ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2011, № 6, с. 3-8
УДК 547.22:541.13:541.8:541.127
АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ
ИЗ БУРОГО УГЛЯ
© 2011 г. С. Л. Хилько, И. В. Ефимова, О. В. Смирнова
Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко НАН Украины, Донецк
E-mail: sv-hilko@yandex.ru Поступила в редакцию 18.07.2011 г.
Газоволюмометрическим методом доказано, что гуминовые кислоты из бурого угля проявляют выраженные антиоксидантные свойства, являясь эффективными ингибиторами модельных реакций инициированного радикально-цепного окисления углеводородов (кумол и этилбензол). Это позволяет рекомендовать гуминовые кислоты для применения в качестве эффективных антиоксидантов для технических целей и для медицины как перспективные биологически активные природные ан-тиоксиданты для разработки новых классов лекарственных препаратов.
Образование гуминовых веществ представляет собой второй по масштабности после фотосинтеза процесс трансформации органического вещества в природе [1]. Гуминовые вещества — это наиболее устойчивая форма органических соединений углерода вне живых организмов [1]. В настоящее время гуминовые вещества признаны одним из перспективных направлений "зеленой" химии как доступный и дешевый источник сырья для получения химически важных продуктов [2, 3]. В качестве таких продуктов перспективно применение природных и модифицированных гуминовых препаратов как ПАВ, полимеров с регулируемыми окислительно-восстановительными свойствами (редокс-полимеры), основы для получения новых лекарственных препаратов, средств защиты растений, новых сорбентов, препаратов для рекультивации территорий, загрязненных радионуклидами, тяжелыми металлами, органическими экотоксикантами, нефтепродуктами и др.
Поиск новых сырьевых ресурсов биологически активных веществ природного происхождения и разработка на их основе новых биодоступных лекарственных препаратов — актуальная задача [4]. Кроме того, это важно и для технических целей в плане разработки антиоксидантов для жидких топлив, технических масел и смазок, а также для пищевых продуктов.
Большое внимание для медицинских целей уделяется природным источникам биологически активных веществ. Известно, что гуминовые кислоты (ГК) из торфа и бурого угля обладают выраженной биологической активностью (гепатопро-текторные, антигипоксические, антитоксические и другие свойства) [5, 6].
В торфе и буром угле гуминовыми веществами представлена преобладающая часть их органической массы: в торфе до 60%, в бурых углях до 20— 60%, в почвах — до 20%. По химической природе гуминовые вещества из разных природных источников представляют собой полиоксиполи-карбоновые кислоты с элементным составом (%): С 50-60; Н 4-6%; О 25-40 [7].
Биологическая активность гуминовых кислот определяется наличием в составе их макромолекул карбоксильных и гидроксильных групп [5, 6]. Кроме того, согласно [8], физиологическая активность ГК связана с наличием в их молекулах фрагментов, обладающих свойствами свободных радикалов.
В работах [9-11] показано, что применение гуминовых кислот в качестве пищевых добавок вызывает у животных положительные изменения в обменных процессах, которые связаны с регулированием биокаталитических реакций в живых тканях, способствуя более интенсивному синтезу белков и нуклеиновых кислот. Применение препаратов из гуминовых кислот вызывает повышение фагоцитоза и бактериальной активности ли-зоцима в крови животных, увеличение количества эритроцитов, лейкоцитов и гемоглобина, а также влияет на процесс тромбообразования крови [11-13]. Низкомолекулярные фракции гуми-новых кислот могут быть использованы для лечения желудочно-кишечных, кожных и других заболеваний, поскольку способны активировать водный, белковый и жировой обмены и проявляют бактерицидное действие [14-17].
Известный препарат "гумизоль" уже давно и успешно применяется в медицинской практике в качестве биогенного стимулятора при лечении
ряда заболеваний [18]. Применение в медицинской и ветеринарной практике биологически активных добавок (БАД) на основе гуминовых соединений ("гумивит", "биоэффект", "торфот" и др.) позиционируются как энтеросорбенты, им-муномодуляторы и биорегуляторы нового поколения [19]. Они используются при интоксикации организма различной природы, аллергических заболеваниях, дисбактериозах и т.п.
Высокая биологическая активность гуминовых веществ связана с их выраженным сродством к биологическим мембранам, участием в ионном транспорте, влиянием на активность ферментов и др. [20—22]. В работе [23] доказана высокая способность низкомолекулярных фракций гумино-вых кислот стимулировать АТФ-ную активность плазматических мембран и индуцировать увеличение пассивной мембранной проницаемости для протонов.
Известно, что антиоксидантная активность — это один из фармакологических тестов для биологически активных веществ. Наличие кислородсодержащих функциональных групп в макромолекулах гуминовых кислот различных природных источников (—СООН, —ОН) предполагает их способность к антиоксидантному действию [6]. Однако детальных исследований антиоксидант-ных свойств гуминовых кислот в литературе нет.
Цель работы — исследование антиоксидант-ной активности гуминовых кислот из бурого угля в процессах радикально-цепного окисления модельных ароматических углеводородов.
Экспериментальная часть
Гуминовые кислоты получали из аналитической пробы бурого угля Александрийского месторождения (Украина) однократной экстракцией раствором NaOH (CNaOH = 0.1 н.) при соотношении твердой и жидкой фаз 1 : 8 и температуре 20°С. Затем из "сырого" экстракта получали нерастворимые в воде ГК осаждением 5%-ным раствором HCl, который добавляли при постоянном перемешивании до рН 1—2. Выпавший осадок ГК отделяли от надосадочной жидкости центрифугированием. Осадок промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции среды (рН 6—7). Промытые гуминовые кислоты сушили в сушильном шкафу при 80°С до постоянной массы. Средняя молекулярная масса полученных таким способом образцов ГК составляет примерно 20 000 [24].
Количество -СООН- и -ОН-групп в образцах ГК определяли методом потенциометрического
титрования. Для потенциометрического титрования брали 100 мл раствора гумата натрия (С = = 1.0%) в 0.1 н. растворе NaOH и добавляли 0.1 н. раствор HCl (^Hci, мл) до рН 2.0. Раствор 1.0%-ного гумата натрия получали растворением навески сухих гуминовых кислот в 0.1 н. растворе NaOH. После добавления каждой порции титранта систему перемешивали на магнитной мешалке в течение 2 мин. Значение рН растворов измеряли на прецизионном рН-метре (Metrohm 744 рН Meter, Швейцария). Точки эквивалентности определяли дифференциальным методом как максимумы на дифференциальных кривых: ДрН/AV = f(VHCl) [25].
Было исследовано поведение гуминовых кислот в качестве ингибитора радикально-цепного процесса окисления в органической среде. В качестве модельной системы было выбрано инициированное жидкофазное окисление кумола и этилбензола, для которых механизм действия и все элементарные стадии хорошо известны [26]. Изучали инициированное азодиизобутиронитри-лом (АИБН, инициатор реакции) жидкофазное окисление кумола и этилбензола в среде диметил-сульфоксида (ДМСО) в присутствии гуминовой кислоты в широком диапазоне ее концентраций. За кинетикой процесса окисления следили газо-волюмометрически, измеряя количество поглощенного кислорода при постоянной температуре 75°С и постоянном парциальном давлении кислорода 760 мм рт. ст. на установке, описанной в [27]. Процесс проводили в кинетической области, где скорость реакции не зависит от скорости перемешивания. В работе использовали азодиизо-бутиронитрил, кумол, этилбензол, диметилсуль-фоксид, очищенные по методикам, приведенным в [28]. Концентрация кумола в исследуемой системе составляла 3.59 моль/л, азодиизобутиро-нитрила — 2.00 • 10-2 моль/л, этилбензола — 4.09 моль/л, гуминовой кислоты — 0—10.0 г/л.
Результаты и их обсуждение
Гуминовые кислоты относят к классу высокомолекулярных ароматических полиоксиполикар-боновых кислот — природных полиэлектролитов. Макромолекулы ГК состоят из центральной части, которая содержит ароматический углеродный скелет, и периферической части, обогащенной кислородсодержащими функциональными группами [1]. Приведенный на рис. 1 вероятный молекулярный фрагмент периферической части гуминовых кислот по [29] содержит все важнейшие структурные составляющие. Согласно данным
H
O vo OH
со
I
я
Рис. 1. Схема строения периферической части макромолекулы гуминовой кислоты по [29].
pH 14|-
12
10
8
6
4
2
V, мл
К
ApH/AV
0.6
0.3
10 20 30 40
VHCb мл
50
60
Рис. 2. Кривая потенциометрического титрования гу-мата натрия (СГн = 1.0 мас. %) 0.1 н. раствором HCl и ее дифференциальная форма.
/ /
.У /
у
/ /
20 40 60 80
t, мин
Рис. 3. Объем поглощенного кислорода (V) от времени при окислении кумола (кинетические кривые) в присутствии гуминовой кислоты при варьировании ее концентрации, [ГК], г/л: 1 - 0; 2 - 0.1; 3 - 1.0; 4 -2.0; 5 - 5.0; 6 - 10.0.
[30, 31], размеры молекул ГК составляют 4-18 нм. Рассчитанное из данных титрования (рис. 2) количество функциональных групп в гуминовых кислотах, мг-экв/г: для СООН-групп составляет 2.35, для ОН-групп - 1.23. Количество функциональных групп в расчете на одну макромолекулу гуминовой кислоты: -СООН ~ 50, -ОН ~ 25.
Как видно из рис. 3, добавление гуминовой кислоты к окисляемой смеси кумол - АИБН -ДМСО приводит к понижению скорости поглощения кислорода системой на протяжении всего времени эксперимента, причем с увеличением концентрации ГК в смеси скорость окисления
системы существенно уменьшается. Так, система кумол-АИБН-ДМСО поглощает кислород со скоростью 2.77 • 10-6 моль • л-1 • с-1. Введение ГК в количестве 0.1 г/л в реакционную смесь практически не влияет на величину скорости окисления. При [ГК] = 1.0 г/л величина скорости поглощения кислорода системой уменьшается до 1.72 • 10-6 моль • л-1 • с-1, а при [ГК] = = 10.0 г/л процесс окисления системы прекращается.
Аналогичный эффект влияния концентрации ГК на скорость поглощения кислорода наблюда-
3
4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.