Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С

4МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. Ломоносова_________________________________________________________________ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 547.992.2Ковалевский Дмитрий ВалерьевичИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТМЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР 1Н И 13С02.00.03 – Органическая химия11.00.11 – Охрана окружающей среды и рациональноеиспользование природных ресурсовНаучные руководители:доктор химических наук, профессорВ.

С. Петросянкандидат химических наукИ. В. ПерминоваНаучный консультант:кандидат химических наукА. Б. ПерминДиссертация на соискание ученой степеникандидата химических наукМосква-19985СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................41.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................61.1.Структура гумусовых кислот: общая характеристика,способы описания и методы исследования.................................................…..61.1.1. Элементный состав гумусовых кислот.........................................................…..81.1.2. Функциональный состав гумусовых кислот................................................….121.1.3.

Строение углеродного скелета ГФК: каркасная ипериферическая части молекулы...................................................................….151.1.4. Молекулярный уровень описания структуры ГФК.Средние структурные формулы.....................................................................…191.2.Исследование структуры ГФК методом спектроскопии ЯМР..................….251.2.1. Спектроскопия 13С ЯМР................................................................................…251.2.2. Спектроскопия ПМР.......................................................................................…432.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ................................................................522.1.Выбор препаратов ГФК и характеристика их элементного состава.........….522.2.Качественная характеристика фрагментного состава ГФК.......................….562.2.1.13С ЯМР спектры.............................................................................................…562.2.2.

Подспектры, полученные при помощи импульсныхпоследовательностей DEPT и QUAT............................................................…582.2.3. Двумерные спектры ЯМР...............................................................................…602.3.Исследование структуры ГФК методом количественнойспектроскопии ЯМР 13С.................................................................................…662.3.1.

Условия получения количественных 13С ЯМР спектров..........................…..662.3.2. Распределение углерода в структуре ГФК различногопроисхождения...................................................................................................712.4.Исследование структуры ГФК методом спектроскопии ПМР..................…752.4.1.

Разработка метода количественной характеристики6распределения водорода функциональных группи углеродного скелета ГФК..............................................................................752.4.2. Распределение водорода в структуре ГФК.....................................................872.5.Фрагментный состав ГФК................................................................................912.5.1. Схема расчета фрагментного состава ГФК из данныхспектроскопии ЯМР 1Н и 13С......................................................................….912.5.2. Характеристика закономерностей строения ГФК различного происхождения наосновании фрагментного состава..................................932.6.Применение данных по фрагментному составу ГФК дляустановления зависимостей структура - свойство.......................................1022.6.1.

Установление взаимосвязи между структурой и гель-хроматографическимихарактеристиками ГФК...........................................1032.6.2. Исследование взаимосвязи между структурой ГФК и их детоксицирующимисвойствами по отношениюк тяжелым металлам........................................................................................1073.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...........................................................1113.1.Материалы и оборудование............................................................................1113.2.Выделение препаратов ГФК...........................................................................1123.3.Регистрация спектров ЯМР............................................................................1133.4.Методика токсикологических экспериментов.............................................118ВЫВОДЫ........................................................................................................120СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................121ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................1224ВВЕДЕНИЕГумусовые кислоты (ГФК) представляют собой обширный класс органическихсоединений природного происхождения и составляют от 60 до 80% органическоговещества водных и почвенных сред.

Нерегулярность строения углеродного скелета ГФК всовокупности с обогащенностью гетероэлементами (среди которых преобладает кислород- до 50% масс.) обусловливает разнообразие и переменный состав структурныхфрагментов, образующих их молекулы. Однако диапазон вариаций функционального иколичественного состава ограничен в связи с единством принципов строения ГФКразличного происхождения. Строение ГФК характеризуется наличием ароматическогокаркаса, замещенного функциональными группами и алкильными цепочками, ипериферийногокарбогидратно-пептидногокомплекса.УказанноестроениеГФКобеспечивает их высокую реакционную способность по отношению к тяжелым металламиорганическимэкотоксикантам,поступающимвприродныесреды.Созданиепрогностических моделей поведения экотоксикантов с учетом влияния ГФК требуетустановления количественных соотношений между их структурой и свойствами.Принимая во внимание нерегулярность строения ГФК, получение таких соотношенийвозможно только при условии корректного численного описания их структуры на основеданных по детальному фрагментному составу.Данное обстоятельство определяет важность и актуальность изучения структурыГФК методами1Н и13С ЯМР-спектроскопии, комплексное использование которыхпозволяет охарактеризовать распределение основных конституционных элементов междуструктурными фрагментами, составляющими макромолекулы.

При этом в связи сосложностью объекта исследования до сих пор отсутствуют единые методические подходык регистрации количественных спектров13С ЯМР ГФК, не разработаны методыопределения водорода функциональных групп из ПМР-спектров. Как следствие,имеющиеся сведения о детальном фрагментном составе ГФК весьма противоречивы и немогут быть использованы для количественного описания их структуры. Указанныепроблемы определили постановку целей и задач настоящей работы.Целью работы было исследование структуры гумусовых кислот при помощи расчетадетального фрагментного состава из данных спектроскопии ЯМР 1Н и 13С.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:• Качественно охарактеризовать фрагментный состав ГФК различного происхождения.• Разработать методические подходы для количественного исследования структуры ГФКметодами 1Н и 13С ЯМР спектроскопии:5• Провести комплексный анализ данных 1Н и13С ЯМР спектроскопии для определениядетального фрагментного состава ГФК различного происхождения.• Применить данные по фрагментному составу для идентификации препаратов ГФК поисточнику происхождения и продемонстрировать их применимость для установленияколичественных соотношений структура-свойство.61.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1. Структура гумусовых кислот: общая характеристика, способы описанияи методы исследования.Гумусовые кислоты (от латинского “гумус” – земля, почва) представляют собойнаиболее реакционноспособную часть обширного класса природных соединений,объединяемых под общим названием гумусовые вещества. Гумусовые веществасоставляют от 60 до 80% органического вещества водных и почвенных сред [1-5].Общепринятая классификация гумусовых веществ [6-8] основана на различии в ихрастворимости в кислотах и щелочах.

Согласно этой классификации все гумусовыевещества подразделяют на три основные составляющие: гумин – неизвлекаемый остаток,нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) – фракция,растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах; фульвокислоты (ФК) – фракция,растворимая в щелочах и кислотах. Под термином "гумусовые кислоты" понимают суммугуминовых и фульвокислот [7]. В нашей работе для сокращенного обозначения гумусовыхкислот была использована аббревиатура ГФК.Образование гумусовых веществ в природных средах происходит в результатехимического и биологического разложения растительных и животных остатков [2].

Вотличие от синтеза белков, протекающего по заданному генетическому коду, в основепроцесса образования гумусовых веществ лежит стохастический отбор устойчивых кбиодеградации структур [6, 9, 10]. По этой причине гумусовые вещества представляютсобой смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения [7, 11]. Для ихструктуры характерно наличие ароматического каркаса, замещенного алкильнымицепочкамиимногочисленнымифункциональнымигруппами(главнымобразом,карбоксильными и гидроксильными), и полисахаридно-пептидного комплекса (рис.

1.1)[12]. Соотношение этих фрагментов в структуре ГФК определяется конкретнымисточником гумусообразования и может существенно различаться для ГФК различныхприродных сред.Такое химическое строение обуславливает способность ГФК к широкому спектрухимических взаимодействий. В связи с этим функции ГФК в окружающей среде крайнеразнообразны.7Каркасная частьHCH HC CNR1H HO CH2 C CONHПериферическая частьCHCHCH 2COHCOHR2(CH3)2CHCH2CHNH2COOH(C6H10O5)2CH2H R3N C HC OOHOHCH(CH2)n(COOH)– (OH)(NH2)– (CH2) –––OHnOРисунок 1.1. Схема строения структурной ячейки гуминовых кислот почв по Орлову.