ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2004, том 38, № 2, с. 107-112
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 541.15+541.515+577.391
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ. II. СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЛИМОННОЙ И ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
© 2004 г. К. А. Коротченко, А. И. Приступа, В. А. Шарпатый
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук
119991, Москва, ул. Косыгина, 4
E-mail: vashar@sky.chph.ras.ru
Поступила в редакцию 29.01.2003 г.
Сопоставлением данных по накоплению в облучаемых нативных крахмалах лимонной и дикарбоно-вых (янтарная, яблочная, фумаровая, винная, малоновая) кислот, данных ЭПР (низкие температуры) и метода магнитного резонанса, детектируемого по изменению скорости или выхода продуктов реакции (комнатная температура, целлюлоза), определены последовательности элементарных актов (механизмы) превращений свободных радикалов в ангидроглюкозном цикле высокополимеров глюкозы вплоть до образования указанных кислот. Оценены временные интервалы появления радикалов при таких реакциях как дегидратация ф-элиминирование Н2О), оксигенация, изомеризация с разрывом связей С-С и С-О, перегруппировка связей С-Н: от (3-7) х 10-9 до (8-10) х 10-8 с.
Среди продуктов радиолиза нативных препаратов картофельного и кукурузного крахмалов (~12% влажность, у-облучение при комнатной температуре на воздухе, 40-1000 кГр) обнаружены лимонная, дикарбоновые (янтарная, яблочная, фумаровая, винная, малоновая), пировино-градная и глиоксиловая кислоты [1].
Представлялось интересным выяснить стадии (последовательность элементарных актов) и временные интервалы превращений свободных радикалов, участвующих в образовании кислот, и оценить возможности управления такими процессами. Все эти кислоты входят в набор одиннадцати карбоновых кислот так называемого глиокси-латного цикла Кребса - одного из составляющих метаболизма, совокупности биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Поэтому включение таких соединений в корма сельскохозяйственных животных на основе радиационной модификации полисахаридсодер-жащих отходов (пищевого и сельскохозяйственного производств) способствовало бы и повышению усвояемости кормов, и решению проблемы утилизации этих отходов с помощью относительно простой технологии у-облучения [2].
Эти кислоты были зарегистрированы при облучении нативных крахмалов, а не их растворов. Поскольку радиационная деструкция макромолекул протекает по свободнорадикальным механизмам [2], то в условиях облучения твердых образцов возникающие первичные радикалы должны превращаться преимущественно по реакциям мо-
номолекулярного распада. Перечисленные кислоты - соединения, содержащие 2-5 атомов углерода. Это указывает на то, что стадии образования конечного молекулярного продукта должен предшествовать разрыв связей С-С в ангидроглюкозном цикле (АГЦ) полисахарида. Такой процесс в у-облучаемых в присутствии О2 крахмалах реализуется в результате образования и превращений пе-роксидных радикалов [2]. Пероксидные радикалы в полисахаридах возникают в результате взаимодействия с О2 первичных алкильных и гидрокси-алкильных радикалов. В первом случае процесс разрыва связи С-С сопровождается появлением в АГЦ двух альдегидных групп, во втором - одной карбоксильной и одной альдегидной группы по схеме (1) [2, 3].
-СОН( ОО) -НСОН--► -С (=0) ОН- +
+ Н(О)СОН-(+НИ) СНО-(-Н2О + +. (1)
Процесс разрыва связей С-С в АГЦ происходит также и в результате превращений оксигени-рованных (пероксидных) вторичных (аллильных) радикалов по схеме (2) [2]:
-СН-С=О- -СН (ОО)-С=О—► —- -СНО + О-С=О--► -С=О + НООС (=О)-.
Образование карбоновых кислот с ненасыщенными связями и дезоксигруппами указывает на то, что по крайней мере одна из стадий во многостадийных превращениях соответствующих первич-
ных радикалов представляет собой дегидратацию радикала по механизму Р-элиминирования Н20 с образованием аллильного радикала [2].
Таким образом, состав (структура) карбоно-вых кислот свидетельствует о том, что в процессе их образования в АГЦ крахмалов возможно протекание реакций дегидратации, оксигенации и превращений радикалов с разрывом химических связей С-С. В ряде случаев в условиях низкотемпературного облучения полисахаридов и последующего их термоотжига эти процессы превращений свободных радикалов были зарегистрированы методом ЭПР [2]. Схемы превращений радикалов с образованием дикарбоновых и лимонной кислот в облучаемых крахмалах представлены в [3] и в свете полученных новых данных нуждаются в корректировке.
Задача настоящего исследования состояла в том, чтобы, проведя анализ спектров магнитного резонанса, детектируемого по изменению скорости или выхода продуктов реакции [4, 5], записываемых в условиях высокого временного разрешения при комнатной температуре и непосредственно при УФ-воздействии (в присутствии фотосенсибилизатора) на кристаллические образцы стереорегулярного полимера - целлюлозы, во-первых, выявить основные последовательности элементарных актов превращений свободных радикалов вплоть до образования молекулярных конечных продуктов и, во-вторых, соотнести результаты такого анализа с механизмами образования карбоновых кислот в облучаемых крахмалах.
Из рассматриваемых механизмов образования карбоновых кислот наиболее сложным ("громоздким") представляется механизм образования трехосновной лимонной кислоты. Завершающей стадией ее образования, как предполагается в [3], является химическая реакция нуклеофильного присоединения муравьиной кислоты к карбонильной группе кетодикарбоновой кислоты; (обе эти кислоты - продукты радиолиза крахмалов). В карбонильной группе электрофильность атомов С и О неодинакова: п-связь частично поляризована, и в кислой среде а-протон из НСООН атакует кислородный атом, карбоксил - углеродный атом карбонила. НСООН является одним из основных продуктов радиолиза крахмалов (выход достигает 80% общего начального выхода кислот). Коло-колообразный вид кривой дозной зависимости ее накопления указывает на участие в реакциях с другими продуктами радиолиза крахмала. Проанализируем возможность реализации этого процесса по свободнорадикальному механизму, опираясь на приведенные выше сведения о типичных для облучаемых полисахаридов реакциях и полагая, что в молекулах лимонной и дикарбоновых
кислот одна из карбоксильных групп образуется из фрагмента -О5-С1(-О'1)-.
В молекуле лимонной кислоты содержатся две дезоксигруппы (2-й и 4-й атомы углерода). Наиболее вероятным процессом их появления в молекуле (с учетом превращений в пределах АГЦ только одного радикала) представляется превращение первичного радикала С2, радикала отрыва гидроксила от 2-го углеродного атома, по механизму типа Р-элиминации Н2О, а именно: отщепление атома Н от 3-го углерода и ОИ - от 4-го (образуется аллильный радикал) с последующим перебросом Н из гидроксила у С3 на С4 (явление таутомерии); по С3 возникает кето-группа (схема 3).
Время появления радикалов отрыва ОН в АГЦ - (3-7) х 10-9 с, процесс дегидратации радикала с образованием аллильного радикала в АГЦ длится примерно (1-3) х 10-8 с [5]. Миграция двойной связи С3=С4 —С3=О3 (вследствие таутомерии), как показало компьютерное моделирование, может сопровождаться перегруппировкой связей Н-С1 и Н-С2 (переброс атома Н с С1 на С2 и миграция неспаренного электрона с С2 на С1). Этот процесс в АГЦ облучаемой целлюлозы длится не более (8-10) х 10-8 с. Образовавшийся гидроксиал-кильный радикал С1 изомеризуется с разрывом связи С5-О5 (раскрывается АГЦ) за время ~(5-8) х х 10-8 с. Возникающий при этом алкильный радикал С5 при взаимодействии с молекулярным кислородом (к ~ 2 х 1010 л моль-1 с-1) образует перок-сидный радикал и гидропероксидную группу по С5.
Превращение пероксида С5 в облучаемом крахмале включает перегруппировку с разрывом химических связей С5-С6 в АГЦ и О-О в перок-сидной группе. В результате в АГЦ возникает альдегидная группа -С5НО и гидратированная молекула формальдегида по С6. Последняя представляет собой идеальную "заготовку" как реагента-напарника для альдегидной группы -С5НО в реакции Канниццаро. Этот процесс (диспропор-ционирование) приводит к появлению метанола
(выход1 метанола в кукурузном крахмале О ~ 0.1, доза около 10 кГр [2]) и 3-кетоглутаровой кислоты. При взаимодействии ее с муравьиной кислотой, как отмечалось, образуется лимонная (с выходом до 33.5% суммарного выхода многоосновных кислот [3]).
1 Здесь и далее радиационно-химический выход приведен в молекулах на 100 эВ.
ОН
—(— НС—О / \ ИОСН НСОИ' \ОН ./ С—С
-ИОН
Н
Н
ОН
НС
НС /
\
С
НО
О \
НСОИ'
./
С \
Н
ОН
О
\
НС /
НСН
\ и/
ОН
СОИ'
ОН н-|-н
НС/
НСН \
¿С-
О
О
\
Н
С Н
СОИ'
ОН -Н
+О2, НЯ_ 4 + 5
Н
НСООН
Н
НСН СООИ'
Н Н/
/С_Н
ОН
ОН н-|-н
НСО + ОН /
+Н2О
СН3ОН + С00ИСИ2С(=0)СИ2С00И 3-Кетоглутаровая кислота
+НСООН
О \
НСОИ' . /
-С2 \ Н
+О2
О \
.СОИ' /
-СН2
ОН
ОН
-г О
ИО
V
\°Н г Л—сн
-5—ОО-
НСН
\ и/
С—с
' Н
СООИ'
+Н2О
О
С00Н
(3)
СОИ'
С00НСИ2С0НСН2С00Н Лимонная кислота (33.5%)
ОН
О
/ \
ИО^ СОЯ'
-СН2
-Н2О
'V.
ИО—^ СООИ' ^С\2
СН20НСН0 + ЯС0СН2СИ2С00К' Гликолевый Янтарная кислота альдегид (после гидролиза глико-зидных связей, 4.6%)
2
3
3
6
2
4
5
4
Таким образом, процесс превращения первичного алкильного радикала С2 вплоть до образования молекулы лимонной кислоты состоит из 6 стадий (последовательность шести элементарных актов) и эти стадии свободнорадикального процесса (без учета времени протекания химических реакций Канниццаро и нуклеофильного замещения, взаимодействие 3-кетоглутаровой и муравьиной кислот) продолжаются в пределах (3-7) х х 10-9 с —10-8 с. Подчеркнем, что последняя, шестая, стадия может представлять собой превращение не самого пероксида в условиях облучения образца, а предшественника пероксида - перок-сидного радикала С5 [6]. Это замечание относится также и к схемам (4) и (5).
Альтернативный процесс превращения первичного радикала С2 связан с образованием янтарной кислоты и включает 5 стадий. Последовательность элементарных актов такова: перегруппировка связей Н-С1 —► Н-С2 (неспаренный электрон на С1), изомеризация радикала
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.