научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЖИДКОФАЗНОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕНАСЫЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПОВЕДЕНИЕ АНТИОКСИДАНТОВ КЛАССА ГИДРИРОВАННЫХ ХИНОЛИНОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЖИДКОФАЗНОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕНАСЫЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПОВЕДЕНИЕ АНТИОКСИДАНТОВ КЛАССА ГИДРИРОВАННЫХ ХИНОЛИНОВ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 213-220

УДК 541.1283:542924:547535-39

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЖИДКОФАЗИОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕНАСЫЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПОВЕДЕНИЕ АНТИОКСИДАНТОВ КЛАССА ГИДРИРОВАННЫХ ХИНОЛИНОВ

© 2007 г. Д. Ä. Круговое1, В. Г. Кондратович, О. Т. Касаикина

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва Химический факультет МГУ им. Ломоносова, Москва E-mail: kasaikina@chph.ras.ru Поступила в редакцию 26.08.2006 г.

Исследовано ингибирующее действие гидрокси- и алкоксизамещенных 2,2,4-триметил-1,2,3,4-тет-рагидрохинов (ГХ) при окислении ненасыщенных соединений на примере R(+) лимонена в условиях автоокисления и окисления, катализированного катионными поверхностно-активными веществами (ПАВ) и соединениями переходных металлов. Установлено, что ГХ проявляют высокую антиокислительную активность в условиях автоокисления лимонена. При окислении, катализированном катионными ПАВ, и в случае катализа ацетилацетонатами Fe(III), Co(II) и Mn(II) ГХ также демонстрируют относительно высокую антиокислительную активность, но помимо реакций с пероксильными радикалами в присутствии перечисленных катализаторов ГХ дополнительно взаимодействуют с гидропероксидами. В присутствии соединений Cu(II) добавки ГХ заметно ускоряют процесс окисления. Установлено, что ГХ образуют с Cu(II) комплексы, которые катализируют распад гидроперок-сидов на свободные радикалы.

Производные гидрированных 2,2,4-триметил-замещенных хинолинов (ГХ) проявляют высокую антирадикальную и антиокислительную активность при окислении парафиновых, алкиларома-тических и полиеновых углеводородов [1-3]. Низкая токсичность ингибиторов этого ряда позволяет использовать их даже в качестве стабилизаторов пищевых кормов, рыбной муки и других продуктов [4, 5].

Ранее было показано [1], что заместители в ароматическом кольце, а также степень гидрирования гетероцикла оказывают существенное влияние на антирадикальную и антиокислительную активность ГХ. Наиболее сильными антиокси-дантами являются ГХ, гидроксизамещенные в положениях 6 и 8, а также алкоксизамещенные в положении 6. Тетрагидрохинолины, как правило, более эффективны как антиоксиданты, по сравнению с дигидроаналогами, и не теряют свою ин-гибирующую активность в широком диапазоне температур.

В данной работе изучено поведение гидрокси-и алкоксизамещенных в ароматическом кольце производных ГХ, которые проявили наиболее высокую ингибирующую активность [1], в условиях автоокисления ненасыщенных углеводородов и в присутствии катализаторов.

В качестве модельной системы исследовали окисление Я(+)лимонена (1-метил-4-изопропе-нил-1-циклогексен), природного олефина терпе-нового ряда, содержащего в своем составе две двойные связи. Жидкофазное окисление лимонена развивается по радикально-цепному механизму [6, 7]. По кинетическим параметрам окисляе-мости лимонен близок к некоторым виниловым мономерам [8] и растительным маслам [9], что позволяет рассматривать окисление лимонена как модельную реакцию для широкого круга ненасыщенных углеводородов и масел.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

6-Этокси-2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагидрохино-лин (I), 6-гидрокси-2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагид-рохинолин (II), 8-гидрокси-2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагидрохинолин (III) и 8-метокси-2,2,4-триме-тил-1,2,3,4-тетрагидрохинолин (IV) синтезированы в ИОХ РАН.

4-Фенилзамещенные 2,2,4-триметил-1,2,3,4-тетрагидрохинолины V-VIII синтезированы в Воронежском Государственном Университете согласно [10].

H.

Cl

N

H (V)

H.

Br

N

H

(VI)

H

OCH3

N

[

H

(VII)

H

C2H5

N

1

H

(VIII)

R(+)-лимoнeн (Ш) (Aldrich) очищали методом колоночной хроматографии с использованием А1203 (Пика, рН = 9.5; ё = 0.05-0.15 мм), затем перегоняли под вакуумом в токе азота. Хлорбензол (ч. д. а.) выдерживали над безводным оксидом алюминия и дважды перегоняли.

Катионные поверхностно-активные вещества производства Иика: хлорид цетилтриметиламмо-ния (СТАС1), бромид цетилтриметиламмония (СТАВг), гидросульфат цетилтриметиламмония (СТАН804), бромид дицетилдиметиламмония (БСБМЛВг), бромид цетилпиридиния (СРВг), хлорид ацетилхолина (АсС1) перед употреблением дополнительно сушили в вакууме.

Ацетилацетонаты Си(11), Ре(Ш), Со(11) и Мп(11), а также а-токоферол (Aldrich) использовали без дополнительной очистки.

Окисление лимонена проводили при 60°С в стеклянном термостатируемом реакционном сосуде (V = 4 мл) с магнитной мешалкой, соединенном с газометрической установкой, позволяющей контролировать скорость поглощения кислорода. Концентрацию гидропероксидов определяли иодометрическим титрованием.

Для записи спектров ЭПР промежуточных продуктов превращения ГХ инициированное аз-

обисизобутиронитрилом (АИБН) окисление лимонена с добавкой ГХ проводили непосредственно в термостатируемой при 60°С ампуле прибора BRUKER EPR.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кинетические кривые поглощения О2 при автоокислении лимонена (Ш) (рис. 1) показывают, что Ш относительно легко окисляется молекулярным кислородом. Сопоставление концентраций гидропероксидов ^00Н) в начале и в конце опытов показывает, что Ш в условиях автоокисления практически селективно окисляется в L00H, и имеет место равенство:

^00Н](0 = ^00Н]о + ДОад. (1)

Добавки ГХ приводят к четко выраженным периодам индукции, по окончании которых процесс поглощения О2 возобновляется практически с той же скоростью, что и до введения ингибитора. Это означает, что продукты превращения ГХ не влияют на скорость окисления (Ж0 ) и не мешают измерению скорости инициирования радикалов (Щ), которую можно рассчитать по формуле:

Щ = (/РпН]о)/х. (2)

В этой формуле f — стехиометрический коэффициент обрыва цепей, [InH] о — начальная концентрация ингибитора в реакционной смеси. Специальными опытами установлено, что при одинаковых начальных условиях ([LH]0, [LOOH]0, [InH]0) периоды индукции при добавках ГХ равны периодам индукции, обусловленных добавками а-токоферола и димера 2,2'-бис-[2-(п-диметил-аминофенил)индан-1,3-диона], для которых f = 2 в окисляющемся лимонене [7]. Это означает, что и для ГХ f = 2.

Скорость поглощения кислорода (WO ) в процессе окисления лимонена пропорциональна (W)Q5, что свидетельствует о квадратичном обрыве цепей; WO описывается известным уравнением (3) теории жидкофазного окисления [11, 12] углеводородов:

Wo2 = WROOH = ^p/(2^t)a5[RH](W)0'5, (3)

где kp — эффективная константа скорости продолжения цепи, kt — эффективная константа скорости обрыва цепи. Величина кинетического параметра а = kp/(2kt)0-5, характеризующего окисляемость

LH равна: a = (0.7 ± 0.05) (л/(моль с))05 в чистом действии III с RO2 образуется относительно ста-

20

40

60

80 100 t, мин

Рис. 1. Кинетические кривые поглощения О2 при автоокислении лимонена при различных температурах (°С): 1 - 60, 2 - 70, 3 - 80. Стрелки показывают момент введения добавок ингибитора: 1 - 0.1 мМ III (а); 2 - 0.23 мМ I, 3 - 0,46мМ III.

лимонене при 60°С и а = 1.1 х 104 х ехр {(-38100 ± ± 840)/ЯТ}(л/(моль с))05 в 1М растворе ЬИ в хлорбензоле [6].

В работах [13, 14] было установлено, что местом первичной атаки пероксильным радикалом ГХ III, имеющего гидроксильный заместитель в положении 8, в условиях инициированного азоби-сизобутиронитрилом (АИБН) окисления этилбен-зола является гидроксильная группа. При взаимо-

бильный феноксильный радикал III', время жизни которого в углеводородном растворе в отсутствие инициаторов радикалов измеряется часами. Но с пероксильными радикалами феноксильный радикал III' реагирует активно. Атака пероксирадика-ла направлена в положение 5 ароматического цикла. В результате образуется 5,8-хинон, в котором сохраняется группа >КИ (схема 1).

OH

<10 l/mol s

C-C Димер Схема 1.

RO

2

В отсутствие гидроксильных заместителей пути превращения алкил- и алкоксизамещенных ГХ при умеренных температурах описываются, в основном, схемой 2, согласно которой основными продуктами превращения радикального

окисления незамещенных в положении 6 ГХ являются хинон-имин ^1) и хинон-нитрон ^К), который получается в результате взаимодействия пероксильного и нитроксильного радикалов [1-3]:

>NOR

>/ \R'

>N-C< >N-R

Схема 2.

RO

На рис. 2 представлены спектры ЭПР реакционной смеси при инициированном АИБН окислении лимонена с добавкой III (а) и I (б), записанные непосредственно в термостатированной ампуле ЭПР спектрометра. Видно, что спектры сильно различаются. В случае III промежуточным продуктом окислительного превращения является феноксильный радикал, СТС которого (aN = 5.0 G , aH = 5.3; 2.1; 4.9; 1.7 G [13]) не проявляется в присутствии О2. Стационарная концентрация феноксиль-ного радикала в условиях инициированного окисления достигается практически сразу, не зависит от скорости инициирования и пропорциональна начальной концентрации III (концентрацию III* измеряли относительно калибровочного стандарта). Согласно теории [15], для феноксильных радикалов, образование и гибель которых происходит в реакциях:

InH + LO* — In* + LOOH (i)

In* + LO* —► продукты (ii)

стационарная концентрация не зависит от скорости инициирования и описывается простым уравнением (4):

[In*] = k[InH]/k„ (4)

Уравнение (4) позволяет оценить величину константы скорости взаимодействия III* с пероксиль-ными радикалами. Так, при [III]0 = 5.2 х 10-4 M максимальная концентрация [III*] = 7 х 10-7 M, и если принять, что величина к = 2.5 х 106 (М с)-1 [1], то получаем ки = 1.9 х 109 (М с)-1. Это значение близко к диффузионному пределу для констант скоростей бимолекулярных реакций в углеводородах и на порядок выше известных в литературе значений к ü для феноксильных радикалов, которые изменяются в весьма узких пределах и часто принимаются равными 3 х 108 (М с)-1 [15]. Следует отметить, что последняя величина характерна для реакций (ii) алкилзамещенных феноксилов, в которых образуются хинолидные пероксиды [15],

тогда как в реакции III' с RO2 конечным продуктом является хинон (схема 1).

х 10 10

3330 3340 3350 3360 3370 3380 3390 3400

3330 3340 3350 3360 3370 3380 3390 3400 F2:[G]

Рис. 2. Спектры ЭПР реакционной смеси в ходе инициированного АИБН окисления лимонена с добавкой III (а) и I (б); [АИБН] = 1 х 10-2 М

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