego w cząsteczce surfaktantu) wartości odzysku rosną, uzyskując wartości powyżej 97% dla C12EO4 – C12EO9. Rysunek 1. Odzyski oksyetylenowanych alkoholi oraz wolnego alkoholu dla modelowego roztworu wodnego uzyskane dla kolumienek z ziemią okrzemkową Z trzech badanych eluentów najmniej odpowiednim okazał się octan etylu. Odzyski dla tego rozpuszczalnika kształtują się od ok. 48% (C12EO9) do ok. 96% (C12EO3). Zaprezentowane dane uzyskane dla metanolu i chloroformu jako eluentu sugerują zastosowanie obu tych rozpuszczalników do elucji zaadsorbowanych oksyetylatów oraz wolnego alkoholu z jednej kolumienki SPE wypełnionej ziemią okrzemkową. Badania w tym kierunku będą dalej prowadzone. 327 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS. PB 31-293/2015. Literatura: [1] K. R. Engh, M. Howe-Grant, Kirk-Othmer (1993) Encyclopedia of chemical Technology, Vol 8, fourt edition. Willey, New York [2] M. A. Ai-Ghouti, M. A. M. Khraisheh. S. J. Allen, M. N. Ahmad (2003) The removal of dyes from textile wastewater: a study of the physical characteristics and adsorption mechanisms of diatomaceous earth, J. Environ. Mannage 69:229-238 [3] Z. Korunic (1998) Diatomaceous earths, a group of natural insecticides, Journal of Stored Products Research. 34:87-97 328 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SORBENTY POLIMEROWE IMPREGNOWANE CZWARTORZĘDOWYMI SOLAMI PIRYDYNIOWYMI – OTRZYMYWANIE I ZASTOSOWANIE Martyna Frąckowiak, Joanna Bornikowska, Karolina Wieszczycka, Aleksandra Wojciechowska Zakład Chemii Organicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Sorbent jest to rozdrobnione ciało porowate o znacznie rozwiniętej powierzchni właściwej, na której zachodzi proces fizycznego wiązania cząstek – adsorpcja (na powierzchni sorbentu) i absorpcja (wewnątrz porów), co w efekcie prowadzi do zatężenia pożądanej substancji [1]. Sorbenty dzielimy na trzy podstawowe kategorie: sorbenty organiczne naturalne (tj. torf, słoma), nieorganiczne (tj. piasek, wata szklana) oraz syntetyczne polimerowe (np.: otrzymywane metodą polimeryzacji suspensyjnej) [2,3]. Sorbenty polimerowe mimo wielu zalet takich jak: niska pracochłonność, wysoki uzyskiwany stopień zatężenia i możliwość miniaturyzacji procesu, co pozwala na analizowanie próbek o ograniczonej objętości, cechują się niską selektywnością wpływającą negatywnie na wydajność procesu [4]. Alternatywą dla klasycznych sorbentów są sorbenty impregnowane np.: substancją kompleksującą (SIRs – Solvent Impregnated Resins), które charakteryzują się zwiększoną zdolnością do selektywnego rozdziału analitów. Koncept SIRs oparty jest na włączeniu substancji o silnych właściwościach kompleksujących (ekstrahenty o właściwościach kwasowych, zasadowych lub chelaty) do porowatej matrycy polimerowej za pomocą technik impregnacji fizycznej. Impregnacja sorbentów polimerowych została stworzona z myślą połączeniu zalet ekstrakcji ciecz-ciecz z wymianą jonową. Główną zaletą impregnacji sorbentów polimerowych jest uniwersalność tego procesu, ponieważ możliwe jest uzyskanie szerokiej gamy materiałów sorpcyjnych, dopasowanych do poszczególnych roztworów mieszanin analitów z zastosowaniem różnych kombinacji nośników polimerowych i ekstrahentów [5]. Dodatkowym atrybutem tego procesu jest łatwość usunięcia czynnika impregnującego i zastąpienia go innym bez uszkodzenia lub wymiany sorbentu, natomiast wadą jest możliwością wymywania impregnatu w trakcie prowadzenia procesu sorpcyjnego. Rys.1 Schemat przygotowania SIRs 329 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem badań było przeprowadzenie procesu impregnacji wybranych sorbentów polimerycznych o matrycy poli(styren-diwinylobenzen) i porównanie ich zdolności separacyjnej względem jonów cynku(II). Do badań wybrano sorbenty: Sepabeads® SP850 i Diaion® HP-20 (Tabela 1), a jako czynniki impregnujące zastosowano ekstrahenty z grupy czwartorzędowych soli pirydyniowych (chlorek 3undekanoilo-1-propylopirydyniowy oraz bromek 3-undekanoilo-1-propylo-pirydyniowy). Proces impregnacji prowadzono w acetonie stosując 5% udział substancji impregnującej. Badanie sorpcji jonów Zn(II) prowadzono w kolbkach stożkowych o pojemności 100 cm3 (metoda statyczna). Do każdej z kolbek wprowadzono 1g sorbentu oraz 50 cm3 roztworu wodnego zawierającego 100 mg/dm3 Zn(II), 2 i 4 mol/dm3 NaCl oraz 0.1 mol/dm3 HCl. Tak przygotowane kolbki mieszano w czasie od 1 do 240 min, a następnie fazę wodną oddzielano i analizowano na zawartości metalu metoda ASA (Z8200, Hitachi). Stopień wydzielenia jonów Zn(II) obliczono ze wzoru: gdzie: Co - stężenia początkowe metalu w roztworze [mg/dm3], Ct - stężenie metalu w roztworze po procesie sorpcji [mg/dm3]. Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne wybranych do badań sorbentów. Właściwości Sorbent Sepabeads® SP850 Diaion® HP-20 Producent Supelco Supelco Struktura Makroporowata makroporowata Matryca styrenowo- styrenowo- diwinylobenzenowa diwinylobenzenowa jasnobrązowe białe sferyczne sferyczne ziarna ziarna Rozmiar ziarna [mm] 0,25-0,84 0,25-0,85 Powierzchnia [m²/g] 1000 500 Objętość porów [ml/g] 1,2 1,3 Postać fizyczna 330 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Otrzymane wyniki pozwoliły stwierdzić, iż sorbenty Diaion® HP-20 i Sepabeads® SP850 impregnowane chlorkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym i bromkiem 3-undekanoilo-1- propylopirydyniowym wykazują dobre właściwości sorpcyjne względem jonów cynku(II). Przykładowo sorbent Diaion® HP-20 impregnowany bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym, w zależności od stężenia jonów cynku(II) w roztworze wodnym zawierającym 2M NaCl i 0,1M HCl, uzyskał 23 i 39% stopień wydzielenia, a czas kontaktu faz niezbędny do osiągnięcia stanu równowagi wynosił od 5 do 15 minut. W przypadku sorbentu Sepabeads® SP850 również impregnowanego bromkiem 3-undekanoilo1-propylopirydyniowym, stopień wydzielenia wynosił odpowiednio 23 i 45%, a czas kontaktu faz niezbędny do osiągnięcia stanu równowagi wynosił 15-30 minut. Rysunek 1. Diaion® HP-20 modyfikowany bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym Rysunek 2. Sepabeads® SP850 modyfikowany bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym Literatura: [1] A. Nowak (2012) Bezpieczeństwo Środowiskowe: Badanie chłonności sorbentów, Skrypt do ćwiczeń, Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska [2] A. W. Trochimczuk (2003) Abstrakt Sorbenty polimerowe – synteza i właściwości, kolekcja BazTech, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej [3] http://www2.epa.gov/emergency-response/sorbents [4] P. P. Wieczorek (2005) Sorbenty i membrany polimerowe w przygotowaniu do analizy próbek środowiskowych i biologicznych, Polimery, Tom L, Nr 6 (409-412) [5] N. Kabay, J. L. Cortina, A. Trochimczuk, M. Streat (2010) Solvent-impregnated resins (SIRs) – Methods of preparation and their applications, Reactive & Functional Polymers 70 (2010) 484-485 331 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE FLUOROFORY PERYLENOWE – SYNTEZA, STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI FLUORESCENCYJNE Marta Głodek1*, Anna Makal2, Janusz Zakrzewski1, Damian Plażuk1 1 Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź 2 Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, ul. Pasteura 1, 02-093 Warszawa * e-mail: [email protected] Perylen 1 oraz jego pochodne są ważnymi związkami wykazującymi właściwości fluorescencyjne znajdującymi zastosowania m.in. jako znaczniki fluorescencyjne, w OLED’ach (ang. Organic Light-Emitting Diode), jako pigmenty. Pomimo szerokiego zakresu zastosowań pochodnych perylenu, najważniejszą metodą syntezy pochodnych 1 są reakcje funkcjonalizowania N-alkilowych diimidów perylenowych. Stosunkowo niewielkie zastosowanie mają reakcje substytucji elektrofilowej perylenu, prowadzące do otrzymania jedynie 3- lub też mieszaniny 1- oraz 3-podstawionych perylenów. Jedną z reakcji o szerokim zastosowaniu w syntezie pochodnych węglowodorów aromatycznych jest reakcja acylowania Friedela-Craftsa prowadząca do odpowiednich ketonów, które następnie mogą zostać wykorzystane do dalszych syntez. W komunikacie zostaną zaprezentowane reakcje 1 z trifluorooctanami acylowymi, generowanymi in situ z kwasów 2,3-αβ-nienasyconych oraz bezwodnika trifluorooctwoego w obecności kwasu trifluorometanosulfonowego prowadzące do skondensowanych ketonów perylenowych. Ponadto zostaną przedstawione wyniki badań strukturalnych oraz fotofizycznych zsyntezowanych nowych fluoroforów perylenowych. Rysunek 1. Schemat syntezy. Badania sfinansowane ze środków NCN na podstawie decyzji DEC-2013/11/B/ST5/0107. 332 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA, ARCHITEKTURA I ZASTOSOWANIA CHIRALNYCH KALIKSALENÓW Natalia Gurlaga*, Małgorzata Petryk, Marcin Kwit Zakład Stereochemii Organicznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu ,ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Kaliksaleny będące poliiminowymi makrocyklami, powstają na drodze [3+3] cyklokondensacji pomiędzy enancjomerycznie czystym trans-1,2-diaminocykloheksanem a pochodnymi aldehydu izoftalowego. [1,2] Metoda ich otrzymywania została opracowana przez zespół Gawrońskiego i bazuje na koncepcji dynamicznej chemii kowalencyjnej (DCC). Odwracalna natura reakcji pozwala na tzw. sprawdzanie błędów i ich korektę, poprzez zrywanie wiązań i formowanie nowych, aż do osiągnięcia minimum energetycznego układu w stanie równowagi. [3,4,5] Otrzymane w ten sposób nowe C3-symetryczne związki makrocykliczne charakteryzują się strukturą wazy, podobną do kaliksarenów. [1,2] Ponadto, kaliksaleny zdolne są do tworzenia architektur strukturalnych wyższego rzędu, utrzymywanych przez oddziaływania niekowalencyjne. Dwie sąsiadujące ze sobą cząsteczki kaliksalenów mogą tworzyć ze sobą dimery typu gość-gospodarz lub kapsuły z inkluzją rozpuszczalnika.[1] Rozszerzenie biblioteki kaliksalenów o makrocykle otrzymywane na bazie enancjomerycznie czystej stilbenodiaminy pozwala na dokładne zbadanie struktury i właściwości tych związków oraz na poszukiwanie nowych zastosowań. Literatura: [1] M.Petryk, A. Troć, B. Gierczyk, W. Danikiewicz, M. Kwit (2015) Chem. Eur. J. 21: 10318-10321. [2] M. Kwit, J. Gawroński (2003) Tetrahedron-Asymmetr 14 1303-1308; [3] Y. Jin, Q. Wang, P. Taynton, W. Zhang (2014) Acc. Chem. Res. 47, 1575; [4] Y. Jin, C. Yu, R. J. Denman, W. Zhang (2013) Chem. Soc. Rev. 42, 6634; [5] S. J. Rowan, S. J. Cantrill, G. R. L. Cousins, J. K. M. Sanders, J. F. Stoddart (2002) Angew. Chem. Int. Ed. 41, 898-952. 333 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PRÓBA SYNTEZY SZKIELETU HAOUAMINY Z 2-PIRYDONÓW Tomasz J. Idzik, Aleksandra Borzyszkowska, Łukasz Struk, Jacek G. Sośnicki* 1 Instytut Chemii i Podstaw Ochrony Środowiska, Zakład Chemii Organicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin * e-mail: [email protected] Haouamina A i B (schemat 1) to wyizolowane z osłonic żyjących na południowych wybrzeżach Hiszpanii [1] siostrzane alkaloidy, które wykazują silne działanie przeciwnowotworowe. Szczególnie interesujący jest alkaloid Haouamina A, który posiada wysoką aktywność i selektywność wobec komórek raka jelita grubego linii HT-29 (IC50=0.1μg/ml) [1]. Związki te występują jako mieszaniny nierozdzielających się izomerów przestrzennych. W swojej budowie posiadają ugrupowanie indenotetrahydropirydynowe połączone z 11-częściowym układem paracyklofanu, który jest tak naprężony, że jeden z pierścieni aromatycznych traci planarność by przyjąć konformację pseudołodziową [1]. Połączenie takich cech jak aktywność przeciwnowotworowa oraz interesująca budowa powodują, że ciągle podejmowane są próby syntezy tych alkaloidów. Niektóre trudności jakie napotkano w syntezie ich pochodnych, związane są z otrzymaniem układu indenotetrahydropirydyny, który posiada z jednej strony czwartorzędowe centrum chiralne, natomiast z drugiej strony wysoce naprężony układ azaparacyklofanowy. Opracowano kilka metod syntezy totalnej alkaloidów z grupy Haouaminy, w ramach których zaproponowano różne sposoby skonstruowania tricyklicznego układu indenotetrahydropirydyny (Schemat 1). Na przykład Baran i Burns zastosowali reakcję bromocyklizacji przy użyciu 2,4,4,6tetrabromo-2,5-cykloheksadienonu (TBCO), wychodząc z podstawionego oksymu indan-2-onu [2]. Grupa badaczy z Niemiec, Stanów Zjednoczonych i Hiszpanii wykorzystała wewnątrzcząsteczkową sprzężoną addycję pierścienia arylowego do α,β-nienasyconej pochodnej pirydyn-3-onu [3]. Furstner i Ackerstaff wykorzystali wewnątrzcząsteczkową reakcję Hecka podobnego pirydyn-3-onu [4], natomiast naukowcy z Japonii skorzystali z kaskadowej reakcji Mizoroki-Hecka układu acyklicznego [5]. Wśród innych metod można wymienić wewnątrzcząsteczkową reakcję McMurry’ego [6] oraz różne podejścia wykorzystujące reakcję Friedela – Craftsa [7] (Schemat 1). Kontynuując własny program badań nad wykorzystaniem prostych prekursorów w syntezie pochodnych alkaloidów oraz związków biologicznie czynnych, podjęliśmy próbę otrzymania tricyklicznego szkieletu Haouaminy wychodząc z pochodnych 2-pirydonu. Pirydony, ze względu na ich dużą dostępność oraz stosunkowo łatwą syntezę i funkcjonalizację, stają się coraz bardziej atrakcyjnym źródłem pierścienia piperydyny w syntezie alkaloidów piperydynowych [8-12] i potencjalnie mogą być również wykorzystane w syntezie pochodnych Haouaminy. 334 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Przedstawiona przez nas w niniejszym komunikacie strategia syntezy szkieletu Haouaminy opiera się przede wszystkim na wprowadzeniu grupy benzylowej w pozycję C6 pierścienia 2-pirydonu w wyniku addycji nukleofilowej, a następnie na cyklizacji produktu przejściowego, tj. 6-benzylo-5,6-dihydropirydyn-2-onu (3) (Schemat 2). W komunikacie zostaną przedstawione wstępne wyniki optymalizacji obu etapów. W syntezie związku 3 i jego pochodnych zostaną zaprezentowane wyniki zastosowania klasycznych związków Grignarda oraz benzylowych kompleksów magnezowych typu R3MgLi [8-13], natomiast wyniki optymalizacji reakcji cyklizacji będą dotyczyły zastosowania odczynników elektrofilowych, stosowanych w elektrofilowej cyklofunkcjonalizacji. Schemat 1. Metody syntezy układu indenotetrahydropirydyny występującego w Haouaminie A i B. Schemat 2. Proponowana strategia syntezy układu indenotetrahydropirydyny 2. 335 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] L. Garrido, E. Zubı´a, M.J. Ortega, J. Salva (2003) J. Org. Chem. (68): 293-299 [2] P.S. Baran, N.Z. Burns (2012) J. Am. Chem. Soc., (128): 3908-3909 [3] M. Matveenko, G. Liang, E.M.W. Lauterwasser, E. Zubía, D. Trauner, (2012) J. Am. Chem. Soc. (134): 9291-9295 [4] A. Furstner, J. Ackerstaff (2008) Chem. Commun. 2870–2872 [5] T. Taniguchi, H. Zaimoku, H. Ishibashi (2009) J. Org. Chem. (74): 2624–2626 [6] K. Okuyama, Y. Momoi, K. Sugimoto, K. Okano, H. Tokuyama (2011) Synlett (1): 73–76 [7] M.A. Grundl, D. Trauner (2006) Org. Lett. (8): 25-23 [8] J.G. Sośnicki (2006) Tetrahedron Lett. (47): 6809-6812 [9] J.G. Sośnicki, Ł. Struk (2009) Synlett (15): 2508-2512 [10] J.G. Sośnicki, Ł. Struk, T. Idzik, G. Maciejewska (2014) Tetrahedron (70): 8624-8635 [11] J.G. Sośnicki (2009) Tetrahedron Lett. (50): 178-181 [12] J.G. Sośnicki, Ł. Struk (2010) Synlett (8): 1209-1214 [13] J.G. Sośnicki (2007) Tetrahedron (63): 11862-11877 [14] J.G. Sośnicki, Ł. Struk (2009) Synlett (11): 1812-1816 [15] J.G. Sośnicki, P. Dzitkowski, Ł. Struk (2015) Eur. J. Org. Chem. 5189–5198 336 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CIECZE JONOWE A STANDARDOWE PREPARTY HERBICYDOWE W UPRAWIE KUKURYDZY (ZEA MAYS L.) Małgorzata Jagła1, Anna Syguda2, Anna Parus2, Łukasz Sobiech1, Piotr Szulc1, Grzegorz Skrzypczak1 1 Katedra Agronomii, Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Dojazd 11, 60-632 Poznań 2 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Kukurydza uprawna (Zea mays L.), obok pszenicy i ryżu jest jedną z głównych roślin zbożowych uprawianych na świecie [1, 2]. Duża popularność w uprawie tej rośliny uwarunkowana jest możliwością wszechstronnego jej wykorzystania. Uprawiana w technologii ziarnowej może być użytkowana jako typowa roślina zbożowa, ale może być również doskonałym źródłem pasz objętościowych dla przeżuwaczy [3]. Jednym z głównych czynników wpływających na wysokość uzyskanego plonu jest zdrowotność łanu oraz utrzymanie plantacji wolnej od chwastów. Zwalczanie chwastów w kukurydzy jest jednym z najważniejszych zabiegów pielęgnacyjnych. Z danych światowych wynika, że obecność chwastów na polu powoduje istotne straty plonów do 13% przy stosowaniu metod zapobiegawczych i blisko 30% w przypadku zaniechania jakiejkolwiek ochrony [4]. Na rynku dostępnych jest wiele środków ochrony roślin o odmiennym mechanizmie działania. Herbicydy stosowane w kukurydzy poza tym, że muszą być bezpieczne dla środowiska, człowieka, pszczół, organizmów wodnych, także muszą być skuteczne w zwalczaniu chwastów oraz wykazywać się pełną selektywnością w stosunku do odmian [4]. Nowym rozwiązaniem w ochronie roślin jest zastosowanie herbicydowych cieczy jonowych. Ciecze jonowe (ionic liquids, ILs) to związki chemiczne o budowie jonowej składające się z kationu o organicznego oraz anionu organicznego lub nieorganicznego o temperaturze topnienia poniżej 100 C. Związki te bardzo dobrze rozpuszczają wiele substancji organicznych i nieorganicznych, charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną do 400°C, mają właściwości mieszania się z wodą (ciecze hydrofilowe) lub brak możliwości mieszania z wodą (ciecze hydrofobowe ), są nielotne (niska, prawie zerowa prężność par) [5]. Nowe możliwości zastosowania cieczy jonowych daje wprowadzenie w ich strukturę anionu o działaniu chwastobójczym. Doprowadziło to do otrzymania nowej grupy związków określanych mianem herbicydowych cieczy jonowych (ang. herbicidal ionic liquids). W związku z wielofunkcyjnością oraz wysoką aktywnością stosując herbicydowe ciecze jonowe (herbicidal ionic liquids) można zredukować liczbę dodatkowych substancji wymaganych przy stosowaniu herbicydów 337 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. takich jak adiuwanty. W efekcie zastosowania herbicydowych cieczy jonowych ograniczyć można akumulację środków ochrony roślin w glebie [6, 7]. Celem badań było określenie skuteczności działania wybranych herbicydowych cieczy jonowych na dwa gatunki chwastów komosę białą (Chenopodium album L.) oraz samosiewy rzepaku ozimego (Brassica napus L.). Do badań wybrano trzy ciecze jonowe, które zawierały kation didecylodimetyloamoniowy oraz herbicydowy anion, którym były jony 2,4-dichlorofenoksyoctanowy (2,4-D), 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy (Dicamba) oraz 4-chloro-2-metylofenoksyoctanowy (MCPA). Struktury związków przedstawiono w tabeli 1. Związki te zostały zsyntezowane w Zakładzie Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej przez dr inż. Annę Sygudę. Tabela 1. Herbicydowe ciecze jonowe stosowane w badaniach Nazwa związku Wzór strukturalny Akronim 4-chloro-2-metylofenoksyoctan didecylodimetyloamoniowy [DDA][MCPA] 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesan didecylodimetyloamoniowy [DDA][Dicamba] 2,4-dichlorofenoksyoctan didecylodimetyloamoniowy [DDA][2,4-D] Badania szklarniowe przeprowadzono w Katedrze Agronomii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Doświadczenie przeprowadzono w czterech powtórzeniach na dwóch gatunkach chwastów: komosie białej (Chenopodium album L.) oraz samosiewach rzepaku ozimego (Brassica napus L.). Zabieg opryskiwania dokonano w fazie BBCH 12-14 (tj. w fazie rozwojowej 2-4 liści) odpowiednio dla komosy białej (Chenopodium album L.) oraz samosiewów rzepaku ozimego (Brassica napus L.). Ocenę skuteczności badanych preparatów przeprowadzono po 7 i 14 dniach od dnia zabiegu opryskiwania. 338 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Ocena skuteczności działania środków oceniana była w odniesieniu do kontroli (bez zabiegu opryskiwania) wg. skali 0-100 %, gdzie 0 % = brak skuteczności. W przeprowadzonych doświadczeniach wykazano wysoką skuteczność chwastobójczą wybranych cieczy jonowych w stosunku do komosy białej oraz samosiewów rzepaku ozimego. Literatura: [1] R. A. Fischer, G.O. Edmeades, (2010) Breeding and cereal yield progress, Crop Science (50): 85-98 [2] A.M. Jaliya, A. M. Falaki, M. Mahmud, Y. A. Sani (2008) Effects of sowing date and NPK fertilizer rate on yield and yield components of quality protein maize (Zea mays L.), ARPN J. Agric. Biological Sci. (2):23-29 [3] T. Ettle, F.J. Schwarz (2003) Effect of maize variety harvested at different maturity stages on feeding value and performance of dairy cows, Anim. Res. (52): 337-349 [4] R. Kierzek (2012) Ochrona kukurydzy i buraka cukrowego przed chwastami, Materiały konferencyjne Płońsk [5] P. Kubisa (2006) Perspektywy zastosowań cieczy jonowych w chemii polimerów, Polimery (7-8): 483-614 [6] T. Praczyk, P. Kardasz, E. Jakubiak, A. Syguda, K. Materna, J. Pernak (2012) Herbicidal Ionic Liquids with 2,4-D, Weed Science Society of America 60(2): 189-192 [7] J. Pernak, A. Syguda, K. Materna, E. Janus, P. Kardasz, T. Praczyk (2012) 2,4-D based herbicidal ionic liquids, Tetrahedron (68:) 4267-4273 339 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. CZWARTORZĘDOWE POCHODNE KETONÓW ORAZ KETOKSYMÓW PIRYDYNOWYCH JAKO NOWE EKSTRAHENTY METALI Bartosz Jarosz, Aleksandra Wojciechowska, Irmina Wojciechowska, Karolina Wieszczycka Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych i ekonomicznych technik selektywnego oczyszczania, zatężania oraz wydzielania metali z roztworów wodnych. Metoda ta ma swoje zastosowanie nie tylko w procesach wydzielania metali ze złóż pierwotnych, ale także w procesach odzysku z różnych odpadów przemysłowych, roztworów potrawiennych, złomów, wyczerpanych elektrolitów, wód kopalnianych oraz wielu innych produktów odpadowych [1]. W ostatnich latach zaproponowano wiele nowych związków ekstrakcyjnych metali, ale tylko nieliczne z nich można zastosować w procesach selektywnego wydzielania metali. Do tej grupy związków należą hydrofobowe oksymy ketonów alkilowo-2-, -3-, oraz -4-pirydylowych, które są połączeniem ekstrahenta chelatującego (ugrupowanie oksymowe) oraz solwatującego (pierścień pirydynowy), co umożliwia zastosowanie ligandów w różnych układach ekstrakcyjnych. Czwartorzędowe sole pirydyniowe tworzą równie ciekawą grupę związków kompleksowych. Przykładowo bromek 3-[1-(hydroksyimino)decylo]-1propylopirydyniowy pozwala skutecznie usunąć jony cynku(II) z roztworu zawierającego nawet 40g Zn2+, a zregenerowany w procesie reekstrakcji ligand może być wielokrotnie stosowany nie wykazując przy tym spadku wydajności ekstrakcji [2]. Celem badań była synteza oraz określenie właściwości ekstrakcyjnych zsyntezowanych czwartorzędowych soli pirydyniowych: chlorku 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowego, bromku 3undekanoilo-1-propylopirydyniowego, chlorku 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego oraz bromku 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego, a także 1-(3-pirydyno)undekan-1onu i oksymu 1-(3-pirydyno)undekan-1-onu. Chlorek oraz bromek 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowy otrzymano w dwuetapowej syntezie, w której w pierwszym etapie otrzymano 1-(3-pirydyno)undekan-1-on z odpowiedniego bromku decylowo-magnezowego i 3-cyjanopirydyny. W drugim etapie syntezy otrzymany keton poddano reakcji czwartorzędowania przy pomocy bromku propylu lub chlorku propylu, przy zastosowaniu 10% nadmiaru halogenku. Jako rozpuszczalnik zastosowano acetonitryl, a reakcję prowadzono przez 24h w temperaturze o 22-23 C. propylopirydyniowego pierwszym etapie oraz również W przypadku bromku syntezy chlorku 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1- 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowego otrzymano 1-(3-pirydyno)undekan-1-on, oksymowaniu w etanolu w obecności NaOH. 340 który następnie w poddano BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W ostatnim etapie syntezy otrzymany oksym 1-(3-pirydyno)undekan-1-onu poddano reakcji czwartorzędowania bromkiem lub chlorkiem propylu. Reakcje czwartorzędowania również prowadzono w temperaturze 22-23 oC w acetonitrylu. O C N 1) C10H21MgBr / Et2O O C10H21 + 2) H2O, H , 2 dni N PrX C10 H21 CH3CN, rt. N N X NH2OH*HCl Na2CO3/ NaOH EtOH, 2h rt. OH OH N N C10H21 PrX C10H21 CH3CN, rt. N N X X= Br / Cl Rysunek 1. Schemat syntezy otrzymanych związków Zsyntezowane związki w postaci roztworów toluenowych z 10% dodatkiem dekan-1-olu zostały poddane podstawowym badaniom ekstrakcyjnym, które obejmowały określenie wpływu stężenia jonów chlorkowych oraz metalu w fazie wodnej oraz stężenia ekstrahenta w fazie organicznej na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) ze słabo kwaśnych roztworów chlorkowych. Badania te prowadzono w cylindrach miarowych o objętości 50 cm3 przy stałym stosunku faz organiczna: wodna (O:W) równym 1. Obie fazy były wstrząsane na wstrząsarce ramieniowej (Bio-mix BWR 04) przez 30 minut w temperaturze 21-23oC. W badaniach tych fazę wodną stanowiły roztwory chlorku miedzi(II) (0,01 mol/dm3) zawierające zmienne stężenie jonów chlorkowych (0 - 4 mol/dm3). Siłę jonową I = 4 mol/l oraz aktywności wody aw = 0.835 regulowano przed odpowiedni dodatek NaCl, LiNO3 i NaNO3. Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że wszystkie zsyntezowane związki wykazują zdolność ekstrakcyjną względem jonów miedzi(II). Wydajność procesu ekstrakcji zależy zarówno od budowy podstawnika w pierścieniu pirydynowym, obecności czwartorzędowanego azotu pirydyniowego, jak i stężenia jonów chlorkowych w fazie wodnej (Rys. 2 i 3). Chlorek 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowy oraz chlorek 3-[1-(hydroksyimino)undecylo]-1-propylopirydyniowy wykazują najsilniejsze właściwości ekstrakcyjne względem jonów miedzi(II). 341 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 2. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(ii) z roztworów chlorkowych oksymem 1-(3-pirydylo)undekan-1-onu, chlorkiem 3-[1-(hydroksyimino)undecylo] -1propylopirydyniowym oraz bromkiem 3-[1-(hydroksyimino)undecylo] -1-propylopirydyniowym ([Cu(II)]= 0,01mol/l, PH = 3,5, I= 4 mol/l, a W = 0,835) Rysunek 3. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworów chlorkowych 1-(3pirydylo)undekan-1-onem, chlorkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym oraz bromkiem 3-undekanoilo-1-propylopirydyniowym ([Cu(II)]= 0,01mol/l, pH = 3,5, I= 4 mol/l, a w = 0,835) Praca została sfinansowana ze środków na działalność statusową 03/32/DSMK/0520. Literatura: [1] K. Ochromowicz, T. Chmielewski (2012), Solvent extraction in hydrometallurgical processing of polish copper concentrates, Physicochemical Problems of Mineral Processing, 46:207-218. [2] K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, M. Krupa, R. Kordala-Markiewicz (2013), Quaternary pyridinium ketoximes zinc extractants from chloride solutions, Journal of Chemical and Engineering Data 58(11):3207-3215. 342 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIE HIERARCHICZNEGO PROCESU SAMOASOCJACJI DO TWORZENIA KOMPLEKSÓW METALOSUPRAMOLEKULARNYCH Anna Jenczak*1,2, Artur R. Stefankiewicz1,2 1 Laboratorium Nanostruktur Funkcjonalnych, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b, 61-614, Poznań, Polska 2 Laboratorium Nanostruktur Funkcjonalnych, Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89c, 61-614, Poznań, Polska * e-mail: [email protected] Wykorzystanie hierarchicznego procesu samoasocjacji w otrzymywaniu organiczno/nieorganicznych architektur (MOF, ang. metal-organic framework), nabrało w ostatnim czasie ogromnego znaczenia. Związki otrzymywane według tej strategii znajdują zastosowanie m.in. w kompleksowaniu/wiązaniu cząsteczek gościa czy kontrolowaniu reaktywności chemicznej materiałów (neutralizacja cząsteczek wybuchowych). Kontrolowana synteza złożonych układów supramolekularnych, czy metalosupramolekularnych, o ściśle określonych właściwościach stanowi intelektualne, jak i praktyczne wyzwanie dla naukowców. Otrzymywanie tego typu układów, opiera się w pierwszym etapie na syntezie precyzyjnie sfunkcjonalizowanych ligandów organicznych, a następnie na wprowadzeniu w strukturę metalosupramolekularnej. jonów metalu, W zdecydowanej co większości prowadzi do przypadków, otrzymania skutkuje architektury to wzrostem funkcjonalności, co prowadzi do bardzo interesujących właściwości kompleksu (redoks, magnetyczne, katalityczne, fotoaktywne, optyczne, elektrochemiczne). MOF-y są to trójwymiarowe organiczno-nieorganiczne szkielety, zbudowane z bloków organicznych połączonych narożami przez kationy metali. Ze względu na swoja porowatą i regularną strukturę, posiadają właściwości katalityczne, separacyjne oraz absorpcyjne. W związku z tym cechują się dużym potencjałem aplikacyjnym i szerokim spektrum innowacyjnych zastosowań. [1-3] Znalazły zastosowanie m.in. w medycynie (uwalnianie leków w określonym pH), katalizie (np. reakcji acylowania), neutralizacji substancji (merkaptanów), rozdziale chiralnym, magazynowaniu i sekwestracji gazów. Celem pracy jest synteza nowych, funkcjonalizowanych, dynamicznych szkieletów metalicznoorganicznych oraz zbadanie ich właściwości fizyko-chemicznych. Pierwszym etapem pracy jest synteza MOF-ów z wykorzystaniem hierarchicznego procesu samoasocjacji o zaprojektowanych właściwościach np. magnetycznych, elektronowych oraz o określonych właściwościach kompleksujących. [4-5] Drugim etapem badań jest analiza i charakterystyka MOF-ów, zbadanie ich właściwości fizykochemicznych za pomocą XRD-MCSA oraz XRPD, IR, TGA, DSC, spektroskopii UVvis, fluorescencji, EPR, NMR, mikroskopii SEM i AFM. Użyte techniki mają na celu sprawdzenie efektywności 343 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. transkrypcji właściwości liganda i jego rozbudowanej struktury MOF-ów, zbadanie porowatości oraz zdolności do separacji np. gazów. [6] Ważnym elementem pracy jest badanie wpływu bodźców fizycznych i chemicznych na właściwości syntezowanych układów metalosupramolekularnych np. pod wpływem wysokiego ciśnienia możemy uzyskać amorfizację, przemianę fazową czy kompresję układów. Literatura: [1] B. Civalleri, F. Napoli, Y. Noël, C. Roettia, R. Dovesia (2006) Cryst Eng Comm 8:364-371 [2] V. Guillerm, D. Kim, J. F. Eubank, R. Luebke, X. Liu, K. Adil, M. S. Lah, M. Eddaoudi (2014) Chem. Soc. Rev. 43:6141617 [3] A. Schneemann, V. Bon, I. Schwedler, I. Senkovska, S. Kaskel, R. A. Fischer (2014) Chem. Soc. Rev. 43:6062 [4] S. R. Caskey, A.J. Matzger, (2009) Material Matters 4:111 [5] O. M. Yaghi, M. O'Keeffe, N. W. Ockwig, H. K. Chae, M. Eddaoudi, J. Kim (2003) Nature 423:705-714 [6] J. Zhao, H. Li, Y. Han, R. Li, X. Ding, X. Feng, B. Wang (2015) J. Mater. Chem. A 3:12145 344 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. GEMINI SURFAKTANTY JAKO POTENCJALNE INHIBITORY KOROZJI: SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA SPEKTROSKOPOWA O. Kaczerewska*, B. Brycki Pracownia Chemii Mikrobiocydów, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu *[email protected] Korozja jest zjawiskiem powszechnie występującym i powodującym milionowe straty ekonomiczne każdego roku, średnio 1-5% PKB każdego kraju [1]. Problem ten dotyka wielu dziedzin przemysłu m.in. naftowego, stalowego i energetycznego. W wyniku tego zjawiska dochodzi do dezintegracji powierzchni metalu, na sutek zachodzących reakcji elektrochemicznych. Procesowi temu sprzyjają efekty środowiskowe oraz substancje tj. kwasy lub zasady, stosowane w przemyśle np. do czyszczenia zbiorników. Stanowi to poważny problem i dlatego ważne jest szukanie efektywnych rozwiązań [2]. Istnieje wiele metod zapobiegania korozji. Jedną z najpraktyczniejszych jest aplikowanie inhibitorów korozji, których zadaniem jest kontrolowanie, hamowanie lub zapobieganie reakcjom pomiędzy metalem a otoczeniem. Organiczne inhibitory są dobrze znanymi związkami tego typu [3]. Spośród wielu grup organicznych inhibitorów korozji, do szczególnie efektywnych należą czwartorzędowe sole alkiloamoniowe (QAS) [2]. Dzięki obecności w strukturze cząsteczki dodatnio naładowanego atomu azotu i długiego łańcucha węglowodorowego, związki te mogą oddziaływać z powierzchnią metalu, tworząc barierę ochronną, chroniącą ją przed szkodliwymi deteriorantami [4]. Adsorpcja inhibitora na powierzchni zachodzi przez wypieranie z niej cząsteczek wody. Zaobserwowano, że czwartorzędowe sole amoniowe zawierające w swojej strukturze dodatkowy heteroatom (azot, tlen, siarka) lub grupę zawierającą π elektrony (pierścień aromatyczny, wiązanie wielokrotne), charakteryzują się efektywniejszym działaniem hamującym korozję, co jest spowodowane lepszym oddziaływaniem cząsteczek inhibitora z powierzchnią metalu. Adsorpcja zależy od natury i ładunku powierzchni a także od struktury chemicznej inhibitora. Na efektywność zapobiegania korozji ma wpływ liczba atomów węgla w części hydrofobowej oraz liczba dodatnio naładowanych atomów azotu [5]. Kluczowym czynnikiem determinującym efektywność inhibitorów korozji, oprócz budowy surfaktantu, jest krytyczne stężenie micelizacji (CMC), czyli wartość, po osiągnięciu której cząsteczki surfaktantu zaczynają formować micele. Poniżej tego stężenia cząsteczki wykazują tendencję do agregacji na powierzchni międzyfazowej (metal/powietrze, metal/ciecz), co prowadzi do obniżenia napięcia powierzchniowego. Powyżej wartości CMC powierzchnia metalu jest pokryta ochronną monowarstwą surfaktantu. Im niższa wartość krytycznego stężenia micelizacji, tym mniejszą ilość inhibitora jest potrzebna, aby działał efektywnie [3]. 345 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W ostatnich latach rozwinęło się zainteresowanie nową generacją kationowych surfaktantów, gemini surfaktantów, które posiadają dwie części hydrofilowe i dwie części hydrofobowe, połączone ze sobą łącznikiem, który może być sztywny lub elastyczny [6]. Dzięki swojej budowie, związki te wykazują lepsze właściwości aniżeli ich monomeryczne odpowiedniki. Podwójne czwartorzędowe sole amoniowe charakteryzują się m.in. niższymi wartościami CMC, a co za tym idzie potrzeba mniej cząsteczek surfaktantu do utworzenia warstwy chroniącej przed korozją na powierzchni metalu [6]. Czwartorzędowe sole amoniowe charakteryzują się również aktywnością mikrobiologiczną, co jest dodatkową zaletą z punktu widzenia biokorozji. Związki te wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe m.in. w stosunku do bakterii redukujących siarczany (SRB). Problem ten dotyka głównie przemysłu petrochemicznego. Stosowanie soli amoniowych jest, w tym przypadku, wysoce efektywne, co udowadnia, że stosowanie tych związków jest korzystne zarówno w walce z korozją, jak i z biokorozją [6,7]. Celem niniejszej pracy była synteza nowych podwójnych czwartorzędowych soli alkiloamoniowych, zawierających w swojej strukturze dodatkowy heteroatom (azot, tlen), pierścień benzenowy oraz hydrofobowy łańcuch węglowy oraz dwunasto i osiemnasto węglowe łańcuchy węglowe. Zsyntezowano następujące związki: 1,4-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetylo-metyloamoniowego bromku] benzenu (1), 3-oksa-1,5-pentametyleno-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetyloamoniowego chlorku] (2), 1,6-heksametyleno-bis-[N-(1-alkilo)-N,N-dimetyloamoniowego bromku] (3), 3-azametylo-1,5pentametyleno-bis-[N-alkilo-N,N-dimetyloamoniowego bromku] (4). Struktury związków przedstawiono na poniższym schemacie: Schemat 1. Struktura zsyntezowanych gemini surfaktantów. 346 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Struktura otrzymanych związków została scharakteryzowana spektroskopowo (FTIR, 1H NMR, 13 C NMR). Literatura: [1] A. Samide, I. Bibicu, M.S. Rogalski, M. Preda (2005) Study of the corrosion inhibition of carbon-steel in dilute ammoniacal media using N-ciclohexil-benzothiazole-sulphenamida, Corrosion Science 47:1119–1127 [2] M. A, Malik, M. A. Hashim, F. Nabi, S. A. AL-Thabaiti, Z. Khan (2011) Anti-corrosion Ability of Surfactants: A Review, International Journal of Electrochemical Science, 6:1927 – 1948 [3] B.S. Prathibha , P. Kotteeswaran, V. Bheema Raju (2013) Study on the Inhibition of Mild Steel Corrosion by Quaternary Ammonium Compound in H2SO4 Medium, Research Journal of Recent Sciences 2(4):1-10 [4] S. Deng, X. Li, X. Xie (2014) Hydroxymethyl urea and 1,3-bis(hydroxymethyl) urea as corrosion inhibitors for steel in HCl solution, Corrosion Science, 80:276–289 [5] L. Afia, R. Salghi, L. Bammou, El. Bazzi, B. Hammouti, L. Bazzi, A. Bouyanzer (2014) Anti-corrosive properties of Argan oil on C38 steel in molar HCl solution, Journal of Saudi Chemical Society, 18:19–25 [6] M.A. Hegazy, M. Abdallah, M.K. Awad, M. Rezk (2014) Three novel di-quaternary ammonium salts as corrosion inhibitors for API X65 steel pipeline in acidic solution. Part I: Experimental results, Corrosion Science, 81:54–64 [7] Q. Zhang, Z. Gao, F. Xu, X. Zou (2011) Adsorption and corrosion inhibitive properties of gemini surfactants in the series of hexanediyl-1,6-bis-(diethyl alkyl ammonium bromide) on aluminium In hydrochloric acid solution, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 380:191–200 [8] Y. Xue, H. Xiao, Y. Zhang (2015) Antimicrobial Polymeric Materials with Quaternary Ammonium and Phosphonium Salts, International Journal of Molecular Science, 16:3626-3655 347 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. METODOLOGIA SYNTEZY POTENCJALNYCH INHIBITORÓW AROMATAZY Joanna Kruk*, Joanna Łakomiec, Patryk Kaźmierczak, Remigiusz Kliszewski, Maria Kieliszek, Daria Pawlak, Marek K. Bernard Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Grunwaldzka 6, 60-780, Poznań * e-mail: [email protected], [email protected] Celem badań było projektowanie i synteza inhibitorów aromatazy. Syntezę inhibitorów zaprojektowano w oparciu o wyniki dokowania do aromatazy. W reakcji nukleofilowego podstawienia p-fluoronitrobenzenu 2 karboanionami 1a-1e otrzymano szereg produktów o wzorach 3a-3e, które w kolejnym etapie będą poddane badaniom biologicznym (Schemat 1, szlak A). Głównym problemem syntezy była stosunkowo niewysoka wydajność produktów związana z tworzeniem się licznych produktów ubocznych. Jeden z tych produktów zidentyfikowano jako pochodną nitroaniliny 4. Zaobserwowano, że użycie dimetyloformamidu (DMF) jako rozpuszczalnika, t-butanolanu potasu jako zasady w niskiej temperaturze prowadziło do N,N-dimetylonitroaniliny 4 (Schemat 1, szlak B). Stwierdzono ponadto, iż w przypadku identycznej reakcji pomiędzy p-fluoronitrobenzenem 2 a DMF w nieobecności związków azaheterocyklicznych produkt 4 nie tworzył się. Przegląd literatury wykazał, że podobne reakcje wymagają wysokiej temperatury, a pochodna aniliny 4 otrzymywana była z mniejszą wydajnością [1,2]. Z kolei użycie p-chloronitrobenzenu zamiast p-fluoronitrobenzenu pozwalało na otrzymanie N,N-dimetylonitroaniliny z stosunkowo wysoką wydajnością, ale wymagały one zastosowania dietanoloaminy, co tłumaczone jest tworzeniem się adduktu DMF – dietanolamina [3]. W obecnej chwili trwają badania nad wyjaśnieniem roli pochodnych heterocyklicznych w powstawaniu N,N-dimetylo-4-nitroaniliny (4). Schemat 1 Praca częściowo finansowana z grantu dla młodych naukowców Nr. 502-14-03308417-10167. 348 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] J. Muzart (2009) N,N-Dimethylformamide: much more than a solvent, Tetrahedron 65:8313-8323. [2] G. M. Coppinger. (1954) Preparations of N,N-dimethylamides, J. Am. Chem. Soc. 76:1372-1373. [3] Y. H. Cho.; J. C. Park (1997) A very convenient dimethylamination of activated aromatic halides using N,Ndimethylformamide and ethanolamines, Tetrahedron Lett. 38:8331–8334. 349 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA, WŁAŚCIWOŚCI SPEKTROSKOPOWE I REAKTYWNOŚĆ FLUOROWANYCH ANALOGÓW FOSFOMYCYNY Michał Kut*, Klaudia Margas-Musielak, Magdalena Rapp, Henryk Koroniak Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych, UAM w Poznaniu, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań e-mail: [email protected] Związki chemiczne, w których grupa fosfonianowa znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie pierścienia oksiranowego są znane i szeroko stosowane od wielu lat. Fosfoniany to pochodne kwasu ortofosforowego (III), który w postaci piramidalnej jest niestabilny i ulega swobodnej przemianie tautomerycznej do struktury tetraedrycznej (kwasu dihydroksylowego). Nazwę fosfoniany przypisać można estrom wspomnianego kwasu, zarówno tym posiadającym wiązanie P–H, jak również związkom fosforoorganicznym, w strukturze których występuje wiązanie P–C [1]. Fosfoniany pod względem strukturalnym są podobne do fosforanów. Te ostatnie wrażliwe są na hydrolizę wiązania P–O powodowaną działaniem enzymów z grupy fosfataz. Fosfoniany natomiast są odporne na działanie enzymów trawiennych. Popularność oksiranofosfonianów wywodzi się zarówno z ich prostoty, łatwej dostępności, jak i licznych zastosowań, np. biomedycznych czy syntetycznych. Odkrycie w 1969 roku fosfomycyny, będącej obecnie powszechnie znanym antybiotykiem, zrodziło zainteresowanie wielu chemików α,β-oksiranoalkilofosfonianami, nadając tej grupie znaczenie biochemiczne jako związków pośrednich w syntezie substancji biologicznie czynnych [2]. Efektownym rozwiązaniem okazuje się wprowadzenie do takich cząsteczek atomów fluoru, które wpływają na właściwości chemiczne i biologiczne, a także reaktywność otrzymanych związków. Promień Van der Waalsa podstawnika fluorowego wynosi jedynie 1.47 Å i jest krótszy w porównaniu z innymi halogenami, ale zbliżony długością do promienia Van der Waalsa atomu wodoru (1.20 Å), dlatego związki fluorowane określane są mianem izosterycznych. W cząsteczkach fosfonianów atomy fluoru przywracają pierwotną elektroujemność utraconą z powodu usunięcia atomu tlenu grupy fosforanowej. Co więcej, wartość pKa pochodnych fluorowanych jest bardzo zbliżona do wartości pKa grupy fosforanowej, co świadczy o izokwasowości dwóch wyżej wymienionych ugrupowań. Ponadto, wartości kąta dwuściennego P–C–C fluorowanych fosfonianów (monofluoro- lub difluorofosfonianów) są niemal identyczne z wartością kąta dwuściennego C–O–P ugrupowania fosforanowego, powodując tym samym, że fluorowane oksiranofosfoniany są doskonałymi mimetykami fosforanów. Wprowadzenie do cząsteczki atomów fluoru poprawia jej zdolność do rozpuszczania się w tłuszczach, co ułatwia jej przenikanie przez błony biologiczne, a tym samym skutkuje większą biodostępnością. Fluorowanie może również przyczynić się do wytworzenia oddziaływań hydrofobowych pomiędzy cząsteczką farmaceutyku a miejscem jej wiązania w receptorach lub enzymach, co również zwiększa jej biodostępność [3]. Warto nadmienić, że wiele spośród fluorowanych fosfonianów zostało z powodzeniem 350 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. zaprojektowanych jako inhibitory różnorakich enzymów, np. fosforylaz, fosfolipaz, czy kinaz. Ze względu na możliwość otwarcia pierścienia oksiranowego, realnym jest uzyskanie związków chiralnych o możliwej aktywności biologicznej czy bloków budulcowych, użytecznych w dalszej syntezie organicznej [4]. Celem niniejszej pracy była kilkuetapowa synteza fluorowanych analogów fosfomycyny. Początkowo zastosowaną procedurą syntetyczną, pozwalającą na wprowadzenie atomu fluoru w pozycję α do grupy karbonylowej ketonu, było przekształcenie jej w ugrupowanie enaminowe w obecności ® pirolidyny oraz elektrofilowego odczynnika fluorującego -Selectfluoru . W kolejnym etapie badań przeprowadzono optymalizację procedury, uwzględniającą m.in. fluorowanie w wodnym układzie micelarnym z wykorzystaniem dodecylosiarczanu sodu, a tym samym zastosowanie się do zasad zielonej chemii. Przyczyniło się to do znacznego wzrostu wydajności reakcji oraz krótszego czasu jej prowadzenia. Kolejnym etapem syntezy było bromowanie fluorowanej pochodnej w pozycji terminalnej, a końcowym reakcja Michaelisa-Beckera, która umożliwiła powstanie pożądanego produktu w postaci dwóch diastereoizomerów w stosunku 1:0.3. Literatura: [1] D.E.C. Corbridge (2013) Phosphorus: Chemistry, Biochemistry and Technology 6 th Edition, CRC Press, Boca Raton [2] a) D. O’Hagan, H.S. Rzepa (1997) Chem. Commun. 645–652; b) P. Savignac, B. Iorga (2003) Modern Phosphonate Chemistry, CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington, D.C.; c) K.D. Troev (2006) Chemistry and Application of H-Phosphonates, Elsevier, Amsterdam, Oxford [3] a) A. Bondi (1964), J. Phys. Chem. 68(3):441–451; b) J. McMurry (2000) Chemia Organiczna, PWN, Warszawa; c) V. Kukhar, V. Romanenko (2007), Kem. Ind. 56(6):329–344; d) J. Swinson (2005), PharmaChem 26–27; e) [2a] [4] a) D. Hames, N. Hooper (2012) Biochemia, PWN, Warszawa; b) [2c]; c) V. Kukhar, V. Romanenko (2006), Chem. Rev.106(9):3868–3935 351 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. KATALITYCZNE PODSTAWIENIE CHLOROWCA W KOMPLEKSACH CPM(CO)2I (M= FE, RU) LIGANDAMI DIFOSFINOWYMI Daria Lizińska*, Bogna Rudolf , Janusz Zakrzewski Katedra Chemii Organicznej, Uniwersytet Łódzki, Tamka 12, Łódź * e-mail: [email protected] Od wielu lat w Katedrze Chemii Organicznej Uniwersytetu Łódzkiego prowadzone są badania dotyczące chemii metalokarbonylowych kompleksów różnych metali. Kompleksy typu CpM(CO)nX gdzie (M= Fe, Ru n=2, M=Mo, W n=3, X=I, Cl) zawierają elektrodonorowy ligand halogenkowy i ulegają różnym reakcjom fotochemicznym. Procesy te obejmują zarówno: dysocjację ligandów karbonylowych, homolityczne lub heterolityczne rozszczepienie wiązania metal-halogen oraz przegrupowania wewnątrzcząsteczkowe [1, 2]. Kompleksy metalokarbonylowe wykazują silne pasma absorpcji drgań walencyjnych w widmach w podczerwieni w zakresie ok.1850-2150 cm-1 co umożliwia ich zastosowanie w testach biochemicznych jako łatwe do detekcji znaczniki IR [3]. Stwierdzono, że możliwe są reakcje kompleksów CpM(CO)2I (M = Fe, Ru) z wybranymi difosfinami w obecności diizopropyloaminy jako katalizatora. W reakcjach tych następuje katalityczne podstawienie halogenu w kompleksach CpM(CO)2I (M = Fe, Ru) przez ligandy difosfinowe, w wyniku czego powstają kationowe kompleksy typu [CpM (difosfina)(CO)]I oraz [CpM(difosfina)(CO)2]I (Schemat 1). Schemat 1. Reakcja kompleksu typu CpFe(CO)2I z 1,2-bis(difenylofosfino)etanem. Literatura: [1] B. Rudolf, J. Walendowska, J. Zakrzewski (2002) Organomet. Chem. 293-296 [2] C. E. Borja, V. Jakubek, A. J. Lees (1998) Inorg. Chem. (37):2281-2284 [3] J. Zakrzewski, B. Rudolf (2008) Biblioteka Wiadomości chemicznych, Chemia Koordynacyjna w Polsce cz. II 371-413 352 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA N-HETEROCYKLICZNYCH LIGANDÓW KARBENOWYCH ORAZ ICH ZASTOSOWANIE W CHEMII KOORDYNACYJNEJ WYBRANYCH METALI PRZEJŚCIOWYCH Jan Lorkowski* Zakład Chemii Metoloorganicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań *e-mail: [email protected] Od syntezy pierwszego stabilnego N-heterocyklicznych karbenu (NHC) przez zespół profesora Arduengo minęło prawie 25 lat.1 Od tego czasu chemia NHC poczyniła znaczące postępy zarówno pod względem syntezy stabilnych karbenów jak i ich zastosowywania w chemii koordynacyjnej różnych metali. Jednym z najlepszych przykładów niebywałego sukcesu zastosowań owych związków jest tzw. katalizator Grubbsa II generacji2. Między innymi jego synteza oraz zastosowanie tego związki w katalitycznej metatezie olefin doprowadziło prof. Roberta Grubbsa do otrzymania nagrody Nobla w 2005 roku. Jednak chemia N-heterocyklicznych ligandów karbenowych nie ogranicza się do syntezy i zastosowania kompleksów metali przejściowych w przemianach katalitycznych. Kompleksy zawierające NHC znalazły zastosowanie m.in. w leczeniu nowotworów, syntezie leków oraz w syntezie asymetrycznej.3 Te użyteczne związki są dodatkowo same w sobie organo-katalizatorami w reakcjach takich jak kondesacja benzoinowa czy reakcja Stettera.3 Rysunek 1. Mój komunikat ma na celu przedstawienie sposobów syntezy i zastosowań N-heterocyklicznych ligandów karbenowych. Wskazane zostaną obecne panujące „trendy” w chemii tych związków oraz zwięźle moje osiągniecia syntetyczne związane z otrzymywaniem prekursorów N-heterocyklicznych ligandów karbenowych oraz ich zastosowań w chemii koordynacyjnej palladu. 353 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] A. J. Arduengo , R. L. Harlow, M. Kline (1991) A stable crystalline carbene, Journal of American Chemical Society 11 (1): 361–363 [2] M. Scholl, T.M. Trnka, J.P. Morgan, R.H. Grubbs (1999) Increased Ring Closing Metathesis Activity of Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Coordinated with Imidazolin-2-ylidene Ligands, Tetrahedron Letters 40(12):2247–2250 [3] M. N. Hopkinson, C. Richter, M. Schedler, F. Glorius (2014) An overview of N-heterocyclic carbenes, Nature 510(12):485–496 354 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I CHARAKTERYSTYKA NOWYCH LIGANDÓW TYPU ZASAD SCHIFFA JAKO PREKURSORÓW WIELOFUNKCYJNYCH ARCHITEKTUR METALOSUPRAMOLEKULARNYCH Dawid Marcinkowski*, Adam Gorczyński, Dawid Pakulski, Violetta Patroniak Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89, 61-614, Poznań * e-mail: [email protected] Czołowym kierunkiem światowych badań jest racjonalne projektowanie związków chemicznych pod kątem pożądanych właściwości – magnetycznych, biochemicznych, elektrochemicznych czy luminescencyjnych. Ostatnie dekady ukazują nam coraz większe zainteresowanie architekturami metalosupramolekularnymi, ze względu na możliwość różnicowania ich budowy, w konsekwencji pozwalając na syntezę związków z przewidzeniem ich funkcji. Kreowanie kompleksów supramolekularnych odbywa się przez łączenie organicznego liganda z kationem metalu[1], podczas gdy występująca tutaj technika samoorganizacji - występująca wszechstronnie w przyrodzie - pozwala otrzymać wielofunkcyjne struktury.[2] Dzięki tym zmianom można otrzymać kompleksy o ciekawych właściwościach katalitycznych, magnetycznych, fotochemicznych, elektrochemicznych oraz wielu innych.[1] Swoisty synergizm oraz przenikanie się powyższych dziedzin daje faktyczne przesłanki dotyczące ich spodziewanych możliwości aplikacyjnych w wielu dziedzinach nauki, takich jak nanotechnologia, optoelektronika czy medycyna. Przedstawiona zostanie metodologia syntetyczna prowadząca do utworzenia nowych ligandów typu zasad Schiffa, a także ich wykorzystanie jako prekursorów nowych architektur metalosupramolekularnych o właściwościach magnetycznych, katalitycznych oraz elektrochemicznych. [3-6] Rysunek 1. 355 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] M.M.J. Smulders, I.A. Riddell, C. Browne, J.R. Nitschke (2013) Building on architectural principles for three-dimensional metallosupramolecular construction, Chemical Society Reviews 42 (4), pp. 1728-1754 [2] J.R. Nitschke(2007) Construction, substitution, and sorting of metalloorganic structures via subcomponent self-assembly, Accounts of Chemical Research 40 (2), pp. 103-112 [3] Gorczyński A., Kubicki M., Pinkowicz D., Pełka R., Patroniak V., Podgajny R., 2015, The first example of erbium triplestranded helicates displaying SMM behavior, Dalton Transactions, 44(38): s. 16833-16839 [4] Gorczyński A. Marcinkowski D. Pakulski D. Kubicki M., Korabik J. M., Patroniak V. publikacja w przygotowaniu [5] Gorczyński A. Zaranek M. Kubicki M. Pawluć P., Patroniak V., New tridentate Schiff-base ligand and its cobalt(II) complex capable of silane-dependent hydrosilylation of styrene, wysłane do redakcji [6] Adam Gorczyński, Dawid Pakulski, Maciej Kubicki, Kornela Bułat, Teresa Łuczak and Violetta Patroniak, Electrochemical deposition of the new manganese(II) Schiff-base complex on a gold template and its application for dopamine sensing in the presence of interfering biogenic compound, wysłane do redakcji 356 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA (5S)-5-BENZYLO-5-(N-IZOPROPYLO)-AMINO-1,2-OIZOPROPYLIDENO-3-O-METYLO-α-D-KSYLOFURANOZY NA DRODZE STEREOSELEKTYWNEJ REAKCJI ADDYCJI GRIGNARDA Patrycja Mała*, Monika Bilska-Markowska, Henryk Koroniak Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Reakcja Grignarda stanowi jedną z najistotniejszych metod alkilowania szerokiej gamy związków zawierających ugrupowania o charakterze elektrofilowym. Powszechnie znane są reakcje addycji odczynników metaloorganicznych do związków karbonylowych, imin oraz nitryli [1, 2]. Rezultatem przyłączenia związków Grignarda do imin oraz iminowych pochodnych jest formowanie pierwszorzędowych oraz drugorzędowych amin. Reakcja imin z odczynnikami metaloorganicznymi jest limitowana przez stosunkowo słabą elektrofilowość azometinowego atomu węgla. Ponadto pochodne iminowe zdolne do enolizacji wykazują silniejszą tendencję do deprotonacji, w stosunku do addycji [2]. Pomimo zaistniałych ograniczeń reakcja chiralnych imin ze związkami Grignarda stanowi cenny przykład syntezy prowadzącej do enancjomerycznie czystych amin. Pochodne aminowe, szczególnie chiralne, otrzymywane na drodze stereoselektywnej addycji Grignarda, są wyjątkowo pożądanymi związkami organicznymi, ze względu na ich szerokie zastosowanie. Pełnią one znaczące funkcje w preparatyce organicznej jako środki rozdzielające, pomocniki chiralne w syntezie asymetrycznej oraz intermediaty [2]. Przebieg stereoselektywnej addycji reagentów metaloorganicznych do iminowych pochodnych może być determinowany przez oddziaływania międzycząsteczkowe iminowego substratu zawierającego heteroatom ze związkiem Grignarda. Są to przede wszystkim interakcje związane z obecnością wolnych par elektronowych azotu, heteroatomu oraz dodatnio spolaryzowanym atomem magnezu odczynnika metaloorganicznego. Efektem tych oddziaływań jest tworzenie się stosunkowo stabilnego, przejściowego chelatu, który ułatwia atak czynnika nukleofilowego ze znaczną stereoselektywnością. W rezultacie powstaje diastereoizomer, będący wynikiem ataku nukleofila od strony mniej stłoczonej sterycznie. Wysoka stereoselektywność jest charakterystyczna przede wszystkim dla reakcji iminowych pochodnych zawierających czynnik chelatujący (heteroatom) w pozycji α [2, 3]. Przykładem stereoselektywnej syntezy Grignarda jest addycja bromku benzylomagnezowego do 5-(N-izopropylo)imino-1,2-O-izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozy (Schemat 1.). 357 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Schemat 1. Jedynym produktem reakcji jest diastereoizomer 2 (Schemat 1) o konfiguracji S atomu węgla C5. Stereoselektywny przebieg addycji jest kontrolowany przez oddziaływania pomiędzy atomem tlenu pięcioczłonowego pierścienia cząsteczki węglowodanu oraz atomem magnezu odczynnika Grignarda (Rysunek 1.) [4]. Rysunek 1. Model Felkina-Anha, przedstawiający mechanizm stereoselektywnej addycji Grignarda do chiralnej N-benzylo-3-deoksy iminowej pochodnej D glukozy. Strukturę związku 2 potwierdzono na podstawie analizy widm 1H NMR oraz 13 C NMR. Natomiast jego stereochemia została zdefiniowana w oparciu o widmo dwuwymiarowe NOESY. Otrzymaną (5S)-5-benzylo-5-(N-izopropylo)amino-1,2-O-izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozę wykorzystano w reakcji addycji do podwójnego wiązania w cząsteczce heksafluoropropenu (HFP) [5], a otrzymaną fluorowaną pochodną enaminową 3 poddano bezpośredniej reakcji hydrolizy (Schemat 2.). Schemat 2. 358 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Produktami reakcji były dwa diastereoizomery amidu (5S)-5-benzylo-5-(N-izopropylo)-1,2-O- izopropylideno-3-O-metylo-α-D-ksylofuranozylowego kwasu 2,3,3,3-tetrafluoropropionowego 4a/4b. Literatura: [1] R. Bloch (1998) Additions of Organometallic Reagents to C=N Bonds: Reactivity and Selectivity, Chemical Reviews (98):1407-1438 [2] G. S. Silverman, P. E. Rakita (1996) Handbook of Grignard Reagents, CRC Press. [3] P. Knochel, G. A. Molander (2014) Comprehensive organic synthesis, Elsevier, Volume 1 [4] Y. Jagadeesh, B. Chandrasekhar, B. Venkateswara Rao (2010) The synthesis of (1S,8aS)-1-hydroxyindolizidine using a stereoselective Grignard addition to an N-benzyl-3-deoxy sugar imine derived from D-Glucose, Tetrahedron: Asymmetry (21): 2314-2318 [5] A. Takaoka, H. Iwakiri, N. Ishikawa (1979) F-Propene-Dialkylamine Reaction Products as Fluorinating Agents, Bull.Chem.Soc.Jap. 52(11): 3377-338 359 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ETERY DIFENYLOMETYLOWE POCHODNYCH KWASU WINOWEGO Tomasz Mądry*, Jakub Grajewski, Jacek Gawroński Pracowania Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Etery benzhydrylowe, w przeciwieństwie do eterów tritylowych, bądź benzylowych, w wielu przypadkach trudno jest otrzymać posługując się klasycznymi metodami. Najbardziej obiecujące w reakcjach syntezy pochodnych benzhydrylowych jest zastosowanie diazodifenylometanu.[1] Diazodifenylometan z wysoką wydajnością otrzymuje się w wyniku utleniania, handlowo dostępnego, difenylometylohydrazonu [2]. Reakcja eteryfikacji prowadzi do powstania produktów mono-, jak i dipodstawionych. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego CHIKADI PBS2/A1/14/2014. Literatura: [1] M. Javed, M. Brewer (2008) Diphenylodiazomethane, Organic Syntheses 85:189-195 [2] G. Jackson, H. Jones, S. Petursson, J. Webber (1982) Diphenylmethylation of carbohydrate hydroxyl groups by the reaction with diazo(diphenyl)methane, Carbohydrate Reasearch 102:147-157 360 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. HYDROFOBOWE 1-ALKILO-1H,1'H-2,2'-BIBENZO[d]IMIDAZOLE Iwona Mądrzak-Litwa*, Anna Turguła, Aleksandra Borowiak-Resterna Zakład Chemii Organicznej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] 1H,1'H-2,2'-Bibenzo[d]imidazol należy do aromatycznych związków heterocyklicznych, Cząsteczki 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu zawierają reaktywne pierścienie imidazolowe wykazujące charakter amfoteryczny. Mogą one być zarówno donorem protonów (grupa −NH), jak i ich akceptorem (atom =N−). Rysunek 1. Wzór półstrukturalny oraz numeracja atomów węgla w cząsteczce 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu. Obecność aż czterech atomów azotu umożliwia cząsteczkom 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu tworzenie z jonami metali bloku d związków kompleksowych o różnej budowie (Rysunek 2.) [1]. Kompleksy powstają m.in. z cynkiem [2, 3], miedzią [4], kadmem [5], kobaltem [1, 6], niklem, antymonem i bizmutem [3]. Rysunek 2. Typy związków kompleksowych 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu z jonami metali bloku d [1]. Możliwości aplikacyjne 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu są znacznie ograniczone ze względu na niewielką rozpuszczalność tego związku w powszechnie stosowanych rozcieńczalnikach organicznych. Hydrofobowość heterocyklicznych cząsteczek można zwiększyć przez wprowadzenie do pierścieni imidazolowych łańcuchów alkilowych, co spowoduje poprawę ich rozpuszczalności w rozcieńczalnikach węglowodorowych. Podstawienie w cząsteczce 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu atomów wodorów w pozycjach 1 lub 1 i 1' grupami alkilowymi (Rysunek 3.) prowadzi do otrzymania związków charakteryzujących się nowymi właściwościami biologicznymi oraz chemicznymi. 361 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 3. Wzory półstrukturalne 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu (I) oraz 1,1'-dialkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu (II). Uwzględniając różnorodność kompleksów 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu z jonami metali bloku d, można przypuszczać, iż hydrofobowe pochodne 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu będą mogły być wykorzystane jako ekstrahenty dla przemysłu hydrometalurgicznego. Potwierdzeniem takich przypuszczeń jest preparat handlowy ACORGA ZNX 50, którego substancję aktywną (60% masowych) stanowi mieszanina 1-(tridecyloksykarbonylo)dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu, 1,1'-bis(tridecyloksykarbonylo)dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu, nieprzereagowanego dimetylo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazolu oraz mrówczanu tridecylu. Pozostała część preparatu to węglowodory alifatyczne, które pełnią funkcję rozcieńczalnika [7]. Celem niniejszej pracy była synteza hydrofobowych 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli – potencjalnych ekstrahentów metali bloku d dla przemysłu hydrometalurgicznego (Rysunek 3.). Związki te otrzymano na drodze kilkuetapowej syntezy (Rysunek 4.). Czystość i strukturę otrzymanych związków potwierdzono m.in. za pomocą analizy protonowych widm jądrowego rezonansu magnetycznego. Rysunek 4. Schemat syntezy 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli. 1H,1'H-2,2'-Bibenzo[d]imidazol otrzymano na drodze syntezy dwuetapowej, przebiegającej z sumaryczną wydajnością 85% [8, 9]. W wyniku reakcji o-fenylenodiaminy z kwasem szczawiowym wydzielono produkt pośredni, 1,4-dihydrochinoksalino-2,3-dion [10]. Związek ten, w reakcji z o-fenylenodiaminą pozwolił otrzymać 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazol z bardzo dobrą wydajnością. Następne etapy obejmowały syntezę soli sodowej 2,2'-bibenzo[d]imidazolu oraz reakcję alkilowania tej soli [11, 12]. Zsyntetyzowany 1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazol poddano działaniu wodorotlenku sodu w metanolu. W wyniku reakcji deprotonacji powstała sól sodowa 2,2'-bibenzo[d]imidazolu. W ostatnim 362 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. etapie przeprowadzono alkilowanie soli sodowej odpowiednim halogenkiem alkilowym. Otrzymano 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazole z wydajnościami 24–66%. Wart uwagi jest fakt, że ilość powstających 1,1'-dialkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli nie przekracza 5%. Badania właściwości ekstrakcyjnych 1-alkilo-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoli w stosunku do jonów cynku(II) wykazały, że stężenie jonów chlorkowych i jonów cynku(II) w surówce, jak również stężenie ekstrahenta w roztworze organicznym mają istotny wpływ na zdolność kompleksowania i ekstrakcję jonów Zn(II) przez badaną grupę związków. Pracę sfinansowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na działalność statutową Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej 03/32/DS PB/0500. Literatura: [1] H.-J. Mo, Y.-R. Zhong, M.-L. Cao, Y.-C. Ou, B.-H. Ye (2009) Hydrothermal syntheses and structural diversity of cobalt complexes with 2,2′-bibenzimidazole ligand by temperature tuning strategy, Crystal Growth & Design 9(1): 488-496 [2] S. Lin, L.-J. Chen, H.-H. Xu, J.-B. Su, H. Huan (2010) Two 2D metal-organic frameworks based in 2,2'-bibenzimidazole ligand with (6,3) net topology, Inorganic Chemistry Communications 13(11): 1347-1349 [3] Y.-R. Zhong, M.-L. Cao, H.-J. Mo, B.-H. Ye (2008) Syntheses and crystal structures of metal complexes with 2,2′biimidazole-like ligand and chloride: Investigation of X-H· · · Cl (X = N, O, and C) hydrogen bonding and Cl-π (imidazolyl) interactions, Crystal Growth & Design 8(7): 2282-2290 [4] M. A. Pujar, T. D. Bharamgoudar (1988) Cobalt(II), nickel(II) and cooper(II) complexes of bidentate bibenzimidazoles, Transition Metal Chemistry 13: 423-425 [5] G. Liu (2009) Di-μ-chlorido-bis[(2,2'-bibenzimidazole)chloridocadmium(II)], Acta Crystallographica Section E, E65(m37): m37 [6] J. R. Galán-Mascarós, K. R. Dunbar (2003) A self-assembled 2D molecule-based magnet: The honeycomb layered material {Co3Cl4(H2O)2[Co(Hbbiz)3] 2}, Angewandte Chemie International Edition 42(20): 2289-2293 [7] E. Dziwiński, J. Szymanowski, E. Wrzesień (2000) Composition of ACORGA ZNX 50, Solvent Extraction and Ion Exchange 18(5): 895-906 [8] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2013) Sposób otrzymywania 2,2'-bibenzimidazolu, Zgł. Pat. P 402491 [9] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2014) The use of diethylene glycol in the synthesis of 2,2'-bibenzimidazole from o-phenylenediamine and oxalic acid, Heterocyclic Communications 20(3): 177-180 [10] O. O. Ajani, C. A. Obafemi, C. O. Ikpo, K. O. Ogunniran, O. C. Nwinyi (2009) Microwave-assisted synthesis and antibacterial activity of some pyrazol-1-ylquinoxalin-2(1H)-one derivatives, 45(11): 1370-1378 [11] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2015) Nowe N-alkilowe pochodne 2,2’-bibenzimidazolu oraz sposób ich otrzymywania, Zgł. Pat. P.413494 [12] I. Mądrzak-Litwa, A. Borowiak-Resterna (2015) The synthesis of hydrophobic 1-alkyl-1H,1'H-2,2'-bibenzo[d]imidazoles, Heterocyclic Communications (w recenzji) WPŁYW ZAWARTOŚCI TYTANU W KATALIZATORZE TS-1 NA PRZEBIEG EPOKSYDACJI LIMONENU Piotr Miądlicki*, Agnieszka Wróblewska*, Edyta Makuch 363 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Instytut Technologii Chemicznej Organicznej Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ul. Pułaskiego 10, 70-322 Szczecin * e-mail: [email protected], [email protected] Katalizator TS-1 został otrzymany po raz pierwszy przez Taramasso i współprac. w roku 1986 w zakładach firmy EniChem we Włoszech. Zespół Taramasso zauważył, że jony tytanu mogą być wbudowywane w strukturę zeolitów i w ten sposób otrzymano materiał, który selektywnie katalizuje reakcje utleniania z użyciem nadtlenku wodoru jako utleniacza. Odkrycie to wywołało ogromne zainteresowanie, ze względu na możliwość stosowania w procesach utleniania warz z katalizatorem TS-1 względnie taniego utleniacza, który dodatkowo jest przyjazny dla środowiska – nadtlenku wodoru. Od tego czasu wiele grup badawczych opublikowało artykuły o zastosowaniach oraz o modyfikacjach tego katalizatora. Obecnie katalizator TS-1 stosuje się w przemyśle do produkcji np. tlenku propylenu, hydrochinonu i pirokatechiny, czy oksymu cykloheksanonu [1,2,3]. Limonen jest składnikiem biomasy, czyli surowcem odnawialnym. Produkowany jest on na skalę przemysłową w ilości około 73 000 ton rocznie, przy czym głównym jego źródłem są skórki pomarańczy pozostające jako odpad podczas procesu wyciskania soku z pomarańczy. Limonen znajduje szerokie zastosowania w różnych dziedzinach, stosuje się go między innymi w przemyśle kosmetycznym, perfumeryjnym i spożywczym, używany jest również jako przyjazny środowisku biodegradowalny rozpuszczalnik. Ponadto limonen ze względu na niską toksyczność w stosunku do ludzi oraz zwierząt (w przeciwieństwie do owadów), wykorzystywany jest jako insektycyd i repelent w weterynarii i w rolnictwie [4]. Proces epoksydacji limonenu za pomocą nadtlenku wodoru można opisać za pomocą reakcji przedstawionych na Rysunek 1. W procesie tym jako produkt główny powstaje 1,2-epoksylimonen, ponadto tworzą się także następujące produkty uboczne: diol 1,2-epoksylimonenu, karweol, karwon i alkohol perillowy [5]. 364 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Reakcje zachodzące w procesie epoksydacji limonenu za pomocą 60-proc H2O2 na katalizatorze TS-1 Synteza katalizatorów TS-1: W celu sprawdzenia aktywności katalizatorów TS-1 otrzymanych z żelów krystalizacyjnych o różnym składzie molowym w procesie epoksydacji limonenu przygotowano 5 katalizatorów TS-1, wychodząc z żelów krystalizacyjnych różniących się stosunkiem molowym Si:Ti. Katalizatory otrzymano metodą hydrotermalną, w której zastosowano następujące surowce: wodorotlenek tetrapropyloamoniowy (TPAOH) jako templat, o-krzemian tetraetylu (TEOS) jako źródło krzemu, o-tytanian tetrabutylu (TBOT) jako źródło tytanu i alkohol izopropylowy (IPA). Katalizatory różniły się zawartością TEOS i TBOT w żelu krystalizacyjnym, a ilości tych związków dobierano tak, aby zachować stosunek molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym równy odpowiednio: 65, 45, 25, 15 i 2. Charakterystykę otrzymanych materiałów zeolitowych opracowano na podstawie następujących badań instrumentalnych: XRD, UV-VIS, FT-IR oraz SEM. Epoksydacja limonenu z wykorzystaniem otrzymanych katalizatorów: Badania wpływu stosunku molowego Si:Ti w żelu krystalizacyjnym na aktywność katalizatorów TS-1 w epoksydacji limonenu prowadzono w następujących warunkach: temperatura 80ºC, stosunek molowy Lim/H2O2=1:1, stężenie rozpuszczalnika 80% wag., ilość katalizatora 3% wag., czas prowadzenia reakcji 3h i szybkość mieszania 500 obr./min. Epoksydację prowadzono w ten sposób, że do reaktora szklanego o pojemności 50 cm3 wprowadzono określone ilości substratów w następującej kolejności: limonen, metanol, nadtlenek wodoru i katalizator TS-1. Naważki substratów dobierano tak, aby zawartość reaktora nie przekraczała 80% jego pojemności. Reaktor z chłodnicą zwrotną umieszczano w łaźni olejowej i ogrzewano do odpowiedniej temperatury. Selektywność 1,2-epoksylimonenu dla wszystkich katalizatorów przyjmowała podobne wartości i zmieniała się od 16 do 18% mol. Badania pokazały, że najniższa konwersja limonenu wynosiła 8% mol (katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=45:1), natomiast najwyższa 365 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. 19,7% mol (katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=2:1). Najwyższą selektywność przemiany nadtlenku wodoru do związków - 95% mol, otrzymano na katalizatorach otrzymanych z żelów krystalizacyjnych o stosunku molowym Si:Ti=45:1, 25:1 i 15:1. Najlepszym katalizatorem okazał się katalizator otrzymany z żelu krystalizacyjnego o stosunku molowym Si:Ti=15:1, na tym katalizatorze selektywność 1,2-epoksylimonenu wynosiła 16,5% mol, przy zachowaniu wysokiej konwersji limonenu - 14% mol i selektywności przemiany nadtlenku wodoru do związków organicznych - 95,9% mol. a) b) Rysunek 2. Wpływ stosunku molowego Si:Ti w żelu krystalizacyjnym na: a) konwersję limonenu (K L), konwersję nadtlenku wodoru (KH2O2) i selektywność przemiany H2O2 do związków organicznych (SH2O2) oraz b) selektywności odpowiednich produktów procesu epoksydacji limonenu Zwiększenie ilości tytanu w żelu krystalizacyjnym powoduje zwiększenie aktywności otrzymanych katalizatorów. Najbardziej optymalnym stosunkiem molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym okazał się stosunek 15:1, przy tym stosunku molowym Si:Ti osiągnięto wysoką selektywność 1,2-epoksylimonenu przy zachowaniu wysokiej konwersji limonenu i selektywności przemiany do związków organicznych w odniesieniu do przereagowanego H2O2. Ponadto badania pokazały, że zbyt duży stosunek molowy Si:Ti w żelu krystalizacyjnym prowadzi do powstawania TiO 2 (anatazu), co niekorzystnie wpływa na przebieg procesu epoksydacji limonenu. Literatura: [1] B. Elvers, S. Hawkins, W. Russey (2003) Ulmann`s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Willey Online Library, 308-309 [2] A. Wróblewska, E. Milchert (2005) Charakterystyka katalizatorów tytanowo-silikalitowych, Przem. Chem., 84 (2005), 723-727 [3] A. Wróblewska, A. Fajdek (2010) Epoxidation of allyl alcohol to glycidol over the microporous TS-1 catalyst, J Hazard Mater., 179, 258-65 [4] A. Szczepanik, A. Sobkowiak (2009) Utlenianie limonenu tlenem cząsteczkowym i nadtlenkiem wodoru, Wiad. Chem., 63, 7-8 [5] A. Wróblewska (2014) The Epoxidation of Limonene over the TS-1 and Ti-SBA-15 Catalysts, 19, 19907-19922 366 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. PIRYDYNOAMIDOKSYMY: SYNTEZA I OCENA FITOTOKSYCZNOŚCI Iwona Michałowska1, Maria Konieczna1, Mateusz Sydow1, Marta Woźniak1, Grzegorz Framski2, Anna Parus1* 1 Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań 2 Instytut Chemii Bioorganicznej, Polska Akademia Nauk, ul. Z. Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań * e-mail: [email protected] Pirydynoamidoksymy dzięki swoim właściwością są stosowane jako składniki leków cytostatycznych, antydepresantów, a także środków przeciwalergicznych [1-3]. Natomiast od kilku lat w Instytucie Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechniki Poznańskiej prowadzone są badania nad zastosowaniem pirydynoketoksymów oraz pirydynoamidoksymów jako ekstrahentów jonów cynku, kadmu, miedzi, a także niklu, kobaltu i żelaza z roztworów chlorkowych [4,5]. Celem niniejszego projektu badawczego była synteza O-decylo-2-, -3- i -4-pirydynoamidoksymów oraz określenie ich oddziaływania na wybrane rośliny. Pierwsza część badań dotyczyła otrzymania O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidokysmów. W tym celu przeprowadzono dwuetapową syntezę, którą opracowano na podstawie procedury opisanej przez Bernaska [1] M. oraz Gano i innych [5] (schemat 1). 2-, 3- lub 4-cyjanopirydynę poddano działaniu chlorowodorku hydroksyloaminy w obecności wodorowęglanu sodu stosując etanol jako rozpuszczalnik. Reakcję prowadzono w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika. Po kilku godzinnym ogrzewaniu wytrącony osad w postaci białych kryształów, oddzielono od mieszaniny reakcyjnej. Następnie surowe produkty re-krystalizowano z etanolu. W kolejnym etapie odpowiednie pirydynoamidoksymy zostały poddane działaniu bromku decylowego w obecności NaOH i alkoholu izopropylowego jako rozpuszczalnika. W wyniku tej reakcji otrzymano O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidoksymy. C10H23 OH CN N N NH 2OH*HCl NaHCO3 / EtOH NH2 N N C10H23Br isopropanol O NH2 N Rysunek 1. Schemat reakcji syntezy O-decylo-2-,-3- i -4-pirydynoamidoksymów. Po zakończeniu reakcji i wydzieleniu produktów na drodze ekstrakcji ciecz-ciecz, otrzymane produkty oczyszczono na kolumnach. Substancje wprowadzono do cylindrycznych kolumn wypełnionych żelem chromatograficznym – absorbentem, przez który przepuszczono fazę ruchomą, aby przeprowadzić rozdział mieszaniny na pojedyncze składniki. Rozdzielone frakcje odbierane były w kolektorze. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC). Struktury oraz czystość otrzymanych produktów zostały potwierdzone za pomocą metod spektroskopowych ( IR, 1H NMR i 13C NMR). 367 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W drugiej części badań przeanalizowano wpływ O-decylo-pirydynoamidoksymów na kiełkowanie nasion i początkowy rozwój wybranych roślin. Realizacja badań polegała na ocenie inhibicji kiełkowania nasion, a także zahamowania wzrostu kukurydzy (Zea Mays) oraz gorczycy (Sinapis alba). W tym celu prowadzono krótkoterminowe testy PhytotoxkiTM firmy Tigret. Na płytki testowe naniesiono 100 g gleby, a następnie dodano taką ilość substancji, aby ich efektywne stężenie wynosiło 25, 50, 100, 250, 500 i 1000 mg/kg suchej masy gleby (s.m.g.). Próby kontrolne podlano wodą demineralizowaną. Uprawy prowadzono z zachowaniem stałych parametrów takich jak temperatura i wilgotność. Na przygotowane podłoże, ułożono po 10 nasion kukurydzy lub gorczycy (3 płytek dla każdego stężenia badanych związków). Po zakończeniu doświadczenia zliczono ilość wykiełkowanych nasion oraz zmierzono długość korzeni i pędów. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono indeks kiełkowania (GI), procent zahamowania wzrostu korzeni i pędów. Indeks kiełkowania obliczono korzystając ze wzoru: Gx L * x * 100 % . Gc Lc GI Natomiast zahamowanie wzrostu korzeni lub pędów obliczono na podstawie wzorów: Inhibition ( Lc Lx Lc ) *100 % lub Inhibition ( Pc Px Pc ) *100 % . Gdzie: Gx - ilość wykiełkowanych nasion w próbie; Gc - ilość wykiełkowanych nasion w próbie kontrolnej; Lx – średnia długość korzenia w próbie [cm]; Lc – średnia długość korzenia w próbie kontrolnej [cm]; Px – średnia długość pędu w próbie [cm]; Pc – średnia długość pędu w próbie kontrolnej [cm]. Sporządzono wykresy zależności indeksu kiełkowania od stężenia związków, a następnie na podstawie tych krzywych wyznaczono wartości efektywnych stężeń substancji, które wywołały 50% zahamowanie wzrostu korzeni (EC50). Podczas upraw gorczycy obecność w podłożu O-decylo-pirydynoamidoksymów o stężeniu 100 mg/kg s.m.g powodowała od 30 do 45% zhamowanie wzrostu korzeni, przy czym największą inhibicję wywoływał O-decylo-2-pirydynoamidoksym (45%). Wyższe stężenie (250 mg/kg s.m.g. i większe) powoduje zahamowanie rozwoju pędów i korzeni gorczycy powyżej 70% w stosunku do prób kontrolnych. Najwyższe analizowane stężenie, 1000 mg/kg s.m.g., całkowicie hamuje kiełkowanie nasion gorczycy. Przeanalizowano również wpływ O-decylo-pirydynoamidoksymów na rozwój kukurydzy, jako przedstawiciela rośliny jednoliściennej. Najsilniejsze zahamowanie rozwoju kukurydzy wykazał O-decylo-4-pirydynoamidoksym, ponieważ już najniższe analizowane stężenie (25 mg/kg s.m.g.) powodowało 50% zahamowanie rozwoju korzeni, a także pędów. Nieco mniejszą toksyczność wykazały pirydynoamidoksymy z ugrupowaniem amidokysmowym w pozycji 2 i 3. Obecność tych związków w podłożu w stężeniu 100 mg/kg s.m.g. wywoływało 50% inhibicję rozwoju korzeni. 368 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W dalszej części badań obliczono indeks kiełkowanie (GI) nasion i sporządzono wykresy zależności indeksu kiełkowania od stężenia związków (Rys.2). Na podstawie tych krzywych wyznaczono wartości efektywnych stężeń substancji, które wywołały 50% zahamowanie wzrostu korzeni (EC50). Rysunek 2. Zależnosć indeksu kiełkowania od steżenia zwiazku; a) dla upraw gorczycy, b) dla upraw kukurydzy (O-decylo-2-pirydynoamidoskym - 2PAO-C10, O-decylo-3-pirydynoamidoksym-3PAO-C10, O-decylo-4-pirydynoamidoksym – 4PAO-C10). Zastosowanie O-decylo-pirydynoamidoksymów o stężeniu 250 mg/kg s.m.g. powoduje 50% zahamowanie rozwoju korzeni gorczycy. Pirydynoamidoksymy z łańcuchem decylowym przyłączonym do atomu tlenu w ugrupowaniu oksymowym wykazuje silniejszy efekt zahamowania rozwoju rośliny jednoliściennej. Dawka 25 mg/kg s.m.g. O-decylo-4-pirydynoamidoksymu hamowała w 50% rozwój korzeni kukurydzy, natomiast EC50 dla O-decylo-2- i -3-pirydnoamidoksymów jest wyższe i wynosi 100 mg/kg s.m.g. Analiza uzyskanych wyników wykazała, iż O-decylo-2-,-3- oraz -4-pirydynoamidoksymy wykazują zróżnicowany wpływ na kiełkowanie i początkowy rozwój kukurydzy oraz gorczycy. Obserwowano zarówno wpływ stężenia zastosowanej substancji, jak również położenie grupy funkcyjnej w pierścieniu pirydynowym. W przypadku upraw kukurydzy zaobserwowano silniejszy wpływ analizowanych związków w porównaniu z uprawą gorczycy. Projekt został sfinansowany ze środków na działalność statutową nr 03/32/DSMK/0516. Literatura: [1] E. Bernasek (1957) Pyridineamidoximes, Journal of Organic Chemistry 1263. [2] A. George, J.R. Pearse (1979) The synthesis and infrared spectra of isomeric pyridine monoamidoximes and same derivatives, Acta Chemica Scandinavica ,B 33: 742-746. [3] G.A. Pearse, M. Ericsson, Separation of isomeric monocyanopyridine and pyridinemonoamidoxime hydrochlorides by thinlayer chromatography, Journal of Chromatography, 177: 174-176. [4] A. Parus, A. Jankowska, K. Wieszczycka (2015) Pyridylketoximes with branched alkyl chain as extractants of copper(II) ions from chloride solutions, Separation Science and Technology, 50: 214-222. [5] M. Gano, K. Wieszczycka, A. Wojciechowska, I. Wojciechowska (2014) Synteza i właściwości ekstrakcyjne hydrofobowych O-alkilopirydynoamidoksymów, I Poznańskie Sympozjum Młodych Naukowców. Nowe Oblicze Nauk Przyrodniczych, Poznań, 81-82. 369 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OKSYM 1-(2-PIRYDYLO)TRIDEKAN-1-ONU W MIESZANINIE SYNERGISTYCZNEJ Z EKSTRAHENTAMI FOSFOORGANICZNYMI Anna Miłkowska, Bartosz Jarosz, Aleksandra Wojciechowska, Irmina Wojciechowska, Karolina Wieszczycka Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Synergizm w ekstrakcji ciecz-ciecz jest to efekt oddziaływania dwóch lub więcej ekstrahentów, w wyniku którego obserwuje się zwiększenie (pozytywny synergizm) lub obniżenie (negatywny synergizm) wydzielania jonów metalu z roztworu wodnego w porównaniu do ekstrakcji pojedynczym ekstrahentem. Ekstrahent użyty w mieszaninie jako synergetyk najczęściej posiada zdolność do wypierania cząsteczki z kompleksu, czyniąc go mniej hydrofilowym. Zajmuje puste miejsca koordynacyjne metalu lub wypiera z nich wodę oraz umożliwia powstawanie mniej trwałego kompleksu. Zjawisko synergizmu w procesie ekstrakcji można zatem wyjaśnić zwiększaniem hydrofobowego charakteru powstającego kompleksu. Przykładowo działanie synergistyczne ekstrahenta o charakterze donora elektronów (donor) na przenoszenie metalu w postaci chelatu (M(L)n) można opisać równaniami [1]: wypieranie cząsteczki wody hydratowanej z kompleksu M ( L) n ( H 2 O) n donor M ( L) n (donor )( H 2O) n 1 H 2O rozbudowa powłoki koordynacyjnej metalu, np.: w przypadku metali ziem rzadkich M ( L) n ( H 2 O) n donor M ( L) n ( H 2 O) n (donor ) dodatkowe oddziaływania np.: utworzenie wiązanie wodorowego M ( L) n ( H 2O) n donor M ( L) n ( HO H donor ) Na przebieg procesu w obecności dwóch ekstrahentów wpływ ma kilka czynników zewnętrznych, np.: pH, ligandy organiczne i nieorganiczne wchodzące w skład kompleksu, stosunek stężeń ekstrahentów, temperatura procesu, rozpuszczalnik i siła jonowa roztworu wodnego. Hydrofobowe oksymy ketonów alkilowo-2-pirydylowych stanowią nową grupę związków będących alternatywą dla dotychczas stosowanych ekstrahentów przemysłowych. Związki te posiadają dwa ugrupowania zdolne do koordynacji miedzi(II), co zapewnia tego typu ekstrahentom możliwość zastosowania w różnych układach ekstrakcyjnych (roztwory chlorkowe, siarczanowe czy amonowe) [2-4]. Szczególną rolę odgrywa tutaj zasadowy atom azotu, który posiada wolną parę elektronową zdolną do tworzenia wiązania koordynacyjnego oraz słabo kwaśny atom tlenu, który może ulegać deprotonacji i w efekcie prowadzić do utworzenia trwałego kompleksu chelatowego. Przeprowadzone dotychczas badania nad zastosowaniem oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu wykazały, że związek ten charakteryzuje się silnymi właściwościami ekstrakcyjnymi względem jonów miedzi(II). Szczególnej 370 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. uwadze poddano kompleksy z jonami miedzi(II) w roztworze chlorkowo/azotanowym, które w zależności od stężenia jonów chlorkowych w roztworze wodnym wymagały innego procesu re-ekstrakcji. Ekstrahent ten również posiadał wady, z których najważniejsze to: - powstawanie w roztworze chlorkowym trwałych kompleksów o charakterze chelatowym, które przy długotrwałym kontakcie z fazą wodną tworzyły trudno rozpuszczalne aglomeraty, - ekstrakcja jonów miedzi(II) z roztworu siarczanowego powoduje powstawanie trwałych emulsji, - ekstrakcja jonów miedzi(II) z roztworu o pH poniżej 2 wiąże sie z wytracaniem kompleksu na granicy faz lub powstawaniem trwałych emulsji. Celem badań było określenie wpływu obecności ekstrahenta fosfoorganicznego (fosforanu tributylu i Cyanexu 923) na właściwości ekstrakcyjne oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12) względem jonów miedzi(II). Oksym 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu, 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu z fosforan fosforanem tributylu tributylu i Cyanex (1:1) 923, oraz mieszanina mieszanina oksymu oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu z Cyanexem 923 (1:1) w postaci 0,1 M roztworów toluenowych zostały poddane podstawowym badaniom ekstrakcyjnym, które obejmowały badanie wpływu I) stężenia jonów chlorkowych w fazie wodnej (roztwory chlorkowe), II) początkowego pH (roztwory siarczanowe), na procent ekstrakcji jonów miedzi(II). Analizowano również wpływ stężenia poszczególnych ekstrahentów w fazie organicznej na wydajność ekstrakcji. Badania te prowadzono w cylindrach miarowych o objętości 50 cm3 przy stałym stosunku faz organiczna: wodna równym 1. Obie fazy były wstrząsane na wstrząsarce ramieniowej (Bio-mix BWR 04) przez 15 minut w temperaturze 21-23oC. W badaniach tych fazę wodną stanowiły: 1) roztwory chlorku miedzi(II) (0,01 mol/dm3) zawierające zmienne stężenie jonów chlorkowych (0 - 4 mol/dm3); siłę jonową I = 4 mol/l oraz aktywności wody aw = 0,835 regulowano przed odpowiedni dodatek NaCl, LiNO3 i NaNO3; 2) roztwory siarczanu(VI) miedzi(II) (0,01 mol/dm3) zawierające stałe stężenie jonów siarczanowych (0,5 mol/dm3) regulowane przez odpowiedni dodatek Na2SO4; ekstrakcje prowadzono w zakresie pH 1-5. Uzyskane wyniki badań ekstrakcyjnych pozwoliły stwierdzić, że w przypadku ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworu siarczanowego nie uzyskano pożądanego efektu synergistycznego (Rys. 1). Nie zaobserwowano wytrącania się kompleksu, ani tworzenia emulsji, jednak procent ekstrakcji mieszaniny oksym 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu: Cyanex 923 nie przewyższa 25%. W przypadku ekstrakcji Cu(II) z roztworów chlorkowych, obecność synergetyków spowodowała nieznaczne osłabienie właściwości ekstrakcyjnych oksymu 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu, a obserwowana zależność procentu ekstrakcji w funkcji stężenia jonów chlorkowych sugeruje zmiany w strukturze kompleksu miedź-oksym 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu. 371 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Wpływ pH na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworu siarczanowego fosforanem tributylu (TBP), Cyanexem 923 i ich mieszaniną z oksymem 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12) (2PC12+TBP i 2PC12 +Cyanex 923)([Cu(II)]= 0,01mol/l, [SO 4 2- ]= 0,5 mol/l). Rys 3. Wpływ stężenia jonów chlorkowych na procent ekstrakcji jonów miedzi(II) z roztworu chlorko wego oksymem 1-(2-pirydylo)tridekan-1-onu (2PC12), fosforanem tributylu (TBP), Cyanexem 923 i ich mieszaniną (2PC12+TBP i 2PC12 +Cyanex 923)([Cu(II)]= 0,01mol/l, pH = 3,5, I= 4 mol/l, a w = 0,835). Praca została sfinansowana ze środków na działalność statusową 03/32/DSMK/0520. Literatura: [1] R. Sarkar, S Ray, S Basu (2014) Synergism in Solvent Extraction and Solvent Extraction Kinetics, Journal of Chemical, Biological and Physical Sciences 43156-3181. [2] K. Klonowska-Wieszczycka, A. Olszanowski, A. Parus B. Zydorczak (2009) Removal of copper(II) from chloride solutions using hydrophobic pyridyl ketone oximes, Solvent Extraction and Ion Exchange 27(1):50-62 [3] K. Wieszczycka, M. Krupa, A. Olszanowski (2012) Extraction of copper(II) with hydrophobic pirydyl ketoximes from chloride and sulphate solutions, Separation Science and Technology 47(9):1278-1284 [4] K. Wieszczycka, M Kaczerewska, M. Krupa, A. Parus, A. Olszanowski (2012) Solvent extraction of copper(II) from ammonium chloride and hydrochloric acid solutions with hydrophobic pyridineketoximes, Separation and Purification Technology 95:157-164 372 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE KAMFOROWE POCHODNE EBSELENU O WŁAŚCIWOŚCIACH ANTYOKSYDACYJNYCH Julianna Mruk*, Agata Pacuła, Jacek Ścianowski Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń *email: [email protected] Związki selenoorganiczne posiadają szeroko opisywane właściwości biologiczne i farmakologiczne. Do głównych przedstawicieli biologicznie aktywnych związków selenoorganicznych należy ebselen, posiadający unikalną zdolność naśladowania peroksydazy glutationowej GPx [1]. Związek ten zdolny jest do usuwania szkodliwych nadtlenków organicznych i nieorganicznych, będących przyczyną m.in. zmian nowotworowych, zaburzeń pracy układu sercowo-naczyniowego, choroby Alzheimera i Parkinsona[2,3]. W celu zbadania wpływu szkieletu terpenowego na aktywność antyoksydacyjną otrzymano nowe pochodne benzizoselenazol-3(2H)-onu, podstawione na atomie azotu optycznie czynnym układem terpenowym z grupy bornanu (Schemat 1.). Schemat 1. Nowe pochodne ebselenu o właściwościach antyoksydacyjnych. Związki otrzymano z odpowiednich N-podstawionych o-jodobenzamidów w wyniku reakcji z wytwarzanym in situ diselenkiem dilitu[4]. Aktywność antyoksydacyjna została przebadana w reakcji utlenienia ditiolu do disulfidu. Szybkość konwersji DTTred do DTTox była analizowana na podstawie widm 1H NMR wykonywanych w stałych odstępach czasowych[5]. Struktury otrzymanych pochodnych potwierdzono analizą IR, 1H, 13C, 77Se NMR oraz w przypadku pochodnej 2 wykonano również analizę rentgenostrukturalną. 373 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: [1] R. Lesser, R. Weiss (1924) Synthesis of 2-acyl-and 2-sulfonylbenzisoselenazol-3 (2H)-ones, Ber. Dtsch. Chem. Gess. 57:1077 [2] E. Cadenas, H. Wefers, A. Muller, R. Brigelius, H. Sies (1982) Active oxygen metabolites and their action in the hepatocyte. Studies on chemiluminescence responses and alkane production, Agents Actions Suppl. 11:203 [3] L. Xie, W. Zheng, N. Xin, J. W. Xie, T. Wang, Z.Y. Wang (2012) Ebselen inhibits iron-induced tau phosphorylation by attenuating DMT1 up-regulation and cellular iron uptake, Neurochem. Int. 61:334 [4] A. Pacuła, J. Ścianowski, K. Aleksandrzak (2014) Highly efficient synthesis and antioxidant capacity of N-substituted benzisoselenazol-3(2H)-ones, RSC Adv. 4: 48959–48962 [5] F. Kumakura, B. Mishra, L. Priyadarsini, M. Iwaoka (2010) A water-soluble cyclic selenide with enhanced glutathione peroxidase-like catalytic activitie, J. Org. Chem., 440-445 pkt) 374 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA NOWYCH KATALIZATORÓW TIOMOCZNIKOWYCH PRZYDATNYCH W STEREOSELEKTYWNYCH REAKCJACH ALKILOWANIA FRIEDLA-CRAFTSA ( Ewelina Najda*, Anna Zakaszewska, Karolina Janikowska, Sławomir Makowiec ( Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, Ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Z uwagi na rosnącą popularność organokatalizy, co raz więcej grup badawczych na całym świecie zajmuje się reakcjami katalizowanymi przez organokatalizatory, a co za tym idzie, rośnie ilość rodzajów samych organokatalizatorów. Jednak wszystkie one należą do jednej z dwóch głównych grup kowalencyjnych lub niekowalencyjnych. Podział ten oparty jest na mechanizmie działania tychże związków. Organokatalizatory kowalencyjne tworzą z jednym z substratów związek przejściowy, który wydajnie i stereoselektywnie reaguje z drugim reagentem, dając produkt o określonej konfiguracji absolutnej. Natomiast organokatalizatory niekowalencyjne mogą oddziaływać z jednym lub oboma substratami za pomocą słabych wiązań chemicznych (na przykład wodorowych). Tworzy się w ten sposób struktura chemiczna w stanie przejściowym, w której przestrzenne ułożenie katalizatora oraz substratów wymusza określoną drogę reakcji prowadzącą do preferowanego enancjomeru jako produktu. Do grupy organokatalizatorów niekowalencyjnych należą katalizatory tiomocznikowe. Większe możliwości ich użycia (odnoszące się do różnych typów interakcji chemicznych [1] ) wiążą się z wieloma rodzajami mechanizmów oddziaływania katalizatorów tiomocznikowych z substratami. Często mechanizmy te są trudne do przewidzenia [2]. Co więcej, zmiany energetyczne związane z różnymi konformacjami oddziałujących ze sobą katalizatora i reagenta są na tyle niewielkie, że opisanie stanu przejściowego nie jest tak jednoznaczne jak w przypadku organokatalizatorów kowalencyjnych. Szerokie możliwości aplikacyjne organokatalizatorów tiomocznikowych potwierdzono na przestrzeni ostatnich 15 lat, stosując je jako dodatki chiralne do wielu rodzajów reakcji, między innymi reakcji Streckera [3], Mannicha [4], różnego typu cyklizacji [5] , alkilowania indolu z następczą cyklizacją [6, 7], addycji Michaela [8]. Ostatnio wykazaliśmy, iż organokatalizatory tiomocznikowe (struktura 1 na Rysunku 1) są użyteczne także w przypadku reakcji alkilowania Friedla-Craftsa indolu za pomocą arylidenowych pochodnych kwasu Meldruma (2). Uzyskaliśmy w ten sposób związki (3) z dobrymi wydajnościami (50-87%) oraz nadmiarem enancjomerycznym do 50%. Organokatalizatory używane we wspomnianych reakcjach otrzymaliśmy na drodze czteroetapowej syntezy, w której substratem wyjściowym były aminokwasy. 375 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Udowodniliśmy także, że zwiększenie rozmiaru podstawnika alkilowego (oznaczonego jako Y na Rysunku 1) w strukturze organokatalizatora tiomocznikowego prowadzi do wyższej stereoselektywności reakcji. Rysunek 1. Literatura: [1] R. R. Knowles, E. N. Jacobsen (2010) Attractive noncovalent interactions in asymmetric catalysis: links between enzymes and small molecule catalysts, Proc. Nat. Acad. Sci. (107):20678-20685 [2] S. J. Zuend, E. N. Jacobsen (2009) Mechanism of Amido-Thiourea Catalyzed Enantioselective Imine Hydrocyanation: Transition State Stabilization via Multiple Non-Covalent Interactions, J. Am. Chem. Soc. (131): 15358–15374 [3] S. Chandra Pan, B. List (2007) Catalytic One-Pot, Three-Component Acyl-Strecker Reaction, Synlett, (2):318–320 [4] A. Wenzel, M.P. Lalonde, E.N. Jacobsen (2003) Divergent stereoinduction mechanisms in urea-catalyzed additions to imines, Synlett. (12):1919-1922 [5] R. R. Knowles, S. Lin, E. N. Jacobsen (2010) Enantioselective Thiourea-Catalyzed Cationic Polycyclizations, J. Am. Chem. Soc. (132): 5030-5032 [6] R. S. Klausen, E. N. Jacobsen (2009) Weak Brønsted Acid – Thiourea Co-catalysis: Enantioselective, Catalytic ProtioPictet - Spengler Reactions, Org. Lett. (11):887-890 [7] Y. Lee, R. S. Klausen, E. N. Jacobsen (2011) Thiourea-Catalyzed Enantioselective Iso-Pictet_Spengler, Org. Lett. (13):5564-5567 [8] T. Okino, Y. Hoashi, Y. Takemoto (2003) Enantioselective Michael Reaction of Malonates to Nitroolefins Catalyzed by Bifunctional Organocatalysts, J. Am. Chem. Soc. (125):12672-12673 376 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I MODYFIKACJE POCHODNYCH BENZOCHINOLIN Monika Nowak*, Zbigniew Malinowski Katedra Chemii Organicznej, Uniwersytet Łódzki, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź * email: [email protected] Pochodne chinoliny ze względu na różnorodne właściwości biologiczne, stanowią interesującą grupę związków heterocyklicznych. Wykazują między innymi aktywność przeciwbakteryjną, przeciwmalaryczną, a także przeciwnowotworową [1-4]. Celem naszych badań była synteza pochodnych benzochinoliny, a następnie ich modyfikacje, m.in.: w katalizowanych reakcjach sprzęgania, prowadzące do nowych układów typu 4. Jako związki wyjściowe wykorzystane zostały pochodne naftyloamin 2 i 3. NHBoc O R 2 2 R Z NHBoc R X 3 R 1 1 3 4 O NHBoc 3 1 2 Z, X = CH lub N; R , R = COOH, COOalkil, alkil; R 3 = H, Br, alkil, aryl Rysunek 1. Literatura: [1] Ch. Amit, Ch. Payal, S. Mansimrean, S. P. Singh Kuldeep (2014), Canadian Open Pharmacy Journal 1(1):1-12 [2] R. Musiol, T. Magdziarz, A. Kurczyk (2011), Science against microbial pathogens: communicating current research and technological advances 72-83 [3] S. K. Singh, S. Singh (2014) International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research 50:295-302 [4] O. Afzal, S. Kumar, Md. R. Haider, Md. R. Ali, R. Kumar, M. Jagii, S. Bawa (2015) Chemistry 97: 871-910 377 S. European Journal of Medicinal BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODYFIKOWANE NOŚNIKI TLENKOWE – EFEKTYWNY ADSORBENT ŻEŃSKICH HORMONÓW PŁCIOWYCH Z MATRYC WODNYCH Agnieszka Nowakowska*1, Joanna Zembrzuska1, Anna Modrzejewska-Sikorska1, Teofil Jesionowski2 1) Zakład Chemii Ogólnej i Analitycznej, Politechnika Poznańska, Plac Marii Skłodowskiej-Curie 5, 60-965 Poznań 2) Zakład Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Plac Marii Skłodowskiej-Curie 5, 60-965 Poznań * e- mail: [email protected] Rozwój najnowszych technik wykrywania i oznaczania związków chemicznych oraz badania nad ich wpływem biologicznym zwróciły uwagę naukowców na zanieczyszczenia środowiskowe, które wcześniej nie zostały wykryte bądź nie były uznawane za niebezpieczne, lub których obecność w środowisku nie została dotychczas prawnie uregulowana. Są to, tzw. nowo pojawiające się zanieczyszczenia, definiowane jako niedawno zidentyfikowane lub wcześniej nierozpoznane. Wśród nich wyróżnia się takie klasy związków, jak środki farmaceutyczne, steroidy i hormony, środki higieny osobistej, środki odkażające, związki powierzchniowo czynne i ich metabolity, związki opóźniające zapłon, środki i dodatki do benzyny oraz produkty do dezynfekcji [1,2]. Obecnie największy problem spośród nowo pojawiających się zanieczyszczeń środowiskowych stanowią związki hormonalne. Ich obecność budzi coraz większy niepokój, a przez to zainteresowanie, ze względu na fakt, iż znaczna ilość tego typu substancji wprowadzana jest do środowiska oraz ze względu na ich aktywność biologiczną. Mogą one wywoływać efekt estrogenny, który może z kolei prowadzić do feminizacji lub obojnactwa wodnych organizmów, a w konsekwencji również i organizmu człowieka [1]. Hormony są substancjami chemicznymi wytwarzanymi przez organizm, których rolą jest regulacja czynności narządów wewnętrznych. Odbywa się to poprzez pobudzenie lub hamowanie właściwych procesów biologicznych. Większość z nich jest wydzielana bezpośrednio do krwi przez gruczoły wewnątrzwydzielnicze, a obszar ich działania zależy od miejsca wytwarzania. Wyróżniamy związki hormonalne o budowie białkowej, do których należą hormony podwzgórza, przysadki i trzustki, o budowie aminokwasowej, czyli hormony tarczycy i przekaźniki informacji (noradrenalina, serotonina i acetylocholina) oraz o budowie steroidowej, do których zaliczane są hormony kory nadnerczy i płciowe [3]. Przedmiotem badań niniejszej pracy będzie ostatnia grupa spośród wymienionych. Hormony płciowe mają budowę steroidową, a szkieletem steroidu jest 17-węglowy alicykliczny węglowodór (o zamiennych nazwach gonan, steran lub cyklopentanoperhydrofenantren), który poprzez dodanie kolejnych atomów węgla, może ulec modyfikacji. Strukturę tę można również zmodyfikować poprzez wprowadzenie odpowiednich grup funkcyjnych, uzyskując hormony o różnej aktywności. Męskie hormony płciowe, tzw. 378 androgeny (testosteron, androstendion BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. i dehydroepiandrosteron) są wytwarzane przez komórki Leydiga – wewnątrzwydzielniczą część jądra. Androgeny wpływają ogólnoustrojowo, a także mają wpływ na oddziaływanie anaboliczne, czyli stymulują syntezę białka. Testosteron odpowiada za zmniejszenie wydzielania GnRH (ang. Gonadotropin-releasingHormone, hormon uwalniający gonadotropinę) i hormonu luteinizującego. Jego obecność na odpowiednim poziomie wpływa u samców na właściwy rozwój drugorzędowych cech i utrzymanie prawidłowego procesu spermatogenezy [3,4]. Żeńskie hormony płciowe – estrogeny, progesteron, relaksyna i niewielkie ilości androgenów – są produkowane przez jajniki. Estrogeny odpowiadają za właściwy rozwój drugo- i trzeciorzędowych cech płciowych oraz całego układu rozrodczego u samic – nasilają wzrost komórek w błonie śluzowej (endometrium) i mięśniówce macicy oraz gruczole piersiowym. Ich działanie reguluje cykl miesiączkowy, umożliwia transport komórki jajowej do jamy macicy i zagnieżdżenie w jej błonie śluzowej zapłodnionego jaja. Hormony te oddziałują również na centralny układ nerwowy, mają wpływ na wzrost energii i dobre samopoczucie. Progesteron, który wytwarzany jest przez pęcherzyk jajowy, odpowiada za prawidłowe zapłodnienie jaja, utrzymanie ciąży oraz jej właściwy rozwój [3,4]. Naturalne hormony należą do grupy związków endokrynnie aktywnych EDCs (ang. endocrinedisruptingcompounds, EDCs). Tego typu substancje mają zdolność do bioakumulacji, zakłócają działanie endokrynne i wywołują zmiany w organizmach, przez co ich obecność w środowisku jest międzynarodowym problemem ze względu na potencjalne zagrożenie dla ludzi i przyrody. Znane są też syntetycznie otrzymywane związki estrogenopodobne, wytwarzane przez przemysł chemiczny. Niektóre EDCs znajdują się w produktach powszechnie stosowanych – środkach higieny osobistej (kosmetyki, mydła), ubocznych produktach przemysłowych, tworzywach sztucznych (ftalany) i pestycydach. Hormony syntetyczne są szeroko stosowane w medycynie, m.in. w hormonalnej terapii zastępczej i antykoncepcji. Z uwagi na szkodliwość, jaką niesie niekontrolowana ekspozycja na działanie EDCs, istnieje konieczność monitoringu środowiskowego, który umożliwi wykrycie potencjalnych zanieczyszczeń tego rodzaju [2,5]. Wstępnym etapem w analizie próbek środowiskowych jest izolacja i wzbogacanie analitów, czego dokonać można technikami ekstrakcyjnymi. Procesy te polegają na transporcie analitów z próbki (matryca pierwotna) do matrycy odbierającej (matryca wtórna) o prostym i jednoznacznie określonym składzie chemicznym. W poniższej pracy zastosowano ekstrakcję do fazy stałej (SPE – ang. Solid Phase Extraction), która jest popularną i tanią metodą wydzielania analizowanych związków z próbek ciekłych, szczególnie z wody, przy zastosowaniu prostej aparatury. Ekstrakcja ciecz – ciało stałe wykorzystuje zjawisko podziału analitu pomiędzy stały sorbent a ciekłą próbkę, co umożliwia jego wyizolowanie z matrycy w maksymalnie czystej i skoncentrowanej postaci, przygotowując go w ten sposób do analizy właściwej jedną z technik chromatograficznych. 379 Proces zachodzi wówczas, BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. gdy wiązanie między analitem a sorbentem jest silniejsze od oddziaływania, jakie wywiera rozpuszczalnik na matrycę próbki [6]. Technikę SPE można realizować na kilka sposobów: jednym z nich jest dodatek sorbentu do próbki i wytrząsanie, a następnie zdekantowanie. Inną powszechnie wykorzystywaną metodą jest przepuszczenie próbki przez dysk ekstrakcyjny lub rurkę sorpcyjną. W praktyce laboratoryjnej stosuje się techniki ekstrakcyjne w układzie off-line oraz on-line o zróżnicowanym poziomie automatyzacji. Ekstrakcja ciecz – ciało stałe może także odbywać się poprzez zastosowanie dozymetrów pasywnych poddawanych ekspozycji w badanym ciekłym medium oraz wykorzystanie urządzenia do mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej [7]. W procesie SPE największe znaczenie jako sorbent ma krzemionka, będąca nośnikiem grup funkcyjnych. Krzemionka w „czystej” postaci zawiera na swojej powierzchni wolne grupy silanolowe (SiOH), dzięki czemu silnie adsorbuje związki polarne, przy czym oddziaływanie to jest tak silne, że utrudnia odzysk zaadsorbowanych substancji. Modyfikacja jej powierzchni, która polega na zastąpieniu wolnych grup silanolowych innymi grupami funkcyjnymi, np. aminową (NH2), diolową (COHCOH) lub cyjanową (CN), przyczynia się do zmniejszenia siły oddziaływań związków silnie polarnych i krzemionki, umożliwiając ich ekstrakcję. Sorbenty tego typu nazywają się związanymi fazami normalnymi (NP). Natomiast jeżeli grupy silanolowe zostaną zastąpione grupami oktylowymi (C-8), oktadecylowymi (C-18) lub alkilofenylowymi (RC6H5), żel krzemionkowy staje się sorbentem niepolarnym. Wówczas pojawiają się silne, odwracalne oddziaływania substancji niepolarnych albo słabo polarnych z powierzchnią zmodyfikowanej krzemionki i w ten sposób możliwa jest ich ekstrakcja z rozpuszczalnika polarnego. Opisane powyżej sorbenty noszą nazwę faz odwróconych (RP) [6]. Ponadto jako adsorbenty w technice SPE stosowane są także różnego rodzaju polimery: akrylowe, styrenowo - diwinylobenzenowe, Porapk Q, Tenax GC oraz odpowiednio przygotowane węgle aktywne [8]. Skład oraz zawartość badanych analitów w próbkach środowiskowych wymagają zastosowania bardzo czułych metod analitycznych. W analizie tego typu próbek wykorzystuje się techniki chromatograficzne z odpowiednimi systemami detekcji, natomiast trudności z identyfikacją składników rozwiązuje się poprzez sprzężenie chromatografii z innymi technikami analitycznymi. W poniższej pracy zastosowany został układ sprzężony chromatograf cieczowy – tandemowy spektrometr masowy LCMS/MS (ang. Liquid Chromatography – Tandem Mass Spectrometry), który pozwala na określenie składu jakościowego i ilościowego badanej próbki [9]. W technice LC-MS/MS uprzednio przygotowana próbka jest wprowadzana do układu chromatograficznego, gdzie analizowane związki są rozdzielane w kolumnie chromatograficznej. Następnie anality przenoszone są do spektrometru masowego, który pracując w trybie monitorowania wybranych reakcji (MRM) pozwala na dokonanie analizy jakościowo-ilościowej składników próbki. [9]. 380 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Celem poniższej pracy jest ocena wykorzystania modyfikowanych krzemionek jako sorbentów do procesów wydzielania i zatężania pozostałości żeńskich hormonów płciowych z modelowych roztworów wodnych. Oceny skuteczności usunięcia hormonów dokonuje się przez wykonanie analizy techniką LC-MS/MS roztworów wodnych po procesie adsorpcji. W badaniu wykorzystano zmodyfikowaną krzemionkę – Syloid 244 oraz Aerosil 200 V. Jako silanowy związek wiążący zastosowano oktadecylosilan w ilości 5 i 10 części wagowych w przeliczeniu na masę SiO2 dla obu rodzajów sorbentów. Procesowi ekstrakcji do fazy stałej poddano roztwory wodne zawierające estriol, estron, α-estradiol, β-estradiol i mestranol. Do każdego roztworu wodnego zawierającego mieszaninę badanych hormonów wprowadzano każdorazowo 100 mg sorbentu i wytrząsano przez 5 minut. Następnie poprzez przesączenie przez sączek papierowy oddzielono sorbent od próbki wodnej. Sączek z zatrzymanym sorbentem poddano procesowi suszenia, zaś fazę wodną zebrano do fiolki w celu dokonania analizy techniką LC-MS/MS, pozwalającą na ocenę stopnia usunięcia badanych analitów z próbki. Kolejnym etapem badań będzie desorpcja hormonów z sorbentu. Planuje się zbadanie ilościowej elucji przy zastosowaniu następujących rozpuszczalników: metanolu, acetonitrylu, chloroformu, n-heksanu oraz octanu etylu. Wyniki badań pozwolą opracować metodę wydzielania i zatężania badanych hormonów płciowych z matryc wodnych techniką SPE wykorzystującą nowy materiał sorpcyjny. Badania zostały zrealizowane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS. PB 31-293/2015. Literatura: [1] M.J. Lopez de Alda, S. Diaz-Cruz, M. Petrovic, D. Bercelo (2003) Rozdział 10: Oznaczanie pozostałości wybranych środków farmaceutycznych, steroidowych hormonów płciowych oraz alkilofenolowych środków powierzchniowo czynnych w środowisku wodnym z wykorzystaniem technik LC-MS oraz LC-MS/MS; Praca pod redakcją: J. Namieśnik, W. Chrzanowski, P. Szpinek, Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu środowiskowym, Wyd. Centrum Doskonałości Analityki i Monitoringu Środowiskowego, Gdańsk, [2] Y. Luo, W. Guo, H.-H. Ngo, L.-D. Nghiem, F.-I. Hai, J. Zhang, S. Liang, X.C. Wang (2014) A review on the occurrence of micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment, Science on the Total Environment 473:619-641 [3] A. Zejc (2008) Chemia leków, Hormony, Wydanie III uaktualnione i rozszerzone, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa [4] Z. Paryzek, M. Piasecka, T. Pospieszny, I. Skiera (2011) Steroidy, Aktywność biologiczna steroidów, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań [5] M. Matejczyk, P. Zalewski (2011) Związki endokrynne i ich aktywność biologiczna, w: KOSMOS Problemy Nauk Biologicznych, tom 60, nr 1-2 (290-291), strony 17-32, Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika 381 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. [6] P. Stepniowski, E. Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński (2010) Techniki separacyjne, Ekstrakcja, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk [7] J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M. Pilarczyk, L. Torres (2000) Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy, Wydawnictwa Naukowo–Techniczne, Warszawa [8] Z. Witkiewicz (1995) Podstawy chromatografii wyd. II zmienione, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa, 1995 [9] K.. Bielecka–Daszkiewicz, K.. Milczewska, A. Voelkel (2005) Zastosowanie metod chromatograficznych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 382 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA DISELENIDÓW O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH BIOLOGICZNYCH Magdalena Obieziurska*, Agata Pacuła, Jacek Ścianowski Katedra Chemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Jurija Gagarina 7, 87-100 Toruń * e-mail: [email protected] Zaburzenia homeostazy redoks oraz będący konsekwencją tego zjawiska nadmiar reaktywnych form tlenu jest jedną z głównych przyczyn wielu chorób cywilizacyjnych, takich jak: nowotwory, cukrzyca, choroba Alzhaimera [1]. Związki selenoorganiczne, w tym powszechnie znany ebselen (2fenylo-1,2-benzizoselenazol-3(2H)-on), wykazują wysoką aktywność przeciwutleniającą wynikającą z ich zdolności do naśladowania peroksydazy glutationowej (GPx) [2]. W cyklu katalitycznym tego enzymu aktywną formą uczestniczącą w redukcji nadtlenków jest ebselen lub analogicznych diselenid [3]. Otrzymano serię N-podstawionych alkilowych benzizoselenazolonów 2b-d, które następnie przekształcono w odpowiednie diselenidy 3b-d, porównując aktywność otrzymanych struktur z odpowiednikami zawierającymi podstawnik fenylowy 2a, 3a. (Schemat 1). Schemat 1. Droga syntezy diselenidów z N-podstawionych alkilowych i arylowych benzizoselenazolonów 383 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Benzizoselenazolony otrzymane zostały na drodze reakcji N-podstawionego o-jodobenzamidu z diselenkiem dilitu opracowanej w naszym zespole badawczym [4]. Uzyskane pochodne poddano następnie redukcji borowodorkiem sodu do odpowiednich diselenidów. Aktywność antyoksydacyjną badano na podstawie czasu konwersji ditiolu do disulfidu, w obecności analizowanego katalizatora selenoorganicznego i 30% roztworu nadtlenku wodoru. Szybkość zaniku substratu oszacowano poprzez rejestrację zmian w widmie 1H NMR. Struktury otrzymanych pochodnych potwierdzono analizą IR, 1H, 13 C, 77Se NMR. Literatura: [1] M. Iwaoka (2014) Antioxidant Organoselenium Molecules, Organoselenium Chemistry: Between Synthesis and Biochemistry, ed. Santi, Bentham Science Publishers, 361 [2] M. J. Parnham, H. Sies (2013) Biochem. Pharmacol. 86; 1248 [3] K.P. Bhabak, A.A Verneka, S.R Jakka, G. Roy, G. Mugesh (2011) Org. Biomol. Chem. 9:5193 [4] A. Pacuła, J. Ścianowski, K. Aleksandrzak (2014) Highly efficient synthesis and antioxidant capacity of N-substituted benzisoselenazol-3(2H)-ones, RSC Adv. 4: 48959–48962 384 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. STABILNOŚĆ TERMICZNA AMINOKWASOWYCH CIECZY JONOWYCH Paula Ossowicz1,2*, Marcin Gano2 1 Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin 2 Instytut Technologii Chemicznej Organicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin * e-mail: [email protected] Ciecze jonowe (ang. Ionic Liquids ILs) to związki zbudowane wyłącznie z jonów, ciekłe w temperaturze pokojowej. Stan ciekły zawdzięczają stosunkowo niskiej energii sieciowej w związku z wysokim stopniem asymetrii tworzących je jonów. Ponadto pozostają cieczami w szerokim zakresie temperatur, znacznie większym niż rozpuszczalniki cząsteczkowe [1-7]. Mimo niskiej prężności par ciecze jonowe mogą stanowić zagrożenie dla środowiska. Istnieje możliwość ich silnej sorpcji do gleby, możliwość infiltracji do wód gruntowych, ponadto posiadają potencjalnie wysoką bioakumulację i ekotoksyczność wobec roślin i mikroorganizmów, mały potencjał biodegradacji czy cytotoksyczności. Pomimo potencjalnych zagrożeń unikalne właściwości cieczy jonowych i praktycznie nieograniczona możliwość kombinacji kation-anion pozwalają na poszukiwanie struktur niestanowiących zagrożenia dla środowiska, a jednocześnie użytecznych. Obecnie poszukuje się związków o wysokiej biodegradowalności, otrzymywanych z naturalnych surowców o możliwie szerokim zakresie zastosowań. Największym zainteresowaniem cieszą się chiralne ciecze jonowe stanowiące alternatywę dla tradycyjnych cieczy jonowych, wykorzystujące jako substraty stosunkowo tanie związki jakimi są aminokwasy. Ilość doniesień w literaturze na temat cieczy jonowych na bazie aminokwasów świadczy o aktualności tego typu badań. Poszukiwanie bioodnawialnych i nietoksycznych cieczy jonowych wyłoniło nową generację cieczy jonowych, jakimi są aminokwasowe ciecze jonowe. Aminokwasy i ich pochodne, takie jak estry aminokwasów stanowią źródło do otrzymywania zarówno kationu jak i anionu cieczy jonowej [8]. Celem prezentowanych badań było porównanie stabilności termicznej aminokwasowych cieczy jonowych. Temperatura rozkładu warunkuje bowiem zakres temperatur, w których związek może być stosowany. Pośrednio może również stanowić miarę trwałości związku w środowisku. Zbadano wpływ kationu na stabilność termiczną aminokwasowych cieczy jonowych. Do badań wybrano anion leucynianowy i następujące kationy: tributylometyloamoniowy (tBMA), didecylodimetyloamoniowy (DDA), -amoniowy (cholinowy) (Chol) i 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. tetrabutyloamoniowy (TBA), 2-hydroksyetylotrimetyloNatomiast wpływ budowy aminokwasowego anionu badano na przykładzie soli tetrabutyloamoniowych siedmiu aminokwasów: L-waliny, L-leucyny, L-izoleucyny, L-treoniny, L-metioniny, L-histydyny i L-tryptofanu. 385 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W celu porównania stabilności termicznej analizowanych soli aminokwasów zestawiono wartości temperatur odpowiadających 50% ubytkowi masy analizowanej próbki. Temperatury zostały wyznaczone na podstawie analizy termograwimetrycznej (krzywe TG). Wyznaczono ponadto temperatury początku rozkładu (krzywe TG) oraz temperatury najszybszego rozkładu związku (krzywe DTG). Zbadano i wyznaczono zależności pomiędzy budową anionu i kationu a stabilnością termiczną aminokwasowej cieczy jonowej. Rozpatrując ciecze jonowe z anionem L-leucynianowym, stabilność termiczną uszeregować można następująco: [TBA] < [tBMA] < [Chol] < [DDA] < [emim] Największą stabilność wykazują sole z kationem 1-etylo-3-metyloimidazoliowym, natomiast najmniejszą z kationem tetrabutyloamoniowym. Kation imidazoliowy jest bardzo stabilny, ponieważ ładunek dodatni może zostać równomiernie rozłożony na dwa atomy azotu. Rodzaj aminokwasowego anionu również wpływa na stabilność związku. Najwyższą stabilnością spośród badanych związków wykazuje ciecz jonowa z anionem L-histydyny. Swoją stabilność zawdzięcza obecności pierścienia imidazoliowego w cząsteczce. W zależności od typu anionu stabilność termiczną można uszeregować według następująco: [L-Ile] < [L-Val] < [L-Leu] < [L-Met] < [L-Thr] < [L-Trp] < [L-His] Literatura: [1] A. Kokorin (2011) Ionic Liquids: Theory, Properties, New Approaches, Wydawnictwo InTech, Rijeka [2] Kirk-Othmer (2007) Chemical Technology and the Environment, volume 1, Wiley-Interscience, New Jersey [3] M. Earle, K. Seddon (2000) Ionic liquids. Green solvents for the future, Pure App. Chem. 72 (7): 1391-1398 [4] H. Yamamoto, K. Ishihara (2008) Lewis Acid Catalysis in Modern Organic Synthesis, Wydawnictwo WILEY-VCH, Weinheim [5] N.D. Khupse, A. Kumar (2010) Ionic liquids: New materials with wide applications, Indian J. Chem. 49A: 635-648 [6] G.K. Sudhakar, K.V. Bhaskar, R. Verma (2012) Ionic liquids re the replacements for environmentally damaging solvents in a wide range of chemical processes, J. Biomed. Pharm. Res. 1 (2): 7-12 [7] P. Wasserscheid, W. Keim (2000) Ionic Liquids—New “Solutions” for Transition Metal Catalysis, Angew. Chem. Int. Ed., 39: 3772-3789 [8] J.Ch. Plaquevent, J. Levillain, F. Guillen, C. Malhiac, A.C. Gaumont (2008) Ionic liquids: new targets and media for a-amino acid and peptide chemistry, Chem. Rev. 108: 5035–5060 (odstęp pojedynczy , 10 t) 386 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I ZASTOSOWANIE NOWYCH LIGANDÓW STEROIDOWYCH Z ŁĄCZNIKAMI TRIAZOLOWYMI Marta Pakiet*, Tomasz Pospieszny, Hanna Koenig, Iwona Kowalczyk, Bogumił Brycki Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Mikrobiocydów ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań *e-mail: [email protected] Steroidy stanowią obszerną klasę związków pochodzenia naturalnego. Obok białek, tłuszczów oraz kwasów nukleinowych odgrywają ważną funkcję w organizmach zarówno bakterii, grzybów, roślin jak i zwierząt. Wspólną cechą tych związków jest występowanie układu steranowego, czyli cyklopentanoperhydrofenantrenu. Charakteryzują się również rozbudowaną strukturą, ściśle określoną przestrzenną konformacją oraz czystością enancjomeryczną [1]. Grupą badanych związków są kwasy żółciowe, które ze względu na obecność grupy karboksylowej oraz grup hydroksylowych o zróżnicowanej reaktywności są doskonałymi substratami do tworzenia ligandów steroidowych oraz badań w zakresie chemii supramolekularnej [2-4]. Jednym ze sposobów modyfikacji jest reakcja chemii ,,click’’. Jest to innowacyjna metoda syntezy organicznej wprowadzona w 2001 roku przez K. B. Sharplessa. Przykładem reakcji ,,click’’ jest 1,3-dipolarna cykloaddycja azydek–alkin, wynikiem której jest utworzenie pierścienia 1,2,3-triazolowego. Zaletą tego typu reakcji są przede wszystkim wysokie wydajności, krótki czas prowadzonego procesu oraz selektywność. Katalizatorem reakcji są jony Cu(I) wytwarzane in situ za pomocą układu katalizującego, tj. askorbinianu sodu oraz siarczanu(VI) miedzi(II) [5,6]. Przedmiotem moich badań jest reakcja pomiędzy estrem propargilowym kwasu żółciowego, a α,α’-diazydo-m-ksylenem w wyniku której powstają dimery steroidowe połączone pierścieniem 1,2,3-triazolowym (Schemat 1.). Schemat 1. Synteza dimerów steroidowych z łącznikami triazolowymi. 387 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Zsyntezowane związki zostały scharakteryzowane za pomocą metod spektroskopowych (1H, 13C NMR, FT-IR), a także przy użyciu technik spektrometrii masowej (ESI-MS, MALDI-TOF). Ponadto struktury dimerów steroidowych zostały zoptymalizowane metodą semiempiryczną PM5. Obliczenia teoretyczne stosowane były w celu optymalizacji struktury otrzymanych ligandów oraz zapoznania się z przestrzenną budową cząsteczki (Rysunek 1.). Rysunek.1. Model dimeru steroidowego obliczony semiempiryczną metodą PM5. Kolejnym etapem badań były próby funkcjonalizowania otrzymanych związków. Badania aplikacyjne oparto na założeniu, iż dany dimer jest zdolny do tworzenia wiązań wodorowych. W przypadku dimerów steroidowych połączonych za pomocą pierścienia 1,2,3-triazolowego, zarówno triazol, jak i grupy hydroksylowe pochodzące od kwasów żółciowych potencjalnie posiadają zdolność do tworzenia wyżej wymienionych oddziaływań. Ze względu na posiadanie wolnych par elektronowych oraz atomów wodoru w przypadku grup hydroksylowych ligand może być akceptorem lub donorem protonów. Literatura: [1] P. M. Dewick (2002) Medicinal Natural Products, John Wiley & Sons Ltd [2] T. Pospieszny, H. Koenig, I. Kowalczyk, B. Brycki (2014) Molecules 19:2557-2570 [3] J. Tamminen, T. Kolehmainen (2001) Molecules 6:21-46 [4] T. Pospieszny (2015) Helvetica Chimica Acta 98:1337-1350 [5] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless (2001) Agewandte Chemie Interantional Edition 40: 2004-2021 [6] F. Amblard, J. H. Cho, R. F. Schinazi (2009) Chemical Review 109:4207-4220 (odstęp pojedynczy, 10 388 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I STRUKTURA NOWYCH KOMPLEKSÓW SUPRAMOLEKULARNYCH O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH SUPERPARAMAGNETYCZNYCH Dawid Pakulski*, Adam Gorczyński, Dawid Marcinkowski, Violetta Patroniak Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b 61-614 * e-mail: [email protected] Kompleksy metali przejściowych oparte na ligandach typu zasad Schiffa wzbudzają zainteresowanie wśród naukowców, w związku z ich interesującymi właściwościami magnetycznymi i katalitycznymi [1]. Podążając tym tropem dążymy do otrzymania układu opartego na wyżej wymienionych podzespołach, które oprócz tego posiadają wysoką barierę energetyczną dla odwrócenia namagnesowania Ueff, a to z kolei prowadzi do znalezienia zastosowania w materiałach magazynujących informację o dużej gęstości i komputerach kwantowyhch [2]. Aby to w ogóle było możliwe kompleks musi zachowywać się jak superparamagnetyk w niskich temperaturach (ang. Single molecule magnet behaviour). Dysponujemy już pierwszymi kompleksami o takim zachowaniu z jonami metali bloku f- elektronowych, które zostały scharakteryzowane metodami strukturalno-spektroskopowymi [3]. Rozszerzeniem tego projektu będzie znalezienie układów z jonami metali bloku d- elektronowych wykazujące wysoką barierę energetyczną Ueff poprzez wcześniejsze modelowanie komputerowe. Rysunek 1. Badania zostały przeprowadzone w ramach programu "Diamentowy Grant" (Grant nr 0111/DIA / 2012/41) Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura: [1] D. N. Woodruff, R. E. Winpenny, R. A. Layfield (2013) Lanthanide single-molecule magnets, Chem. Rev. 113:5110-5148 [2] A) S. Sanvito (2011) Chem. Soc. Rev. 3336; B) F. Troiani, (2011) Chem. Soc. Rev. C) M. S. Fataftah (2014) Inorg. Chem. 10716 [3] A. Gorczyński, M. Kubicki, D. Pinkowicz, R. Pełka, V. Patroniak, R. Podgajny (2015) Dalton Trans.16833–16839. 389 3119; BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NIEKOWALENCYJNE AGREGATY KALIKSALENOWE Małgorzata Petryk1,2*, Agnieszka Janiak1, Marcin Kwit1,3 1 Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89C, 61-614 Poznań 3 Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Kasprzaka 44/52, 01-224Warszawa * e-mail: [email protected] 2 Odwracalna reakcja iminowania, bazująca na koncepcji dynamicznej chemii wiązań kowalencyjnych (ang. Dynamic Covalent Chemistry), stanowi użyteczną metodę syntezy związków o dużych pierścieniach, z predysponowanych substratów. Opracowana w naszym Zespole reakcja cyklokondensacji pomiędzy enancjomerycznie czystym trans-(1R,2R)-diaminocykloheksanem (DACH-em) a różnymi dialdehydami aromatycznymi i alifatycznymi pozwala na otrzymywanie makrocykli z praktycznie ilościowymi wydajnościami. Ta metoda syntezy dużych pierścieni szybko zyskała uznanie w świecie naukowym [1,2]. Obniżenie symetrii dialdehydów, poprzez formalne zastąpienie jednego z protonów aromatycznych grupą hydroksylową oraz dodatkowa możliwość funkcjonalizacji aldehydu, pozwalają na otrzymanie nowej klasy związków. Ich struktura będzie determinowana wpływem sterującym grupy OH i obecnością objętościowego podstawnika R (Schemat 1). Ze względu na podobieństwo do struktury kaliksarenów, związki te nazywane są kaliksalenami. Schemat 1. Schemat syntezy. Jedną z cech kaliksalenów jest zdolność do tworzenia układów supramolekularnych, zarówno w krysztale, fazie gazowej i w roztworze [3]. Dynamiczne tworzenie się supermolekuł jest kontrolowane wielkością podstawnika oraz typem oddziaływań międzycząsteczkowych.. Literatura: [1] J. Gawroński, H. Kołbon, M. Kwit, A. Katrusiak (2000) Designing Large Triangular Chiral Macrocycles: Efficient [3+3] Diamine−Dialdehyde Condensations Based on Conformational Bias, The Journal of Organic Chemistry, 65(18):5768-5773 [2] N. E. Borisowa, M. D. Reshetkova, Y. A. Ustynyuk (2007) Metal-Free Methods in the Synthesis of Macrocyclic Schiff Bases, Chemical Reviews, 107(1):46-79 [3] M. Petryk, A. Troć, B. Gierczyk, W. Danikiewicz, M. Kwit (2015) Dynamic Formation of Noncovalent Calixsalen Aggregates, Chemistry – an European Journal, 21(29):10318-10321 (10 p 390 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ADSORPCJA ZWIĄZKÓW ZAPACHOWYCH NA GLINOKRZEMIANACH Kornelia Poniedziałek*, Katarzyna Bielicka-Daszkiewicz Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska Ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] pojedynczy, 10 (odstęp pojedynczy Glinokrzemiany to materiały zbudowane z tetraedrów krzemianowych i glinianowych. Jednym z rodzajów glinokrzemianów są zeolity - porowate krystaliczne minerały. Zeolity są dobrymi sorbentami i znajdują wiele zastosowań w różnych dziedzinach, m.in. jako osuszacze powietrza, sorbenty szkodliwych substancji, czy pułapki zapachów [1]. Ważną cechą materiałów zeolitowych jest ich możliwość działania jako sita molekularne – zeolity zbudowane są z systemu połączonych porów i kanałów o określonej wielkości, w których mogą adsorbować się odpowiednio duże cząsteczki substancji, natomiast zbyt duże molekuły nie mogą ulec sorpcji i zostają oddzielone od mniejszych cząsteczek [2,6]. W zależności od typu zeolitu i jego pochodzenia wielkość ich porów i regularność powierzchni materiału może się różnić, skąd wynikają różnice w procesie adsorpcji. Zbadano 9 różnych materiałów zeolitowych pochodzenia zarówno naturalnego jak i syntetycznego oraz zmodyfikowane zeolity naturalne. Związki zapachowe jakie wykorzystano w trakcie badań to geraniol, mentol i tymol – alkohole monoterpenowe różniące się między sobą budową i wielkością cząsteczek [3]. Do zbadania procesu adsorpcji substancji na zeolitach wykorzystano technikę ekstrakcji do fazy stałej (SPE), nanosząc odpowiednie ilości roztworów związków zapachowych na materiał a następnie wymywając 1ml porcjami rozpuszczalnika zaadsorbowane substancje do momentu ustania procesu desorpcji. Do analizy ilości związków zapachowych w eluacie posłużyła technika chromatografii gazowej. Wykonanie analiz chromatograficznych pozwoliło na określenie krzywych desorpcji związków zapachowych i opisania procesu adsorpcji na zeolitach różnego pochodzenia [5,7]. Najsilniej sorbującymi materiałami okazały się zeolity pochodzenia naturalnego – do wymycia zaadsorbowanych substancji na tych materiałach wykorzystano najwięcej rozpuszczalnika, którym był metanol. Dodatkowo, najwięcej substancji zaadsorbowanych na naturalnych zeolitach zostało zatrzymanych i nie desorbowało mimo przemywania większymi ilościami metanolu. W przypadku zeolitów pochodzenia syntetycznego zaadsorbowane związki desorbowały niemal w 100%. Na podstawie przeprowadzonych badań określono również jak na proces adsorpcji wpłynęły modyfikacje powierzchni zeolitów naturalnych. Zauważono poprawę w powtarzalności procesu – powierzchnia zeolitów naturalnych jest nieregularna, dodatkowo materiały naturalne wzbogacone są o różne domieszki, stąd proces adsorpcji charakteryzuje się brakiem powtarzalności. Modyfikacje 391 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. wpływają na ujednolicenie powierzchni materiału, a tym samym na powtarzalność procesu adsorpcji. Dodatkowe grupy funkcyjne wprowadzone na powierzchnię w procesie modyfikacji zeolitów naturalnych, blokując dostęp do porów wewnątrz struktury wpłynęły również na ilość cząsteczek silnie zatrzymanych na materiale. Podobnie jak w przypadku zeolitów syntetycznych niemal całość zaadsorbowanych cząsteczek została wymyta z sorbentu. Innym aspektem opisywanego procesu jaki również zbadano był wpływ wielkości i budowy cząsteczki na siłę adsorpcji. Związkiem, który najsilniej adsorbował się na badanych materiałach glinokrzemianowych był geraniol – substancja o najmniejszej cząsteczce spośród trzech adsorbowanych związków. Ze względu na wielkość cząsteczki geraniol może wnikać do wewnętrznych porów i silniej się adsorbować. Zarówno mentol jak i tymol mają większe cząsteczki, gdyż posiadają pierścienie w swojej budowie (aromatyczny w przypadku tymolu, alifatyczny w przypadku mentolu), stąd też adsorbują się tylko na powierzchni materiału, skąd łatwo mogą desorbować. Podsumowując, można stwierdzić, że proces adsorpcji na materiałach glinokrzemianowych w zależności od ich pochodzenia wygląda różnie. Na postawie przedstawionych wyników można również powiedzieć, że zeolity naturalne są dobrymi sorbentami związków zapachowych, gdyż cząsteczki silnie się z nimi wiążą, lecz ich wadą jest brak powtarzalności procesu. Mogą one znaleźć zastosowanie jako pułapki zapachów w przypadku, gdy pożądane jest silne zaadsorbowanie substancji. Zeolity syntetyczne, które również są dobrymi sorbentami zapachów, mogą zostać wykorzystane, gdy konieczne jest szybkie uwolnienie zapachu. Zmodyfikowanie powierzchni zeolitów naturalnych wpływa na proces adsorpcji na danym materiale, zmieniając jego charakterystykę na zbliżoną do materiałów syntetycznych. Literatura: [1] B. Strzemiecka, M. Kasperkowiak, M. Łozyński, D. Paukszta, A. Voelkel (2012) Examination of zeolites as fragrance carriers, Microporous and Mesoporous Materials 161:106-114 [2] I. Jewsiejewicz Nejmark Syntetyczne sorbenty mineralne, (1988) Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa [3] K. Bauer, D. Garbe, H. Surburg Common Fragrance and Flavor Materials - Preparation, Properties and Uses (2001), VCH [4] M. Kasperkowiak (2014) Materiały mikro- i mezoporowate jako napełniacze aktywne, Politechnika Poznańska [5] P. Stepnowski, E. Synak, B. Szafranek, Z. Kaczyński (2010) Techniki separacyjne, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego [6] R. Szostak (1992) Handbook Of Molecular Sieves: Structures, Synthesis and Properties, Van Nostrand Reinhold, Nowy Jork [7] T. Cserháti (2010) Chromatography of Aroma Compounds and Fragrances, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg [8] Z. Sarbak (2000) Adsorpcja i adsorbenty. Teoria i zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 392 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODYFIKACJE WŁAŚCIWOŚCI POLI-(3,4 ETYLENODIOKSYTIOFENU) W CELU ANALIZY ELEKTROCHEMICZNEJ (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Joanna Przepióra, Tomasz Rębiś, Bożena Karbowska, Grzegorz Milczarek (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4,61-138 Poznań * e-mail:tomasz.rebis.put.poznan.pl (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Ze względu na unikalne właściwości elektrochemiczne, polimery przewodzące znalazły szerokie zastosowanie jako materiały elektrodowe w elektroanalizie. Do jednaj z najszerzej badanych grup polimerów przewodzących należą liczne pochodne politiofenu, wśród których ogromnym zainteresowaniem cieszy się poli 3,4-(etylenodoksytiofen) (PEDOT). Uznawany jest on za jeden z najbardziej trwałych polimerów przewodzących; wyróżnia się dobrą stabilnością na odkształcenia mechaniczne, wysokim przewodnictwem oraz niewielką przerwą energetyczną [1]. Ze względu na podstawnik eterowy w pozycjach 3 i 4, który posiada dość znaczne właściwości elektrono-donorowe, polimeryzacja monomeru (3,4-etylenodioksytiofenu) zachodzi przy niższym potencjale niż niepodstawionego tiofenu. Cecha ta sprawia, że PEDOT może być otrzymywany w zdecydowanie łagodniejszych warunkach niż politiofen [2]. Możliwość elektrochemicznej modyfikacji polimerów przewodzących (w tym PEDOT-u) jest niezwykle użyteczną procedurą, umożliwiającą poprawę właściwości elektroanalitycznych [3]. PEDOT wykorzystywany był we wcześniejszych pracach do celów amperometrycznego oznaczania metali ciężkich takich jak ołów i kadm [4,5]. Jak dotąd jednakże, nie było prób wykorzystania tego polimeru do oznaczenia talu. Niniejsza praca poświęcona jest badaniom elektrochemicznej detekcji zawartości jonów talu (I) przy wykorzystaniu elektrody GC modyfikowanej cienką warstwą PEDOT-u. Analizę wykonano metodą DPASV, z użyciem dodatkowo elektrody kalomelowej (odniesienia) i platynowej (pomocniczej), które były bezpośrednio wprowadzone do naczynka pomiarowego. Potencjał zatężania wynosił -0,9V, czas zatężania 120-1200s, w zależności od stężenia talu. Elektrolit podstawowy stanowił 0,05M EDTA. Wykonane analizy pozwoliły na dobór parametrów do oznaczeń talu w próbkach środowiskowych. W pracy porównane zostaną właściwości detekcyjne filmów polimerowych wytwarzanych w samym elektrolicie podstawowym (0.1 M HClO 4) oraz w obecności dodatków lignosulfonianów (związków polianionowych pochodzenia naturalnego). Badania zostały wykonane przy finansowym wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt badawczy DS PB 31-293/2015 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 393 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] J.W. Schultze, H. Karabulut (2005) Application potential of conducting polymers, Electrochimica Acta 50:1739–1745 [2] D.G. Pijanowska, A. Kossakowska, W. Torbicz (2011) Electroconductive Polymers in (Bio)chemical Sensors, Biocybernetics and Biomedical Engineering 31:43–57 [3] J. Li, X. Lin (2007) Electrocatalytic reduction of nitrite at polypyrrole nanowire–platinum nanocluster modified glassy carbon electrode, Microchemical Journal 87:41–46 [4] S. Anandhakumar, J. Mathiyarasu, K. L. N. Phani, V. Yegnaraman (2011) Simultaneous Determination of Cadmium and Lead Using PEDOT/PSS Modified Glassy Carbon Electrode American Journal of Analytical Chemistry 2:470-474 [5] N. G. Yasri, A. J. Halabi, G. Istamboulie, T. Noguer (2011) Chronoamperometric determination of lead ions using PEDOT:PSS modified carbon electrodes, Talanta 85:2528-2533 394 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA, SUBSTYTUCJA NUKLEOFILOWA I LIPOFILNOŚĆ POCHODNYCH 6-CHLORO-3-TRIFLUOROMETYLO1,2,4-TRIAZOLO[4,3-B]PIRYDAZYNY (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Anna Przybysz, Anna Katrusiak* (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań * [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 6-Chloro-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę (1) otrzymano w wyniku wieloetapowej syntezy, w której substratami wyjściowymi był hydrazyd maleinowy i tlenochlorek fosforu (Schemat 1). Tożsamość związku 1 potwierdza widmo 1H NMR, które składa się z pary dubletów przy ok. 7,37 i 8,26 pochodzącej od protonów przy atomach węgla C7 i C8. Wartość stałej sprzężenia J=9,8 Hz świadczy o sprzężeniu spinowo-spinowym. O HN NH i NH ii O NH2 N iii N N N N CF3 N Cl Cl 1 Rysunek 1. Synteza 6-chloro-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazyny (1): i) POCl3, ii) H2NNH2 x H2O/ EtOH, iii) CF3COOH Związek 1 poddano reakcjom klasycznej substytucji nukleofilowej i reakcji zastępczego nukleofilowego podstawienia wodoru (VNS). Klasyczną substytucję nukleofilową przeprowadzono w środowisku wrzącego etanolu z takimi czynnikami nukleofilowymi jak morfolina, piperazyna, metyloamina, metoksylan sodu, etoksylan sodu, dietanoloamina, piperydyna otrzymując odpowiednie pochodne ipso podstawione przy atomie węgla C6 (2 – 7). Nie stwierdzono powstawania pochodnych cine. (Schemat 2) W celu przeprowadzenia reakcji VNS zsyntetyzowano dwa prekursory karboanionów użytych do tej reakcji: sulfon chlorometylofenylowy i sulfon chlorometylo-4-metylofenylowy. Reakcje VNS przeprowadzono w temperaturze 0-5 ºC, z zachowaniem warunków bezwodnych w środowisku suchego DMF w obecności zasady, którą była sproszkowana KOH (Schemat 2). Otrzymano produkty zastępczego podstawienia wodoru: 6-chloro-8-tosylometyleno-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę (8) i 6-chloro-8-fenylosulfonylometyleno-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazynę (9) podstawione przy atomie węgla C8. W zastosowanych warunkach reakcyjnych nie stwierdzono powstawania produktów annulacji. 395 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. R N N O CF3 S N ii CF3 N i N O N N CF3 N Cl Cl Nu 8, 9 1 2-7 Rysunek 2. Reakcje substytucji nukleofilowej związku 1. i) czynnik nukleofilowy/ EtOH. ii) sulfon/ DMF / KOH 0-5ºC Izolacji i oczyszczenia nowych pochodnych dokonano na drodze chromatografii kolumnowej przy użyciu fazy rozwijającej aceton/heksan 3:2. Tożsamość zsyntetyzowanych związków potwierdzono analizą widm 1H NMR, 13C NMR i MS. Metodą chromatografii cienkowarstwowej z odwróconymi fazami określono lipofilność produktów reakcji substytucji nukleofilowej związku 1. Fazą rozwijającą była mieszanina metanol/woda 8:2. Stwierdzono, że większość wprowadzonych nukleofilowych podstawników w pozycję C6 związku 1 zwiększa jego lipofilność. Zmniejszenie lipofilności powodował tylko podstawnik metoksylowy. Najbardziej lipofilna okazała się 6-metyloamino-3-trifluorometylo-1,2,4-triazolo[4,3-b]pirydazyna. 396 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZWIĄZKI KOMPLEKSOWE TYPU 15-METALOKORONA-5 JAKO ZWIĄZKI ODDZIAŁUJĄCE ZE STRUKTURAMI DNA WYŻSZEGO RZĘDU (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Ewa Rajczak *, Agata Gluszynska1, Raimundo Gargallo2, Bernard Juskowiak1 (odstęp pojedynczy, 10 pkt) Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Chemii, Pracownia Chemii Bioanalitycznej, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Department of Analytical Chemistry, University of Barcelona, Marti i Franques 1-11, 08028 Barcelona, Spain * e-mail: [email protected] (odstęp pojedynczy, 10 pkt) (odstęp pojedynczy, 10 pkt) 1 Etery metalokoronowe (MCs) stanowią nieorganiczne analogi eterów koronowych [1]. Te związki supramolekularne znalazły zastosowanie między innymi jako receptory molekularne [2-3]. Ich cechą charakterystyczną jest posiadanie makrocyklicznej wnęki, w którą to mogą zadokować cząsteczki gościa. Spośród szeregu struktur tworzonych na niciach nukleotydowych, na szczególna uwagę zasługują G-kwadrupleksy (GQs). G-kwadrupleksy są przestrzennymi strukturami kwasów nukleinowych, powstającymi na niciach DNA bogatych w zasady guaninowe, a stabilizowane są przez wiązania wodorowe typu Hoogsteen’a [4-5]. G-kwadrupleksy mają zastosowanie w terapii antynowotworowej, jako struktury wygaszające aktywność enzymu telomeraza [6]. W pracy zostaną przedstawione wyniki badań oddziaływań eterów typu 15-metalokorona-5 z ludzkim telomerowym DNA, zdolnym do utworzenia struktury G-kwadrupleksowej. Oddziaływania związków z DNA zostały przeprowadzone przy zastosowaniu spektroskopii dichroizmu kołowego (CD), rejestrując profile temperatur topnienia DNA w obecności związków, jak również wykonując innowacyjny eksperyment wygaszania fluorescencji kompleksu kwadrupleks-Tb3+ podczas miareczkowania metalokoronami. Analiza widm CD wykazała, iż zwiększanie stężenia związków powoduje zmniejszanie się pasm charakterystycznych dla struktury G-kwadrupleksowej DNA. Może to świadczyć o destabilizującym charakterze badanych kompleksów na struktury DNA wyższego rzędu. Praca została zrealizowana w ramach grantu badawczego 2014/13/N/ST4/04099 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.(odstęp pojedynczy, 10 pkt) Literatura: (odstęp pojedynczy, 10 pkt) [1] G. Mezei, C. M. Zaleski, V.L. Pecoraro (2007) Chemical Reviews 107:4933-5003; [2] R. H. Fish (1999) Coordination Chemistry Reviews 185–186:569–584 [3] A.D. Cutland, R. G. Malkani, J. W. Kampf, V. L. Pecoraro (2000) Angewandte Chemie. Intern. Edition 39:2689-2691 [4] M. Gellert, M.N. Lipsett, D.R. Davies (1962) PNAS 48:2013-2018 [5] J. Lingner, T.R. Cech (1998) Current Opinion in Genetics & Development 8:226-232 [6] C. Philippi, B. Lorentz, U.F. Schaefer, C.M. Lehr (2010) Journal of Controlled Release 146: 228-240 397 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. FOSFONIOWE CIECZE JONOWE JAKO EKSTRAHENTY METALI SZLACHETNYCH Martyna Rzelewska*, Monika Baczyńska, Magdalena Regel-Rosocka, Maciej Wiśniewski Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Politechnika Poznańska, ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań * e-mail: [email protected] Zaprezentowano badania dotyczące ekstrakcji jonów Rh(III) i Ru(III) z roztworów kwaśnych roztworami fosfoniowych trimetylopentylo)fosfinianu i bromku cieczy jonowych o różnej triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos strukturze (Cyphos IL 101, chemicznej: IL bis(2,4,4- 104), Cyphos chlorku IL 102) oraz trifluorometylosulfonylo-imidku triheksylo(tetradecylo)fosfoniowego (Cyphos IL 109). Metale z grupy platynowców (PGM), takie jak rod, ruten, pallad, platyna są wyjątkowo rzadkie w porównaniu do innych metali. Ich zawartość w eksploatowanych obecnie złożach PGM wynosi około 3,8-22,0 ppm [1]. Zapotrzebowanie na PGM wciąż wzrasta, w związku z czym ich ceny na światowym rynku utrzymują się na wysokim poziomie (Pt: 988,13 $/Oz, Pd: 686,65 $/Oz, Rh: 767,17 $/Oz, Ru: 42.00 $/Oz) [2]. PGM mają bardzo duże znaczenie technologiczne ze względu na takie właściwości, jak niska reaktywność chemiczna, czy wysoka odporność na temperaturę. Około 60% rocznej światowej produkcji platynowców, zwłaszcza Pt, Pd i Rh, jest wykorzystywana do produkcji katalizatorów samochodowych [1, 3]. W ostatnich latach zaobserwowano wzrost zainteresowania technikami hydrometalurgicznymi w odzysku metali szlachetnych ze źródeł wtórnych. Ekstrakcja ciecz-ciecz jest jedną z najskuteczniejszych technik odzysku PGM z kwaśnych roztworów wodnych. Jako skuteczne ekstrahenty metali z grupy platynowców zaproponowano ostatnio czwartorzędowe sole fosfoniowe [4, 5]. Celem pracy jest porównanie wyników ekstrakcji jonów Rh(III) i Ru(III) z roztworów chlorkowych za pomocą czterech cieczy jonowych o różnej strukturze chemicznej: Cyphos IL 101, IL 102, IL 104 oraz IL 109. Badano także starzenie się kwaśnych roztworów wodnych Ru(III) i Rh(III). Do ekstrakcji jako fazy organiczne zastosowano roztwory indywidualnych ekstrahentów Cyphos IL 101, IL 102, IL 104, IL 109 (Cytec Industries Inc.) o stężeniu 0,005 M w toluenie. Fazy wodne (surówki) zawierały 0,0025 M Rh(III) lub Ru(III) oraz 0,1 lub 5 M HCl. Stosowano sole badanych metali w postaci chlorków (IMC Platinum Grup Chemicals oraz Sigma Aldrich). Ekstrakcję prowadzono w szklanych rozdzielaczach o objętości 50 cm3. Stosunek objętości fazy wodnej do fazy organicznej wynosił 1:1 (5:5 cm3). Próbki wytrząsano odpowiednio: 1, 10, 20 oraz 60 minut. Reekstrakcja przeprowadzana była za pomocą roztworów wodnych: 0,5 M NH3 (rod), 0,1 M tiomocznik/0,5 M HCl i 5 M HCl (ruten) przez 20 minut, także w stosunku w/o=1:1. Stężenie jonów Rh(III) i Ru(III) oznaczano 398 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. techniką absorpcyjnej spektrometrii atomowej ASA (Z-8200 Polarized Zeeman AAS) przy długościach fal 369,2 i 349,9 nm odpowiednio dla Rh(III) i Ru(III). Przeprowadzono ekstrakcję jonów Rh(III) i Ru(III) z modelowych, świeżych roztworów 0,1 M kwasu solnego roztworami trzech cieczy jonowych w zależności od czasu wytrząsania faz. Wyniki zaprezentowano na Rysunku 1. b) 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 ERh(III), % ERu(III), % a) 50 40 30 50 40 30 20 20 10 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 czas, min 20 30 40 50 60 czas, min Rysunek 1. Wpływ czasu wytrząsania na ekstrakcję jonów a) Ru(III); b) Rh(III) z Cyphos IL 101 (-■-), IL 102 (-●-), IL 104 (-▲-) W obu przypadkach równowaga ekstrakcji ustala się szybko, po dziesięciu minutach. Zarówno dla jonów Ru(III), jak i Rh(III) najwyższą wydajność ekstrakcji uzyskuje się stosując Cyphos IL 101 jako ekstrahent. Wydajności wynoszą odpowiednio około ERu(III)=70% i ERh(III)=60%. Naładowane fazy organiczne poddano reekstrakcji, jej wydajność scharakteryzowano jako procent reekstrakcji (Tabela 1.). Tabela 1. Średni stopień reekstrakcji jonów Ru(III) i Rh(III) z naładowanych faz organicznych wybranymi reekstrahentami. Cyphos IL Reekstrahent ReRu(III), % ReRh(III), % 101 5 M HCl 56,2 27,0 0,5 M NH3 - 50,4 0,1 M Tiomocznik/0,5 M HCl 30,2 - 5 M HCl 20,7 - 0,5 M NH3 - 20,1 5 M HCl 28,1 - 0,5 M NH3 - 32,6 0,1 M Tiomocznik/0,5 M HCl 25,1 - 102 104 Przeprowadzono również ekstrakcję jonów Rh(III) i Ru(III) z modelowych roztworów świeżych i starzonych roztworami czterech cieczy jonowych (Rysunek 2.). 399 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. b) 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 ERh(III), % ERu(III), % a) 50 40 30 50 40 30 20 20 10 10 0 0 0.1 0.1* 5 5* 0.1 stężenie HCl, M 0.1* 5 5* stężenie HCl, M Rysunek 2. Wpływ stężenia HCl na ekstrakcję jonów a) Ru(III); b)Rh(III) z Cyphos IL 101 (■), IL 102 (≡), IL 104 (\\\), IL 109 (), *-roztwory starzone, bez* roztwory świeże Najwyższe wartości wydajności ekstrakcji (około 70%) uzyskuje się ekstrahując Ru(III) ze świeżego roztworu 0,1 M HCl za pomocą 0,005 M Cyphos IL 101. Wydajność ekstrakcji jest niemalże dziesięciokrotnie mniejsza w przypadku tego roztworu starzonego. Wartości wydajności ekstrakcji jonów Rh(III) zarówno z 0,1 M jak i 5 M HCl są podobne i wynoszą około 55-60% (Cyphos IL 101 i IL 104) oraz około 45% (Cyphos IL 102) dla roztworów świeżych. Wydajność ekstrakcji jonów Ru(III) i Rh(III) za pomocą 0,005 M Cyphos IL 109 jest niewielka, w obu przypadkach nie przekracza 10%. Cyphos IL 101, IL 102, IL 104 są dobrymi ekstrahentami metali szlachetnych. Wydajności ekstrakcji za pomocą Cyphos IL 101 są największe i wynoszą odpowiednio: ERu(III)=70% i ERh(III)=60%. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że roztwory wyjściowe Ru(III) oraz Rh(III) w 0,1 M HCl starzeją się, tzn. po pewnym czasie zmienia się udział chlorokompleksów Ru(III) i Rh(III) w roztworach wodnych, a nawet stopień utlenienia jonów tych metali, co wpływa na wydajność ekstrakcji. Hydrofobowy anion trifluorometylosulfonyloimidkowy w Cyphos IL 109 powoduje trudności w wymianie anionu IL na anionowe chlorokompleksy jonów metali i dlatego jest nieefektywnym ekstrahentem (wydajność ekstrakcji <10%). Pracę sfinansowano w ramach grantu 03/32/DS-PB/0501. Literatura: [1] F. L. Bernardis, R. A. Grant, D. C. Sherrington (2005) A review of methods of separation of the platinum-group metals through their chloro-complexes, Reactive & Functional Polymers 65:205-217 [2] http://www.platinum.matthey.com/ (5.11.2015) [3] A. Fornalczyk, M. Saternus (2009) Removal of platinum group metals from the used auto catalytic converter, Metalurgija 48(2):133-136 [4] M. Regel-Rosocka, M. Rzelewska, M. Baczyńska, M. Janus, M. Wiśniewski (2014) Removal of Palladium(II) from aqueous chloride solutions with Cyphos phosphonium ionic liquids as metal ion carriers for liquid-liquid extraction and transport across polymer inclusion membranes, Physicochemical Problems of Mineral Processing 51(2):621−631 [5] A. Cieszyńska, M. Regel-Rosocka, M. Wiśniewski (2011) Ekstrakcyjne metody wydzielania i rozdziału metali szlachetnych, Przemysł Chemiczny 90(8):1579-1585 400 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. NOWE POCHODNE FTALAZYNONÓW I CHINAZOLINONÓW O POTENCJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH PRZECIWNOWOTWOROWYCH Beata Sierocińska, Zbigniew Malinowski, Mieczysław W. Płotka Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej, ul. Tamka 12, 91-403 Łódź Chinazolinony i ftalazynony są grupą związków, które wzbudzają duże zainteresowanie w chemii medycznej, ze względu na ich szerokie właściwości biologiczne. Stwierdzono, że wykazują one, między innymi: działanie przeciwzapalne, przeciwbólowe, przeciwdrgawkowe a także przeciwnowotworowe [1]. Celem prowadzonych obecnie badań jest otrzymanie nowych połączeń zawierających układ ftalazynonu a także chinazolinonu, charakteryzujących się aktywnością przeciwnowotworową. Główny nurt prac obejmuje wykorzystanie halogenopochodnych III (Schemat) w reakcjach arylowania amin i tioli, w warunkach katalizowanej związkami palladu przemiany typu Buchwalda–Hartwiga [2]. Do syntezy N-podstawionych bromolaktamów wykorzystuje się łatwo dostępne kwasy karboksylowe I, które poddane cyklizacji z hydrazyną lub formamidem prowadzą do odpowiednich ftalazynonów i chinazolinonów II. Ich dalsze funkcjonalizowanie wybranymi alkoholami w warunkach reakcji Mitsunobu [3] pozwala uzyskać N-podstawione produkty III stanowiące punkt wyjścia do reakcji Buchwalda-Hartwiga . 3 R 4 R N Br COOH R X 1 Br Y N X H O I Y N R 2 O Y N IV R 2 O II X 3 R S X III Y N R 2 O X, Y = CH, N; 1 R = NH 2, CHO, Ac; R 2 V 3 4 = alkil; R , R = H, alkil, aryl Literatura: [1] a) N. Vila at al. (2015) Phthalazin-1(2H)-one as a remarkable scaffold in drug discovery, European Journal of Medicinal Chemistry 97 (2015); b) I. Khan at al. (2014) Recent advances in the structural library of functionalized quinazoline and quinazolinone scaffolds: Synthetic approaches and multifarious applications European Journal of Medicinal Chemistry 76 [2] M. J. Mphahlele at al. (2014) Advances in Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Halogenated Quinazolinones and Their Quinazoline Derivatives, Molecules 19:17435-17463 [3] Z. Malinowski (2014) Synthesis of N-(2-(Methylamino)ethyl) Derivatives of 2H-Phthalazin-1-ones, Synthetic Communications 44: 3572–3581 401 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. HYDROAMINOWANIE ALKINÓW KATALIZOWANE ZWIĄZKAMI MIEDZI(I) Maciej Skrodzki Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, Zakład Chemii Metaloorganicznej 60-780 Poznań, ul. Umultowska 89b email: [email protected] Hydroaminowanie to reakcja pomiędzy alkenem bądź alkinem a amoniakiem lub aminą pierwszo- czy drugorzędową. Jest to bardzo przyjemna, z syntetycznego punktu widzenia, reakcja. Produkty ubocznie praktycznie w niej nie występują, substraty są proste oraz niedrogie, a ostatnio została uznana jako przykład „zielonej chemii”. Otrzymywanie aminowanych produktów jest wysoce pożądane, ponieważ grupa aminowa jest szeroko rozpowszechniona w związkach bioaktywnych. Pośród wszystkich metod syntezy amin, hydroaminowanie wykazuje całkowitą ekonomię atomową w bezpośredniej syntezie aminowanych produktów. Reakcja ta katalizowana jest przez wiele związków metali przejściowych, między innymi złota, rodu czy irydu. Kataliza związkami miedzi(I) oferuje dość nietypową drogę reakcji. Na posterze zaprezentuję przykłady hydroaminowania, które według mnie zasługują na szczególną uwagę. N R HN [Cu] R R Rysunek 1. Schemat reakcji hydroaminowania alkinów drugorzędową aminą katalizowanej przez związki miedzi(I). Alk1 R Alk1 1. [Cu] Alk2 2. Red. HN R N Alk2 Rysunek 2. Schemat reakcji hydroaminowania alkinu cykliczną aminą katalizowanej przez związki miedzi(I). Literatura: [1] J. Bahri, R. Blieck, B. Jamoussi, M. Taillefer, F. Monnier (2015) Hydroamination of terminal alkynes with secondary amines catalyzed by copper: regioselective access to amines, Chemical Communications 51(56): 11210-11212 [2] J. Bahri, B. Jamoussi, A. Lee, M. Taillefer, F. Monnier (2015) Copper-Catalyzed Hydroamination of Alkynes with Aliphatic Amines: Regioselective Acess to (1E,3E)-1,4-Disubstituted-1,3-dienes, Organic Letters 17(5):1224–1227 [3] C. C. C. Johansson Seechurn, M. Kitching, T. Colacot, V. Snieckus (2012) Palladium-Catalyzed Cross-Coupling: A Historical Contextual Perspective to the 2010 Nobel Prize. Angewandte Chemie International Edition 51(21):5062–5085 [4] J. F Hartwig (2010) Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis, University Science Books: New York [5] M. L. Cooke, K. Xu, B. Breit (2012) Enantioselective Rhodium-Catalyzed Synthesis of Branched Allylic Amines by Intermolecular Hydroamination of Terminal Allene, Angewandte Chemie International Edition 51(43): 10876–10879 402 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. MODELOWE KONSORCJA CZĄSTECZKOWE NA BAZIE KWASU OLEANOLOWEGO Katarzyna Sowa-Kasprzak, Maria Klimaszewska, Lucjusz Zaprutko Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań * e-mail: [email protected] Obecnie coraz częściej pojawiają się choroby, które by mogły być skutecznie leczone wymagają równoległego zastosowania kilku substancji czynnych. Rezultatem licznych badań jest zastosowanie w terapii tych schorzeń tak zwanych leków wielocelowych lub wielofunkcyjnych, działających na więcej niż jeden cel farmakologiczny, zazwyczaj w różnych punktach uchwytu i według zróżnicowanych mechanizmów. Ponadto związki otrzymane z kilku bioaktywnych cząsteczek często cechują się synergią ich indywidualnych aktywności składowych [1] bądź też pojawieniem się zupełnie nowego sposobu działania [2]. Chemiczna kombinacja kilku aktywnych struktur, zwana hybrydą, lub szerzej - konsorcjum cząsteczkowym, w zależności od funkcyjności i reaktywności chemicznej zastosowanych jej składowych może być utworzona w sposób bezpośredni lub pośredni za pomocą różnego rodzaju dwufunkcyjnych, a czasem wielofunkcyjnych mostków (Rysunek 1). Rysunek 1. Wybrane typy połączeń hybrydowych w konsorcja cząsteczkowe. Istotnym elementem powyższych połączeń jest stabilność wykorzystanego mostka w substancji oraz jego względna labilność wewnątrz komórki, co warunkuje pożądany sposób działania potencjalnej nowej substancji leczniczej w organizmie. W naszych badaniach, do otrzymania zaplanowanych związków hybrydowych metodą mostkowania, jako bazową wykorzystano cząsteczkę kwasu oleanolowego, należącego do triterpenoidów z grupy ß-amyryny, wykazującego liczne rodzaje aktywności farmakologicznej m.in. przeciwwirusową, przeciwbakteryjną, przeciwbólową, przeciwzapalną, hepatoprotekcyjną czy przeciwnowotworową [3]. Drugi element budowanego konsorcjum stanowią związki aktywne z grupy amin lub fenoli. Jednostki chemiczne wykorzystane do pilotażowego opracowania warunków syntezy pochodnych mostkowych przedstawiono na Rysunku 2. 403 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. HN O HN NH H3C O COOH H2N H2N OH HO O O S H2 N HO NH2 O O CH3 OH X X HO HO O COOH H3C X CH3 HO O HO N HO NH C CH3 X = Cl, Br Rysunek 2. Stosowane pilotażowo substancje aktywne i mostki. W celu utworzenia konsorcjum cząsteczkowego złożonego z wybranych jednostek chemicznych, wykorzystano dwa sposoby podejścia syntetycznego: Pierwotne połączenie mostka z przyczółkiem terpenowym Dogodnym sposobem łączenia kwasu oleanolowego z elementami mostka jest budowa połączeń estrowych z wykorzystaniem reaktywnej drugorzędowej grupy hydroksylowej przy atomie węgla C-3. Grupę tę poddano również utlenieniu do grupy 3-karbonylowej, a tę z kolei przekształcono w odpowiedni 3-oksym. Otrzymaną pochodną hydroksyiminową wykorzystano do syntezy połączeń hybrydowych o charakterze iminoestrów, w których podwójne wiązanie przy C-3 stanowi kluczowy fragment farmakoforowy. O COOH COOH NH2OH HO HO N XCH2COX O COOH O O XCH2COOH X O O COOH COOH O HO O O X N O O Schemat 1. Metody wprowadzania mostka do cząsteczki terpenowej. Pierwotne połączenie mostka z przyczółkiem nieterpenowym 404 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Reakcje mostkowania cząsteczki nieterpenowej zostały przeprowadzone z wykorzystaniem ugrupowania fenolowego lub aminowego cząsteczek modelowych symulujących API. Zrealizowano je w oparciu o proekologiczne trendy w syntezie organicznej z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego [4]. O O H3C C NH OH + ClCH2COOH NaOH, MW H3C C NH O CH2 COOH Schemat 2. Przykładowa reakcja wprowadzenia mostka do cząsteczki nieterpenowej (paracetamolu). Uzyskane, jednostronnie zmostkowane funkcyjne substraty wykorzystano do przyłączenia drugiego elementu farmakoforowego (odpowiednio fenolu lub aminy) metodami specyficznymi dla mostkowania pierwszego przyczółka i otrzymania finalnych pochodnych hybrydowych o charakterze estrów, iminoestrów oraz amidów. Ogólne wzory otrzymanych struktur przedstawiono na Rysunku 3. COOH O AMINA lub FENOL O O COOH O AMINA lub FENOL O COOH AMINA lub FENOL O N O Rysunek 3. Ogólne wzory mostkowych konsorcjów cząsteczkowych o charakterze hybrydowym. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2013/09/B/NZ7/01279. Literatura: [1] T. Głąbski, J. Mikołajczyk, D. Rusek (2013) Związki hybrydowe jako potencjalne leki wielofunkcyjne, Farmacja Polska 69(7):422-433 [2] B. Bednarczyk-Cwynar, L. Zaprutko, J. Marciniak, G. Lewandowski, M. Szulc, E. Kamińska, N. Wachowiak, P.Ł. Mikołajczak (2012) The analgesic and anti-inflammatory effect of new oleanolic acid acyloxyimino derivative, Europ. J. Pharmac. Sci. 47:549-555 [3] (a) P. Dzubak, M. Hajduch, D. Vydra, A. Hustova, M. Kvasnica, D. Biedermann, L. Markova, M. Urban, J. Sarek (2006) Pharmacological activities of natural triterpenoids and their therapeutic implications, Nat. Prod. Rep. 23(3):394-411; (b) J. Pollier, A. Goossens (2012) Oleanolic acid, Phytochemistry 77(5):10-15 [4] D. Villemin, M. Hammadi (1996) Environmentally desirable synthesis without use of organic solvent. Synthesis of aryloxyacetic acids, Synth. Comm. 26(23):4337-4341 (odstęp pojedynczy, 10 405 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA I ACYLOWANIE 2-FENYLOBENZO[b]FURANU Karolina Stachowicz*, Halina Kwiecień Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej Al. Piastów 42, 71-065 Szczecin email: [email protected] Związki zawierające układ benzo[b]furanu są szeroko opisywane w literaturze, zarówno w kwestii ich syntezy jak i zastosowania. Zainteresowanie badaczy syntezą pochodnych benzo[b]furanu i dalszym ich zastosowaniem w lecznictwie, zainspirowane zostało medycyną ludową i zielarstwem. Wynika to z faktu, iż napary z roślin zawierających w swoim składzie pochodne tych heterocyklicznych związków, są z powodzeniem stosowane w dolegliwościach układu krążenia. Przykładem takiej substancji jest kelina (1), wyizolowana z amidka egipskiego (Ammi visnaga), powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych. Napary z kwiatów są zalecane osobom z chorobą wieńcową, kamicą nerkową oraz astmą oskrzelową [1]. O O OH O O O HO OH O HO OH O OH 2 1 3 Rośliny z rodzaju morw (Morus L.) charakteryzują się obecnością w składzie aktywnych związków: Moracin C (2) i Moracin M (3) . Potwierdzono ich działanie przeciwdrobnoustrojowe, cytotoksyczne i antyoksydacyjne, oba mogą być stosowane w celu oczyszczenia organizmu [2]. Dobre wyniki terapii naturalnymi pochodnymi benzo[b]furanu zaowocowały próbami syntetycznego pozyskania takich związków i zastosowania ich w lekach, spośród nich praktyczne znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego mają pochodne acylowe 2-alkilo- i 2-arylobenzo[b]furanu. Najbardziej znanym z nich i stosowanym u chorych z arytmią jest amiodaron (4). Jego działanie polega na regulacji komorowych zaburzeń rytmu serca oraz migotania przedsionków, poprzez oddziaływanie na pompy: potasowe i wapniowe [3]. I H3O2CSHN O O O O N N I O O 4 5 Stosowanie amiodaronu może się jednak wiązać z przykrymi konsekwencjami zdrowotnymi. Dzieje się tak, ponieważ podczas biotransformacji ma miejsce N-deetylacja jednej z grup etylowych oraz usunięcie 406 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. z pierścienia aromatycznego jonów jodkowych. Jony takie hamują przemianę tyroksyny do trijodotyroniny, zaburzając tym samym pracę tarczycy, co w konsekwencji może prowadzić do jej niedoczynności[5]. Mając to na uwadze, obecnie dużo częściej stosowany jest dronedaron (5), zbliżony strukturą do amiodaronu, jednak nie zawierający jodu, co znacząco obniża jego szkodliwość [5]. Inne pochodne benzo[b]furanów wykazują działanie pestycydowe, w tym herbicydowe oraz insektycydowe. Znanych jest wiele metod syntezy benzo[b]furanów, które można podzielić na dwie grupy: pierwsza polega na cyklizacji odpowiednio podstawionych łańcuchowych prekursorów, natomiast w drugiej substratem jest gotowy układ benzo[b]furanu. Najbardziej obszerna literatura opisująca metody syntezy benzo[b]furanów dotyczy tych opartych na cyklizacji. Metody te zostały szczegółowo opisane w encyklopediach: Houben-Weyla (Vol. E 6b1, s 33-162), Comprahensive Heterocyclic Chemistry, oraz w Science of Synthesis [7] i polegają głównie na cyklizacji odpowiednio podstawionych związków benzenowych z utworzeniem jednego z 4 możliwych wiązań pierścienia furanu: O-C2, C2-C3, C3-b lub O-b) [6,7]. 3 2 b O Znane są też metody polegające na anulacji pierścienia benzenowego, w których substratami są odpowiednio podstawione pochodne furanu W pracy przedstawiono syntezę 2-fenylobenzo[b]furanu (schemat 1) poprzez na cyklizację kwasu 2-(2-formylofenoksy)-2-fenylooctowego. Potrzebny kwas otrzymano poprzez O-alkilowanie aldehydu salicylowego z 2-bromo-2-fenylooctanem metylu. Ester ten otrzymano metodą opracowaną w Zakładzie Syntezy Organicznej i Technologii Leków ZUT w Szczecinie dla odpowiednich estrów alkilowych. W wyniku badań ustalono optymalne warunki syntezy zarówno 2-bromo-2-fenylooctanu metylu, jak i jego kondensacji z aldehydem salicylowym. Produkt kondensacji hydrolizowano do kwasu 2-(2-formylofenoksy)-2-fenylooctowego, a następnie cyklizowano do 2-fenylobenzo[b]furanu. Br 1. O 2. O O KOH O Ac2O O OH O t.wrz O OH Schemat 1. Synteza 2-fenylobenzo[b]furanu. Celem badań było otrzymanie nowych acylowych pochodnych zsyntetyzowanego 2fenylobenzo[b]furanu (rys. 3). Badano reakcje z bezwodnikiem octowym, chlorkiem 3,4,5trimetoksybenzoilu oraz chlorkiem 4-chlorobenzoilu. Zmieniano warunki reakcji: czas, temperaturę, 407 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. stosunek molowy reagentów oraz wpływ dodatku żywicy jonowymiennej Amberlyst 15 na przebieg reakcji. O O O O O DCE Amberlyst 15 O O t. wrz. Cl O O O Schemat 2. Acylowanie 2-fenylobenzo[b]furanu. Literatura: [1] R.S. Ward (1997) Lignans, neolignans and related compounds. Nat. Prod. Rep., (14) 43-74 [2] J.M. Rollinger et al., (2005) Discovering COX-inhibiting constituents of Morus root bark: activity-guided versus computeraided methods. Planta Med., (71), 399-405 [3] G. Bourgery, L. Dostert, A. Lacour et al. (1981) Synthesis and antiarrhythmic activity of new benzofuran derivatives. J Med Chem, (24) 159-67 [4] M. Kowalski (2001) Farmakoterapia chorób reumatycznych. Służba Zdrowia (1-2):2996-7 [5] E, Hejchman, K. Ostrowska, D. Grzeszczut, N. Kruk (2013) Leki benzofuranowe (6): 72-79 [6] G. W. Kabalka, L. Wang, R. M. Pagni (2001) Sonogashira coupling and cyclization reactions on alumina: a route to aryl alkynes, 2-substituted-benzo[b]furans and 2-substitutedindoles. Tetrahedron (57): 8017-8028 [7] H. Kwiecień (2014) Science of Synthesis Knowledge Updates, Product class: 1 Benzo[b]furan (4): 51-361 [8] H. Kwiecień , M. Smist, M. Kowalewska (2012) Recent Development on the Synthesis of Benzo[b]- and Naphtho[b]furans: A Review Current Organic Synthesis (9): 529-560 408 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. POLIHYDROKSYLOWE CHIRALNE MAKROCYKLE I KLATKI MOLEKULARNE Joanna Szymkowiak*1,2, Marcin Kwit1,2 1 2 Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, ul. Umultowska 89B, 61-614 Poznań Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89C, 61-614 Poznań * e-mail:[email protected] Tworzenie chiralnych makrocykli i makroklatek o zdefiniowanej strukturze i właściwościach jest jednym z wiodących zagadnień współczesnej chemii supramolekularnej. Opracowana w Pracowni Stereochemii Organicznej, bazująca na koncepcji Dynamicznej Chemii Wiązań Kowalencyjnych, reakcja cykloiminowania pomiędzy chiralnymi dipodalnymi aminami oraz di- lub tripodalnymi aldehydami pozwala na otrzymanie molekularnych makrocykli i makroklatek iminowych z praktycznie ilościowymi wydajnościami (Schemat 1).[1,2,3] Zmiana charakteru łącznika aromatycznego lub aminy wpływa na właściwości produktu, m. in. na rozpuszczalność, sposób upakowania w krysztale, a co za tym idzie na właściwości sorpcyjne, zdolności chelatujące. Wprowadzenie do struktury akceptora (aldehydu) grup hydroksylowych skutkuje zwiększeniem stabilności chemicznej otrzymywanych produktów. Po derywatyzacji otrzymane związki mogą zostać wykorzystane w syntezie (jako katalizatory, ligandy); analizie (do rozdziału stereoizomerów) oraz nanotechnice (jako nanopojemniki, nanokapsuły lub nanoreaktory). Rysunek 1. Przykładowy schemat reakcji cykloiminowania Przedmiotem prezentacji będzie synteza oraz wyniki badań metodami chiralooptycznymi i modelowania molekularnego otrzymanych chiralnych polihydroksylowych związków makrocyklicznych i klatek molekularnych. Badania finansowane z grantu NCN 2012/06/A/ST5/00230 Literatura: [1] P.T. Corbett, J. Leclaire, L. Vial, K.R. West, J.-L. Wietor, J.K.M. Sanders, S. Otto, Chem. Rev., 2006, 106, 3652 [2] J. Gawroński, H. Kołbon, M. Kwit, A. Katrusiak, J. Org. Chem., 2000, 65,5768 [3] P. Skowronek, J. Gawroński, J. Org. Lett., 2008, 10, 4755 409 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OTRZYMYWANIE NOWYCH POCHODNYCH SILSESKWIOKSANÓW NA DRODZE REAKCJI HYDROSILILOWANIA OLEFIN Marcin Walczak1*, Grzegorz Wilkowski1, Mariusz Majchrzak1, Bogdan Marciniec2 1 Wydział Chemii UAM, Zakład Chemii Metaloorganicznej, ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań 2 Centrum Zawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89b 61-614 Poznań *e-mail: [email protected] Postęp technologiczny generuje zapotrzebowanie na materiały o unikalnych, precyzyjnie zdefiniowanych właściwościach użytkowych. W ostatnich latach pojawia się coraz więcej doniesień o syntezie materiałów hybrydowych, cechujących się ogromnym potencjałem aplikacyjnym. Naprzeciw wymaganiom nauki i przemysłu stają poliedryczne oktasilseskwioksany (POSS) [1]. Silseskwioksany to hybrydowe, czyli nieorganiczno-organiczne układy zawierające dobrze zdefiniowany, nieorganiczny rdzeń połączeń Si-O-Si. Szkielet ten jest biokompatybilny a możliwość wprowadzenia szeregu odpowiednich grup funkcyjnych sprawia, że zachowuje tę cechę dla całej gamy pochodnych [2]. W porównaniu z innymi nanobiomateriałami POSSy stanowią rodzinę rozpuszczalnych molekuł, a stosunkiem części nieorganicznej do organicznej można sterować przez odpowiednią funkcjonalizację. Dzięki dobrej rozpuszczalności pochodne POSSów są łatwo wydalane z organizmu i nie akumulują się tkankach [3]. Wysokie masy cząsteczkowe silseskwioksanów, ich rozmiar, łatwość modyfikacji oraz fakt, iż nie przenikają bariery krew-mózg umiejscowiły je w kręgu zainteresowań przemysłu farmaceutycznego i medycznego; stosowane są jako nośniki leków, ze względu na znakomitą przyczepność do powłok ciała pozytywnie wpływają na proces krzepnięcia krwi, przyspieszając regenerację tkanek, umożliwiając jednocześnie prawidłowy przepływ krwi [4]. Rodzina tych związków została ostatnio poszerzona o nowy typ, różniący się kształtem nieorganicznego rdzenia i posiadający dwiema reaktywnymi grupami, Si-H tj. silseskwioksany typu double–decker. Ze względu na swoje unikatowe właściwości i dostępność środków do ich modyfikacji, silseskwioksany są materiałami o niezwykle szerokim spektrum zastosowań [5]. Rysunek 1. Silseskwioksany klatkowe 410 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Jednym ze sposobów funkcjonalizacji silseskwioksanów jest reakcja hydrosililowania olefin, która dzięki możliwości zastosowania całego spektrum substratów i katalizatorów jest najefektywniejszą metodą otrzymywania układów nasyconych zawierających połączenia krzem–węgiel [6]. Mając na uwadze potencjalne zastosowanie pochodnych DDSQ w optoelektronice za cel pracy wyznaczono syntezę nowych pochodnych tych związków na drodze reakcji hydrosililowania wysoce sprzężonych olefin. Rysunek 2. Schemat reakcji hydrosililowania olefin. Pierwszy etap pracy stanowi synteza znanych i opisanych mono-styrylopochodnych olefin i użycie ich do terminacji dwufunkcyjnego double–deckera zawierającego wiązania Si-H oraz szczegółowa charakterystyka spektroskopowa otrzymanych produktów. Drugi etap pracy stanowi synteza bis-styrylopochodnych olefin oraz nowego, jednofunkcyjnego double–deckera. W dalszej części badań syntezowane będą układy molekularne przez terminację dwufunkcyjnych olefin, jednofunkcyjnym silseskwioksanem. Otrzymane układy zostaną scharakteryzowane na podstawie spektroskopii IR, 1H NMR, 13C NMR, 29Si NMR. Rysunek 3. Schemat przeprowadzonych syntez Finalną częścią badań jest synteza nowych kopolimerów na drodze reakcji hydrosililowania bisstyrylopochodnych olefin dwufunkcyjnym double-deckerem oraz ich analiza przy użyciu spektroskopii FT-IR i 1H NMR. Wielkość i rozrzut mas polimerów zostanie określony przy użyciu chromatografii żelowej GPC. Literatura: [1] B. Marciniec. (2009) Hydrosilylation. A Comprehensive Review on Recent Advances. Springer. [2] D. W. Lee, Y. Kawakami. (2007) Polymer Journal, 3, 230-238. [3] K. Wei, L. Wang, S. Zheng. (2013) Polymer Chemistry, 4, 1491-1501. [4] A. C. Kucuk, J. Matsui, T. Miyashita. (2011) Langmuir, 27, 6381-6388. [5] L. Wang, C. Zhang, S. Zheng. (2011) Journal of Materials Chemistry, 21, 19344-19352. [6] G. Kickelbick. Hybrid Materials. WILEY - VCH , 2007. 411 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. OTRZYMYWANIE NOWYCH POCHODNYCH SILSESKWIOKSANÓW NA DRODZE REAKCJI SILILUJĄCEGO SPRZĘGANIA Z OLEFINAMI 1* 1 1 2 Grzegorz Wilkowski , Marcin Walczak , Mariusz Majchrzak , Bogdan Marciniec 1 Zakład Chemii Metaloorganicznej, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań 2 Centrum Zaawansowanych Technologii, ul. Umultowska 89c, 61-614 Poznań e-mail: [email protected] Wzrost zapotrzebowania na związki, które mogą być stosowane w nowoczesnych technologiach, w ostatnich latach napędza rozwój chemii metaloorganicznej, a w szczególności krzemoorganicznej. Oligosilseskwioksany posiadające nieorganiczny rdzeń oraz wysoce uporządkowaną nanostrukturę, stanowią przedmiot wielu badan. Związki te wykazują bardzo dobra odpornością termiczna oraz mechaniczna. Dodatkowym atutem jest też łatwość ich modyfikacji – do naroży wprowadzać można zarówno grupy funkcyjne reaktywne, jak i niereaktywne. Na ich bazie otrzymuje się materiały hybrydowe, które posiadają właściwości charakterystyczne zarówno dla materiałów ceramicznych, jak i polimerowych [1]. Jedną z metod modyfikacji winylowych oligosilseskwioksanów jest zastosowanie reakcji sililującego sprzęgania z olefinami. Można w ten sposób otrzymać szereg nienasyconych organiczno – nieorganicznych układów, w których oligosilseskwioksan służyć może jako nośnik, między innymi dla chromoforów. W ten sposób uzyskać można zarówno układy molekularne jak i kopolimery. Ze względu na swoje właściwości, związki takie znajdują szereg zastosowań, między innymi w optoelektronice, biomedycynie, elektronice czy też mikroelektronice. Odkrycie reakcji sililującego sprzęgania nastąpiło w latach 80, podczas badań nad hydrosililowaniem. Profesor Marciniec dowiódł powstania jako produktu ubocznego bis(sililo)etenu, wraz z wydzielaniem się etylenu, w reakcji winylotrialkoksysilanów i alkoksysilanów katalizowanej kompleksami rutenu [2]. Wydzielający się etylen wskazywał wówczas na przebieg reakcji zgodnie z mechanizmem metalakarbenowym, który jest charakterystyczny dla metatezy, jednak w trakcie dalszych badań Marcińca i Wakatsukiego dowiedziono, że reakcja ta przebiega według innego mechanizmu. Późniejsze prace nad sililującym sprzęganiem pozwoliły na otrzymanie szeregu krzemoorganicznych związków nienasyconych, stosując jako katalizatory kompleksy rutenu, rodu czy też kobaltu, zawierające wiązanie metal – wodór lub metal – krzem (Rysunek 1.) [3]. 412 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Reakcja sililującego sprzęgania Oligosilseskwioksany, o ogólnym wzorze (RSiO3/2)n, stanowią hybrydowy materiał organiczno – nieorganiczny o dobrze zdefiniowanej, trójwymiarowej strukturze. Krzem wraz z trzema atomami tlenu przyjęto nazywać jednostką „T”, w celu usystematyzowania rodziny POSS-ów oraz ułatwienia ich nazewnictwa. Najlepiej poznaną grupę stanowią oligosilseskwioksany T8, o nanostrukturze mocno zbliżonej do sześcianu (długość ramienia wynosi od 0,5 nm do 0,8 nm [4]). Struktura T 8 jest faworyzowana ze względu na swoją symetrię. Dzięki występowaniu w rdzeniu wiązania krzem – tlen, charakteryzują się one bardzo dobrą stabilnością termiczną, odpornością mechaniczną i chemiczną oraz łatwością w przechowywaniu. Są też łatwe do modyfikacji, w jej narożach można zaaplikować 8 grup funkcyjnych inertnych lub reaktywnych, jak i jedną grupę reaktywną w obecności 7 grup chemicznie obojętnych. Wszystkie te cechy sprawiają, że POSS-y T8, jako hybrydowe nanomateriały, są obiektem zainteresowań wielu naukowców, którzy widzą dla nich szereg potencjalnych aplikacji [5], [6]. W 2003 roku grupa badawcza Yoshidy po raz pierwszy otrzymała fenylosiloksanolan sodu o nowej strukturze typu double – decker. Związek ten można skondensować, uzupełniając go o 2 dodatkowe atomy krzemu po przeciwległych stronach rdzenia struktury, mogące służyć jako nośniki grup aktywnych [7]. Obecnie syntezę fenylosiloksanolanu sodu zoptymalizowano, co umożliwia prowadzenie jej na znacznie większą skalę [8]. Pierwszym etapem pracy była synteza znanych olefin mono – styrylowych na drodze reakcji sprzęgania Suzuki – Miyaura, a następnie użycie ich do modyfikacji silseskwioksanów typu double – decker, posiadających dwie grupy winylowe, na drodze reakcji sililującego sprzęgania. Otrzymane 1 produkty poddano szczegółowej charakterystyce spektroskopowej ( H NMR, 413 13 C NMR, 29 Si NMR). BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. W ostatnim etapie pracy otrzymano kooligomery, stosując diwinylowe silseskwioksany typu double – decker oraz bis – styrylowe olefiny, na drodze reakcji sililującego sprzęgania. Otrzymane produkty scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR oraz chromatografii żelowej GPC. Rysunek 2. Schemat przeprowadzanych syntez. Literatura: [1] J. J. Schwab, J. D. Lichtenhan (1998) Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS)-based polymers, Appl. Organomet. Chem., 12: 707–713 [2] B. Marciniec, J. Guliński (1984) Metathesis of vinyltrialkoxysilanes, J. Organomet. Chem., 266 (2): 19–21 [3] Bogdan Marciniec (2000) Silicometallics and catalysis, Appl. Organomet. Chem., 14: 521–538 [4] K. M. D Gnanasekaran, (2009) Developments of polyhedral oligomeric silsesquioxanes (PaSS), pass nanocomposites and their applications: A review, J. Sci. Ind. Res., 68: 437–464 [5] P. D. Lickiss, F. Rataboul, (2008) Chapter 1 - Fully Condensed Polyhedral Oligosilsesquioxanes (POSS): From Synthesis to Application, Advances in Organometallic Chemistry, 57: 1–116 [6] W. Zhang, A. H. E. Müller (2013) Architecture, self-assembly and properties of well-defined hybrid polymers based on polyhedral oligomeric silsequioxane (POSS), Prog. Polym. Sci., 38 (8): 1121–1162 [7] K. Yoshida, Y. Ookuma, Y. Morimoto, K. Watanabe, N. Ootake, R. Tanaka, H. Matumoto (2013), Polym. Prep Jpn, 52: 316 [8] K. Yoshida, T. Hattori, N. Ootake, R. Tanaka, H. Matsumoto (2008) Silsesquioxane-Based Polymers: Synthesis of Phenylsilsesquioxanes with Double-Decker Structure and Their Polymers, Silicon Based Polymers: 205–211 414 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. SYNTEZA α,α-DIFLUOROMETYLOSTYRENU ORAZ BADANIA JEGO REAKTYWNOŚCI W REAKCJI POLIMERYZACJI RODNIKOWEJ Joanna Wolska*, Justyna Walkowiak-Kulikowska, Henryk Koroniak Zakład Syntezy i Struktury Związków Organicznych, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614, Poznań * e-mail: [email protected] W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obserwowany jest gwałtowny rozwój chemii polimerów. Zdaniem wielu chemików tworzywa sztuczne to przykład globalnego sukcesu. Synteza nowych materiałów jest silnie związana z postępem technologicznym, ponieważ trudno wyobrazić sobie rozwój przemysłu militarnego, komunikacyjnego bądź energetycznego bez otrzymywania nowatorskich polimerów. Dzięki zastosowaniu nowych metod syntezy lub modyfikacji można uzyskać tworzywa o pożądanej strukturze i coraz lepszych właściwościach funkcjonalnych. Do grupy polimerów charakteryzujących się połączeniem wielu unikalnych cech należą polimery fluoroorganiczne. Ze względu na wysoką wartość energii wiązania węgiel-fluor (485 kJ/mol), polimery te są stabilne termicznie i odporne chemicznie na działanie kwasów, zasad czy różnego rodzaju rozpuszczalników. Ponadto, niska polaryzowalność wiązania C-F ujawnia się w znikomej absorpcyjności wody materiałów przez nie tworzonych. Atomy fluoru sprawiają, że fluoropolimery charakteryzują się niską energią powierzchniową, przez co są odporne na ścieranie. Szereg zalet polimerów fluoroorganicznych sprawił, że w ciągu ostatnich kilku dekad wykorzystuje się je w różnych dziedzinach przemysłu np. w inżynierii, lotnictwie, włókienniczych procesach wykończeniowych, aeronautyce, optyce czy elektronice [1]. Wśród fluoropolimerów ciekawą grupą są fluorowane polimery aromatyczne (FPA). Zastosowanie monomerów zawierających w swej strukturze pierścień aromatyczny przyczynia się do znacznego zwiększenia wytrzymałości mechanicznej materiałów, natomiast wbudowanie fluorowanego fragmentu w aromatyczny łańcuch polimerowy dodatkowo powoduje poprawę ich właściwości termicznych. Jak dotąd w literaturze, istnieje niewiele opisanych przypadków kopolimeryzacji fluoroolefin z monomerami aromatycznymi, przez co badania tego typu znajdują się w kręgu zainteresowań wielu ośrodków naukowych. Celem przeprowadzonych badań było zastosowanie difluorowanej pochodnej α-metylostyrenu w syntezie nowych materiałów polimerowych. W pierwszym etapie opracowano efektywną i skuteczną metodę otrzymywania α,α-difluorometylostyrenu (DFMST) 1. Dogodnym sposobem na wprowadzenie dwóch atomów fluoru do pochodnej styrenowej okazała się addycja nukleofilowa odczynnika difluorometylującego – sulfonu difluorometylofenylowego (PhSO2CF2H) do odpowiedniego związku karbonylowego [2]. Równie ważnym obszarem badań było sprawdzenie 415 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. reaktywności otrzymanego monomeru α,α-difluorometylostyrenowego 1 w reakcji kontrolowanej kopolimeryzacji rodnikowej ze styrenem (ST) 2. Wykorzystano przy tym możliwości jakie daje metoda kontrolowanej polimeryzacji z przeniesieniem atomu jodu – ITP (z ang. Iodine Transfer Polymerization), stosując jako czynnik przeniesienia jodopochodną perfluoroheksanu. Dzięki temu otrzymano nowy związek wielkocząsteczkowy – poli(DFMST-co-ST) 3. Kopolimer scharakteryzowano wykorzystując powszechnie znane metody fizykochemiczne tj. jądrowy rezonans magnetyczny, chromatografię żelową GPC, analizę termograwimetryczną oraz skaningową kalorymetrię różnicową. Uzyskane wyniki potwierdziły psedożyjący charakter omawianej reakcji kopolimeryzacji, a bardzo dobre właściwości termiczne otrzymanego fluoropolimeru sprawiły, że może on mieć potencjalne zastosowanie w chemii materiałowej. Schemat 1: Reakcja kopolimeryzacji difluorowanego α-metylostyrenu 1 ze styrenem 2 użyciem 1-jodoperfluoroheksanu oraz AIBN. Literatura: [2] (a) B. Ameduri, B. Boutevin, (2004) Well-architectured fluoropolymers: Synthesis, properties and applications. Elsevier, Amsterdam (b) R. Souzy, B. Ameduri, (2005) Functional fluoropolymers for fuel cell membranes, Progress in Polymer Science 30(6): 644-687 (c) M.G. Dhara, S. Banerjee (2010) Fluorinated high-performance polymers: Poly(arylene ether)s and aromatic polyimides containing trifluoromethyl groups, Progress in Polymer Science 35(8): 1022-1077 (d) L.A. Wall (1972), Fluoropolymers, Wiley, New York [3] (a) J. Walkowiak, T. Martinez del Campo, B. Ameduri, V. Gouverneur (2010) Syntheses of mono-, di-, and trifluorinated styrenic monomers, Synthesis, 11: 1883-1890 (b) J. Hine, J. Porter (1960) The formation of difluoromethylene from difluoromethyl phenyl sulfone and sodium methoxide, Journal of American Chemical Society, 82(23): 6178-6181 (c) J. Walkowiak-Kulikowska, J. Kanigowska, H. Koroniak, α-(Difluoromethyl)styrene: Improved approach to grams scale synthesis, Journal of Fluorine Chemistry, DOI:10.1016/j.jfluchem.2015.07.008 416 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ZASTOSOWANIA GEMINI SURFAKTANTÓW Katarzyna Wolska* Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Chemii, Naukowe Koło Chemików, Pracownia Chemii Mikrobiocydów 61-614 Poznań, ul. Umultowska 89b *email: [email protected] Surfaktanty gemini to stosunkowo nowa klasa związków o budowie amfifilowej. Dzięki obecności w swojej strukturze dwóch grup amfifilowych, krytyczne stężenia micelizacji (CMC) surfaktantów gemini są dwa razy mniejsze niż CMC ich pojedynczych analogów, przez co wykazują lepszą zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego wody. Skutkiem tego są lepsze właściwości zwilżające, emulgujące i pieniące. Ponadto temperatury Krafta dla surfaktantów gemini z hydrofilowym łącznikiem są na ogół bardzo niskie, przez co surfaktanty te wykazują swoje właściwości nawet w zimnej wodzie. grupy hydrofilowe grupy hydrofilowe łącznik grupy hydrofobowe łącznik grupy hydrofobowe Rysunek 1. Typy surfaktantów gemini. Podwójne czwartorzędowe sole amoniowe wykazują także bardzo dobre właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Najmniejsze stężenia hamujące gemini surfaktantów (MIC), w stosunku do niektórych bakterii, grzybów i wirusów, są niższe nawet o trzy rzędy wielkości, w porównaniu z MIC pojedynczych soli amoniowych. Surfaktanty gemini w wielu przypadkach zawierają podstawniki pochodzenia naturalnego, np. cukry czy aminokwasy, przez co charakteryzują się dobrym profilem ekologicznym, ulegają biodegradacji, przez co nie wpływają negatywnie na środowisko. W konsekwencji tych wszystkich cech surfaktanty gemini mają wiele zastosowań, m. in. do produkcji detergentów i środków czystości, w przemyśle kosmetycznym, w genetyce, w przemyśle 417 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. chemicznym (produkcja papieru, polimeryzacja, inhibitory korozji), w medycynie i farmaceutyce oraz w przemyśle tekstylnym. Literatura: [1] Naveen Kumar, Rashmi Tyagi (2014) Industrial Applications of Dimeric Surfactants: A Review, Journal of Dispersion Science and Technology 35:205–214 [2] S. K. Hait, S. P. Moulik (2002) Gemini surfactants: A distinct class of self-assembling molecules, CURRENT SCIENCE 82: 9 [3] A. J. Kirby, P. Camilleri, J. B. F. N. Engberts, M. C. Feiters, R. J. M. Nolte, O. S"derman, M. Bergsma, P. C. Bell, M. L. Fielden, C. L. Garc'a Rodr'guez, P. Gudat, A. Kremer, C. McGregor, C. Perrin, G. Ronsin, M. C. P. van Eijk (2003) Gemini Surfactants: New Synthetic Vectors for GeneTransfection Angew. Chem. Int. Ed. 42:1448– 1457 [4] T. Piskorska, E. Obłąk (2010) Gemini surfactants as gene carriers, Postepy Hig Med Dosw 64:161-166 418 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. STEREOSELEKTYWNA SYNTEZA UKŁADÓW Β-LAKTAMOWYCH Z UŻYCIEM POCHODNYCH 2,2-DIMETYLO-1,3‑DIOKSA-4,6-DIONU JAKO ŹRÓDŁA KETENÓW W CYKLOADDYCJI [2+2] Z IMINAMI Anna Zakaszewska*, Ewelina Najda, Sławomir Makowiec Katedra Chemii Organicznej, Politechnika Gdańska, Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk * email: [email protected] Asymetryczna synteza β-laktamów klasyczną metodą Staudingera może być prowadzona w oparciu o trzy zasadnicze podejścia. Każde z nich wykorzystuje inne źródło pozwalające na chiralną indukcję: obecność chiralnego fragmentu w części iminowej, obecność chiralnego fragmentu w części ketenowej, lub dodatek chiralnego katalizatora [1-2]. Wszystkie wymienione metody znajdują zastosowanie w przypadku reakcji, w których keten generowany jest w klasyczny sposób, najczęściej w reakcji chlorku kwasowego z aminą trzeciorzędową. W literaturze chemicznej brak jest natomiast stereoselektywnej metody syntezy układu β-laktamowego w przypadku ketenów otrzymywanych w wyniku pirolizy pochodnych 2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-dionu (kwasu Meldruma). Prezentowane wyniki stanowią część eksperymentów w celu opracowania efektywnej, stereoselektywnej metody syntezy układów β-laktamowych wykorzystującej 5-acylo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-diony lub karbamoilo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-diony jako źródło ketenów w cykloaddycji [2+2] z aldiminami. Generowanie ketenów z pochodnych kwasu Meldruma przebiega w trakcie ich ogrzewania w rozpuszczalniku takim jak dichloroetan lub toluen, a produktami ubocznymi są jedynie aceton i dwutlenek węgla [3]. Po przeprowadzeniu eksperymentów wstępnych i optymalizacji warunków reakcji na 5-acylowych pochodnych kwasu Meldruma, wykonane zostały badania na modelach 5-karbamoilo-2,2-dimetylo-1,3-dioksa-4,6-dionów 1. Substraty te są bardziej kłopotliwe jeżeli chodzi o syntezę β-laktamów ze względu na wyższe temperatury rozkładu do ketenów, jednak uzyskiwane z nich związki, zawierające fragment retroamidowy, są bardziej interesujące pod kątem potencjalnego zastosowania jako inhibitory β-laktamaz. W reakcjach z chiralnymi iminami 2 zawierającymi centrum asymetrii w części aminowej, otrzymanymi z (R)-1-fenyloetyloaminy lub jednego z dwóch izomerów (R)-1-naftyloetyloaminy, uzyskany nadmiar diastereoizomeryczny odpowiednich β-laktamów 3,3’ de wynosił 30-50%, przy wydajności sięgającej 70%. 419 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Rysunek 1. Schemat syntezy. Literatura: [1] A. K. Bose, M. S. Manhas, J. M. van der Veen, S. S. Bari, D. R. Wagle (1992) Stereoregulated synthesis of β-lactams from schiff bases derived from threonine esters, Tetrahedron 48:4831-4844 [2] D. A. Evans, E. B. Sjögren (1998) The asymmetric synthesis of β-lactam antibiotics -application of chiral oxazolidones in the staudinger reaction, Tetrahedron Lett. 26:3783-3786 [3] K. Janikowska, N. Pawelska, S. Makowiec (2011) One-Step synthesis of ß-Lactams with retro-amide side chain, Synthesis 1:69-73 420 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. ROMBIMINY I ROMBAMINY Z CHIRALNYM MOTYWEM SPIRO Mikołaj Zgorzelak*, Jakub Grajewski, Jacek Gawroński Pracownia Stereochemii Organicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, ul. Umultowska 89b, 61-614 Poznań * e-mail: [email protected] Odwracalność procesu tworzenia się makrocykli poliiminowych umożliwia kontrolowanie składu mieszaniny produktów, zarówno przy zastosowaniu kontroli termodynamicznej jak i użyciu czynników templatujących, np. kationów metali [1]. Znane jest zastosowanie makrocykli iminowych oraz produktów ich redukcji, jako ligandów w katalizie asymetrycznej, organokatalizatorów czy chiralnych selektorów[2]. Na posterze przedstawione zostaną ścieżki syntetyczne oraz charakterystyka strukturalna nowych makrocykli poliiminowych i poliazowych, zawierających donorowe atomy tlenu w szkielecie makrocyklicznym. Badania finansowane z projektu badawczego NCN MAESTRO 2012/06/A/ST5/00230 Literatura: [1] S. Rowan, S. Cantrill, G. Cousins, J. Sanders, F. Stoddart (2002) Dynamic Covalent Chemistry, Angewandte Chemie 41(6):898-954 [2] J. Gajewy, M. Kwit, J. Gawroński (2009) Convenient Enantioselective Hydrosilylation of Ketones Catalyzed by ZincMacrocyclic Oligoamine Complexes, Advanced Synthesis & Catalysis 351(7-8):1055-1063 421 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Partnerzy 422 BioOrg 2015 I Wielkopolskie Seminarium Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów Poznań, 5 grudnia 2015 r. Książka zawiera streszczenia komunikatów i posterów zaprezentowanych podczas I Wielkopolskiego Sympozjum Chemii Bioorganicznej, Organicznej i Biomateriałów 5 grudnia 2015 w Poznaniu. Streszczenia prac zakwalifikowanych do prezentacji podczas sympozjum opublikowano w wersji dostarczonej przez autorów. Egzemplarz bezpłatny. ISBN 978-83-916087-1-5 Politechnika Poznańska, Wydział Technologii Chemicznej ul. Berdychowo 4, 60-965 Poznań Poznań 2015 423
Podobne dokumenty
OSCO_VIII_program 7,1 MB - Centrum Badań Molekularnych i
o wymiarach 100 cm (szerokość) x 100 cm (wysokość). Numery plakatów znajdować się będą w lewym górnym rogu statywu. Materiały konieczne do umieszczenia plakatu (taśmy samoprzylepne) będą dostarczon...
Bardziej szczegółowo