Впервые он был получен из сока сахарной свекловицы Шейблером в 1869 г. [5, c. 5]. Логично предположить, что наиболее изученными среди бетаинов являются бетаины аминокислот.
В настоящее время бетаинами называются соединения — внутренние ониевые соли, где катионный и анионный центры соединены системой ковалентных связей.
Если говорить об элементоорганических бетаинах (бетаинах фосфора, мышьяка, серы и др.), то данные соединения изучены явно недостаточно. Большой интерес к этой области знаний обусловлен, широким разнообразием практически полезных свойств бетаинов и их удивительно широким спектром биологической активности.
Элементоорганические бетаины широко используются в медицине в качестве лекарственных препаратов [2, c. 15] — например, ацидол (хлорид глицинбетаина) как заменитель соляной кислоты для повышения кислотности желудочного сока. Аддукты бетаинов и различных карбоновых кислот предложено использовать для лечения заболеваний печени, дерматозов, ревматизма, диспепсии и других недугов человека. Среди бетаиновых производных найдены эффективные антидиабетические, гиполипидемические, гепато- и кардиопротекторные лекарственные средства, а также большое число косметических препаратов. Также бетаины используются как моющие средства, в косметике, при получении текстильных и химических волокон, отделке и переработке кожи и меха, в лакокрасочной промышленности, при строительстве, в качестве инсектицидов и других областях.
В то же время, следует отметить, что на сегодняшний день строение, а, главное, химические свойства элементоорганических бетаинов, изучены явно недостаточно.
В последнее время в литературе [4, 10] довольно часто встречаются сообщения о выделении органических соединений мышьяка и в частности арсенобетаинов из различных биологических объектов. Установлено, что в морских организмах As присутствует как в неогранических формах (арсенаты и арсениты), так и в виде жирорастворимых и водорастворимых органических соединений — бетаинов (первоначально названных «креветочным мышьяком»).
Токсичности мышьяка зависит от его химической формы и степени окисления. Среди мышьякорганических соединений существуют абсолютно нетоксичные соединения, такие как арсенобетаин (CH3)3As+CH2COO- (LD50 > 10 г/кг).
В 1977 г. Дж. Эдмондс и К. Францескони [10] первыми показали, что водорастворимое органическое соединение мышьяка, выделенное из хвостовых мышц лангуста Panulirus longies cygnes, является арсенобетаином: (CH3)3As+CH2COO-. Те же авторы провели встречный синтез триметиларсонийметилкарбоксилата. Характеристики двух арсенобетаинов полученных разными путями (один выделен из морских продуктов и мочи человека, второй искусственно синтезированный) были идентичными. Арсенобетаин был синтезирован в несколько стадий по следующей схеме:
Многие исследователи отмечают, что выделенный арсенобетаин является нетоксичным соединением. Изучение же острой токсичности на мышах (внутрижелудочный путь введения водного раствора арсенобетаина) показало, что величина LD50 составляет более 10 г/кг. Животные, получавшие эту дозу, по сравнению с контрольными были менее подвижны, у них отмечалось учащенное дыхание, однако через час эти симптомы полностью проходили.
Исследование генотоксичности арсенобетаина показало отсутствие у него мутагенной способности. Выращивание бактерий (специальные штаммы Salmonella typhimurium) на среде арсенобетаина с добавлением и без добавления активаторов генных мутаций не приводит к появлению ревертантов.
В настоящее время практически все работы в литературе связанные с арсенобетаинами относятся к области аналитической химии, биологии или медицине. Это связано с необходимостью определения содержания мышьяка в многочисленных коммерчески ценных морских продуктах. В связи с этим, в экспериментальном плане достаточно хорошо разработаны методы выделения арсенобетаина из различных биологических объектов. Выделение включает в себя стадию экстракции водорастворимых соединений мышьяка водно-метанольным раствором; экстракты затем пропускают через ионообменные смолы и хроматографируют на колонках с цеолитом. Данные методы с успехом применяются для определения концентраций арсенобетаина методами жидкостной и газожидкостной хроматографии.
А медицинские исследования, связанные с арсенобетаинами, рассматривают не только вопросы токсичности органических производных мышьяка, но и изучают биотрансформацию неорганического мышьяка (V) в органический. Многие ученые отмечают, что до настоящего времени нет полного понимания того, какова же на самом деле биологическая роль арсенобетаинов. Тем не менее, в литературе упоминается большое количество работ об исследованиях концентрации мышьяка в различных формах, проводится очень много исследований сыворотки крови людей, которые употребляют в пищу морепродукты и морских животных
На данный момент различными учеными выделены три типа карбоксилатных арсенобетаинов из различных объектов морской флоры и фауны.
Важно уточнить, что наиболее часто в морской флоре и фауне встречается триметиларсонийметилкарбоксилат 1, его содержание в пробах максимально. И только в последние пять лет стали появляться сообщения о выделении из образцов арсенобетаинов типа 3 и 4. Также кроме арсабетаинов были выделены триметиларсиноксид, различные арсониевые соли и арсенохолин. Кроме того, в небольших количествах в пробах присутствуют арсеносахара и арсенолипиды.
Однако, арсенолипиды содержатся в морской флоре и фауне в очень маленьких количествах, далеко не всегда их можно выделить в чистом виде для полной идентификации.
Есть сообщения о том, что липиды содержащие мышьяк (или «арсенолипиды»), иногда выполняют функции фосфолипидов [3]. Такие арсенолипиды обнаружены в низких концентрациях во многих морских организмах. Но самую большую концентрацию таких липидов накапливают водоросли в тропических регионах, где в воде недостаточно фосфора — их роль пока что мало изучена.
Арсенобетаин является одним из продуктов метаболических превращений мышьяка морскими водорослями. Водоросли сорбируют неорганический мышьяк из воды. Арсенат, попавший внутрь клетки, восстанавливается в арсенит и далее подвергается биометилированию. В результате неорганические соединения мышьяка превращаются в органические, которые в дальнейшем включаются в более сложные органические производные.
Продуктами метаболических превращений мышьяка в клетках водорослей при этом будут малотоксичные арсенобетаины.
Таким образом, указанные превращения соединений мышьяка представляют собой процессы детоксикации мышьяка в клетках водорослей, и обезвреженный мышьяк в малотоксичных органических формах откладывается в клеточных мембранах.
В ткани рыб мышьяк попадает, скорее всего, через пищеварительный тракт. Это означает, что начальные стадии метаболизма мышьяка могут выполнять кишечные микроорганизмы. Основным мышьякоорганическим соединением, обнаруженным в рыбах, является арсенобетаин. Он был обнаружен в мясе камбалы, в темной акуле Carcarhinus obscurus, в мясе серой акулы Isurus oxirhicus и акулы мако Carcarhinus longimanus. Так как акулы — это последнее звено трофической цепи, предполагается, что арсенобетаин — конечный продукт превращения мышьяка, поглощаемого из воды организмами низших трофических уровней.
Подытоживая вышесказанное, необходимо отметить, что проведенные исследования метаболизма мышьяка в морских пищевых цепях показали, что, хотя обычно содержание As в морских организмах выше, чем в наземных, однако он превращается в этих организмах в нетоксические формы — в частности, в арсенобетаин.
Кроме того существуют несколько патентов РФ [6—8], где за основу взят принцип метилирования неорганического мышьяка (селена, сурьмы). Изобретения относятся к области обработки промышленных отходов, химических реагентов, химического оружия и может быть использовано для защиты окружающей среды. Предложенный способ высокоэффективен, поскольку нетоксичное соединение, является стабильным и безопасным.
Синтез арсенабетаинов и четвертичных арсониевых солей
С целью прямого синтеза арсабетаина 1 из трифениларсина и акриловой кислоты мы провели реакцию. Известна подобная реакция [1, c. 13] с фосфорным аналогом мышьяка, которая протекает легко при комнатной температуре.
Однако, вопреки нашим ожиданиям никаких видимых признаков реакции акриловой кислоты с трифениларсином в условиях, аналогичных реакциям с трифенилфосфином, не наблюдалось в течение длительного времени (3—4 недели), хотя продолжительность подобной реакции с трифенилфосфином составляла около суток при комнатной температуре.
Это могло быть связано либо с термодинамической нестабильностью соответствующих арсенобетаинов по сравнению с аналогичными фосфабетаинами, либо с существенно большим активационным барьером образования арсенобетаинов.
Ранее в группе профессора В.С. Гамаюровой проводились исследования по синтезу, изучению структуры и химических свойств арсенобетаинов. Были разработаны методы синтеза арсенобетаинов и их галоидоводородных солей [9].
Мы также решили использовать уже известную методику. При взаимодействии трифениларсина с 3-хлорпропионовой кислотой была получена арсониевая соль 2. Без кипячения при комнатной температуре реакция практически не протекает. Мы использовали в качестве растворителя ацетонитрил и кипятили реакционную смесь в течение 28 часов. Выход арсониевой соли 2 был мал, около 30 %.
Мы также провели данную реакцию сплавлением исходных веществ, непосредственно трифениларсина и 3-хлорпропановой кислоты. Реакционную смесь кипятили на водяной бане 28 часов. Однако, выход реакции также был мал. Продукт представляет собой кристаллы белого цвета с Тпл.= 138—141 0С. Температура плавления полученной нами фосфониевой соли 2 совпадает с литературными данными. Строение соли 2 было подтверждено ИК спектроскопией.
Рисунок 1. ИК спектр арсенобетаина 1
Рисунок 2. ИК спектр арсониевой соли 2
Проба Бельштейна дала положительный результат, подтверждая наличие аниона хлора в продукте 2. Дальнейшая обработка соли 2 водным раствором щелочи, привела к образованию соответствующего арсенобетаина 1. Полученный кристаллический продукт был оказался довольно стабильным, при хранении он не разлагался, Т.пл. = 255—257 0С (с разл.). ИК-спектр продукта представлен на рис. 1.
Стоит отметить, что в группе проф. Гамаюровой данный арсенобетаин не был синтезирован [9, c. 63]. При обработке соответствующей арсониевой соли гидроксидом калия, образовывался продукт не устойчивый на воздухе. Нам же удалось синтезировать вполне устойчивый на воздухе продукт.
Таким образом, можно сделать вывод, что арсенобетаины могут быть получены при взаимодействии третичных арсинов с галогенкарбоновыми кислотами, но этот метод, к сожалению, является малоэффективным.
Кроме того, в продолжение начатых исследований мы провели реакцию между трифениларсином и йодистым метилом. Подобные соединения получены на основе третичных фосфинов и они обладают целым рядом практически полезных свойств, в том числе и ярко-выраженной биологической активностью.
Взаимодействие трифениларсина с йодистым метилом протекает достаточно быстро, но медленнее чем подобная реакция с фосфосфорным аналогом. В результате образуется кристаллический продукт с Тпл. = 177—186 0С. Строение продукта доказано ИК и ЯМР 1Н спектроскопией (рис. 3). В ЯМР спектре 1Н присутствуют сигналы фенильных протонов в виде мультиплета в области 7,6 м.д., а также синглет трехметильных протонов в области 3,0 м.д. Сигнал в виде синглета в области 1,97 м.д. относиться к метильным протонам от ацетонитрила, который использовался в качестве растворителя.
Рисунок 3. Спектр ЯМР 1H соединения 3 (CHСl3, 400 МГц)
Таким образом, можно сделать вывод, что взаимодействие трифениларсина с акриловой кислотой при комнатной температуре и при нагревании не происходит. Однако, намудалось синтезировать трифенилфосфонийэтил карбоксилат на основе трифениларсина и 3-хлорпропановой кислоты. Оказалось, что подобный синтез малоэффективен. Выход продуктов менее 30 %.
Список литературы:
1.Бахтиярова Ю.В. Синтез карбоксилатных фосфабетаинов / Ю.В. Бахтиярова, И.В. Галкина, В.И. Галкин // Учебно-методическое пособие, Казан. (Прив) фед. ун-т. Казань, 2013. — 41 с.
2.Бахтиярова Ю.В. Синтез, строение и реакционная способность фосфабетаинов на основе третичных фосфинов и непредельных карбоновых кислот: дис. канд. хим. наук / Ю.В. Бахтиярова; Казан. гос. ун-т. Казань, 2001. — 124 с.
3.Васьковский В.Е. Липиды // Соросовский образовательный журнал. — № 3, — 1997, — с. 32—37. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9703_032.pdf (дата обращения 05.10.13).
4.Гамаюрова В.С. Мышьяк в экологии и биологии / В.С. Гамаюрова. М.: Наука, 1993. — 208 с.
5.Галкина И.В. Элементоорганические бетаины: учеб. пособие / И.В. Галкина, Ю.В. Бахтиярова, В.И. Галкин. Казань: Изд-во КГУ, 2005. — 39 с.
6.Патент РФ № 2009106658/04 27.01.2012 Накамура К., Хисаеда Й., Пан Л. Производное метил-аквокобириновой кислоты, композиция для алкилирования и способ детоксификации вредного соединения путем использования композиции // Патент России № 2441014. 2007. Бюл. № 3.
7.Патент РФ № 2009106660/04, 27.12.2011 Накамура К., Хисинума А., Камия С. Композиция для алкилирования и способ детоксификации вредного соединения путем применения композиции // Патент России № 2437714. 2007. Бюл. № 36.
8.Патент РФ № 2009124465/05, 10.04.2012 Накамура К., Хисинума А., Камия С. Способ детоксификации метильного соединения // Патент России № 2446848. 2007. Бюл. № 1.
9.Шулаева М.М. Синтез и исследование арсенобетаинов и их галоидоводородных солей : дис. канд. хим. наук / М.М. Шулаева; Казан. технолог. ун-т. Казань, 1997. — 126 с.
10.Edmonds J.S. Isolation, crystal structure and synthesis of arsenobetaine, the arsenical constituent of the western rock lobster panulirus longipes cygnus George / John S. Edmonds, Kevin A. Francesconi, Jack R. Cannon, Colin L. Raston, Brian W. Skelton, Allan H. // Tetrahedron Letters, — Vol. 18, — Issue 18, — 1977, — P. 1543—1546.