Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 9
1.1. Ингибиторы цепного окисления. Классификация ингибиторов по механизму антиокислительного действия 9
1.2. Антирадикальная и антиокислительная активность ингибиторов..12
1.3. Константа скорости ингибирования 13
1.4. Механизм жидкофазного окисления углеводородов разных классов 20
1.5. Инициирование радикально-цепного окисления органических соединений 27
1.6. Эффективность ингибитора 30
1.6.1. Прочность связи 30
1.6.2. Стабильность образующегося радикала 33
1.6.3. Кинетические эффекты растворителя 33
1.7. Методы измерения константы скорости ингибирования 38
1.7.1. Электронно-парамагнитный резонанс 38
1.7.2. Лазерный импульсный фотолиз 39
1.7.3. Метод хемилюминесценции 40
1.7.4. Манометрический метод 41
1.8. Урацилы и их роль в ингибировании процесса окисления 42
1.9. Таутомерия урацилов 47
1.10. Окисление урацилов 48
1.11. Механизм взаимодействия урацилов с пероксидными радикалами
Глава II. Экспериментальная часть 55
2.1. Очистка растворителей и реагентов 55
2.2. Методы анализа 58
2.2.1. Спектрофотометрический метод 58
2.2.2. Йодометрический метод 58
2.2.3. Тонкослойная хроматография 59
2.2.4. Колоночная хроматография 59
2.2.5. ЯМР-спектроскопия 59
2.2.6. Масс-спектроскопия 59
2.2.7. Высокоэффективная жидкостная хроматография 60
2.3. Методы проведения эксперимента 60
2.3.1. Манометрический метод 60
2.3.2. Кинетика расходования урацилов 63
2.3.3. Определение экстинкции урацилов. 64
2.3.4. Выделение и идентификация продуктов окисления 65
2.3.5. Квантово-химические расчеты 66
Глава III. Обсуждение результатов 67
3.1. Ингибирующее влияние 5-амино-6-метилурацила на радикально цепное окисление 1,4-диоксана 67
3.1.1. Изучение кинетики ингибированного 5-амино-6 метилурацилом окисления 1,4-диоксана по скорости поглощения кислорода
3.1.2. Ингибирующее влияние 5-амино-3,6-диметилурацила на радикально-цепное окисление 1,4-диоксана 77
3.1.3. Ингибирующее влияние 5-амино-1,3,6-триметилурацила на радикально-цепное окисление 1,4-диоксана 82
3.1.4. Ингибирующее влияние 5-аминоурацила, 5 диметиламино-6-метилурацила, 1,3,6-триметилурацила и N-(1,3,6-триметил 2,4-диоксо-1,2,3,4-тетрагидропиримидин-5-ил)глицинамид на радикально цепное окисление 1,4-диоксана 86
3.2. Теоретические исследования для определения в 5-амино-6 метилурациле участка, ответственного за ингибирование 90
3.3. Теоретическое подтверждение высокой реакционной способности пероксильного радикала 1,4-диоксана по отношению к 5-амино-6 метилурацилу 94
3.4. Ингибирующее влияние 5-амино-1,3,6-триметилурацила на радикально-цепное окисление этилбензола 95
3.5. Изучение кинетики реакции пероксильного радикала с молекулой 5-амино-6-метилурацила по расходованию ингибитора 103
3.5.1. Кинетика расходования 5-амино-6-метилурацила в ходе радикально-цепного окисления 1,4-диоксана 103
3.5.2. Кинетика расходования 5-амино-1,3,6-триметилурацила в ходе радикально-цепного окисления 1,4-диоксана 105
3.5.3. Кинетика расходования 5-амино-1,3,6-триметилурацила в этилбензоле 109
3.6. Радикально-цепное окисление метилолеата в присутствии 5-амино 6-метилурацила и 5-амино-1,3,6-триметилурацила 111
3.6.1. Ингибирующее влияние 5-амино-6-метилурацила на
радикально-цепное окисление метилолеата 111
3.6.2. Ингибирующее влияние 5-амино-1,3,6-триметилурацила
на радикально-цепное окисление метилолеата 115
3.7. Идентификация продукта реакции пероксильного радикала 1,4 диоксана с 5-амино-6-метилурацилом 118
Заключение 129
Выводы 134
Список литературы
- Механизм жидкофазного окисления углеводородов разных классов
- Методы измерения константы скорости ингибирования
- Высокоэффективная жидкостная хроматография
- Изучение кинетики ингибированного 5-амино-6 метилурацилом окисления 1,4-диоксана по скорости поглощения кислорода
- Кинетика расходования 5-амино-1,3,6-триметилурацила в ходе радикально-цепного окисления 1,4-диоксана
Введение к работе
Актуальность темы. Важное место в химии занимают радикальные реакции окисления. Они лежат в основе ряда технологий, приводят к изменению свойств топлив, масел и других органических веществ. Проблема взаимосвязи реакционной способности реагентов в радикальных реакциях с их строением является одной из центральных задач современной физической химии. Среди этих реакций важное место занимают реакции пероксильных радикалов. Общепризнано, что пероксильные радикалы могут оказывать негативное воздействие, вызывая окислительную деструкцию органических соединений, которая может быть предотвращена с помощью природных и синтетических ингибиторов. К последним можно отнести 5-замещенные 6-метилурацилы. Гетероциклические основания (пурины и пиримидины) являются исходными структурными элементами молекул нуклеозидов и нуклеотидов и присутствуют во всех без исключения живых клетках, выполняя целый ряд ключевых функций. Возможно, из-за того, что представители этой группы соединений похожи на вещества, участвующие в регуляции жизнедеятельности живого организма, они являются хорошими лекарственными препаратами. Производные пиримидина обладают широким спектром биологической активности, в частности, иммуностимулирующим, противоопухолевым действием. 5-Гидрокси-6-метилурацил, обладающий антигипоксическим, противовоспалительным действием, проявляет также хорошую ингибирующую активность. В меньшей степени изучены антиокислительные свойства 5-амино-6-метилурацила. В связи с этим выяснение механизма влияния 5-амино-6-метилурацила на радикально-цепное окисление и определение фактора, придающего ему антиокислительные свойства, имеет важное значение.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИОХ УНЦ РАН по теме «Изучение механизмов окислительных процессов с участием высокореакционных интермедиатов и соединений, содержащих активный кислород» на 2011-2013 гг. (№ госрегистрации 01201152191).
Цель работы. Выявление активных центров 5-амино-6-метилурацила, определяющих его ингибирующую активность в стадии обрыва цепей радикально-цепного окисления органических соединений.
В соответствии с целью работы решались задачи:
1. Определение константы скорости ингибирования для 5-амино-6-
метилурацила в модельной системе радикально-цепного окисления 1,4-
диоксана. Изучение влияния последовательной замены атомов Н на метильную
группу в 1 и 3 положениях цикла и в аминогруппе на константу скорости
ингибирования.
2. Сопоставление полученных значений константы скорости
ингибирования с прочностями N-Н-связей в молекуле 5-амино-6-метилурацила
и его производных. Теоретический расчет энергии активации отрыва атома
водорода пероксильным радикалом от NH2 группы и ^-Н-связи в молекуле 5-
амино-6-метилурацила.
3. Изучение кинетики расходования 5-амино-6-метилурацила в ходе радикально-цепного окисления 1,4-диоксана и 5-амино-1,3,6-триметилурацила в ходе радикально-цепного окисления этилбензола с целью определения стехиометрического коэффициента ингибирования.
Научная новизна и практическая значимость. Установлена высокая антирадикальная активность 5-аминоурацила, 5-амино-6-метилурацила, 5-амино-3,6-диметилурацила, 5-амино-1,3,6-триметилурацила. Показано, что в изученных соединениях замена атома водорода в положении 3 урацилового цикла на метильную группу слабо влияет на константу скорости ингибирования. Замена двух атомов водорода в положении 1 и 3 урацилового цикла на метальные заместители приводит даже к некоторому увеличению константы скорости ингибирования. Введение двух метальных заместителей в аминогруппу приводит к потере антирадикальной активности соединения.
На примере реакции 5-амино-6-метилурацила с /-РгО^ в приближении UB3LYP/6-311+G(d,p) проанализированы различные направления атаки пероксильного радикала по N-H-связям урацила. Наиболее низкий активационный барьер наблюдается при атаке пероксильным радикалом положения (C5)N-H. Экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют о том, что центром, ответственным за ингибирующую активность соединения, является аминогруппа.
В модельной системе радикально-цепного окисления этилбензола стехиометрический коэффициент ингибирования (/) для 5-амино-1,3,6-триметилурацила равен двум. С увеличением концентрации ингибитора параметр/снижается из-за вклада побочной реакции окисления урацила.
Изучены соединения, обладающие высокой антирадикальной активностью. Полученные количественные данные могут быть использованы при изучении механизма ингибированного окисления органических субстратов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на I Республиканской конференции молодых ученых «Химия в интересах человека» (Уфа, 26-27 мая, 2011 г.); XXIX Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике (Москва, 14-17 ноября, 2011 г); XV Молодежной школе-конференции по органической химии (Уфа, 31 мая-2 июня, 2012 г); IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» с Молодежной научной школой (Уфа, 4-8 июня, 2013 г); Международной конференции молодых ученых и VI школа «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты» им. Н. М. Эмануэля (Новосибирск, 1-4 октября, 2013 г).
Публикации. По материалам работы опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах, 3 статьи в сборниках научных статей и тезисы 16 докладов на научных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 147 страницах, содержит 29 таблиц, 74 рисунка. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, выводов и списка цитируемой литературы. Список литературы содержит 100 наименований.
Механизм жидкофазного окисления углеводородов разных классов
Если вновь образованные радикалы In, RO2Q или (RQ) будут менее активны по сравнению с исходными радикалами RO2, то написанные выше элементарные акты являются процессами, обусловливающими ингибирование цепной реакции окисления [7].
Ингибиторы, обрывающие цепи по реакции с алкильными радикалами. К ним относятся соединения, быстро реагирующие с алкильными радикалами (хиноны, иминохиноны, метиленхиноны, стабильные нитроксильные радикалы, молекулярный йод). Алкильные радикалы быстро реагируют с кислородом. Поэтому ингибиторы такого типа эффективны в условиях, когда концентрация растворенного кислорода в окисляемом веществе низкая.
Ингибиторы, разрушающие гидропероксиды. К соединениям такого типа относятся вещества, быстро реагирующие с гидропероксидами без образования свободных радикалов (сульфиды, фосфиты, арсениты и т.д., а также тиофосфаты и карбаматы металлов, комплексные соединения). Реакция с гидропероксидом может протекать стехиометрически (сульфиды, фосфиты) и каталитически (комплексные соединения с металлами).
Соединения, дезактивирующие металлы переменной валентности, которые разрушают гидропероксид (ГП) с образованием радикалов, что ускоряет окисление. Такое катализированное окисление удается замедлить, вводя комплексообразователь, который образует с металлом комплекс, неактивный по отношению к гидропероксиду. В качестве такого типа ингибиторов используются диамины, гидроксикислоты и другие бифункциональные соединения, образующие с металлами прочные комплексы. 5. Ингибиторы многократного действия. Антиокислительная активность зависит не только от свойств ингибитора, но и от свойств субстрата окисления. Так, RO2, образующиеся при окислении некоторых классов веществ (спирты, алифатические амины), обладают как окислительными, так и восстановительными свойствами и способны регенерировать в актах обрыва цепи определённые классы ингибиторов: ароматические амины, нитроксильные радикалы, соединения металлов переменной валентности. В таких системах эффективность тормозящего действия ингибиторов значительно увеличивается, поскольку одна молекула InH несколько раз принимает участие в актах обрыва цепи, и, как следствие, ёмкость ингибирования f 2. Факторы необходимые для осуществления циклических механизмов обрыва цепи при ингибированном окислении органических соединений, а также причины ограничения числа циклов обстоятельно рассмотрены в работах Е.Т. Денисова [8].
Соединения являющиеся ингибиторами комбинированного действия. Некоторые соединения тормозят окисление, одновременно вступая в несколько реакций. Например, они реагируют и с алкильными, и с пероксильными радикалами (антрацен, метиленхинон), разрушают ГП и обрывают цепи по реакции с RO2 (карбонаты и тиофосфаты металлов). Такие соединения являются ингибиторами комбинированного действия. В параллельные реакции может вступать одна и та же группа. Например, с двойной связью метиленхинона реагирует и R и RO2. Часто в молекуле имеется две или более функциональные группы, каждая из которых вступает в соответствующую реакцию. Например, фенолсульфид реагирует с гидропероксидом своей сульфидной группой и с RO2 своей фенильной группой. Наконец, в разного типа реакции могут вступать исходный ингибитор и продукты его превращения.
Комбинированным действием часто обладают смеси ингибиторов. Например, при введении в окисляющийся углеводород фенола и сульфида первый тормозит, обрывая цепи по реакции с RO2, а второй снижает скорость вырожденного разветвления цепей, разрушая гидропероксид.
Кроме деления ингибиторов по механизмам их действия на окислительный процесс, их можно разделить на ингибиторы однократного и многократного действия. Обычно ингибитор, вступая в реакцию со свободным радикалом (R или RO2.) или с гидропероксидом, необратимо расходуется. В таком случае мы имеем дело с ингибитором однократного действия. Для таких ингибиторов коэффициент ингибирования (f) является стехиометрическим и равен 1 или 2, и редко превышает 4 в расчете на одну ингибирующую функциональную группу. Однако в некоторых системах (RH – O2 – InH) реализуются циклические механизмы действия ингибитора, при которых одна молекула ингибитора регенерируется несколько раз (иногда много раз) принимает участие в актах ингибирования, т.е. многократно обрывает цепи или каталитически разрушает ROOH. В этом случае коэффициент ингибирования f 2 [6].
Так как производные урацила содержат связи N-H и двойную связь, наиболее вероятно, что они относятся к ингибиторам первого типа. Есть данные о том, что они реагируют с гидропероксидами [9-11], поэтому, возможно их можно отнести к ингибиторам третьего типа.
Методы измерения константы скорости ингибирования
Здесь R, RО2, RО,- свободные радикалы, I - инициатор, RООН -гидропероксид, первичный продукт окисления, распад которого на свободные радикалы (разветвление цепей) является причиной автоускоренного развития окислительного процесса. Символ RН означает, что в реакциях углеводородов с радикалами и О2 происходит отрыв атома водорода от связи С-Н, и основным продуктом реакции является R.
Радикалы очень активны, поэтому в системе быстро устанавливается и поддерживается динамическое равновесие (квазистационарный режим). При этом равновесии скорости образования и расходования RO2 очень близки, а его концентрация квазистационарна, т.е. определяется процессами его образования и расходования, так что можно принять d[RO2]/dt 0. Квазистационарную концентрацию промежуточного продукта (RO2) следует отличать от стационарной концентрации продуктов и реагентов в обратимой реакции, где также реализуется динамическое равновесие между прямой и обратной химическими реакциями [25].
Стационарность устанавливается тем быстрее, чем выше k6 и больше wi, т.е. чем быстрее образуются и гибнут радикалы в системе. Промежуточным продуктом окисления является гидропероксид RООН. Реакции рекомбинации/диспропорционирования R и RО2\ а также присоединение Ог к алкильному радикалу R протекают с высокими значениями констант скорости: к\ =Ю -10 л моль" с" практически без энергии активации. Поэтому в процессе окисления очень быстро устанавливается стационарная, кинетически равновесная концентрация этих радикалов, при которой скорости образования (w,) и гибели радикалов практически равны. В присутствии Ог имеет место неравенство: [RО] » [R ], и обрыв цепей происходит только по реакции (VI):
При неглубокой конверсии процесса и использовании инициатора вклад вырожденного разветвления становится пренебрежимо мал (в диапазоне наиболее часто используемой температуры 313н-343 К). В результате традиционная схема инициированного радикально-цепного окисления углеводородов и кислородсодержащих соединений может быть описана схемой 1.2. В соответствии со схемой скорость инициированного окисления углеводородов [26] определяется уравнением (12).
Существует несколько модельных систем, используемых исследователями для изучения ингибированного окисления. В их основе лежит процесс окисления таких углеводородов, как изопропилбензол (кумол), этилбензол, стирол и т.д. Однако не все ингибиторы хорошо растворяются в углеводородах. Некоторые в настоящее время становятся труднодоступными, например, кумол. В связи с этим, созданы системы, основанные на реакции окисления кислородсодержащих органических соединений - спиртов [2] или эфиров [27]. Так как при окислении спиртов генерируется два сорта сильно
различающихся по реакционной способности радикалов – пероксильные и гидропероксильные [28], перспективными являются системы, основанные на реакции окисления эфиров.
Эфиры окисляются, как и углеводороды, по свободнорадикальному цепному механизму: первоначальными промежуточными продуктами являются гидропероксиды. Наиболее уязвимой является a-СН связь. В таблице приведены параметры окисляемости некоторых простых циклических эфиров [29].
Как видно из таблицы самая низкая окисляемость присуща 1,4-диоксану. Причина этого неизвестна, высказывается предположение, что она связана с дезактивацией атомов водорода b атомом кислорода [29]. В связи с этим 1,4-диоксан не используется в качестве модельного субстрата. В то же время 1,4-диоксан является хорошим растворителем, по своим свойствам он близок к воде. Последнее немаловажно, так как известно, что урацилы хорошо растворяются в воде, спиртах и эфирах и плохо растворяются в других органических субстратах. Можно создать условия, когда окисление 1,4-диоксана протекает по радикально-цепному механизму с достаточной длиной цепи.
Основным продуктом инициированного окисления 1,4-диоксана с выходом 100% (при 303 K) является -гидропероксид, разложение которой протекает с разрывом С-С (а) или С-О (б) связей по схеме [26]: a)
В качестве модельной реакции для изучения ингибиторов реакция ингибированного окисления 1,4-диоксана впервые использована авторами [27].
Несколько больше внимания уделено изучению кинетических закономерностей окисления таких эфиров как метилолеат, метиллинолеат, метиллиноленат [14, 23, 31-34]. Данные эфиры представляют интерес как представители полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), играющих важную роль в биологических объектах. В работе [35] приведены данные по измерению параметра окисляемости для метилолеата, метиллинолеата, метиллинолената. Из этих данных видно, что с увеличением количества двойных связей, окисляемость эфира увеличивается. Для метиловых эфиров алифатических ненасыщенных кислот определены отношения констант кг/кв , хорошо согласующиеся между собой [26]: метилолеата кг/кв = 4.410 ехр (- 10800/RT) (л-(моль-сек) ) метиллинолеата кг/кв = 1.610 ехр - 5700/RT) (лмольсек;У-5 метиллинолената кг/кв = 1.3 10 ехр (- 8000/RT) (л-(моль-сек) ) Это отношение приблизительно пропорционально числу п активированных групп -СН2 во всем известном диапазоне изменения л от 1 до 5 и слабо зависит от того, окисляется ли свободная ПНЖК или соответствующий фрагмент в составе эфиров, включая фосфолипиды и глицеролы. Константы скорости окисления алкенов при 30С [13]
В последние годы в качестве модельной реакции для тестирования ингибиторов используют процесс окисления таких субстратов, как олеиновая [31], линолевая и линоленовая кислоты или их метиловые эфиры [32], фосфолипиды [20]. Для того, чтобы приблизится к условиям живой клетки, в качестве модельной системы используется реакция окисления липидов в водной среде (мицеллы [36] или бислой [37]). О необходимости знания количественных кинетических закономерностей ингибированного окисления в системах, моделирующих биологические, отмечается в работе [20].
Кинетические закономерности окисления метиллинолеата и метиллинолената в гомогенной среде выполнены Niki Е. с соавторами [34] и Харитоновым В.В. [32]. Метилолеат исследован в гомогенной среде Рогинским В.А. [23], Янишлиевой Н. [26]. Авторами [38] было показано, что кинетика окисления метиллинолеата в гомогенной и дисперсной системе идентична. Кинетические закономерности окисления метиллинолеата показали, что как в хлорбензоле, так и в дисперсии наблюдается одинаковый параметр окисляемости (0.032 л моль" с" при 50 С). Теми же авторами показано, что параметр окисляемости не зависит от того, используется ли водо- или липидрастворимый инициатор [38]. В то же время в работе [20] показано значительное снижение параметра окисляемости лецитина фосфатидилхолина при переходе из раствора в хлорбензоле {к?{2кв) = 0.61 л05моль-05с05) к водной дисперсии {к2-{2к6уй-5 = 0.0165 л05моль-5с05). Авторы объясняют это тем, что полярные пероксидные радикалы диффундируют из неполярной окисляемой липидной зоны в полярную область бислоя, образованного ПАВ, где концентрация субстрата ниже. Такими же физическими явлениями объясняется тот факт, что для одного из наиболее сильных ингибиторов в гомогенной среде наблюдается не только снижение эффективности, но и даже увеличение скорости окисления субстрата в гетерогенных системах. Установлено, чем меньше размер частицы, в которой изучается процесс окисления, тем менее вероятно, что там протекают радикально-цепные реакции [37]. Зачастую в таких системах удельная концентрация токоферола бывает настолько велика по отношению к липиду, что образующийся из него радикал может участвовать в продолжении цепи.
Высокоэффективная жидкостная хроматография
Важную роль при создании модельной системы играет подбор инициатора. Зарождение цепей может происходить разными путями. Свободные радикалы могут образовываться из молекул исходных веществ в результате мономолекулярного распада или при бимолекулярном взаимодействии частиц. Кроме того, образование свободных радикалов может происходить за счет воздействий на систему извне. В этом случае процесс зарождения цепей принято называть инициированием. Инициирование может осуществляться под действием света, ионизирующего излучения, добавок специальных веществ - инициаторов, легко образующих свободные радикалы. Использование химических инициаторов особенно удобно в тех случаях, когда необходимо точно знать скорость инициирования в системе wt - инициатор, kj - константа скорости инициирования kt = 2екр е - выход радикалов в объём, кр - константа скорости распада инициатора на свободные радикалы [21, 41]
В кинетических исследованиях наиболее широко используются в качестве инициаторов азосоединения. Связи С–N и N=N обладают достаточной прочностью (их энергии активации равны 70 и 100 ккал/моль, соответственно). Однако образование молекулы азота при разложении азосоединения обеспечивает достаточное количество энергии. Теплота образования молекулы N2 из азоизобутиронитрила равна 225 ккал/моль. Чтобы стабильность азота могла влиять на скорость разложения азосоединения, её образование должно протекать через стадию переходного состояния:
Наиболее распространенным инициатором, содержащим азогруппу, является азоизобутиронитрил (АИБН). Период полураспада его равен 17 ч. при 60 С и 1,3 ч. при 80 С. Это азосоединение разлагается примерно с одинаковыми скоростями в различных углеводородах. Более того, скорость разложения АИБН в таких растворителях как толуол, практически не изменяется под действием ингибиторов. Следовательно, радикалы не атакуют азосоединение по механизму индуцированного разложения; в противном случае скорость исчезновения азосоединения снижалась бы в присутствии веществ, ингибирующих радикальное цепное разложение. Индуцированное разложение большинства азосоединений в растворе практически ничтожно, и этим обстоятельством пользуются при изучении радикальных реакций.
Тщательное исследование реакции разложения азосоединений показали существование клеточного эффекта, детали которого основательно выявлены в работах с АИБН. Эффективность этого инициатора при получении свободных радикалов менее 100%, т.е. вместо образования 2-х радикалов на моль азосоединения, как было предсказано для простого разложения, наблюдается меньший выход радикалов.
Это объясняется тем, что заметная часть радикалов рекомбинирует в клетке растворителя, прежде чем радикалы смогли бы диффундировать отдельно друг от друга. Цианпропильные радикалы рекомбинируют с образованием двух конечных продуктов: динитрила тетраметил янтарной кислоты (сукцинонитрила R – R) и кетенимина (R - R).
В литературе имеются данные о выходе радикалов АИБН в объём для большинства интересующих нас субстратов [41-43]. К тому же имеется возможность измерить константу скорости распада методом ингибиторов [14]. Скорость инициирования
Скорость инициирования рассчитывается по уравнению wi = ki[АИБН]= 2ekp [АИБН], где ki – константа скорости инициирования, с-1, kp – константа скорости распада АИБН, е – вероятность выхода радикалов в объем. Таким образом, необходимо знать либо ki, либо kp и е.
Если величина константы распада при переходе от одного субстрата к другому практически не меняется, то выбор субстрата может заметно сказаться на выходе радикалов в объём [41]. Поэтому для диоксана более корректно использовать данные автора [43], в работах которого приведены результаты измерения константы скорости распада АИБН по скорости выделения азота, а также данные [42], полученные методом спектроскопии. Оба метода хорошо согласуются между собой. Значение kp удовлетворительно согласуется со значением константы скорости распада АИБН в среде углеводородов и ароматических растворителей [21]. Данные о выходе радикалов в объём приведены в справочнике [41].
Непосредственно в метилолеате распад АИБН не изучен. Авторами [32] измерен параметр выхода радикалов в объём 2е = 0.65. Так как молекула метилолеата по большей части состоит из углеводородной цепочки, то для него константу скорости распада АИБН можно рассчитать по справочным данным, относящимся к распаду данного инициатора в среде углеводородов (IgAр = 15-30.5/(4.575Т10") [21] при 2е=0.65 [32]. Эффективность ингибитора 1.6.1. Прочность связи
Ингибирование радикально-цепного окисления заключается в замене высокореакционного пероксильного радикала на малоактивный радикал, образующийся из ингибитора. Элементарный акт этой реакции состоит в переносе атома водорода от ингибитора (ГпН) к радикалу RO2". Следовательно, чем менее прочная связь In-H, тем эффективнее может быть ингибитор.
Существует много данных о прочности связи О-Н и N-H и сопоставление их с константами скорости ингибирования [19]. Данные о прочности связей в урацилах немногочисленны и в основном они получены расчётным путём - квантово-химическими методами [5, 46, 47]. В табл. 1.1. приведены значения прочности связей N -Н и N -Н (D) для урацилов различного строения. Из этих данных видно, что прочность N -Н-связи в положении 1 урацилового цикла ниже, чем у N -Н-связи в третьем положении цикла [5], то есть в ингибировании может участвовать N -Н-связь.
Высокоэффективная жидкостная хроматография
Кинетические исследования с использованием 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила (ДФПГ) и различных фенольных антиокислителей показали, что как в спиртовых, так и не спиртовых растворителях реакции подчиняется бимолекулярной кинетике, но константы скорости в спиртовых растворителях снова были значительно выше предсказанных. Например, для некоторых 2,6-ди-трет-бутил-замещенных фенолов, константы скорости в метаноле и этаноле были в 10 раз выше, чем в гептане [66]. Это привело к предположению, что реакция взаимодействия ArOH с ДФПГ может протекать через стадию ионизации фенольного соединения путем протонирования молекул растворителя с последующей непосредственной передачей атома водорода от антиокислителя к радикалу (SPLET – Sequential Proton Loss –
Таким образом, прочность связи О-Н и потенциал ионизации (ПИ) имеют важное значение при ингибированном окислении. Оба процесса – перенос атома водорода и перенос электронов может происходить параллельно, но с различными скоростями. Если реакция протекает в растворителе с высокой диэлектрической постоянной и разницей окислительно-восстановительных потенциалов между RO2 и ArOH (E(RO2–ArOH) 0), более вероятен механизм одноэлектронной передачи из-за стабилизирующего влияния полярного растворителя на ионную пару. Третий механизм, протонная связь переноса электрона (PCET), был предложен при попытке определить, почему механизм HAT между атомами кислорода происходит с более высокой константой скорости, чем HAT между двумя атомами углерода. В этом механизме предварительно образуется комплекс между пероксильным радикалом и фенолом посредством образования водородных связей между связью -О-Н и неподеленной парой электронов на RO2. Реакция между фенолом и пероксильным радикалом протекающая через перенос атома водорода (HAT, A) или образования протонного комплекса и переноса электрона (PCET, B) [63] (схема 1.6.). Схема 1.6 Реакция между фенолом и пероксильным радикалом
В этой связи модельная система для изучения реакции пероксильного радикала с ингибитором первоначально должна быть наиболее простой и не содержать субстраты и растворители, способные образовывать водородные связи. В тоже время механизм действия ингибиторов в естественных условиях довольно сложен, зависит от множества факторов. Изучив действие соединения в качестве акцептора пероксильного радикала в условиях стандартной системы, основанной на окислении модельного углеводорода, ещё нельзя утверждать, что аналогичное действие будет наблюдаться в биологической клетке или плазме крови [18]. Следовательно, подобрав оптимальный ингибитор в модельной системе, необходимо изучить его влияние на систему, наиболее адекватно отражающей условия, в которых предполагается использование ингибитора.
Кинетическое влияние растворителя хорошо изучено для фенольных антиокислителей, намного менее изучено для аминов и не изучено для производных урацила. Так как ароматические амины более слабые кислоты, чем фенолы, влияние растворителя на константу скорости ингибирования, видимо, будет менее заметно. 1.7. Методы измерения константы скорости ингибирования Для измерения константы скорости ингибирования существуют прямые и непрямые методы [55]. Прямые методы, такие как флэш-фотолиз или электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) позволяют непосредственно следить за кинетикой гибели пероксильного радикала в ходе ингибированного радикально-цепного окисления. Они требуют специального оборудования и опыта пользователей, поэтому чаще используется более доступный манометрический метод. В этом случае эффективность ингибитора оценивают по степени снижения скорости окисления.
Непрямые (косвенные) методы заключаются в том, что оценивается способность ингибитора взаимодействовать со стандартным радикалом, имеющим специфическую характеристику, за которой можно установить наблюдение. Например, радикал дифенилпикрилгидразин (ДФПГ) или катион-радикал 2,2 -азино-бис-(3-этилбензотиазолин-6-сульфонат) (ABTS+) имеют интенсивную полосу поглощения в видимой области. Следовательно, кинетику их расходования можно контролировать спекторофотометрически [55]. Один из самых последних непрямых методов, так называемые «радикальные часы», предложен в работах [65, 67, 68].
Прямое обнаружение радикалов может быть произведено при помощи метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [14]. Это исключительно селективный метод обнаружения частиц, обладающих ненулевым магнитным моментом, – свободных атомов, радикалов, парамагнитных ионов. В кинетических исследованиях метод применяется для установления структуры свободных радикалов, принимающих участие в реакции, и изучения превращений свободных радикалов в ходе химической реакции. Эти результаты имеют принципиальное значение потому, что они представляют собой прямые измерения концентрации свободных радикалов в реакции, происходящей в обычных условиях.
Тормозящее действие ингибиторов ГпН связано с тем, что они реагируют с активными свободными радикалами, образуя неактивные радикалы, поэтому метод можно применять как для установления структуры радикалов, образующихся из ингибитора In (и, следовательно, механизма их образования), так и для изучения кинетического поведения радикалов в ходе реакции.
Применение метода ЭПР в жидкофазных реакциях ограничивается чувствительностью ЭПР-спектрометров: надежные измерения возможны при концентрациях парамагнитных частиц, больших, чем 10 -10 см" . Стационарные же концентрации активных свободных радикалов в жидкофазных реакциях окисления углеводородов, как правило, значительно ниже этой величины. По этой причине ЭПР-метод не используется при температурах, близких к комнатной. Метод ЭПР применительно к реакциям окисления использовали в реакциях ингибированного окисления отдельных углеводородов с малой величиной кв, где достигаются значительные стационарные концентрации активных пероксильных радикалов. Например, для кумола кв = 3-10 л/мольс При окислении кумола удалось записать спектр ЭПР кумилперекисных радикалов и измерить по интенсивности линий их абсолютную концентрацию.
Кинетика расходования 5-амино-1,3,6-триметилурацила в ходе радикально-цепного окисления 1,4-диоксана
Теоретические исследования для определения в 5-амино-6-метилурациле участка, ответственного за ингибирование Из полученных результатов видно, что замена атома водорода при атоме N3 урацилового цикла на метильную группу (5-амино-3,6-диметилурацил) слабо влияет на константу скорости k7. Замена двух атомов водорода при атомах N1 и N3 на метильные заместители (5-амино-1,3,6-триметилурацил) приводит к увеличению k7. Введение двух метильных заместителей в аминогруппу приводит к потере антирадикальной активности (5-диметиламино-6-метилурацил). Сравнение констант скорости k7 5-амино-6-метилурацила и его производных свидетельствует о том, что антирадикальная активность соединений, по-видимому, связана с аминогруппой.
В табл. 3.13 константы скорости ингибирования сопоставлены с рассчитанной в приближении G3MP2B3 прочностью N-H связей (DN-Н) в изученных соединениях. Очевидно, что N3-H-связь не принимает участие в антирадикальном процессе, так как ее прочность составляет 433-455 кДж/моль, что на 7484 кДж/моль выше прочности других связей, по которым возможна атака пероксильным радикалом. Полную потерю антирадикальной активности 5-диметиламино-6-метилурацила можно объяснить тем, что прочность N1-H-связи в данном соединении составляет 371.1 кДж/моль, что на 917 кДж/моль больше, чем у 5-амино-6-метилурацила и его производных. Близость прочностей N-H связей в 1 положении урацилового цикла и в аминогруппе свидетельствует о том, что реакция обрыва цепи на ингибиторе может протекать по двум направлениям: N1-H-связь цикла и N-H-связь аминогруппы ((C5)N-H-связь).
Между lnk7 и прочностью N-H-связи в аминогруппе наблюдается удовлетворительная корреляция (рис. 3.33). Следует также отметить, что аналогичная корреляция наблюдается и относительно N1-H-связи. Чтобы уточнить, какую связь урацила N1-H или (C5)N-H атакует пероксильный радикал, провели дополнительное квантово-химическое исследование. Таблица 3.13
Ранее, в работе [93] было показано, что в приближении B3LYP/6311+G(d,p) удается хорошо воспроизвести экспериментальное значение высоты активационного барьера, который необходимо преодолеть для отрыва атома водорода перокси-радикалом от молекулы этана. Поэтому данный метод был использован для выявления переходных состояний и расчета активационных параметров рассматриваемых реакций. Обнаруженные переходные состояния (ПС) приведены на рис. 3.34: ПС-1 соответствует атаке по N1-H связи, ПС-2 - атаке по (C5)N-H…(O-C4) и ПС-3 -по свободной (C5)N-H связи. Величины активационных барьеров изученных реакций приведены в табл. 3.12.
Как видно из таблицы, несмотря на меньшую прочность связи N1-H по сравнению с (C5)N-H, активационный барьер атаки по атому водорода аминогруппы (ПС-3) ниже и составляет 5.8 кДж/моль. Это указывает на то, что в первичном акте ингибирования преимущественно участвует аминогруппа.
Структуры переходных состояний, соответствующих различным направлениям атаки N-H связей 5-амино-6-метилурацила модельным пероксильным радикалом i-PrO2, полученные в приближении UB3LYP/6-311+G(d,p). Расстояния указаны в . 3.3. Теоретическое подтверждение высокой реакционной способности пероксильного радикала 1,4-диоксана по отношению к 5-амино-6-метилурацилу
Оценка реакционной способности 5-амино-6-метилурацила в реакции пероксирадикалами была произведена теоретически с использованием метода пересекающихся парабол[94, 95], в рамках которого величина Ee вычисляется по следующей формуле:
В среде 1,4-диоксана происходит образование водородных связей между молекулами урацила и субстрата типа О... H-N-, а также, возможно, и между молекулами урацила [96], что, безусловно, влияет на взаимодействие R02 с N-H-связями. Об образовании внутримолекулярной водородной связи типа (С )N-H...(0=C ) свидетельствуют несколько фактов. Первый из них -это укороченное расстояние между одним из атомов водорода аминогруппы и кислородом при четвертом углеродном атоме урацила. Второй - различия в прочности связей N-H в аминогруппе и в высоте активационных барьеров для отрыва атомов водорода от аминогруппы под действием перокси-радикала (табл. 3.13 и рис. 3.34).
![Хемилюминесценция синглетного кислорода и его димоля (1O2)2 в реакциях пероксидов. Влияние 1,4-диазобицикло [2,2,2]октана на излучательные свойства (1O2)2](/i/i/4586/215021.png "Хемилюминесценция синглетного кислорода и его димоля (1O2)2 в реакциях пероксидов. Влияние 1,4-диазобицикло [2,2,2]октана на излучательные свойства (1O2)2 Мальцев Дмитрий Валентинович")
