ГОУ ВПО Оренбургский государственный педагогический университет (г. Оренбург)

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Проблемы и перспективы современной науки" с материалами Четвертой Международной Телеконференции "Фундаментальные науки и практика" - Том 3 - №1. - Томск - 2011.

 
В работе исследованы свойства хлорофилла, замещен магний в молеуле хлорофилла на свиней и барий и фотоколориметрическим методом определена суммарная концентрация хлорофиллов а и b в листьях следующих комнатных растений, имеющих различную окраску: рэо покрывальчатой (Rhoeo spathacea), или рэо пестрой (Rhoeo discolor); кислицы треугольной (Oxalis triangularis); драцены окаймленной (Dracaena marginata) и гибискуса (хибискуса) китайского, или розы китайской (Hibiscus rosa – sinensis).

Пигменты – разнообразная группа веществ, присущая растительным и животным организмам, выполняющие различные функции. Большинство из них – активные метаболиты. Растительные пигменты используются как физиологически активные вещества, пищевые красители, антиоксиданты, индикаторы и т.д. Производные хлорофилла используются в медицине и ветеринарии для фотодинамической терапии рака. Описано бактерицидное и антиоксидантное действие хлорофилла, а также применение хлорофилла для окраски мыла, масел, жиров, кремов, алкогольных и безалкогольных напитков, косметики, одеколона, духов, в качестве дезодоранта и в других целях [2, 7].
По мнению физика Фредерика-Жолио Кюри, настоящий переворот в энергетике может наступить лишь тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу. Для этого необходимо, прежде всего, подробно изучить этот тип молекул и действие фотосинтеза [1].
Важнейшая роль хлорофиллов в растениях заключается в том, что с его помощью осуществляется фотосинтез. Фотосинтез представляет собой сложную последовательность процессов, в которых первоначально поглощенная солнечная энергия используется в серии окислительно-восстановительных реакций, в конечном счете приводящих к соединению воды и диоксида углерода и их превращению в глюкозу с одновременным выделением молекулярного кислорода. В целом процесс является эндотермическим: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 [3, 6, 9].
Хлорофилл – зеленый пигмент, обусловливающий окраску растений в зеленый цвет; при его участии осуществляется процесс фотосинтеза. По химическому составу хлорофилл представляет сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофинилла. Хлорофинилл представляет собой азотосодержащее металлоорганическое соединение, относящееся к магний-порфиринам. Основу молекулы хлорофилла составляет тетрапирольный скелетный каркас порфин. При замещении в порфине водородных атомов радикалами (метил, этил, пропил) образуются порфирины. В отличие от таковых, в гемме гемоглобина [8] порфирины, лежащие в основе хлорофилла, имеют, кроме четырех гетероциклов, пятую изоциклическую группировку – циклопентан [11].
В настоящее время известно около 10 хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов [3].
Пигменты листа нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в спирте, бензине и ацетоне. В спиртовой вытяжке содержится смесь четырех пигментов: двух желтых – каротина и ксантофилла, двух зеленых – хлорофилла а и b.
Выделение хлорофиллов проводят по методу Крауса с отделением каротина [12]. Он основан на различной растворимости пигментов в органических растворителях и разной плотности этих растворителей. Пигменты разделяются поочередно, под действием физических и химических воздействий. На первом этапе отделяется только ксантофилл, находящийся в спирте, а хлорофиллы и каротин остаются смешанными в бензиновом слое. На втором этапе из бензинового слоя удаляют хлорофиллы путем омыления, в результате чего можно видеть каротин, растворенный в бензине.
Одним из свойств, используемых на практике, является взаимодействие со щелочью с образованием хлорофиллина, который растворим в спирте. При проведении этой реакции атом магния сохраняется в молекуле.
Еще одним свойством хлорофилла является его взаимодействие с кислотами.
Цвет хлорофилла, исходя из химического строения его молекулы, объясняется наличием двойных конъюгированных связей в порфириновом кольце и образованием металлорганической связи с магнием. Присутствие атома магния в хлорофилле легко обнаружить действием хлороводородной кислоты на спиртовую вытяжку пигмента (рис. 1а). При этом атом металла замещается водородом. Продукт реакции – феофитин – имеет бурый цвет, хотя, кроме отсутствия одного атома магния, ничем не отличается по структуре от молекул хлорофилла. Таким образом, получение феофитина служит доказательством того, что атом магния определяет зеленый цвет хлорофилла. Установить связь этого свойства пигмента с природой металлорганической связи можно, заместив в молекуле феофитина водород снова на металл, но не магний, а какой-либо другой. Полученное вещество (металлозамещенное хлорофилла) также окажется окрашенным. Замешенный хлорофилл долго сохраняет зеленую окраску и не окисляется на воздухе, поэтому хранить его легче.
При действии хромовой смеси на раствор хлорофилла зелено-изумрудная окраска исчезает, что говорит о разрушении структуры, это используется на практике для установления структуры молекулы.
Для изучения состава и свойств пигментов растений были взяты листья следующих комнатных растений: рэо покрывальчатой (Rhoeo spathacea), или рэо пестрой (Rhoeo discolor); кислицы треугольной (Oxalis triangularis); драцены окаймленной (Dracaena marginata) и гибискуса (хибискуса) китайского, или розы китайской (Hibiscus rosa – sinensis). Листья этих растений имеют различную окраску.
В литературе описывается замещение атома магния в хлорофилле на медь или цинк. Мы же заместили магний на металл той же группы (барий) и на металл IV группы (свинец), получив промежуточный продукт феофитин (рис. 1б).
Нами установлено, что и в вытяжке красного цвета, полученной из листьев кислицы треугольной, проявляются эти химические свойства хлорофилла, т.е. доказано наличие последнего в этих листьях.
Понимание природы оптических свойств хлорофилла и его аналогов необходимо для решения проблем фотосинтеза. Вместе с тем, с точки зрения спектроскопии и фотофизики хлорофиллоподобные молекулы представляют самостоятельный интерес как сложные сопряженные системы, которые содержат гетероатомы и разветвления цепи и обладают сравнительно высокой симметрией. Данный класс соединений является важным в теории химического строения и проблеме взаимосвязи физических свойств и молекулярной структуры. [5, 10, 13].
 

Рис. 1. Взаимодействие хлорофилла с хлороводородной кислотой (a) и образование металлорганической связи в молекуле феофетина (b)

Нами определялась оптическая плотность суммы хлорофиллов спиртовых растворов, выделенных из листьев комнатных растений, фотоколориметрическим методом.

Таблица 1. Значение оптической плотности суммы хлорофиллов
при разной длине волны

Таким образом, значения суммарной концентрации зеленых пигментов в листьях комнатных растений следующие:

1.   Oxalis triangularis – 5,2 мкг/мл

2.   Dracaena marginata – 31,2 мкг/мл

3.   Rhoeo spathacea – 46,8 мкг/мл

4.   Hibiscus rosa – sinensis 137,8 мкг/мл.

Экспериментальная часть
Для получения спиртовой вытяжки 2 грамма листьев нарезали и тщательно растирали в ступке, добавляя постепенно небольшими порциями (всего 13 мл) этилового спирта. Затем вытяжку профильтровывали через складчатый фильтр.
Для выделения хлорофиллов в сухую колбу наливали 13 мл свежеприготовленной спиртовой вытяжки пигментов, добавляли такой же объем бензина и 1-2 капли воды (для лучшего отделения спирта от бензина). Закрывали колбу резиновой пробкой, содержимое хорошо встряхивали и давали отстояться. Верхний (бензиновый) слой, окрашенный в зеленый цвет, отделяется от нижнего (спиртового) четкой границей. В верхний бензиновый слой переходят оба хлорофилла и каротин, в нижнем, спиртовом слое, остается желтый пигмент ксантофилл.
Для отделения хлорофилла от каротина верхний слой с помощью делительной воронки переносили в колбу. В этой зеленой вытяжке хлорофилл маскирует каротин. Для разделения хлорофилла от каротина в колбу добавляли 5 мл спирта и несколько кристалликов щелочи и содержимое сильно встряхивали. При взаимодействии щелочи с хлорофиллом образуется щелочная соль хлорофиллина, которая переходит из бензина в спирт. В результате в колбе верхний (бензиновый) слой содержит каротин, а нижний (спиртовой) – щелочную соль хлорофиллина.
Далее в колбу наливали 4 мл спирта и добавили по каплям спиртовую вытяжку пигментов листа до появления окраски, характерной для свежих листьев. Отбирали одну треть объема вытяжки для контроля, а из оставшейся части получали феофитин, добавляя 2-3 капли 15%-ной хлороводородной кислоты. Изумрудно-зеленая окраска исчезала, и вытяжка приобретала бурой цвет – образовался феофитин. Происходило замещение в хлорофилле магния, на его место становится водород.
К одной части феофитина добавляли несколько кристаллов сухого ацетата свинца (CH3COO)2Pb, а к другой – несколько кристаллов сухого ацетата бария (CH3COO)2Ba и обе пробирки осторожно нагревали до кипения на спиртовке. Бурая окраска постепенно исчезала, и вытяжка приобретала зеленый цвет. Здесь происходило замещение водорода атомом свинца или бария.
Фотоколориметрирование проводили на концентрационном фотоэлектроколориметре КФК-2 в кювете с длиной оптического пути 1 см. Кювету сравнения заполняли 96 % этиловым спиртом.
Суммарную концентрацию хлорофиллов (а + b) в экстракте проводили на основе калибровочного графика. В качестве стандартного раствора при построении калибровочной кривой использовали раствор Гетри [4]. В мерные колбы объемом 25 мл наливали по 10 мл 7 % раствора аммиака, определенное количество раствора Гетри и дистиллированной воды до метки.