В настоящее время для борьбы с патогенными микроорганизмами используются самые разнообразные химические соединения. Однако проблема формирования толерантности микроорганизмов к существующим препаратам требует постоянного обновления их перечня и поиска новых экологически безопасных и высокоэффективных соединений, обладающих биоцидными свойствами.
Подробная методика синтеза диглицинобората меди (II) (ДГБК), относящегося к новому поколению биоцидных препаратов, изложена в работе [4]. В этой же работе на основании данных ИК-спектроскопии, термогравиметрии и кондуктометрии предложено строение комплексного соединения.
Синтезированная соль ДГБК с ионами меди (II) представляет собой кристаллы голубого цвета, устойчивые на воздухе и хорошо растворимые в воде. Схема синтеза комплексного соединения представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема получения комплексной соли ДГБК
Целью настоящей работы являлось определение длины химических связей и пространственных координат атомов в комплексе для подтверждения предполагаемой структуры синтезированного соединения.
Для проведения рентгеноструктурного анализа отбирали кристаллы размером 0,159–0,860 µm. Параметры элементарной ячейки кристаллов определяли из рентгенограммы и сравнивали с имеющимися эталонными образцами [2].
Известно, что каждая фаза, обладая собственной кристаллической структурой, характеризуется определенным, присущим только данной фазе набором дискретных значений межплоскостных расстояний d/n. В соответствии с уравнением Вульфа – Брэгга, каждому значению межплоскостного расстояния соответствует линия на рентгенограмме от поликристаллического образца под определенным углом θ при заданном значении длины волны λ [3]. То есть определенному набору межплоскостных расстояний для каждой фазы на рентгенограмме соответствует определенная система линий (дифракционных максимумов). Относительная интенсивность этих линий на рентгенограмме зависит, прежде всего, от структуры химического соединения. Следовательно, определив местоположение линий на рентгенограмме (ее угол – θ) и зная длину волны излучения, на котором была снята рентгенограмма, можно определить значения межплоскостных расстояний d/n по формуле Вульфа – Брэгга [1]:
d/n = λ/(2sinθ). (1)
Зависимость относительных интенсивностей дифракционных отражений I от набора брэгговских углов θ для кристалла соли ДГБК получена на рентгеноструктурном дифрактометре общего назначения ДРОН-3. По результатам рентгеноструктурного анализа установлены значения межплоскостных расстояний в кристалле синтезированного соединения [1]. Сравнение рентгенограмм известного изомера α-глицина (Американская картотека, выпуск № 32-1702 C2H5NO2) и ДГБК представлено на рис. 2.
Рис. 2. Сравнение рентгенограмм монокристалла эталонного α-глицина и кристалла синтезированной соли ДГБК; 
– значения максимумов дифракционных пиков соли ДГБК
Линии образца (кристалла соли ДГБК) проиндуцированы по указанному эталону (α-глицину) в силу очевидного совпадения фундаментальных дифракционных пиков.
Параметры элементарной ячейки исследуемого кристалла, определенные с погрешностью во втором знаке, составили: a = 5,46 (1); b = 11,96(1); c = 5,10 (1) A; β = 111,77 градусов, что практически совпадает с эталонными значениями. Установлено, что моноклинный кристалл комплексной соли имеет значение пространственной группы P21/n.
Для уточнения кристаллической структуры комплексной соли ДГБК дополнительные эксперименты проводили на монокристальном автоматическом четырехкружном дифрактометре Bruker D8 VENTURE (ИрИХ СО РАН). Использовали метод съёмки Брэгга – Брентано. Точность установки углов составляла 0,005 °, рабочие характеристики трубки: 40 кВ и 40 µА. Съёмку вели в непрерывном режиме.
Полученный массив экспериментальных значений интегральных интенсивностей использовали для определения структуры кристалла. По результатам измерений проведены расчёты параметров кристаллических решёток внутренней сферы соли, деформационных напряжений и величины кристаллитов в исследуемом образце, определено атомное строение диглицинобората меди и структурных распределённых деформаций. Дополнительные исследования выполнены для определения кристаллической структуры, симметрии, параметров элементарных ячеек, координат атомов, длин связей (табл. 1), углов между атомами и расшифровки структуры кристалла. Структура кристалла определялась с высокой степенью достоверности R = 3,3 %. Данные о длине связи во внутренней сфере ДГБМ представлены в табл. 1.
Таблица 1
Длина связей d во внутренней сфере комплексной соли ДГБМ
|
Связь |
d, A |
Связь |
d, A |
|
O1-C2 |
1,2586 |
H2-N1-H1 |
109,5 |
|
O2-C2 |
1,2556 |
H3-N1-H1 |
109,5 |
|
N1-C1 |
4838 |
N1-C1-C2 |
111,55 |
|
N1-H1 |
0,9100 |
N1-C1-H4 |
109,3 |
|
N1-H2 |
0,9100 |
C2-C1-H4 |
109,2 |
|
N1-H3 |
0,9100 |
N1-C1-H5 |
109,3 |
|
C1-C2 |
1,5301 |
C2-C1-H5 |
109,4 |
|
C1-H4 |
0,9900 |
H4-C1-H5 |
108,0 |
|
C1-H5 |
0,9900 |
O2-C2-O1 |
125,82 |
|
C1-N1-H2 |
109,4 |
O2-C2-C1 |
117,32 |
|
C1-N1-H3 |
109,6 |
O1-C2-C1 |
116,85 |
|
H2-N1-H3 |
109,5 |
N1-C1-C2-O2 |
19,66 |
|
C1-N1-H1 |
109,4 |
N1-C1-C2-O1 |
161,39 |
Моделирование пространственного расположения атомов в молекуле α-глицина, входящей в состав внутренней сферы комплексной соли, проведенное на основании совокупности полученных данных позволило провести сравнительный анализ строения исследуемого образца с эталонной структурой α-глицина (рис. 3).
а) б)
Рис. 3. Структура α-глицина: а – эталонный образец α-глицина; б – исследуемый образец глицина, входящий в состав диглицинобората меди
При работе с Кембриджским банком структурных данных было обнаружено большое количество изомеров глицинов. Наиболее близкими параметрами к исследуемому соединению обладает молекула под рефкодом «GLYCIN17» (P21/n, a = 5,0835 (10), b = 11,820(2), c = 5,4579(9) A , β = 111,95 градусов, достоверность определения R = 3 %) [5]. Однако значения межатомных расстояний, полученные в ходе исследования, позволяют предположить, что синтезированный в составе комплекса ДГБМ глицин является новым структурным изомером α-глицина.
Таким образом, на основании данных рентгеноструктурного анализа и сведений, полученных о структуре внутренней сферы кристалла диглицинобората меди, можно сделать вывод, что входящий в состав внутренней сферы α-глицин действительно имеет структуру, отличную от известных и является новым изомером α-глицина.
Синтез новых соединений должен сопровождаться исследованием физических свойств соединения. Нами была определена плотность диглицинобората меди (II) пикнометрическим методом. К основным достоинствам этого метода определения плотности следует отнести высокую точность измерений, возможность проводить измерения в широком диапазоне температур и использования малых количеств анализируемого вещества. Определение плотности ДГБМ проводили при температуре 25 °С по стандартной методике [4]. В ходе определения исходили из того, что при равенстве объемов отношение плотностей исследуемой и эталонной жидкостей равно отношению их масс.
Массу воды в пикнометре рассчитывали по формуле
mводы = (mп+в – mп) + [(mп+в – mп) R], (2)
где mп – масса пустого пикнометра, г, mп+в масса пикнометра с водой, г;
R – коэффициент корреляции равный 1,06•10-3.
При mп = 6,635 г и mп+в = 12,718 г масса воды в пикнометре составляла
mводы = (12,718 – 6,635) + + [(12,718 – 6,635)1,06•10-3] = 6,089 г.
при 25 °С плотность H2O равна 0,997046 г/см3, тогда объем пикнометра равен
Vп = mводы / ρн2о = 6,089 / 0,997046 = 6,107 см3.
На основании полученных данных плотность исследуемого вещества рассчитывали по формуле
(3)
Результаты измерений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные значения показателей масс и плотностей ДГБМ
|
Масса вещества mвещ, г |
Масса пикнометра с раствором mп + вещ + вода, г |
Масса вещества с водой mвещ + вода, г |
Плотность, г/см3 |
|
0,200 |
12,800 |
6,165 |
1,608 |
|
0,300 |
12,837 |
6,202 |
1,600 |
|
0,400 |
12,872 |
6,237 |
1,583 |
|
0,500 |
12,908 |
6,273 |
1,578 |
Графическая зависимость изменения плотности диглицинобората меди (II) от его массы представлена на рис. 4.
Рис. 4. График зависимости изменения плотности диглицинобората меди (II) от массы образца
По данным рис. 4 была рассчитана плотность диглицинобората меди (II), она составила 1,588 г/см3.
Соль диглициноборной кислоты с ионами меди (II) расширяет ассортимент антисептических препаратов и сферу их применения. Данное соединение хорошо растворимо в воде, его можно применять как в сухом виде, так и в виде водного раствора. Минимальную подавляющую концентрацию диглицинобората меди (II) (ДГБМ) изучали в отношении Escherichia coli (кишечной палочки), Staphylococcus aureus (золотистого стафилококка) и Candida albicans (дрожжеподобных грибов рода Кандида) методом серийных разведений в мясопептонном бульоне. Данные получены в бактериологической лаборатории ГОУ ВПО ЧГМА Минздравсоцразвития России. Это позволило сопоставить антисептические свойства ДГБМ и комплексных соединений с подобной структурой и свойствами: дицитратобората гуанидиния (ДЦБГ) и дицитратобората оксихинолиния (ДЦБО), исследованных ранее [4]. Для сравнения был взят наиболее распространенный препарат, используемый для уничтожения культур изучаемых микроорганизмов – гуанидин гидрохлорид. Результаты исследования показаны в табл. 3.
Таблица 3
Минимальная подавляющая концентрация диглицинобората меди (II), дицитратобората гуанидиния и дицитратобората оксихинолиния на различные культуры микроорганизмов
|
№ п/п |
Название культуры микроорганизма |
МПК (мкг/мл) |
|||
|
ДГБМ |
ДЦБГ |
ДЦБО |
Гуанидин гидрохлорид |
||
|
1 |
Кишечная палочка (АТСС 25922) |
0,2 |
0,300 |
250 |
– |
|
2 |
Золотистый стафилококк (25923) |
0,002 |
0,030 |
250 |
0,090 |
|
3 |
Дрожжеподобные грибы рода Кандида |
0,2 |
0,003 |
– |
0,009 |
Анализ полученных результатов позволяет предположить, что новое комплексное соединение ДГБМ проявляет избирательную активность в отношении патогенных микроорганизмов, показывая максимальную подавляющую активность при минимальных концентрациях на Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк) и Escherichia coli (кишечную палочку).
Таким образом, на основании данных рентгеноструктурного анализа и особенностей длин связей между частицами внутренней сферы кристалла диглицинобората меди (II) установлено, что входящий в состав внутренней сферы α-глицин является новым изомером имеющихся модификаций данного соединения.
Плотность нового комплексного соединения ДГБМ, измеренная пикнометрическим методом, составила 1,588 г/см3.
При изучении минимальной подавляющей активности диглицинобората меди (II) показано, что наблюдается избирательная биоцидная активность на патогенные микроорганизмы (Staphylococcus aureus и Escherichia coli) даже при малых концентрациях соли.