РАДИАЦИОННАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ
УДК 541.15+544.18:547.475.2
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДАМИ РАДИАЦИОННОЙ И КВАНТОВОЙ ХИМИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ С а-ГИДРОКСИЭТИЛЬНЫМИ РАДИКАЛАМИ
© 2011 г. С. Д. Бринкевич, О. И. Шадыро
Беларусь, Белорусский государственный университет 220030, Минск, просп. Независимости, 4 E-mail: shadyro@open.by Поступила в редакцию 15.07.2010 г.
Методом стационарного радиолиза изучено влияние аскорбиновой кислоты и специально синтезированного ее аналога, который не содержит подвижных атомов водорода — 5,6-О-изопропилидил-2,3-О-диметиласкорбиновой кислоты (I) — на образование основных продуктов радиолиза деаэрированного этанола и его водных растворов. Ab initio методами рассчитаны потенциалы ионизации (IP), энергии молекулярных орбиталей энтальпии гомолитической диссоциации С—Н- и О—Н-свя-зей (BDE) и энтальпии присоединения Н-атома по С=О-группам (HAE) тестируемых соединений. Совокупность экспериментальных и расчетно-теоретических данных свидетельствует о способности аскорбиновой кислоты в недиссоциированной форме и соединения I окислять а-гидрокси-этильные радикалы, в то время как моноанион аскорбиновой кислоты выступает восстановителем в реакциях с данными радикальными интермедиатами. Восстановление моноаниом аскорбиновой кислоты а-гидроксиэтильных радикалов в водных растворах может протекать как по механизму переноса атома водорода, так и по механизму передачи электрона.
Аскорбиновая кислота (АК) — жизненно необходимое для функционирования организма человека соединение. Она выступает коферментом по меньшей мере восьми гидроксилаз и монооксигеназ, вовлеченных в синтез коллагена, карнитина, серотони-на, адреналина, катаболизм холестерина в желчные кислоты и детоксикацию ксенобиотиков [1]. Многие из этих процессов протекают по свободнорадикаль-ному механизму, а в качестве субстратов или продуктов реакции выступают гидроксилсодержащие органические вещества. За счет способности акцептировать радикальные продукты радиолиза воды, а также восстанавливать активные формы кислорода (АФК) и радикалы токоферола АК эффективно подавляет перекисное окисление липидов [2], обладает радиопротекторным эффектом [3]. В тоже время имеются лишь единичные публикации, посвященные влиянию АК на свободнорадикальные превращения водорастворимых субстратов.
В наших работах [4—9] развивается концепция, согласно которой реакции свободнорадикальной фрагментации гидроксилсодержащих органических соединений играют важную роль в формировании радиационно- и АФК-индуцированных повреждений биосистем. Эти процессы протекают через стадию образования а-гидроксилсодержащих углерод-центрированных радикалов (а-ГУР) и приводят к
деструкции и модификации углеводов [4], аминокислот и пептидов [5], липидов [6]. Показано, что хи-ноны [7], флавоноиды [8] и витамины группы B [9] эффективно подавляют процессы фрагментации гид-роксилсодержащих органических соединений за счет окисления а-ГУЕ В структуре АК есть карбонильная группа, сопряженная с двойной С=С-связью. Наличие такого структурного фрагмента в хинонах и фла-воноидах во многом определяет их реакционную способность по отношению к а-ГУЕ Для оценки роли данного фрагмента АК в реакциях с а-ГУР по методике [10] была синтезирована 5,6-О-изопропилидил-2,3-О-диметиласкорбиновая кислота (I).
В настоящей работе методами стационарного радиолиза и ab initio расчета изучено взаимодействие АК и соединения I с простейшими представителями а-ГУР — а-гидроксиэтильными радикалами (а-ГЭР), образующимися при радиолизе деаэрированного этанола и его водных растворов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Использовали без предварительной очистки следующие вещества: L-аскорбиновую кислоту, (+/—)-мезо-2,3-бутандиол, ацетальдегид фирмы "Sigma-Aldrich", калия дигидрофосфат, натрия гидрофосфат и хлорную кислоту фирмы "Aplichem".
Этанол-ректификат (96 об. %) очищали сорбцией на цеолите марки "Wolfen Zeosorb LA" с последующей двукратной перегонкой.
OH
HO'
O
HO OH
Аскорбиновая кислота (АК)
HsC^O
H3C O
Н3СО осн3 5,6-О-изопропилидил-2,3-О-диметиласкорбиновая кислота (I)
Для приготовления деаэрированных растворов тестируемых веществ в этаноле их продували аргоном высокой степени чистоты (99.9%) в пикнометрах, после чего объем доводили до метки деаэрированным растворителем, раствор перемешивали, разливали в предварительно продутые аргоном ампулы и запаивали. Для приготовления водных растворов с рН 7 точные навески тестируемых соединений растворяли в растворе с фосфатным буфером КН2РО4/Ыа2НРО4 [11]. рН водных растворов доводили до значений 3 ± ±0.1 добавлением необходимых количеств хлорной кислоты. После приготовления растворы разливали по ампулам, продували аргоном в течение 60 мин, после чего запаивали. Облучение проводили на уста-
новке MPX-y-25M с источником 60Со. Мощность поглощенной дозы составляла 0.50 ± 0.008 Гр/с, интервал поглощенных доз — 0.15—1.20 кГр. Определение концентрации продуктов радиолиза и исходных веществ, а также расчет радиационно-химических выходов проводили, как описано в [12].
Вычисление энтальпии гемолитической диссоциации С-Н- и О-Н-связей при 298 К (BDE), энтальпии присоединения Н-атома по С=О-группам в структурах тестируемых соединений при 298 К (HAE), потенциала ионизации (IP) и энергии молекулярных орбиталей проводили по методике [13] с использованием программы Fire Fly версии 7.1 [14], основанной на квантово-химическом пакете PC GAMESS(US) [15]. Квантово-химические параметры рассчитывались для конформеров, обладающих минимумом энергии в газовой фазе. Первичную оптимизацию координат атомов исследовавшихся структур проводили полуэмпирическим методом AM1. В дальнейшем геометрии и частоты нормальных колебаний для соединений и их радикалов были рассчитаны в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием базиса (RO)B3LYP/6-31G(d). Для оптимизированных геометрий энтальпии образования соединений при 0 К были рассчитаны на (RO)B3LYP/6-311++G(2d,2p) уровне DFT
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
а-Гидроксиэтильный радикал — основной радикальной продукт радиолиза этанола, его образование происходит по следующей схеме [16]:
CH3CH2OH -J^. CH3CH2OHß ( |1з( ||2()|1. CH3CH2OHß + CH3CHOH. (1)
В отсутствие добавок а-ГЭР с примерно равной вероятностью расходуются в бимолекулярных реакциях рекомбинации (2) и диспропорционирования (3) с образованием соответственно бутандиола-2,3 (БД) и ацетальдегида (АА):
2CH3CHOH
CH3CH(OH)CH(OH)CH3, (2) CH3CHO + CH3CH2OH. (3)
значениями для этанола [17, 18], поэтому взаимодействие рассматриваемых продуктов радиолиза воды с добавками практически исключено. Следовательно, в условиях эксперимента «ОН и «Н будут практически полностью расходоваться на образование а-ГЭР, т.е. имеют место следующие реакции:
H2O
H- + eglv + •OH + H3Ö
ß
При радиолизе разбавленных водных растворов этанола свободнорадикальные превращения С2Н5ОН инициируются радикальными продуктами радиолиза воды, в первую очередь «ОН- и «Н-ча-стицами.
В работе исследовали радиолиз водных растворов с концентрацией этанола на три порядка превышающей концентрации добавок. Константы скорости взаимодействия «ОН- и «Н-радикалов с АК и соединением I сопоставимы с аналогичными
CH3CH2OH
•OH (H) t
-H2O (-H2)
CH3CHOH.
(4)
(5)
Образование гидратированного электрона при радиолизе деаэрированных водных растворов этанола может приводить к снижению радиационно-хи-мических выходов АА и разложению других соединений, содержащих электроноакцепторные группы. Данный эффект легко нивелируется при понижении значения рН раствора до значений порядка 3, когда
Y
Таблица 1. Влияние аскорбиновой и 5,6-О-изопропилидил-2,3-О-диметиласкорбиновой кислот на радиацион-но-химические выходы продуктов радиолиза деаэрированного этанола и его водных растворов
Добавки, 3 с = 10 3 моль/л Радиационно-химический выход (G), молекула/100 эВ
ацетальдегид 2,3-бутандиол разложение добавки
Без добавок АК (I) Деаэрирова! 1.94 ± 0.17 2.37 ± 0.14 2.65 ± 0.20 ный этанол 2.05 ± 0.09 0.55 ± 0.15 0.88 ± 0.11 -0.48 ± 0.11 -0.99 ± 0.13
Деаэрирс Без добавок АК (I) >ванный водный раствор эта 0.18 ± 0.04 0.54 ± 0.08 1.82 ± 0.09 нола с концентрацией 1 мол 1.93 ± 0.15 0.05 ± 0.01 0.34 ± 0.01 ь/л, рН 7 -1.15 ± 0.21 -2.24 ± 0.05
Деаэриро Без добавок АК ванный водный раствор эта 1.95 ± 0.28 2.32 ± 0.14 нола с концентрацией 1 мол 2.06 ± 0.19 0.19 ± 0.09 ь/л, рН 3 -1.03 ± 0.13
e-q в результате взаимодействия с Н3О+ трансформируется в Н-атом.
Полученные значения выходов основных продуктов радиолиза этанола и его водных растворов в присутствии АК и производного I представлены в табл. 1. Соединение I не имеет подвижных атомов водорода и, следовательно, a priori не способно выступать восстановителем в реакциях с а-ГЭР. В тоже время за счет наличия карбонильной группы, сопряженной с С=С-связью, оно потенциально может окислять и присоединять а-ГЭР Наблюдаемые выходы разложения АК и соединения I при радиолизе в этаноле и водно-этанольных растворах были существенно ниже, чем радиационно-химические
выходы а-ГЭР [16], что указывает на малую вероятность присоединения а-ГЭР по С=С-связи в структуре тестируемых веществ.
При радиолизе этанола и его водного 1 М раствора при pH 3 в присутствии АК наблюдается увеличение радиационно-химических выходов АА и одновременное уменьшение выходов БД. Аналогичное изменение соотношения радиационно-хи-мических выходов основных продуктов радиолиза нами наблюдалось при радиолизе соединения I в деаэрированном этаноле и его водных растворах. Это свидетельствует о способности АК окислять а-ГЭР по следующей реакции:
Поскольку наблюдаются невысокие выходы разложения добавки, а выход АА не увеличивается пропорционально уменьшению выхода БД, воз-
можна реализация реакции, приводящей одновременно к подавлению образования БД и регенерации тестируемых соединений, например :
Таблица 2. Энергии молекулярных орбиталей аскорбиновой кислоты, ее моноаниона и 5,6-О-изопропи-лидил-2,3-О-диметиласкорбиновой кислоты
Соединения Энергия молекулярных орбиталей, эВ
верхняя занятая нижняя свободная
АК -7.13 -1.56
Моноанион АК -1.70 +2.6
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.