научная статья по теме ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ИНГИБИРОВАННОГО ОКИСЛЕНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ИНГИБИРОВАННОГО ОКИСЛЕНИЯ»

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

УДК 541.128.3;542.924;547.535-39

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ ИНГИБИРОВАННОГО ОКИСЛЕНИЯ © 2013 г. И. Ф. Русина, О. Н. Карпухин, О. Т. Касаикина

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

E-mail: kasaikina@chph.ras.ru Поступило в редакцию 29.06.2012

Рассмотрены возможности применения методов, основанных на измерении хемилюминесценции в экзотермических реакциях рекомбинации — диспропорционирования пероксильных радикалов, для получения количественных характеристик ингибирующего действия индивидуальных антиок-сидантов разных классов и оценки антиокислительной активности смесевых композиций антиок-сидантов в нефти, растительных маслах, пищевых, косметических и лекарственных продуктах. Дан краткий обзор основополагающих работ, выполненных в ИХФ РАН, по созданию и разработке хе-милюминесцентных методов исследования химических реакций в жидкой фазе. Определены кинетические характеристики ингибирующего действия — константы скорости взаимодействия с перок-сильными радикалами и стехиометрические коэффициенты обрыва цепей для ряда природных фе-нольных кислот и синтетических антиоксидантов — производных бензимидазола и пиридина, проведен анализ соотношения структура—активность.

Ключевые слова: инициированное окисление, свободные радикалы, хемилюминесценция, антиок-сиданты, анализ антиоксидантов.

Б01: 10.7868/80207401X13080098

1. ВВЕДЕНИЕ

Окисление веществ молекулярным кислородом — одна из фундаментальных реакций в химии и биологии. Химическое и биохимическое окисление органических веществ является источником энергии в технике и основой жизнедеятельности живых организмов [1—5]. С другой стороны, именно окислительные процессы ответственны за нежелательную окислительную деструкцию органических веществ и материалов. Старение живых организмов и многие болезненные состояния и патологии также в значительной степени обусловлены неконтролируемыми окислительными процессами [5—9]. Свободные радикалы, образующиеся в процессах окисления, способны реагировать с веществами многих химических классов, включая углеводороды, липиды, липо-протеиды, углеводы, белки и другие макромолекулы. Поэтому в химических и биохимических системах процессы окисления регулируются катализаторами, ферментами, антиоксидантами и т.д. В большинстве пищевых продуктов, лекарствах и косметических средствах наиболее уязвимыми по отношению к кислороду являются ли-пидные компоненты, и именно их окислительная деструкция обуславливает потерю качества и резкое ухудшение органолептических и потребительских свойств [1, 3—5, 10]. Ненасыщенные ли-

пиды являются структурными компонентами биологических мембран, и с их пероксидным окислением, которое служит показателем окислительного стресса, связывают заболевания сердечнососудистой и нервной систем, легких, глаз, крови и старение организма человека [5, 7—12]. Окислительный стресс развивается при острой коронарной патологии, инсультах, кардиохирур-гических вмешательствах, при трансплантации органов, тканей и операциях на легких. Поэтому вопросы производства и качества терапевтических средств антиоксидантного действия являются остро актуальными.

В последние годы наблюдается исследовательский и потребительский бум в области получения и практического применения индивидуальных антиоксидантов и их смесевых композиций. Резко возрос интерес к природным и пищевым анти-оксидантам, их возможным сочетаниям в различных продуктах, пищевых добавках, экстрактах, лечебных и витаминных препаратах. Это обстоятельство поставило задачу выявления ключевых кинетических характеристик антиокислительного действия и разработки удобных и надежных инструментальных методов их определения.

Наиболее общим и наглядным способом исследования эффективности антиокислительных добавок является изучение кинетических законо-

мерностей поглощения О2 или накопления гидро-пероксидов, первичных продуктов превращения субстрата, в ингибированном окислении модельных субстратов [1—4, 13—15]. В качестве модельных субстратов используют кумол [1, 16—18], этил-бензол [2, 17—20], стирол [2, 21—23], метилолеат [1, 2], метиллинолеат [2, 24—26], лимонен [27, 28], для которых известна кинетическая схема окисления, а также ключевые константы скорости реакций продолжения и квадратичного обрыва цепей. Для изучения водорастворимых ингибиторов в ряде работ в качестве модельной реакции использовали окисление спиртов или диоксана [29—33]. Однако оказалось, что спиртовые пероксильные радикалы обладают восстановительными свойствами в реакциях с аминильными и нитроксильными радикалами, что приводит к регенерации ингибитора и многократному обрыву цепей [33]. В работах [31,

32] показано, что при введении ароматических аминов в окисляющийся спирт вместо тушения хемилюминесценции (ХЛ), которое обычно сопровождает период индукции ингибированного окисления, наблюдается, напротив, усиление интенсивности ХЛ с последующим затуханием. Авторы объяснили этот эффект спецификой взаимодействия спиртовых и аминильных радикалов и дали количественное описание изменения ХЛ в ходе расходования ароматического амина. Необходимо отметить, что при окислении углеводородов эти эффекты не наблюдаются и добавки аминов приводят к тушению ХЛ [34].

Окисление углеводородов и липидов (ЯИ) развивается по цепному свободнорадикальному механизму, ключевыми стадиями которого являются инициирование, продолжение и обрыв цепи:

Схема 1

Инициирование радикалов: ЯИ ———> Я* + ИО2,

I ^ 21' _+№1 > 2Я*

+ О2

2ЯО2.

Продолжение цепей: Обрыв цепей:

яо2 + яи

ЯО2 + ЯО2

ЯООИ + Я'.

а1с + кй* + О2.

к

р

к

Здесь I', Я', ЯО 2 — свободные радикалы; I — инициатор; ЯООИ — гидропероксид, первичный продукт окисления. Концентрация ЯО2 в цепном процессе зависит от величин скоростей инициирования (Щ) и гибели радикалов. В случае квадратичной

гибели ЯО2 по реакции диспропорционирования квазистационарная концентрация ЯО2 равна

[ЯО2 ] = (щ/2к )1/2,

(1)

а скорость окисления описывается уравнением

Жо2 = ^ [ЯИ]^1/2-

2к,

(2)

яо2 + 1пИ яо2 + 1п'

1п* + 1п* -1п* + !п* -

Схема 2

ЯООИ + 1п\

-—> Молекулярные продукты, ^ Продукты, -> 1пН + Продукты.

Эти реакции приводят к уменьшению концентрации ЯО2 и скорости ингибированного окисления,

которая в простейшем случае, не осложненном побочными реакциями с участием ингибитора, равна

^ =

к„[ЯИ]^

_

(3)

В присутствии ингибиторов (1пИ) обрыв цепей увеличивается вследствие их участия в реакциях:

кпн/[1пИ]

где /— стехиометрический коэффициент ингибиро-вания, показывающий, сколько обрывов цепей приходится на одну молекулу ингибитора. Значения к1пН и/характеризуют антирадикальную активность ингибитора, т.е. его активность в реакциях с радикалами, а из уравнения (3) следует, что эти параметры количественно характеризуют способность ингибитора уменьшать скорость окисления.

В 1960-70-х годах в ИХФ РАН были выполнены основополагающие работы по созданию хемилюми-несцентных методов исследования химических реакций в жидкой фазе, создана оригинальная аппаратура для регистрации ХЛ и разработаны количественные ХЛ-методы исследования кинетики и механизма процессов окисления [20, 35—40]. Результаты исследований физической и химической природы ХЛ и возможностей ее применения для изучения физических и химических процессов обобщены в монографии [20]. Эта монография до сих пор является актуальным и востребованным популярным учебным пособием по применению ХЛ-методов для исследования кинетики и механиз-

к

ма процессов окисления в присутствии инициаторов, ингибиторов и катализаторов.

В данной работе рассмотрены возможности применения методов, основанных на измерении ХЛ, возникающей в экзотермических реакциях рекомбинации — для диспропорционирования перок-сильных радикалов, получения количественных характеристик ингибирующего действия как индивидуальных антиоксидантов разных классов, так и смесевых композиций антиоксидантов в различных системах: нефти, маслах, растительных экстрактах, пищевых продуктах, косметических и лекарственных препаратах и биологических жидкостях.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТ СКОРОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ РЕАКЦИЙ ОБРЫВА ЦЕПЕЙ В ПРОЦЕССАХ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ И ЛИПИДОВ ХЛ-МЕТОДАМИ

В процессах окисления углеводородов источником ХЛ является экзотермическая реакция ре-

комбинации пероксильных радикалов, протекающая через образование малоустойчивого промежуточного тетроксида:

яо2 + яо2 о яоооояи^

^ (1 - п*)Р + пР* + М + о2,

где М — молекула спирта, Р — кетон. В этой реакции рекомбинации двух пероксильных радикалов обычно выделяется 100—120 ккал/моль и возбуждается одна молекула продукта карбонильного соединения, которая и испускает квант света ХЛ. Скорость

этой реакции Щ= 2£([Яо2]2. Следовательно, интенсивность ХЛ пропорциональна квадрату концентрации пероксильных радикалов: ~ [Яо2]2. Коэффициент пропорциональности зависит от величины к, и факторов, характеризующих квантовые выходы возбуждения и излучения ХЛ, влияние ее тушителей и активаторов (см. Схему 3).

Механизм возникновения и тушения ХЛ в процессах окисления приведен ниже:

Схема 3

Процесс

Рекомбинация пероксильных радикалов с образованием невозбужденного кетона:

То же с образованием кетона в триплетном состоянии:

Хемилюминесценция:

Внутренняя дезактивация Р*:

Дезактивация Р* тушителями Q¡■:

Перенос энергии возбуждения на активатор А: Люминесценция активатора А* (активированная ХЛ): Внутренняя дезактивация А*: Дезактивация А* тушителями Q¡■:

Уравнение

2RO2* —Спирт(М) + Кетон(Р) + O2. 2RO2*__ > Спирт(М) + Кетон(Р*) + O2.

р*. —JJL_^ р + hv

р* dp у p

Р* + QI — P + Q..

_ возб _

P* + А -Па-> p + А*.

А* А ) А + hvA

А* ___> А.

А* + Q. —— А + Q..

Основная масса возбужденных кетонов излучает в области 400—500 нм. В ряде случаев при рекомбинации RO2 может возбуждаться и кислород. Но хО2 излучает в длинноволновой области, X ~ 700 нм [35, 38], которая обычно находится за пределами спектральной чувствительности ФЭУ — устройства, регистрирующего ХЛ.

При постоянной скорости инициирования свободных радикалов (W) хемилюминесценция

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.

Показать целиком