ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 8, с. 1472-1476
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ
УДК 541.124
КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ 1,3,7-ТРИМЕТИЛКСАНТИНА ГИПОХЛОРИТ-ИОНАМИ © 2011 г. В. П. Хейдоров*, Ю. А. Ершов**, Г. Ю. Чалый*, О. В. Титорович*
*Витебский государственный медицинский университет, Витебск, Беларусь **Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
E-mail: heidorov@mail.ru Поступила в редакцию 22.12.2010 г.
Исследована кинетика окислительного превращения 1,3,7-триметилксантина под действием гипо-хлорит-ионов (ОС1-) в водной среде при рН 8.2 и температуре 283—298 К. Определен порядок реакции по компонентам, он равен единице. Установлено, что температурная зависимость скорости реакции подчиняется уравнению Аррениуса. Определены активационные параметры реакции: Еа = 33.58 кДж/моль, АН = 31.12 кДж/моль, Д^ = -170.02 Дж/(моль К), АС = 81.45 кДж/моль. Изучена стехиометрия реакции, рассмотрен химизм окислительного превращения кофеина под действием ОС1-.
Ключевые слова: кинетика, уравнение Аррениуса, стехиометрия реакции, окисление, кофеин, гипо-хлорид-ионы.
Данная работа является продолжением наших исследований химических превращений биологически активных веществ под действием окислительных реагентов, содержащих высокоактивную гипохлорит-группу [1—8].
Кофеин (КФ) 1,3,7-триметилксантин — природный дигидроксипуриновый алкалоид (соединение, производное пурина) — компонент многих широко потребляемых и популярных напитков, таких как кофе, чай и различные энерготоники. Из-за огромной популярности, которой обладают кофеинсодержащие напитки и лекарственные средства, КФ и его производные являются объектами многочисленных исследований. Так, в работе [9] было доказано, что КФ является эффективной ловушкой свободных радикалов кислорода и, чуть позже [10], была выявлена его антиокислительная активность in situ в растворимом и нерастворимом кофе. В то же время КФ и родственные соединения, которые уже более 100 лет используются в медицине при различных патологиях, вызывают интерес ученых благодаря недавним исследованиям британских биохимиков [11], сообщивших, что эти удивительные алкалоиды могут стать основой для разработки новых препаратов против рака, сердечно-сосудистых и воспалительных заболеваний.
В таком контексте особый интерес вызывает изучение окислительного превращения производных пурина с целью понимания и моделирования процессов метаболизма этих групп биологически активных веществ in vitro и in vivo и разработки методов анализа этих веществ в различных объектах, в том числе и медико-биологических.
Исследования в этом направлении проводятся уже в течение нескольких десятилетий. Приводимые в литературе данные, касающиеся окислительного превращения КФ, относятся к различным условиям постановки эксперимента [12-21], полученные результаты являются противоречивыми.
В статье [12] описано окисление КФ и родственных ему метилксантинов свободным радикалом в системах Ре3+-ЭДТА/И2О2/аскорбат-ион и Ре3+-ЭДТА/И2О2/смесь полифенолов. Авторами указывается, что началом окисления является положение С8 в пуриновой структуре с образованием гидроксигруппы. При дальнейшем окислении КФ образуются: N1-, N3- и ^-деметилиро-ванные ксантины, небольшие количества 6-амино-5-^-формилметиламино)-1,3-диметилурацила.
Окисление КФ в системах УФ/И2О2, 1Ю2/УФ и в системе Фентона изучено в работе [13]. Указывается, что КФ сначала окисляется до ^№-диме-тилпарабановой кислоты, вероятно, через присоединение ОН-группы по двойной связи С5=С6, и вторым промежуточным продуктом является ди^-гидроксиметил)парабановая кислота.
Результаты изучения превращений КФ в процессе озонирования представлено в статье [14]. Озонирование КФ в воде было выполнено при различных значениях рН, включая кислые условия. Большинство продуктов образовались в результате раскрытия имидазольного кольца после разрыва двойной связи №=С8.
В исследованиях [15] изучалось фотоокисление КФ под действием пероксидифосфат-анио-
нов. Основным продуктом окисления является 1,3,7-триметилмочевая кислота.
B. Jayaram и S.M. Mayanna изучали окисление КФ под действием хлорамина Б в среде HCl при температуре 303—323 К [17], а также под действием хлорамина Т в растворах HCl и NaOH [18]. Авторы ставили цель при проведении реакции окисления КФ дойти до понимания процессов метаболизма его и найти аналогию с процессами, протекающими в организме, но в публикации это не показано. Указывается, что КФ окисляется в обоих случаях до диметилаллоксана и метилмоче-вины.
Ранее нами было исследовано отношение производных пурина к окислительному воздействию хлорамина Б в солянокислой среде и установлено, что КФ в аналогичных условиях с хлорамином Б не дает окрашенного продукта в отличие от тео-филлина. Изучена кинетика и термодинамика окислительного взаимодействия теофиллина с хлорамином Б [1, 2], на основе полученных результатов разработаны высокочувствительные и простые в выполнении методы аналитического контроля содержания теофиллина в лекарственных средствах, биологических жидкостях и получены патенты [19—21].
Анализ только последних научных публикаций показывает, что вопросы окислительного превращения производных пурина, в том числе КФ и теофиллина, не просты, сложны и неоднозначны, зависят от природы субстрата — структурных аналогов и окислителей, экспериментальных условий проведения реакций.
Представляет практический и научный интерес кинетика окислительного превращения КФ в сравнении с теофиллином под действием гипо-хлорита натрия (ГХ) в связи с процессами их метаболизма, а также разработкой методов контроля содержания названных веществ и их структурных аналогов в различных объектах, в том числе лекарственных средствах и биологическом материале.
В настоящей работе представляются результаты исследования кинетики реакции взаимодействия КФ с гипохлорит-ионами (OCl-), которые могут быть использованы для дальнейших исследований кинетических закономерностей других структурных аналогов, пуриновых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов и оптимизации проведения соответствующих аналитических реакций и методов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали реактивы квалификации "х.ч.". Растворы готовили на бидистиллиро-ванной воде. В качестве реагента-окислителя использовали натрия гипохлорит (ГХ), который
синтезировали путем пропускания газообразного хлора через водный раствор NaOH при 273 K. Растворы хранили в защищенной от света колбе для предотвращения фотохимического разложения. Полученный раствор затем стандартизировали йодометрически по стандартному раствору тиосульфата натрия с использованием крахмала в качестве индикатора. В указанных условиях концентрация ГХ оставалась постоянной длительное время. КФ (99%) использовали фирмы "Sigma". Стандартный раствор КФ 0,001М готовили путем растворения точной навески в бидистиллирован-ной воде. Его концентрацию определяли методом
УФ-спектроскопии при X = 273 нм (Aj = 650) [22].
Реакция среды рН 8.2 создавали с помощью боратного буферного раствора. Для измерения рН использовали иономер лабораторный И-160, снабженный стеклянным электродом ЭСЛ-43-07СР и хлорсеребряным электродом сравнения. Необходимые количества растворов 1,3,7-триме-тилксантина, буферного раствора и воды (для поддержания полного объема, постоянного для всех экспериментов) помещали в реакционный сосуд и термостатировали, постоянство температуры поддерживали с точностью ±0.1 К. Отмеренное количество раствора окислителя, который также термостатировали при той же температуре, быстро добавляли к реакционной смеси. Реакцию проводили в условиях избытка гипохлорит-ионов OCl-, добавление избытка фенола вызывало мгновенную остановку реакции. Оптическую плотность продукта реакции определяли с помощью спектрофотометра СФ-46 при X = 630 нм. Стехиометрию реакции определяли по составу реакционной смеси, содержащей различные исходные концентрации КФ и OCl- через 24 ч после начала реакции при ~296 K.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные в сравнительном плане экспериментальные результаты показали, что в одной реакционной системе (смеси) скорость окисления теофиллина превосходит скорость окисления КФ под действием ГХ в несколько десятков раз, хотя они являются очень близкими структурными аналогами и отличаются только на одну группу — ме-тильный радикал (—СН3) в положении N7:
СН3 СН3
кофеин теофиллин
Такой экспериментальный результат в химической кинетике, как в данном примере, при
1474
ХЕЙДОРОВ и др.
A 0.4
5 + lg Скф
120 t, мин
Рис. 1. Зависимости накопления продукта реакции окисления КФ (1) и теофиллина (2) в одной реакционной среде при 296 K, pH 8.2, [OCl-] = 1.35 х 10-2 M,
Скф = 10.0 х 10 5 M, Стеофиллина = 5.0 х 10
M.
окислении КФ и теофиллина под действием ГХ, оказался неожиданным и интересным (рис. 1).
Обработку результатов осуществляли на основе полученных кинетических измерений. Реакция окисления КФ под действием ГХ в условиях эксперимента протекала таким образом, что кинетические кривые расходования субстрата и накопления продукта можно разделить на два участка с разными законами скорости (рис. 1). Экспериментальный характер кинетических кривых при разных концентрациях КФ и ГХ на начальном временном отрезке (до 30 мин), когда значительное количество КФ (>70%) превращается в продукты реакции, имеет линейный характер.
Из анализа кинетических кривых, полученных при избытке окислителя, следует, что он, по-видимому атакует не только КФ, но и образовавшийся продукт реакции, поскольку в опытах наблюдается выраженный максимум накопления продукта, концентрация которого через некоторое время начинает уменьшаться (рис. 1, кривая 2).
Температурную зависимость скорости процесса изучали в интервале от 283 до 298 К. Экспериментальные результаты хорошо описываются в рамках уравнения Аррениуса.
Изменение ионной силы в реакционной среде при добавлении различных количеств 0.1 М раствора №С1 практически не оказывало влияния на скорость процесса окисления. Добавление растворов соли кобальта вызывало ускорение реакции и увеличение выхода продукта.
Для определения кинетического порядка р
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.