Краткое описание основных физико-химических методов определения структуры биологически активных соединений

Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

Факультет – химико-технологический

Кафедра «Химия и биотехнология»

Направление 240 100.62 «Биотехнология»

Лабораторная работа

«ПРИЁМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК»

Выполнила студентка

гр. БТ-11 Воронина Н.С.

Проверил преподаватель:

Козлова Г.А.

Пермь, 2013г.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Биологически активные вещества (БАВ) — химические вещества, обладающие высокой физиологической активностью при небольших концентрациях по отношению к определённым группам живых организмов (в первую очередь — по отношению к человеку, а также по отношению крастениям, животным, грибам и пр.) или к отдельным группам их клеток.

Большинство биологически активных веществ человек получает вместе с пищей, они необходимые ему для нормальной жизнедеятельности; среди них алкалоиды, гормоны и гормоноподобные соединения, витамины, микроэлементы, биогенные амины, нейромедиаторы. Все они обладают фармакологической активностью, а многие служат ближайшими предшественниками сильнодействующих веществ, относящихся к фармакологии [1].

Физиологическая активность веществ может рассматриваться как с точки зрения возможности их медицинского применения, так и с точки зрения поддержания нормальной жизнедеятельности человеческого организма либо придания группе организмов особых свойств (таких, например, как повышенная устойчивость культурных растений к болезням) [2].

Именно поэтому важной задачей является определение структуры этих веществ. А это значит узнать, какие атомы входят в состав соединения, в каком порядке эти атомы связаны между собой и как расположены в пространстве.Поэтому, целью данной работы будет описание основных методов определения структуры биологически активных соединений.

Методы исследования, применяемые для анализа, установления структуры и количественного определения биологически активных соединений являются обычными химическими, физическими или физико-химическими методами.

Это деление во многих случаях является условным, потому что очень часто использование одного метода приводит к изменениям характеристик, определяемых другим методом. Например, проведение химических реакций часто сопровождается изменением окраски или выпадением осадка, что является изменением характеристик физического состояния анализируемой системы. Специфика состоит только в том, что эти обычные методы применяются для анализа определенных объектов, таких, что требования к результатам анализа могут отличаться от методов, применяемых в других случаях. В частности, это относится к исследованию и анализу соединений, являющихся лекарственными средствами - как субстанций, так и входящих в лекарственную форму.

Для установления структуры и анализа биологически активных соединений, в основном, используются физико-химические методы, рассмотрением которых мы и займемся.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

§ Элементный анализ. Заключается в том, что вещество разлагается на более простые молекулы, по количеству которых можно определить количество атомов, входящее в состав соединения. С помощью этого метода невозможно установить порядок связей между атомами. Часто используется лишь для подтверждения предположенной структуры.

§ Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия). Вещество взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) инфракрасного диапазона (в ИК-спектроскопии наблюдают поглощение, в КР-спектроскопии — рассеяние излучения). Этот свет при поглощении возбуждает колебательные и вращательные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанных с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются и для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путём сравнения спектров.

§ Масс-спектроскопия. Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп.

§ Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии ядер, обладающих собственным магнитным моментом (спином) и помещённых во внешнее постоянное магнитное поле, с электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Один из главных методов, который может быть использован для определения химической структуры. Метод используют также для изучения пространственного строения молекул, динамики молекул. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением различают, например:

- Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода ¹H в молекуле.

- Метод ЯМР ¹⁹F. Позволяет определить наличие и положение атомов фтора в молекуле.

- Метод ЯМР ³¹P. Позволяет определить наличие, положение и валентное состояние атомов фосфора в молекуле.

- Метод ЯМР ¹³С. Позволяет определить число и типы атомов углерода в молекуле. Используется для исследования формы углеродного скелета молекулы.

В отличие от первых трёх в последнем методе используется неосновной изотоп элемента, поскольку ядро основного изотопа углерода — ¹²С имеет нулевой спин и не может наблюдаться методом ядерного магнитного резонанса, так же как и ядро ¹⁶O — единственного природного изотопа кислорода[3].

§ Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия) или спектроскопия электронных переходов. Метод основан на поглощении электромагнитного излучения ультрафиолетовой и видимой области спектра при переходе электронов в молекуле с верхних заполненных уровней на вакантные уровни (возбуждение молекулы). Чаще всего используется для определения наличия и характеристик коньюгированных π-систем.

§ Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов.

§ Рентгеноструктурный анализ.Один из дифракционных методов исследования структуры вещества. В основе лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решётке[3]. Метод позволяет определять атомную структуру вещества, включающую в себя пространственную группу элементарной ячейки, её размеры и форму, а также определить группу симметрии кристалла. Рентгеноструктурный анализ и по сей день является самым распространенным методом определения структуры вещества в силу его простоты и относительной дешевизны.

Описанных выше методов, как правило, полностью хватает для определения структуры неизвестного вещества.