Журнал неорганической химии, 2022, T. 67, № 11, стр. 1554-1561

ВВЕДЕНИЕ

Соединения магния играют важную роль практически во всех обменных процессах в организме человека. Дефицит магния приводит к нарушениям работы ряда систем организма человека: нервной, мышечной, сердечно-сосудистой, желудочно-кишечного тракта, к возникновению нервно-психических расстройств. Магний плохо усваивается из пищи, максимум на 30–40%. Хорошо всасываются только органические соединения, особенно содержащие карбоксильную группу хелатного типа [1].

Особый интерес представляет собой соль магния в виде цитрата магния, так как практически полная утилизация цитрат-иона в организме (превращение его в углекислый газ и воду) делает его идеальным переносчиком магния. Цитрат – идеальная, полностью биодеградирующая, “экологически чистая тара” для транспорта магния внутрь клеток, которая к тому же еще служит эффективным топливом [1, 2].

Относительно недавно на рынке биодобавок появились пищевые добавки, содержащие соединения цитратов магния и кальция в аморфной форме, что позиционируется как нечто революционное. Согласно этим работам, аморфные цитраты магния и кальция обладают наибольшим эффектом биоусвояемости по сравнению с кристаллическими формами [3, 4].

Аморфные водорастворимые цитраты магния и кальция получены [3, 4] распылением сухой или замороженной сухой смеси продуктов взаимодействия магния и кальция или их солей с лимонной кислотой в водной среде. Этот способ требует применения специального оборудования для распыления и вымораживания реакционной смеси при низких температурах. Применяемый таким образом способ получения лекарственных препаратов и биодобавок в аморфной форме требует длительного и весьма затратного производства.

Однако такие препараты можно получать методом обезвоживания стеклообразующих составов, что технологически просто и экономически выгодно. Это показано в патенте [5] на способ получения аморфного водорастворимого цитрата магния методом обезвоживания стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O в стеклообразующей системе MgC₆H₆O₇–H₂O.

Отличительной особенностью составов стеклообразующих систем с водородными связями являются низкие значения температур стеклования t_g (интервал температур от +70 до –145°С) [6].

Растворы, составы которых входят в границы области стеклообразования, отличаются от растворов других составов той же системы полимерной структурой, главную роль в образовании которой играют более сильные водородные связи. Они соединяют друг с другом звенья полимерных цепочек, сами цепочки, а в некоторых случаях и частицы (молекулы и ионы), из которых построены звенья. Впервые механизм явления стеклообразования в системах с водородными связями установлен в работе [7].

Стеклообразующие системы с водородными связями неорганических и органических соединений востребованы в разных областях науки и техники: медицине, фармацевтике, криохимической технологии твердофазных материалов и особенно в криобиологии [1, 2, 8–11].

Большинство классических криопротекторов, начиная с созданных на основе водных растворов глицерина [12] и диметилсульфоксида [13], представляют собой стеклообразующие водные растворы органических соединений, но, к сожалению, их стеклообразующая способность невысока, в связи с этим для ее усиления вводят разнообразные добавки [8, 9]. Известно, что химические соединения, обладающие наиболее выраженными криопротекторными свойствами, проявляют значительную токсичность, поэтому на стадии расконсервации биоматериала требуется отмывание размороженных клеток от криопротекторов [9]. Учитывая вышесказанное, есть основание полагать, что для нахождения нетоксичных и обладающих более сильными стеклообразующими свойствами консервантов целесообразно более детально исследовать стеклообразующие водно-солевые системы как органических, так и неорганических солей [6, 14].

О способности стеклообразующих водных растворов ацетатов магния, кальция и цинка к консервации биоматериала известно из нашей работы [14], посвященной использованию водно-солевых стеклообразующих систем с ионами металлов, жизненно важных для организма человека, с целью подготовки его спермы к гипотермическому способу хранения.

Соли лимонной кислоты вследствие особенностей строения цитрат-иона имеют разную форму соединений: от ионных до различных вариантов хелатных. Цитрат-ион содержит три карбоксильные группы и одну гидроксильную, это многофункциональный лиганд, он образует разнообразные моно-, би-, три- и тетрадентатные лиганды, что является следствием различных вариантов хелатирования .

В работе [15] представлены методики синтеза и исследование методом ИК-спектроскопии свойств различных форм цитратов: железа, цинка, кобальта и марганца. Синтез солей осуществляли взаимодействием карбонатов указанных элементов с лимонной кислотой в водной среде. Следует отметить, что цитраты первых трех металлов с разным количеством воды получены в аморфном состоянии, в то время как безводный цитрат марганца – в виде кристаллов. На основании ИК-спектров авторами сделан вывод, что исследуемые цитраты не содержат свободных карбоксильных групп. Атом металла координирует электрон-донорные атомы, при этом образующиеся комплексы имеют хелатную структуру, обусловленную координацией одновременно несколькими донорно-активными группами.

В работах [16–19] представлена информация о синтезе в водной среде цитратов хрома, кадмия, цинка, меди, кобальта и ванадия. Исследованы их свойства и строение. Все соединения получены в кристаллическом виде и обладают хелатным строением цитрат-иона.

Следует особо отметить работу [19], в которой на основании данных, полученных с помощью синхротронной рентгеновской порошковой дифракции, и их оптимизации с использованием методов функционала плотности установлена кристаллическая структура дигидрата цитрата магния состава Mg(HC₆H₅O₇)(H₂O)₂. Результаты исследования свидетельствуют о том, что ион магния находится в октаэдрическом окружении атомами кислорода трех карбоксилатных групп, одной гидроксильной группы и двух молекул воды. Таким образом, цитрат-ион трижды хелатируется к катиону Mg через терминальный карбоксилатный атом О14, центральный карбоксилатный атом О15 и атом О17 гидроксильной группы. Расчеты показывают, что связи Mg–O имеют ковалентный характер, а водородные связи, действующие в соединении, очень сильны.

Цель настоящей работы – исследование явления стеклообразования в системе MgC₆H₆O₇–H₂O, установление границ области стеклообразования и стабильности к кристаллизации входящих в ее состав растворов, а также изучение процесса синтеза аморфного безводного цитрата магния путем обезвоживания стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходного вещества использовали реактив цитрата магния C₆H₆MgO₇ марки “ч.” фирмы “Компонент-Реактив”. В ходе исследования обнаружено, что в состав реактива входит небольшое количество воды, что учитывалось при синтезе. Стеклообразующие растворы переносили в прозрачные ампулы и затем замораживали в жидком азоте. Границы области стеклообразования в системе MgC₆H₆O₇–H₂O устанавливали по прозрачности образцов в ходе их естественного нагревания от температур жидкого азота до комнатной температуры визуально по методике [20]. Синтез стеклообразующих образцов различного состава проводили путем испарения водных растворов цитрата магния в открытых контейнерах (с контролем массы) при температуре не выше 60°С по методике [21, 22] с последующим замораживанием в жидком азоте.

ИК-спектры образцов регистрировали в интервале 4000–550 см^–1 методом нарушенного полного внутреннего отражения на ИК-Фурье-спектрометре Nexus фирмы Nicolet.

При исследовании ИК-спектров образцы наносили непосредственно на алмазный кристалл без дополнительной пробоподготовки. Измерения проводили при стандартных условиях. Образцы ни с чем не смешивали и не подвергали дополнительной обработке. Толщина слоя не имеет значения, поскольку глубина проникновения луча будет зависеть от плотности образца и коэффициента преломления.

Калориметрические исследования выполняли на дифференциальном сканирующем калориметре DSC823e Metler Toledo в атмосфере аргона при скорости изменения температуры 10 K/мин в диапазоне температур от –130 до 100°С. Для ДСК использовали тигли из алюминия объемом 40 мкл, термопару Ceramic Sensor HSS8+ (регистрационный номер в Государственном реестре средств измерений 66502-17). Масса образца 10–20 мг.

Исследования методом РФА проводили при комнатной температуре на порошковом дифрактометре Bruker Advance D8, CuK_α-излучение, λ = = 1.5406 Å, Ni-фильтр, детектор Lynxeye, съемка на отражение (геометрия Брэгга–Брентано) в области углов 2θ 10°–60° с шагом 0.0133°, скорость сканирования 0.3 с/шаг, скорость вращения образца 15 об./мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Стеклообразование в системе MgC₆H₆O₇–H₂O обнаружено впервые. В результате исследований в системе MgC₆H₆O₇–H₂O установлена область стеклообразования, границы которой простираются в интервале концентраций 50–77 мас. % MgC₆H₆O₇, что соответствует соотношению MgC₆H₆O₇ : H₂O от 1 : 12 до 1 : 3.5.

При комнатной температуре все стеклообразующие растворы представляют собой бесцветные прозрачные жидкости разной степени вязкости. При охлаждении в жидком азоте они застывают в прозрачные стекла. После изъятия из жидкого азота замороженные стеклообразующие растворы в ходе нагревания от температур жидкого азота до комнатной переходят из стеклообразного состояния в раствор по-разному.

Согласно [6], водно-солевые стеклообразующие растворы делятся на две группы: стабильные к кристаллизации и нестабильные к кристаллизации. Критерием стабильности стекла к кристаллизации является отсутствие процесса кристаллизации в ходе нагревания стекла от температур жидкого азота до комнатной (на кривой нагревания стекла присутствует только эффект t_g). Нестабильные к кристаллизации стекла в ходе нагревания проходят через следующие процессы: размягчение стекла, кристаллизация и плавление (на кривой нагревания таких стекол присутствуют эффекты t_g, t_кр и t_пл).

Растворы с концентрацией от 50 до 60 мас. % MgC₆H₆O₇ (соотношение компонентов MgC₆H₆O₇ : H₂O от 1 : 12 до 1 : 8) при нагревании переходят из стеклообразного состояния в раствор через кристаллизацию. Стеклообразные растворы с концентрацией от 60 до 70 мас. % MgC₆H₆O₇ (соотношение компонентов от 1 : 8 до 1 : 5) проходят тот же путь без кристаллизации. Растворы с более высокой концентрацией цитрата магния (>70 мас. %) в ходе синтеза вследствие высочайшей вязкости застывают в прозрачные едва сохраняющие форму желеобразные субстанции и твердые образцы, при надавливании на которые твердым предметом вмятины не остается, что свидетельствует об образовании твердого стекла. При комнатной температуре они представляют собой разной степени твердости прозрачные образцы, содержащие от 70 до 77 мас. % MgC₆H₆O₇. Образец состава 77 мас. % MgC₆H₆O₇ (MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O) отличается характерным для стекла раковистым изломом.

При нагревании стеклообразных составов с концентрацией >77 мас. % MgC₆H₆O₇ вплоть до полного обезвоживания происходит постепенная потеря прозрачности образцов.

Исходя из того, что исходная для синтеза соль MgC₆H₆O₇ была кристаллической, можно предположить, что и полученное в ходе обезвоживания стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O вещество тоже является кристаллическим, однако рентгенофазовый анализ показал, что это аморфное соединение.

Таким образом, полученное в ходе синтеза при температуре не выше 60°С стекло состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O при обезвоживании, которое осуществляли выдерживанием его на воздухе при 40°С до постоянной массы, переходит в аморфное порошкообразное безводное вещество состава MgC₆H₆O₇. Это новый легкий способ получения аморфного водорастворимого MgC₆H₆O₇.

На рис. 1 представлены данные РФА исходного кристаллического образца (реактив) и порошкообразного MgC₆H₆O₇, полученного обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O. Из рис. 1 следует, что исходная соль является кристаллическим веществом (кривая 1), в то время как порошкообразный образец MgC₆H₆O₇ – рентгеноаморфным (кривая 2).

Рис. 1.

Дифрактограммы кристаллического MgC₆H₆O₇ (1) и аморфного MgC₆H₆O₇ (2), полученного обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5 H₂O.

На рис. 2, 3 представлены данные ДСК: исходная кристаллическая соль MgC₆H₆O₇ (рис. 2, кривая 1), аморфный порошкообразный цитрат магния (рис. 2, кривая 2), полученный обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O, и стекло состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O (рис. 3). Исследование проводили в диапазоне температур от –130 до 100°С.

Рис. 2.

Термограммы ДСК кристаллического MgC₆H₆O₇ (1) и аморфного MgC₆H₆O₇ (2), полученного обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5 H₂O.

Рис. 3.

Термограмма ДСК стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O.

На кривой нагревания исходного кристаллического образца MgC₆H₆O₇ присутствуют три эффекта: первый – небольшой эндоэффект при ‒72.50°С, отвечающий, по-видимому, плавлению примеси неизвестного состава, второй – эндоэффект при 65.86°С – эффект обезвоживания и третий – большой эффект разложения соли при 122.86°С.

На кривой нагревания аморфного порошкообразного цитрата магния, полученного обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O, присутствует только один эффект при 51.03°С (температура размягчения аморфного соединения).

Рис. 3 свидетельствует о том, что на кривой нагревания стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O фиксируется один эффект t_g (температура стеклования) = 14.12°С.

Для получения информации о строении различных форм цитрата магния были проведены исследования ИК-спектров: исходного кристаллического образца MgC₆H₆O₇ (рис. 4), стеклообразного образца состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O (рис. 5) и порошкообразного аморфного MgC₆H₆O₇, полученного обезвоживанием стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O (рис. 6).

Рис. 4.

ИК-спектр кристаллического соединения MgC₆H₆O₇.

Рис. 5.

ИК-спектр стекла состава MgC₆H₆O₇ ⋅ 3.5H₂O.

Рис. 6.

ИК-спектр аморфного соединения MgC₆H₆O₇.

Характер спектра кристаллического цитрата магния MgC₆H₆O₇ позволяет сделать вывод о его ионной структуре. В спектре MgC₆H₆O₇ присутствуют интенсивные полосы при 1647, 1555 и 1405, 1350 см^–1, которые могут быть отнесены к асимметричным ν_as(COO–) и симметричным ν_s(COO–) колебаниям карбоксилатных групп СОО– соответственно [23]. Расщепление полос ν_as и ν_s вызвано неэквивалентностью карбоксилатных групп, а ∆(ν_as – ν_s) составляет 231 и 2063 см^–1. Величина ∆(ν_as – ν_s) в спектре кристаллического MgC₆H₆O₇ соответствует величине ∆(ν_as – ν_s) в спектре цитрата калия C₆H₄O₇K₃ (соединение с ионно-связанными карбоксилатными группами) и составляет 226, 202 см^–1, что позволяет сделать вывод о ионной форме двух карбоксилатных групп в исходном кристаллическом MgC₆H₆O₇ [24]. Полосы около 1289, 1264, 1237, 1200 и 1106 см^–1 обусловлены колебаниями δ(СОН) и ν(СОН) протонированной группы СООН. В этом же диапазоне проявляются колебания и гидроксильной группы С–ОН. Валентным колебаниям ν(ОН) молекул воды и группы С–ОН соответствует полоса с максимумом при 3218 см^–1 [25, 26].

В ИК-спектре стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ ⋅ 3.5H₂O все полосы уширены, что характерно для соединений полимерного строения. Полосы валентных колебаний карбоксилатных групп ν_as(СОО–) и ν_s(СОО–) лежат около 1576 и 1391 см^–1 соответственно. Величина ∆(ν_as – ν_s) = = 185 см^–1 в спектре стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ ⋅ 3.5H₂O меньше, чем в спектре исходного кристаллического MgC₆H₆O₇, в котором предполагается ионная структура.

Изменение общего характера спектра стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и снижение ∆(ν_as(СОО–) – ν_s(СОО–)) относительно этой разницы в спектрах ионных соединений свидетельствуют об изменении функции карбоксилата, а именно о хелатном связывании карбоксилатных групп с ионом магния. Молекулы воды в стекле состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O, по-видимому, дополняют координационную сферу Mg²⁺ до шести.

Не участвующие в координации молекулы воды, очевидно, способствуют стабилизации полимерных цепей, образуя межмолекулярные водородные связи. Об этом свидетельствует пониженное значение валентных колебаний ν(С=О) и ν(ОН) = 3217 см^–1 [26].

ИК-спектры стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и аморфного порошкообразного MgC₆H₆O₇ аналогичны. Можно отметить лишь снижение интенсивности широкой полосы ν(ОН) с максимумом при 3217 см^–1, это связано с отсутствием молекул воды в составе порошка.

Таким образом, можно предположить, что строение порошкообразного аморфного MgC₆H₆O₇, полученного обезвоживанием стеклообразного MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O, обусловлено хелатным связыванием карбоксилатных групп с ионом магния, так же как в стеклообразном образце состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O, в отличие от ионной формы карбоксилат-групп в строении исходного кристаллического цитрата магния MgC₆H₆O₇ (рис. 4).

Представляет интерес изучение механизма изменения формы цитратной группы от ионной в исходном кристаллическом цитрате магния до хелатной в стекле состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и аморфного порошкообразного MgC₆H₆O₇ на основании полученных экспериментальных результатов и литературных данных о сильных водородных связях в строении соединений цитратов двухвалентных металлов [18, 19].

На основании анализа ИК-спектров исходного ионного кристаллического MgC₆H₆O₇, стекла состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и безводного аморфного соединения MgC₆H₆O₇ можно сделать вывод об изменении ионной формы цитрат-иона исходного кристаллического соединения C₆H₆MgO₇ на хелатную в соединении MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и аморфном MgC₆H₆O₇ вследствие его взаимодействия с молекулами воды при нагревании.

Таким образом, можно предположить, что при растворении в воде исходное кристаллическое ионное соединение MgC₆H₆O₇ диссоциирует на ионы Mg²⁺ и ${{{\text{C}}}_{{\text{6}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{6}}}}{\text{O}}_{7}^{{2--}}$ с образованием гидратных оболочек из соседних молекул воды. В ходе нагревания происходит постепенная замена молекул воды в первой координационной сфере иона магния на цитрат-ионы поэтапно.

Как уже отмечалось выше, стеклообразующие составы с соотношением MgC₆H₆O₇ : H₂O от 1 : 12 до 1 : 8, которые проходят через кристаллизацию при нагревании от температур жидкого азота до комнатной температуры, очевидно, обладают более слабыми водородными связями [6, 7], поскольку ион магния в них находится в окружении молекул воды не только в первой координационной сфере, но и частично во второй.

Составы, не кристаллизующиеся при нагревании от температур жидкого азота (составы с соотношением компонентов от 1 : 8 до 1 : 5) имеют уже более сильные водородные связи за счет вхождения в первую координационную сферу иона магния не только молекул воды, но и атомов кислорода цитрат-иона. Это приводит к качественному изменению положения цитрат-иона по отношению к иону магния, т.е. к замене ионной формы связи на хелатную, о чем свидетельствуют данные ИК-спектров. Обезвоживание стеклообразующих составов (вплоть до полного удаления воды) не приводит к разрыву образовавшихся хелатных связей цитрат-ионов с ионами магния в силу действующих в системе сильных водородных связей [18, 19].

Таким образом, исходное кристаллическое соединение MgC₆H₆O₇, которое является ионным, при растворении в воде в ходе нагревания благодаря возникающему в этой системе явлению стеклообразования (вследствие образования сильных водородных связей) претерпевает изменение формы цитрат-иона с ионной на хелатную.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного экспериментального исследования впервые в системе MgC₆H₆O₇–H₂O обнаружено явление стеклообразования и установлены границы области стеклообразования. Синтезированы стеклообразные образцы цитратов магния.

Методами рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы кристаллический цитрат магния MgC₆H₆O₇, стекло состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O и аморфный водорастворимый цитрат магния MgC₆H₆O₇.

Установлено, что кристаллическое соединение MgC₆H₆O₇, которое является ионным соединением, при растворении в воде в ходе нагревания благодаря возникающему в этой системе явлению стеклообразования претерпевает изменение формы цитрат-иона с ионной на хелатную.

Предложен новый способ получения аморфного цитрата магния MgC₆H₆O₇, который заключается в обезвоживании стеклообразного цитрата магния состава MgC₆H₆O₇⋅ 3.5H₂O при температуре, не превышающей 40°С. Получен патент на способ получения аморфного водорастворимого цитрата магния [5].