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.