Эксперименты с куркумином. Experiments with curcumin

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Начало - см. № 2 2021: Эксперименты с куркумином - ч.1,2. Experiments with curcumin [ссылка].

Куркумин, гидроксид калия и соляная кислота / Curcumin, potassium hydroxide and hydrochloric acid

В первой части статьи отмечалось, что куркумин в кислой среде не изменяет окраски, а в щелочной - дает красно-коричневый раствор. Куркума продается почти везде, кислоту и щелочь достать - тоже не проблема. Поэтому проведем эксперимент. Экстракт молотой куркумы (1 г в 10 г этанола - 96%) приготовил еще несколько месяцев назад, частично использовал его в экспериментах по флуоресценции в ультрафиолетовом свете (см. ч.2).

Кислота и щелочь? Взял три стакана, в первом - несколько грамм гидроксида калия в 100 мл воды, во втором - 100 мл дистиллированной воды и в третьем - 100 мл воды и 10 мл концентрированной соляной кислоты.

Взял пипетку и по каплям добавил раствор куркумина в спирте во все три стаканы. Во втором стакане (нейтральный раствор - дистиллят) образовался зеленовато-желтый раствор. В третьем стакане (разбавленная соляная кислота) - образовалась суспензия того же цвета. В третьем стакане (разбавленное едкое кали) раствор стал красно-коричневым. Отлично. А как насчет обратимости перехода?

В стакан с едким кали добавил избыток соляной кислоты. Коричневые раствор перешел в зеленовато-желтую суспензию. Теперь во все три стакана добавил избыток едкого кали (влажная кашица). Раствор стал красно-коричневым. В первом стакане это произошло сравнительно быстро, во втором (вода) - моментально, в третий стакан (соляная кислота) пришлось добавить много едкого кали, пока окраска не изменилась, поскольку я добавил туда слишком много кислоты.

Таким образом, в щелочной среде куркумин меняет окраску с зеленовато-желтой на красно-коричневую, причем этот переход обратим.

Несколько слов об особенностях съемки. Только начал эксперимент с экстрактом куркумы, как раз должен был капнуть раствор куркумина в стакан пипеткой... и тут началась воздушная тревога. В убежище у нас уже никто не идет, бояться люди тоже перестали. Но от звука сирен я на миг задумался о "циклической изменчивости бытия" - в результате пустил первую окрашенную каплю мимо - по внешней стенке стакана. Некритично, но картинку немного испортило. Сначала хотел переснять, потом понял, что во второй раз вылезет что-нибудь еще... Раз эксперимент получился - не стоит его повторять.

Борная кислота и куркумин (розоцианин и руброкуркумин) / Boric acid and curcumin (rosocyanine and rubrocurcumin)

"Мы все учились понемногу чему-нибудь и как-нибудь". Можно долго нарекать на отвратительное качество официального образования (во многом - справедливо), но ведь никто не мешает узнавать что-то новое самому. Это, если хочешь. Если НЕ хочешь - твое личное дело. Раньше в таких случаях говорили: "Не хочешь учиться - пойдешь мешки грузить!". Но, и тогда, и особенно - теперь такое утверждение не совсем соответствует действительности. Есть много примеров того, что люди, не отягощенные умом и знаниями, достигали успеха (в смысле власти и благосостояния). Разумеется, знания дают больше шансов "лучше устроиться в жизни", но жесткой корреляции нет. Остается единственный стимул узнавать что-то новое: "это интересно".

Меня с детства интересовали красивые, ярко окрашенные комплексы. Также интересовали соединения бора (разумеется - не только они). Увы, анионы бората бесцветны. Окраска солей борных кислот обусловлена катионом. А есть ли цветные реакции с участием борной кислоты? (Горение триметилбората на считается). К стыду своему, я даже не задумывался над этим вопросом. Оказывается - есть: о двух из них я узнал только недавно.

Розоцианин и руброкуркумин - два красных соединения, которые образуются в результате реакции между куркумином и боратами.

Розоцианин

Руброкуркумин. Rubrocurcumin

Руброкуркумин

Приведу цитату:

"Розоцианин и руброкуркумин представляют собой два вещества красного цвета, которые образуются в результате реакции между куркумином и боратами.

Цветная реакция между боратами и куркумином используется при спектрофотометрическом обнаружении и количественном определении бора, присутствующего в пищевых продуктах. Куркумин (диферулоилметан) - это желтый природный пигмент, содержащийся в корневищах некоторых видов куркумы, особенно куркумы длинной - Curcuma longa (turmeric), в концентрациях до 3%. В так называемом куркуминовом методе [curcumin method] количественного определения бора куркумин служит веществом, которое вступает в реакцию с борной кислотой. Эта реакция очень чувствительна, поэтому можно обнаружить малейшие количества бора. В данном колориметрическом методе используется максимум поглощения при 540 нм, обусловленный розоцианином. Образование розоцианина зависит от условий реакции. Реакцию проводят преимущественно в кислых растворах, содержащих соляную или серную кислоту. Цветная реакция может протекать в разных условиях; однако в щелочном растворе наблюдается постепенное разложение. При более высоких значениях рН другие соединения могут мешать проведению реакции.

*****

Rosocyanine and rubrocurcumin are two red colored materials, which are formed by the reaction between curcumin and borates.

The color reaction between borates and curcumin is used within the spectrophotometrical determination and quantification of boron present in food or materials. Curcumin is a yellow coloring natural pigment found in the root stocks of some Curcuma species, especially Curcuma longa (turmeric), in concentrations up to 3%. In the so-called curcumin method for boron quantification it serves as reaction partner for boric acid. The reaction is very sensitive and so the smallest quantities of boron can be detected. The maximum absorbance at 540 nm for rosocyanine is used in this colorimetric method. The formation of rosocyanine depends on the reaction conditions. The reaction is carried out preferentially in acidic solutions containing hydrochloric or sulfuric acid. The color reaction also takes place under different conditions; however, in alkaline solution, gradual decomposition is observed. The reaction might be disturbed at higher pH values, interfering with other compounds."

Текст сопровождался красивой фотографией:

на вид - примерно, как красный комплекс железа (III) с роданидом (точнее - комплексы). Интересное соединение - роданид трехвалентного железа: его используют для имитации крови во время химических демонстраций. Точнее - для имитации кровавых порезов. Рассказывали, что некоторые зрители во время демонстрации кричали и даже падали в обморок. Не видел, но верю (учитывая, что у нас во время учений один резервист упал в обморок просто от рассказа медика, причем медик попалась исключительно веселая и добродушная - она не стала бы умышленно запугивать солдат).

Может и с розоцианином получится подобное? Тем более, что цвет роданида железа (III) часто не безупречен (предательский коричневый оттенок!)

Итак, розоцианин получают из борной кислоты и куркумина в кислой среде. Если взаимодействие этих веществ провести в присутствии щавелевой кислоты образуется другое родственное соединение - руброкуркумин.

Эксперимент запланировал давно, но из-за начала войны пришлось его отложить. Стал смотреть литературу, прежде всего - по аналитической химии. В книге Ю. Ю. Лурье Аналитическая химия промышленных сточных вод (1984) [ссылка] нашел описание фотометрической методики определения бора в воде, основанной на образовании руброкуркумина. Приведу фрагмент.

"

БОР

Для определения бора предложено два фотометрических метода: с карминовой кислотой и с куркумином. Описанный во многих руководствах метод непосредственного титрования комплекса борной кислоты с маннитом дает вполне удовлетворительные результаты только при анализе относительно чистых растворов. В анализе сточных вод он оказался малопригодным (как при титровании с индикатором, так и при потенциометрическом титровании) из-за большого числа различных мешающих веществ. Влияния эти могут быть устранены предварительной отгонкой бора в виде его борнометилового эфира, но в таком варианте метод слишком сложен в выполнении.

С другой стороны, фотометрические методы определения бора настолько специфичны и точны, что их можно использовать для определения борной кислоты не только в очень малых ее концентрациях, но и в относительно больших после соответствующего разбавления пробы. Определению бора всеми методами мешает присутствие фторидных ионов. (Совместное присутствие боратов и фторидов наблюдается в некоторых природных водах, особенно в минеральных.) В таких случаях можно рекомендовать добавление в пробу фторида натрия или калия и определение образующихся фторборатных ионов BF₄^- в виде ионных ассоциатов этих ионов с бриллиантовой зеленой, метиленовой синей или другим подобным красителем.

Хранить пробу сточной воды надо в полиэтиленовой посуде или в посуде из стекла, устойчивого к щелочам и не содержащего бора.

Фотометрический метод с куркумином

Сущность метода. В кислой среде борная кислота реагирует с куркумином с образованием комплекса красного цвета (розоцианина), в котором молярное отношение бора к куркумину равно 1 : 2. Молярный коэффициент светопоглощения его очень высок - около 18·10⁴ Реакция проходит медленно; для ее ускорения в раствор вводят щавелевую кислоту, однако в этом случае получается другое вещество того же цвета - руброкуркумин, в состав молекулы которого входит бор, куркумин и щавелевая кислота в отношении 1:1:1. Соответственно молярный коэффициент поглощения уменьшается в 2 раза.

Метод предназначен для определения бора в концентрациях 0.10-1.0 мг/л. Этот диапазон может быть расширен предварительным упариванием или концентрированием пробы.

Мешающие вещества. Определению мешают нитраты в концентрациях, превышающих 20 мг/л, и соли жесткости в количествах, превышающих 2 мэкв/л. Мешающее влияние последних состоит в том, что, будучи малорастворимыми в спирте, они выпадают в осадок. Этот осадок надо отфильтровать перед определением оптической плотности. Определению мешают титан, цирконий, молибден, вольфрам, бериллий и германий, редко встречающиеся в водах. Их можно предварительно отделить с помощью ионитов.

Реактивы. Стандартный раствор борной кислоты. Основной раствор. Растворяют: 576.1 мг безводной борной кислоты H₃BO₃ в дистиллированной воде и разбавляют до 1 л. Полученный раствор содержит 100 мкг бора в 1 мл.

Рабочий раствор. Разбавляют 10 мл основного стандартного раствора до 1000 мл. В 1.00 мл полученного раствора содержится 1.00 мкг бора.

Этиловый спирт, 95%-ный.

Раствор куркумина. Растворяют 40 мг тонко измельченного куркумина и 5.0 г щавелевой кислоты в 80 мл 95%-ного этилового спирта. Прибавляют 4.2 мл концентрированной HCl, переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл и разбавляют этиловым спиртом до метки. Раствор устойчив в течение нескольких дней, если хранить его в холодильнике.

Ход определения. Если анализируемая проба содержит бор в концентрации 0.10-1.0 мг/л, отбирают 1,00 мл пробы. Если концентрация бора в пробе превышает 1.0 мг/л, разбавляют пробу дистиллированной водой так, чтобы в 1.00 мл было примерно 0.5 мкг бора. Переносят отобранную пробу в маленькую чашку, прибавляют 4.0 мл раствора куркумина и осторожно перемешивают. Затем ставят чашку на водяную баню, нагретую до 55±2°С, так, чтобы дно чашки было немного погружено в воду, и оставляют там на 80 мин. Этого времени достаточно для полного испарения спирта и удаления HCl. Затем охлаждают чашку до комнатной температуры, прибавляют 10.0 мл 95%-ного спирта и осторожно перемешивают до полного растворения красного продукта реакции. Раствор переносят в мерную колбу вместимостью 25 мл, обмывая чашку спиртом, разбавляют спиртом до метки и перемешивают. Не позже, чем через 1 ч по окончании высушивания пробы измеряют оптическую плотность раствора при длине волны 540 нм. Результат определения находят по калибровочному графику, для построения которого в маленькие выпарные чашки вводят 0; 0.25; 0.50; 0.75 и 1.00 мл рабочего стандартного раствора борной кислоты, доливают все растворы до 1 мл дистиллированной водой и дальше продолжают, как при анализе пробы."

Наша цель - провести демонстрационный эксперимент (получить розоцианин и руброкуркумин в растворе), а не осуществить химический анализ содержания бора, но полезные сведения в методике есть. Какие можно сделать выводы? Раз реакция очень чувствительна, значит, пробный эксперимент следует провести с минимальными количествами веществ. Иначе может образоваться практически черный раствор, в котором красный цвет розоцианина или руброкуркумина будет трудноразличим.

Немного беспокоила рекомендация упаривать раствор на водяной бане - поскольку реакция идет медленно. Решил, что для проведения качественной реакции это необязательно - пусть реакция пройдет не полностью, но окраска ведь должна появиться! Поэтому сделал просто:

В стакан налил 150 мл воды, добавил борную кислоту ("на кончике ножа") и 0.5 мл концентрированной соляной кислоты. Перемешал, дал постоять. Добавил несколько капель раствора куркумина в спирте (0.5 г куркумы настоял с 10 мл спирта). Результат - светло-желтая окраска. Никакого красного комплекса (розоцианин) не образовалось.

Неприятный сюрприз: первый, но далеко не последний. Розоцианин получить сходу не удалось. Повторил эксперимент в маленьком стаканчике. Взял 0.1 г борной кислоты, 10 мл спирта, перемешал. Добавил несколько капель раствора куркумина в спирте и 1 мл концентрированной соляной кислоты. Тоже ничего: коричнево-желтая окраска куркумина.

Может, образуется руброкуркумин? Добавил к смеси щавелевой кислоты и примерно 10 мл воды, перемешал - ничего. Оставил стоять в надежде, что окраска появится со временем - не появилась.

Может быть с борной кислотой что-то не то? Эту борную кислоту я уже использовал, в частности - для приготовления люминофоров - работала. На всякий случай попробовал с бурой. Коричневую окраску получил, но явно не красную. Причина в том, что бура щелочная, а куркумин в щелочной среде становится красно-коричневым (см. предыдущую часть статьи).

Расстроился. Очень.

Когда ты пытаешься сделать что-то новое (то, о чем ты не читал или не слышал) и у тебя не получилось - это одно. Все, что легко получается, ужа давно сделали и описали. Или почти все.

А тут ярко окрашенное соединение, которое вошло в статьи и монографии по аналитической химии (точнее - два соединения). Его для количественного анализа используют, а тут качественная реакция не получается - обидно.

Правда, я не грел, не термостатировал и не упаривал раствор, как сказано в методике - потому что решил: да, там сказано, что реакция идет медленно. Но я так понял, что выдержка на водяной бане и упаривание нужны для полного протекания реакции. В случае количественного анализа это очень важно. Но в нашем случае нужно получить окрашенный раствор, чтобы констатировать образование комплекса - пусть исходные вещества и прореагируют не полностью. Путь хоть только на 1% они прореагируют, лишь бы четко появилась окраска комплекса. Решил, что раз реакция используется для анализа, - значит, она должна идти при простом смешивании растворов.

Попробовал еще раз. В стаканчик насыпал немного борной кислоты ("на кончике ножа"), раза в два больше щавелевой кислоты и капнул 2 капли экстракта куркумина. Ничего - желто-коричневый раствор. Добавил немого воды, капнул концентрированной соляной кислоты, оставил на несколько часов - без изменений.

Прошло несколько дней - я делал другой эксперимент. Там я грел раствор на электроплитке. В конце поставил на нагретую плиту стаканчик с куркумином, борной кислотой и прочим... Плитку выключил - в надежде, что остаточного тепла хватит для испарения раствора.

Минут через 20 смотрю - раствор испарился, на дне - белые кристаллы и красное вещество. Таки прореагировало? Или это исходный куркумин? Добавляю спирта - розово-красный раствор. Значит это - руброкуркумин. По-видимому, куркумин был в большом недостатке (борная и щавелевая кислоты - в избытке и они остались).

Повторил эксперимент, но уже в контролируемых условиях. Взял 0.1 г борной кислоты (М = 61.83 г/моль) и 0.20 г щавелевой кислоты (дигидрат) (М = 126.06 г/моль), т.е. молярное соотношение было примерно 1 к 1. В стаканчик также добавил: 10 мл спирта, 10 мл воды, 1 мл конц. соляной кислоты, 1.5 мл раствора куркумина (0.5 г куркумы на 10 мл спирта).

Если содержание куркумина в корне было - 1%, то 10 мл раствора (полученного из 0.5 г корня) - 0.005 г куркумина, мы берем примерно 0.1 часть, т.е. - 0.0005 г куркумина. Его молярная масса - 368.38 г/моль, т.е., куркумин в явном недостатке. После смешивания - коричневый раствор (цвет куркумина). Поставил стакан на плитку, грею.

Постепенное кипение и испарение. Вода ушла, на дне осталась твердая коричневая масса, которая начала плавиться и подгорать(?) Еще греть или прекратить, чтобы комплекс не разложился? Температура явно выше, чем 55°С, рекомендованные в аналитической методике. Нужно провести пробу - образовался или руброкуркумин?

Взял стеклянную палочку, вмочил ее кончик в вязкую массу и опустил в стакан со спиртом. Спирт окрасился в розовый цвет - руброкуркумин. Охладил стакан с синтезом и вылил туда спирт. Результат - темно-красный раствор, похожий на красное вино. Синтез окончен. Раствор перелил в пластиковый стаканчик и герметично закрыл крышкой.

Какой вывод? Я ожидал, что руброкуркумин образуется "просто так" - при обычном смешивании растворов. Как например, при реакции солей трехвалентного железа и тиоцианата. Оказалось, нет: фактически это реакция конденсации, которая происходит при сплавлении в мягких условиях. Примерно, как синтез фенолфталеина из фенола, фталевого ангидрида при каталитическом действии серной кислоты, или как синтез флуоресцеина из резорцина и фталевого ангидрида в присутствии той же серной кислоты.

Позже попробовал получить аналогичным способом розоцианин. Вместо стакана сразу взял выпарную чашку. В нее поместил: 0.1 г борной кислоты, 10 мл спирта, 1.5 мл раствора куркумина, затем добавил 1 мл концентрированной соляной кислоты. Хотел упаривать, но обнаружил, что при добавлении соляной кислоты она опустилась на дно, где образовала красный слой, над ним - коричнево-желтый слой спирта. Значит, в таких условиях розоцианин образуется и без нагрева.

Заснял реакцию в маленьком стаканчике - получил ярко-красный раствор (с оттенком оранжевого). Потом объединил этот раствор с тем, что уже был в выпарной чашке, - стал выпаривать. Раствор все время оставался красным, постепенно углубляя цвет. Сюрприз меня ожидал, когда я выпарил почти до суха и охладил чашку. Добавил в нее спирта - получил... желто-коричневый раствор. Совсем не красный.

Т.е., в растворе розоцианин образовался, но после выпаривания - разложился. Собственно, в аналитической методике и не было сказано, что розоцианин нужно упаривать, там речь шла о руброкуркумине.

Попробовал в более разбавленном растворе: 0.1 г борной кислоты, 10 мл спирта и 2 капли раствора куркумина - получилась желтая жидкость. Добавил 1 мл концентрированной соляной кислоты - раствор стал оранжевым. Попробовал экстрагировать гексаном - слой гексана остался бесцветным.

Еще один сюрприз ждал, когда я проверил раствор руброкуркумина через дня четыре после получения - он стал желто-коричневым, т.е. руброкуркумин тоже разложился.

Уже после того, как я написал статью, подумал: а, возможно, розоцианин разлагается из-за того, что при упаривании раствора улетает соляная кислота? Возможно, для его стабилизации нужен избыток кислоты в растворе? Если это так, то стоит использовать вместо соляной кислоты серную.

Отлично! Взял 0.1 г борной кислоты, 20 мл спирта, 0.5 мл раствора куркумина (вдвое меньше, чем в предыдущих опытах) и постепенно добавил в стакан примерно 1.5 мл концентрированной серной кислоты, перемешал. Результат - ярко-красный раствор.

А что, если серная кислота сама по себе дает такую окраску с куркумином (без борной кислоты)? Проверил: спирт, куркумин, добавил серную кислоту. Результат - коричневая окраска. Не такая, как с борной кислотой (без розового оттенка), но очень похожая. Разбавил водой - цвет стал желтым.

Разбавил водой розовый раствор розоцианина (полученного из борной кислоты и куркумина в присутствии серной кислоты) - тоже получил желтый раствор.

А соляная кислота с куркумином (без борной кислоты) такой окраски не дает? К спиртовому раствору куркумина добавил концентрированную соляную кислоту, результат - коричневая окраска. Теперь - "момент истины" - добавляю в раствор твердую борную кислоту. Перемешиваю. Результат - появилась красная окраска.

Повторил эксперимент - чтобы его заснять. 10 мл спирта, 0.5 мл раствора куркумина - желтый раствор. Добавляю 1 мл концентрированной соляной кислоты. На дне раствор стал красным, перемешиваю - снова весь раствор желтый. Добавляю еще 1 мл соляной кислоты - опять раствор красный снизу (там, где слой кислоты), после перемешивания весь раствор в стакане стал желто-коричневым. Хорошо! Добавляю в стакан борную кислоту - порциями "на кончике ножа", каждый раз перемешиваю. Сперва - ничего, потом раствор постепенно стал оранжевым и, наконец, ярко-красным.

Сомнения исчезли: красный продукт образуется именно при взаимодействии борной кислоты с куркумином в присутствии сильной кислоты. Согласно литературе это - розоцианин. Реакция капризная и, видимо, обратимая: при разбавлении раствора красная окраска исчезает, переходя в желтую (желто-коричневую) - цвет куркумина.