ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 1, с. 68-72
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 544.43
КИНЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ МЕТИЛЛИНОЛЕАТА В МИЦЕЛЛАХ
© 2015 г. Е. М. Плисс1*, Д. В. Лошадкин2, А. М. Гробов1, Т. С. Кузнецова1, А. И. Русаков1
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова 2Ярославский государственный технический университет *Е-таИ: e.pliss@mail.ru Поступила в редакцию 20.10.2014
Представлены экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования радикально-цепного окисления метиллинолеата в мицеллах. Оценены константы скоростей реакций, входящих в изучаемую математическую модель. Проведен анализ соотношения скоростей линейного и квадратичного обрыва цепей. Показано, что значения константы скорости квадратичного обрыва в мицеллах ниже, чем в гомогенной фазе.
Ключевые слова: метиллинолеат, мицелла, Triton X-100, Кинетика-2012, компьютерное моделирование, биологический кислородный монитор, цепное окисление, соотношение линейного и квадратичного обрыва цепей.
DOI: 10.7868/S0207401X15010094
Для тестирования биологически важных анти-оксидантов используются мицеллярные системы [1]. Субстратом окисления в этом случае часто служит метиллинолеат (ЯИ), являющийся кинетической моделью перекисного окисления липидов.
Известно, что окисление в мицеллах [2], в отличие от гомогенных систем [3, 4], является гораздо более сложным процессом. Сложность заключается не только в том, что продолжение и обрыв цепей могут быть как внутри-, так и межмицеллярными процессами, но и в том, что цепи обрываются по смешанному механизму. То есть пероксидные радикалы, ведущие цепь окисления, принимают участие, как в квадратичном, так и в линейном обрыве. В то время как квадратичный обрыв хорошо изучен, механизм линейного обрыва до сих пор неясен, не измерены даже эффективные константы скорости процесса. Поэтому оценка констант скорости неингибирован-ного окисления и установление механизма линейного обрыва позволят адекватно определять параметры антиоксидантной активности ингибиторов в этой системе.
Процесс окисления ЯИ в мицеллах описывается следующей схемой [2, 3, 5]:
Инициирование ———> Я*,
Я* + O2 k ) RO2,
(i) (1)
RO2 + RH RO2 —
R' + ROOH,
Продукты,
2RO2
Продукты.
(2)
(3)
(4)
При окислении метиллинолеата в гомогенной фазе цепи обрываются квадратично, поэтому порядок по инициатору (n) в данной системе равен 0.5 [4]. Если обрыв цепей происходит линейно, то nj = 1. В случае окисления метиллино-леата в мицеллах обрыв происходит как линейно, так и квадратично (реакции (3) и (4) соответственно). Порядок по инициатору в зависимости от условий эксперимента находится в пределах 0.7—0.9 [2].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Окисление метиллинолеата проводили в водном фосфатном буфере с рН = 7.4 при 37°C. Кинетика поглощения кислорода при окислении метиллинолеата изучалась с помощью кислородного биологического монитора YSI Model 5300A (США). Моделирование осуществляли с использованием программы Кинетика-2012 [6].
В работе использовались реактивы фирмы "Sigma": водорастворимый инициатор 2,2'-азобис(2-метилпропионамид)дигидрохлорид (AAPH), ми-целлообразователь Triton X-100, RH. Фосфатный буфер является смесью 0.05 М растворов NaH2PO4
КИНЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ
69
и Na2HPO4 фирмы "Merck", очищенных от следов металлов переменной валентности с помощью смолы Chelex-100 фирмы "Bio-Rad".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Типичные кинетические кривые окисления метиллинолеата представлены на рис. 1. Из таких кривых рассчитывалась скорость окисления. Для каждого значения скорости инициирования проводилась серия экспериментов и на основании массива полученных результатов строилась зависимость, представленная на рис. 2.
Для определения порядка по инициатору зависимость скорости инициирования от скорости окисления (табл. 1, рис. 2) преобразовали в двойных логарифмических координатах (табл. 2, рис. 3). Рассчитанный из тангенса угла наклона (рис. 3) порядок по инициатору равен 0.72. Это в целом согласуется с литературными данными [2]. Из полученного значения üj видно, что в системе одновременно присутствует как квадратичный, так и линейный обрыв. Проведем компьютерное моделирование на основе некоторых известных значений констант скоростей.
В литературе приводятся следующие значения констант скорости для интересующих нас реакций: k = 1.07 • 10-6 с-1 [8]; значение к1 в гомогенных системах точно неизвестно возможно, оно близко к 109 л/(моль • с), как и для других органических радикалов [9, 10]; в водных растворах к1 = = 3 • 108 л/(моль • с) [11]; к2 = 70 л/(моль • с) [12]; для 2к4 известно значение в гомогенной системе, равное 2.7 • 106 л/(моль • с) [13].
На настоящий момент в литературе не описан конкретный механизм линейного обрыва. Соответственно, не приводятся значения константы скорости для данной реакции. В связи с этим для ее оценки (реакция (3)) проведены компьютерное моделирование и сравнение полученных результатов с экспериментом (табл. 3, рис. 2).
Из рис. 2 видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами моделирования. Однако для константы скорости квадратичного обрыва наблюдается расхождение с литературным значением. Поэтому следует провести оценку и других констант скоростей реакций, входящих в модель.
Поскольку в литературе приводятся разные значения к1, то была проведена оценка влияния данной величины на изучаемую математическую модель (табл. 4). Рассчитанный из данных табл. 4 порядок по инициатору равен 0.7-0.71. Видно, что варьирование к1 в диапазоне от 106 до 109 л/(моль • с) практически не оказывает влияния на изменение скорости окисления.
-A[O2] ■ 104, моль/л
Рис. 1. Кинетические кривые поглощения кислорода в присутствии 0.02 М ИИ: 1 - Щ = 4.28 • 10-10 моль/(л • с), 2 - Щ = 1.07 • 10-9 моль/(л • с), 3 - Щ = 4.28 • 10-9 моль/ (л • с).
Расчет термодинамики взаимодействия ал-кильного радикала с кислородом показывает, что эта реакция может быть обратима [3, 14, 15]. Однако значения констант скорости обратной реакции точно неизвестны. Для оценки влияния этой реакции на процесс окисления вновь прибегнем к компьютерному моделированию (табл. 5).
Из полученных данных видно, что варьирование к_1 от 0 до 100 л/(моль • с) не влияет на изменение скорости окисления. Выбор данного диапазона позволял сохранять в системе отличие более чем на порядок в значениях концентраций пероксид-
ных и алкильных радикалов ([ЯО2] ^ [И*]).
Из приведенных выше результатов можно сделать некоторые заключения. Значение к4 в мицелле, полученное путем моделирования, оказалось почти на два порядка ниже, чем таковое в гомо-
Таблица 1. Зависимость скорости окисления метиллинолеата от скорости инициирования
W • 109, моль/(л • с) WOi • 107, моль/(л • с)
0.43 1.66
0.75 2.40
1.07 3.05
2.14 5.00
4.28 8.73
Примечание: [RH] = 0.02 моль/л, [Triton X-100] = 0.05 моль/л, [O2] = 2 • 10-4 моль/л [7].
70
ПЛИСС и др.
Wq2 ■ 107, моль/(л ■ с)
W ■ 109, моль/(л ■ с)
Рис. 2. Зависимость скорости окисления RH от скорости инициирования: ■ — экспериментальные данные, О — результаты моделирования. Условия эксперимента: [RH] = 0.02 моль/л, [Triton X-100] = 0.05 моль/л, [O2] = 2 • 10-4 моль/л [7]. Параметры моделирования представлены в табл. 3.
ln(W) -22
-21
-20
19
-13.7
14.2
14.7
15.2
15.7
ln(Wo2)
Рис. 3. Зависимость скорости окисления ЯИ от скорости инициирования в двойных логарифмических координатах.
9
6
3
0
2
4
генной фазе. С точки зрения формальной кинетики, это можно объяснить следующим образом. В исследуемой модели процесс торможения
Таблица 2. Зависимость скорости окисления метиллинолеата от скорости инициирования в двойных логарифмических координатах
ln(W) ln(^o2 )
-21.57 -15.61
-21.01 -15.24
-20.66 -15.00
-19.96 -14.51
-19.27 -13.95
Таблица 3. Результаты кинетического компьютерного моделирования экспериментальных данных, представленных в табл. 1
W • 109, мольДл-с) WOi • 107, моль/(л • с)
эксперимент моделирование
0.43 1.66 1.61
0.75 2.40 2.51
1.07 3.05 3.30
2.14 5.00 5.35
4.28 8.73 8.40
Примечание. Параметры моделирования: кi = 1.07 • 10 6 с 1, ki = 1.0 • 109 л/(моль • с), к2 = 70 л/(моль • с), кз = 3.0 • ■ 10 " 3с-1, к4= 3.0 • 103 л/(моль • с), [RH] = 0.02 моль/л, [O2] = 2 • 10-4 моль/л [7].
окисления метиллинолеата рассматривается как совокупность скоростей квадратичного и линейного обрыва цепей (W3 + W4). Поэтому, чтобы обеспечить одинаковую скорость торможения, скорость реакции (4) должна быть ниже, чем в случае чисто квадратичного обрыва. Подобное различие выглядит разумным, поскольку перок-сидные радикалы, принимающие участие в квадратичном обрыве цепей, могут находиться как в одной, так и в разных мицеллах.
В статье [13] также приводится объяснение подобных различий. Снижение примерно в 100 раз значения константы скорости квадратичного обрыва для метиллинолеата при окислении в бисло-ях дилинолеилфосфоцидинхолина по сравнению с гомогенной системой авторы объясняют тем, что обрыв цепей в бислоях происходит в области повышенной полярности.
Так как механизм линейного обрыва не установлен, следует предположить, что данная реакция не является элементарной. Низкая константа скорости линейного обрыва может быть обусловлена двумя причинами:
1) не учитывается образование некоего комплекса с мицеллообразователем (Тритон Х-100);
2) возможна диссоциация пероксидного радикала по реакции RO2 ^ HO2 + Продукты [2, 3].
Особое внимание следует уделить величине к2. Отметим, что в литературе приведены различные значения к2 [12]. Поэтому проанализируем, как с этими значениями связаны значения к3 и к4. Результаты анализа приведены в табл. 6. Из этой таблицы видно, что при изменении к2 величины
КИНЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКИСЛЕНИЯ
71
Таблица 4. Значения скорости окисления метиллинолеата, полученные с помощью компьютерного моделирования на основе схемы, приведенной в тексте
W • 109, моль/(л • с) W0l • 107, моль/(л • с)
kx = 1.0 • 106 kl = 1.0 • 107 kx = 1.0 • 108 kx = 1.0 • 109
л/(моль • с) л/(моль • с) л/
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.