Калиниченко Евгений
Донецкий национальный університет
(Химия)
Изучение механизма реакции окисления водных растворов
гидрохинона молекулярным кислородом
В настоящее время последовательность реакций, составляющих единую цепь транспорта электронов от субстрата к кислороду, то есть дыхательную или окислительную цепь, изучена достаточно хорошо. Несмотря на то, что предложенная схема дыхательной цепи ферментов довольно подробно описывает механизм активации кислорода, но стадии взаимопревращения различных форм молекулы убихинона требуют более детального исследования. Моделью для изучения последовательности реакций, включающих пути превращения убихинона является окисление фенолов молекулярным кислородом в условиях близких к физиологическим. Изучение этой реакции позволит расшифровать механизм трансформации фенольных соединений и пути активации кислорода.
Фенольные соединения и их производные выполняют ряд важных функций в живых организмах. Они входят в систему антиоксидантной защиты (например, витамины группы Е, К), выполняют медиаторную (норадреналин, дофамин) и гормональную функции (адреналин), являются кофакторами многих ферментов (флавоноиды), принимая участие в окислительно-восстановительных превращениях и т.д.
Активные формы кислорода (супероксиданион-радикала (
), кислородцентрированных радикалов (
, 
), являются естественными продуктами метаболизма дыхательной цепи ферментов, однако из-за своей высокой химической активности они представляют существенную опасность практически для всех органических компонентов клетки, если их квазистационарные концентрации выходят за верхний или нижний предел нормы.
Активные формы кислорода (АФК) могут быть ответственны за развитие в живых организмах различных патологических процессов, которые обусловлены первичным повреждением мембран соответствующих клеток.
Соединения фенольного ряда являются эффективными ингибиторами цепных свободнорадикальных процессов, идущих в органической фазе [1]. В водных, а, особенно, в водно-щелочных средах, фенолы сами могут участвовать в процессах одноэлектронного переноса с образованием активных форм кислорода: супероксиданион-радикала (
), кислородцентрированных радикалов (, ), которые определяют интенсивность процессов пероксидации липидов в клетке, цитотоксическое и мутагенное действие [2,3].
В литературе имеется большое количество публикаций, посвященных окислительно-восстановительным реакциям фенольных антиоксидантов. Однако пояснение кинетических закономерностей окислительных реакций с участием фенольных соединений в водной среде основано, как правило, на теории радикально-цепных процессов окисления органических веществ в жидкой фазе. Очевидный недостаток такого подхода - слишком далекая экстраполяция, отсутствие гарантий того, что сами цепные процессы и механизмы их протекания в концентрированных органических растворах, сохраняются в том же виде и при переходе к очень разбавленным водным растворам. Кроме того, в водной среде необходимо учитывать процессы ионизации молекул фенолов, возникновение динамических равновесий между различными формами радикальных, ион-радикальных и ионных частиц, высокую вероятность реакций одноэлектронного переноса, практически повсеместное присутствие ионов металлов переменной валентности и др.
Одним из методов изучения окислительных превращений фенольных соединений является метод хемилюминесценции (ХЛ), поэтому использование этого метода может помочь в изучении окислительных трансформаций фенольных соединений. Известно, что при окислении индивидуальных фенолов наблюдается сверхслабая ХЛ, которая может быть обусловлена образованием синглетного кислорода или хинонов в электронно-возбужденном состоянии. До конца механизм возникновения ХЛ-свечения не установлен, не ясно также какова роль здесь радикальных реакций.
В связи с вышеизложенным, нами проводится изучение реакции окисления молекулярным кислородом водных растворов гидрохинона хемилюминесцентным методом с целью установления принципиального механизма данного процесса.
На первом этапе работы производился поиск экспериментальных подтверждений предполагаемому механизму окисления гидрохинона (ГХ) в водно-щелочных средах молекулярным кислородом, который приведен на схеме 1. Подтверждение с одной стороны, что эммитером ХЛ является п-бензохинон, и с другой стороны каким путем он образуется.
Ранее было установлено, что при ингибированном гидрохиноном жидкофазном окислении алкилбензолов наблюдается появление нового эммитера ХЛ, которым по мнению авторов являлся п-бензохинон [4]. Логично было предположить, что и при окислении гидрохинона в вводно-щелочных условиях может образовываться такой же хинон. Выполненные нами эксперементы показали, что при окислении гидрохинона имеет место ХЛ-свечение, кривые которого в карбонатной буферной среде имеют два хорошо выраженных максимума (рис.1, кр. 1). Можно предполагать, что в основе такого характера кривой ХЛ лежит ступенчатый механизм окисления гидрохинона, включающий реакции переноса электрона на п-бензохинон (п-БХ) через образование феноксильных радикалов (семихинонов).
Схема 1 Механизм окисления гидрохинона
Для уточнения механизма реакции окисления гидрохинона и получения дополнительной информации о влиянии п-БХ на кинетику реакции исследовано влияние последнего на окисление гидрохинона. Добавление п-БХ в систему приводит к изменению ХЛ-свечения. При введении его на первом максимуме интенсивности ХЛ не наблюдается значительных изменений качественного характера кривой ХЛ-свечения (на рисунке не показано). Добавка п-БХ в области второго максимума приводит к появлению третьего пика (рис.1, кр. 2). Установлено также, что при окислении п-БХ наблюдается слабое ХЛ-свечение, которому предшествует индукционный период (рис.1, кр. 3).
|
Рис. 1 Зависимость интенсивности ХЛ в реакции окисления ГХ (5·10-3 моль/л) молекулярным кислородом без добавок (1), при введении добавок п-БХ (2.5·10-3моль/л) (2); ХЛ-свечение п-БХ (5·10-3 моль/л) без добавок ГХ (3). Карбонатная буферная система, pH=9.2, Т=308К.
На втором этапе работы для выяснения природы эмиттера ХЛ-свечения был проведен спектральный анализ ХЛ-свечения. Для этого с использованием светофильтров были отсняты интенсивности ХЛ-свечения гидрохинона. При использовании светофильтров интенсивность свечения становиться несколько ниже, по сравнению с результатами без использования светофильтров. Необходимо отметить, что уменьшение интенсивности максимумов свечения зачастую происходило непропорционально относительно значениям интенсивностей без светофильтров.
На основании полученных со светофильтрами результатов был проведен анализ спектрального состава свечения, в результате которого в спектре обнаружено два рядом расположенных максимума ХЛ-излучения при 580 и 610 нм (рис. 2). Полученный спектр по-видимому обусловлен наличием в реакционной смеси двух разных эмиттеров. Также два пика ХЛ-свечения наблюдались при окислении биологически важных полифенолов и хинонов (пирокатехина, адреналина, адренохрома, п-БХ, пирогаллола, галловой кислоты, пурпурогаллина) молекулярным кислородом в щелочной среде [5,6].
Рис. 2 Спектральные характеристики ХЛ-свечения реакции окисления гидрохинона молекулярным кислородом в карбонатном буфере. pH 9.2, Т=308К.
Пик эмиттера п-БХ в органической фазе [4] соответствует 440 нм. Таким образом, наблюдается батохромный эффект при переходе из органической фазы в водную фазу.
 | |||
|
Выводы
1. В данной работе изучены закономерности ХЛ-свечения в реакции окисления гидрохинона молекулярным кислородом в карбонатной буферной системе (pH 9.2, Т=308К) и влияние добавок п-бензохинона на кинетику этого ХЛ-свечения;
2. Показано, что введение п-бензохинона на максимуме второго пика интегральной интенсивности ХЛ-кривых ведет к скачкообразному уменьшению интенсивности ХЛ с последующим ее увеличением и прохждением через максимум третьего пика;
3. Проведен спектральный анализ ХЛ-свечения при окисления гидрохинона и выявлено два максимума ХЛ-излучения при 580 и 610 нм. Полученный спектр может быть обусловлен наличием в реакционной смеси двух разных эмиттеров;
4. В дальнейшем планируется продолжать работу в том же направлении с целью расшифровки структуры эмиттеров и объяснения полученного колебательного характера ХЛ-кривых в реакции окисления гидрохинона молекулярным кислородом.
Литература
1. Рогинский В.А. Фенольные антиоксиданты. Реакционная способность и эффективность.-М.: Наука, 1988.-248 с.
2. Anandi Srinivasan, Hans-Joachim Lehmler, Larry W. Robertson, Gabriele Ludewig. Production of DNA Strank Breaks in Vitro and Reactive Oxygen Species in Vitro and in HL-60 Cells by PCB Metabolites// Toxicological Sciences, 60, 2001, p.92-102.
3. Nina Schweigert, Alexsander J. B. Zehnder, rik I.L.Eggen. Chemical properties of catechols and their molecular modes of toxic action in cells, from microorganisms to mammals// Environmental Microbiology, 2001, 3(2), 81-91.
4. Шендрик А.Н., Качурин И.О., Опейда И.А. Новый эмиттер хемилюминесценции в ингибированной гидрохиноном реакции окисления кумола // Теорет. и экспер. химия. – 1994. – Т. 30, № 2. – с. 103-107.
5. Slawinska Danuta. Chemiluminescence and the formation of the singlet oxygen in the oxidation of certain polyphenols and quinines. "Int. Conf. Singlet Oxygen and Relat. Species Chem. and Biol.", Pinawa, 1977. Abstrs. S.1., s. a., 5-9
6. Slawinska Danuta, Lichszteld Krzysztof, Michalska Teresa. Singlet Oxygen and chemiluminescence in autoxidation of pyrogallol. "Pol. J. Chem.", 1978, 52, №9, 1729-1741