Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных 8
1.1 Строение и основные характеристики нитроксильных радикалов 9
1.2 Основные реакции нитроксильных радикалов 13
1.3 Окислительно-восстановительные превращения в триаде NO / NOH / NO+ 17
1.3.1 Супероксид-дисмутазная активность NO 17
1.3.2 Взаимодействие с эндогенными антиоксидантами 19
1.3.3 Кинетика и механизм кислотного диспропорционирования нитроксильных радикалов 20
1.4 Нитроксильные радикалы как антиоксиданты 33
1.4.1 Живая полимеризация 34
1.4.2 Нитроксильные радикалы как ингибиторы окисления в органической среде
Глава 2. Экспериментальная часть 46
2.1 Применяемые материалы 46
2.2 Методы исследования 49
2.2.1 Метод ЭПР спектроскопии 49
2.2.2 Мониторинг поглощения кислорода 51
2.2.3 Методика диспропорционирования и сопропорционирования 52
2.2.4 Методика исследования окисления метиллинолеата в мицеллах 53
2.3 Статистическая обработка данных 55
Глава 3. Кинетика обратимого диспропорционирования в триаде оксоаммониевые катионы-нитроксильные радикалы - гидроксиламины 56
3.1 Диспропорционирование стабильных нитроксильных радикалов 56
3.2 Сопропорционирование оксоаммониевых солей и гидроксиламинов 64
3.3 Корреляционные зависимости для кислотно-основных и редокс свойств в
триаде нитроксильный радикал – оксоаммониевый катион – гидроксиламин
Глава 4. Антиоксидантная активность нитроксильных радикалов и гидроксиламинов при окислении метиллинолеата в мицеллах 85
4.1 Кинетика ингибированного нитроксильными радикалами и гидроксиламинами окисления метиллинолеата в мицеллах 85
4.2 Влияние липофильности на антиоксидантную активность нитроксильных радикалов и гидроксиламинов 91
4.3 Роль супероксидного радикала в процессе ингибированного окисления метиллинолеата в мицеллах 96
Заключение 99
Список использованных источников
- Основные реакции нитроксильных радикалов
- Нитроксильные радикалы как антиоксиданты
- Методика диспропорционирования и сопропорционирования
- Влияние липофильности на антиоксидантную активность нитроксильных радикалов и гидроксиламинов
Введение к работе
Актуальность работы и степень разработанности. Нитроксильные радикалы (>NO*) - класс соединений, который благодаря уникальному набору свойств, таких как парамагнетизм, способности легко переходить в окисленную (оксоаммониевый катион) или восстановленную (гидроксиламин) форму, подобно металлам переменной валентности, а так же способности проникать через клеточные мембраны, получил широкое применение в различных областях науки. В химии >NO* используются в создании «зеленых» катализаторов окисления органических соединений, в качестве рабочих веществ органических аккумуляторов и электронных устройств, редокс-медиаторов в сенсибилизированных красителями солнечных элементах, агентов для «живой» полимеризации. Другая область применения — это селективное окисление спиртов оксоаммониевым катионом до карбонильных или карбоксильных соединений, протекающее как двухэлектронный процесс. Реакция трансформируется в каталитическую путем реокисления гидроксиламина до оксоаммониевого катиона подходящим первичным окислителем, который сам не является эффективным окислителем спиртов. Поэтому в качестве первоначально вводимого катализатора может быть использовано любое из соединений >NO*, >N+=O или >NOH. В физике нитроксильные радикалы используют в исследованиях по созданию органических магнитов, в биологии в качестве спиновых зондов, контрастных агентов в магнитной томографии, ан-тиоксидантов. Но прежде всего для эффективного применения нитроксильных радикалов в таких приложениях необходимо знать редокс- и кислотно-основные характеристики для триады оксоаммониевый катион — нитроксильный радикал — гидроксиламин широкого ряд структур. Подобные характеристики получены только для наиболее известного их представителя - 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила (ТЕМПО).
Значительный интерес представляет использование нитроксильных радикалов в качестве ингибиторов окислительных процессов в живых организмах. Редокс-пара оксоаммониевый катион / нитроксильный радикал способна катализировать дисмута-цию супероксидного радикала аналогично супероксид-дисмутазе, что в сочетании с клеточной проницаемостью, делает возможным клиническое применение нитроксильных радикалов в лечении болезней, сопровождающихся окислительным стрессом. Подобно их неорганическому родственнику - оксиду азота - нитроксильные радикалы в субмиллимолярных концентрациях проявляют антиоксидантное и цитопротекторное действие, а при концентрациях 10 3 моль/л усиливают окислительный стресс и оказывают цитотоксическое действие на опухолевые клетки. Как и другие редокс-активные агенты, нитроксильные радикалы модулируют активность применяемых в клинике противоопухолевых лекарств и могут улучшать их химиоте-рапевтические свойства. Также установлено, что они ингибируют окисление липидов в липосомах фосфатидилхолина, липопротеинах низкой плотности, микросомах, защищают ДНК от воздействия радикалов. К сожалению, в подобных работах используются биологические субстраты окисления переменного состава; как следствие, скорость зарождения цепей неизвестна и изменяется в течение опыта. Все это не позволяет установить детальный механизм процесса. Для исследования антиокси-дантной активности в условиях, приближенных к клетке живого организма в случае полифенолов, неоднократно использовалась модельная система окисления метилли-нолеата (LH) в мицеллах при физиологическом значении pH (7,4). Однако для нитроксильных радикалов подобных исследований не проводилось. Поэтому представляет-
ся актуальным исследовать антиоксиданнтую активность нитроксильных радикалов в процессе окисления метиллинолеата в мицеллах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект 14-23-00018 «Исследование механизма химических и биохимических реакций с участием парамагнитных частиц»).
Цель работы:
Выявление связи реакционной способности нитроксильных радикалов со строением в процессах обратимого диспропорционирования в широком диапазоне кислотности среды и установление механизма ингибированного нитроксильными радикалами окисления метиллинолеата в мицеллах.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
исследовать кинетические закономерности кислотно-катализированного диспропорционирования ряда >NO* различной структуры;
исследовать кинетические закономерности процесса сопропорционирования оксоаммониевых солей и гидроксиламинов;
провести корреляционный анализ свойств триады «нитроксильный радикал -оксоаммониевый катион - гидроксиламин»;
исследовать кинетику ингибированного нитроксильными радикалами и гид-роксиламинами метиллинолеата в мицеллах;
выявить связь антиоксидантной активности нитроксильных радикалов и гид-роксиламинамов с их строением.
Научная новизна. Впервые получены количественные характеристики для процесса обратимого диспропорционирования широкого ряда нитроксильных радикалов разных классов: константы скорости процесса сопропорционирования k–2, константы кислотности протонированных нитроксильных радикалов K 1H+, суммарные константы равновесия процесса диспропорционирования K4. Получены взаимные корреляции между константами равновесия K4, K 1H+, K 3H+ (константы кислотности гидроксиаммониевых катионов), потенциалами восстановления оксоаммониевых катионов E2/1 и индуктивными константами заместителей <3I. Рассчитаны зависимости потенциалов восстановления нитроксильных радикалов до гидроксиламинов E1/31, от pH среды на основе значений K4, K 3H+ и E2/1. Из полученных данных рассчитаны энергии разрыва связи O–H для гидроксиламинов в водной среде.
Впервые предложен механизм ингибирования нитроксильными радикалами и гидроксиламинами процесса окисления метиллинолеата в мицеллах. Доказана регенерация нитроксильных радикалов и ключевая роль гидропероксидного радикала HO2 в этом процессе. Установлена связь антиоксидантной активности >NO и >NOH с их липофильностью.
Теоретическая и практическая значимость. Найденные корреляционные зависимости позволяют предсказывать физико-химические характеристики редокс-триад нитроксильный радикал - оксоаммониевый катион - гидроксиламин.
Предложенный механизм ингибированного нитроксильными радикалами окисления метиллинолеата в мицеллах может быть использован, как базисный для дальнейшего изучения процессов, происходящих в более сложных системах, еще больше приближенных к реальным биологическим, где принимают участие нитроксильные радикалы.
Методология и методы диссертационного исследования.
Кинетика процесса обратимого диспропорционирования исследовалась методом ЭПР спектроскопии по изменению концентрации >NO*. Кинетика окисления ме-
тиллинолеата в мицеллах исследовалась по уменьшению концентрации растворенного в воде кислорода с использованием полярографического электрода Кларка. Значения pK3H+ для гидроксиламинов определяли методом потенциометрического титрования, значения E2/1 – методом циклической вольтамперометрии.
Положения, выносимые на защиту.
– кинетический и корреляционный анализ процесса обратимого диспропор-ционирования нитроксильных радикалов
– механизм ингибированного нитроксильными радикалами окисления метил-линолеата в мицеллах.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием высокоточного современного оборудования и периодической их калибровкой, воспроизводимостью полученных результатов и большим набором статистических данных, использованием комплекса независимых методов, согласованностью и непротиворечивостью полученных результатов с известными литературными данными и публикациями в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: 65 Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов вузов с международным участием (Ярославль, 2012), Международная конференция молодых ученых и V школа им. академика Н.М. Эммануэля «Окисление, окислительный стресс, антиоксиданты» (Москва, 2012), Международная конференция «Современные проблемы химической физики», посвященная 50-летию Института химической физики им. А.Б. Налбандяна НАН (Армения, Ереван, 2012), VI Международная конференция "Современные проблемы физической химии" (Украина, Донецк, 2013), Международная конференция молодых ученых и VI школы им. академика. Н.М. Эмануэля (Новосибирск, 2013), Всероссийская научно-практическая конференция «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность» (Стерлитамак, 2013), VII International Conference on Nitroxide Radicals "SPIN-2014" (Зеленоградск, 2014), 67 Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов вузов с международным участием (Ярославль, 2014), V Международная научная конференция. «Химическая термодинамика и кинетика» (Великий Новгород, 2015), Международная конференция молодых ученых и VII школы им. академика Н.М. Эмануэля «Окисление, окислительный стресс, антиоксиданты» (Москва, 2015), IV Международная конференция «Современные проблемы химической физики» (Армения, Ереван, 2015), IX Международная конференция «Биоантиоксидант» (Москва, 2015).
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты, связанные с исследованием кинетики, получены автором лично. Автор участвовал во всех этапах планирования, теоретического анализа результатов и формировании выводов. Потен-циометрические измерения величин pK3H+ выполнены В.Д. Сенем (ИПХФ РАН), потенциалы восстановления E2/1 измерены М.А. Сыроешкиным (ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, и тезисы 17 докладов на международных и всероссийских конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 128 страницах, включая 36 рисунков и 12 таблиц. Список использованных источников включает 195 наименований.
Основные реакции нитроксильных радикалов
Лучшее понимание механизма и количественное описание реакции диспропорционирования важно для дальнейшего развития упомянутых выше и новых приложений нитроксильных радикалов. В настоящем разделе рассмотрены имеющиеся экспериментальные данные относительно кинетики и механизма кислотного диспропорционирования NO , полученные для типичного представителя нитроксильных радикалов 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила (TEMPO).
В работе [102] методом циклической вольтамперометрии был исследован процесс диспропорционирования TEMPO под действием пара-толуилсульфоновой кислоты в ацетонитриле. Было показано, что с увеличением концентрации кислоты равновесная концентрация NO уменьшается, а N+=O — возрастает, причем количество образовавшегося N+=O соответствует половине прореагировавшего количества NO . Данные факты свидетельствуют, что процесс диспропорционирования протекает в соответствии с общим уравнением: К + Н+ =!Г О О он Количественно процесс охарактеризован общей константой равновесия: O [ NOH] Г NН К [H+] L NO численное значение которой составило 5,6-108 л/моль. При введении в реакционную среду основания Льюиса (2,6-лутидин) происходит регенерация NO, что подтверждает обратимость процесса диспропорционирования. К сожалению, в данной работе не была исследована кинетика процесса.
Кинетика и механизм процесса диспропорционирования NO в водных растворах минеральных кислот была исследована в работах [2, 45]. Поскольку данные результаты представляют значительный интерес для настоящей работы, остановимся на них подробнее.
В работе [45] была исследована кинетика кислотного диспропорционирования TEMPO в разбавленных растворах минеральных кислот, а также кинетика реакции оксопиперидиниевых солей 2 с оксипиперидиниевыми солями ЗH+.
В разбавленном водном растворе при рН 2 реакция диспропорционирования пиперидиноксила 1 имеет второй порядок по [ NO ] и первый — по активности ионов водорода. При постоянном рН кинетические кривые расходования 1, полученные спектрофотометрическим методом и методом ЭПР, хорошо спрямляются в координатах 1/[1] - 1/[1]0 = hэф до практически полного превращения NO (рисунок 1.2). Наклоны прямых линейно возрастают с увеличением активности ионов водорода. Сумма концентраций [1] + 2[2] остается постоянной на протяжении всей реакции и равна начальной концентрации [1]0, т. е. d[l]/dt = 2d[2]/dt. Добавка к реакционной смеси десятикратного избытка конечных продук 22 тов 2ИЗЇҐ не приводит к изменению скорости реакции. Следовательно, при этих условиях скорость диспропорционирования пиперидиноксила 1 значительно больше скорости обратной реакции.
Реакция оксопиперидиниевых солей (2) с оксипиперидиниевыми солями (3H+) при рН 3 имеет первый порядок по катионам 2 и 3H+. Скорость реакции обратно пропорциональна активности ионов водорода. При постоянном рН и равных начальных концентрациях 2 и 3H+ кинетические кривые расходования 2, полученные спектрофотометрически, хорошо спрямляются в координатах 1/[2] – 1/[2]0 = kэф t до практически полного расходования 2 (рисунок 1.3). При этом из 1 моля 2 образуется 2 моля 1, a [2] + 1/2[1] = [2]0 и –2d[2]/dt = d[1]/dt. При избытке катиона 3H+, когда изменением его концентрации можно пренебречь, кинетические кривые расходования 2, полученные методом ЭПР, спрямляются в координатах ln{[2]0/([2]0 – 1/2[1])} = kэф"t. Наклоны прямых обратно пропорциональны активности ионов водорода. Добавка к реакционной смеси десятикратного избытка 1 не приводит к заметному замедлению реакции, т. е. при этих условиях скорость взаимодействия катионов 2 и ЗH+ значительно больше скорости диспропорциони-рования пиперидиноксила 1.
Кинетические кривые расходования 2 (1), накопления 1 (2) и зависимость 1/[2] - 1/[2]0 (3) от времени для реакции взаимодействия 1-оксо- и 1 окси-2,2,6,6-тетраметилпиперидиниевых солей в ацетатном буфере при 25С, рН 4,62 и [2]0 = [3] = 510–3 М. В области 3 рН 2 реакция диспропорционирования пиперидиноксила 1 и обратная реакция имеют дробные порядки по реагентам, а скорости реакций уменьшаются при добавлении конечных продуктов. Таким образом, обе реакции являются обратимыми и протекают через одно и то же промежуточное соединение — 2,2,6,6-тетраметил-1-окспиперидинилиевый катион N +ОН (протониро-ванный по кислороду пиперидиноксил, ІH+) [44, 103].
Таким образом, кислотное диспропорционирование пиперидиноксила 1 и взаимодействие солей 2 и ЗH+ в водной среде протекают по механизму и включает реакции (1) - (3), в котором лимитирующей стадией является перенос электрона от свободного 1 к протонированному нитроксилу ІH+ и описывается схемой 1.3. Суммой этих реакций является стехиометрическое уравнение (4).
Нитроксильные радикалы как антиоксиданты
Поэтому в режиме линейного обрыва (при высоких [ NO"]o) скорость процесса прямо пропорциональна парциальному давлению кислорода (Р0 ). Следовательно, при замене кислорода на воздух скорость окисления должна падать в пять раз. Стехиометрический коэффициент ингибирования для NO в соответствии со схемой 1.5 должен быть равен 1. Такие закономерности были получены в ряде работ [129, 130]. Однако из [131] известно, что при взаимодействии амино-алкильного N-C H-CH и нитроксильного радикалов происходит восстановление NO до соответствующего гидроксиламина ( NOH) по реакции NO с Р-СН-связью R": N-C H-CH + NO - NOH + N-CH=C Образующиеся гидроксиламины в условиях эксперимента термически устойчивы, и за счет их взаимодействия с радикалами R02 стехиометрический коэффициент для NO должен быть больше 1 (скорость реакции NOH + R" пренебрежимо мала, поэтому в инертной среде регенерация NO не протекает). Вероятность протекания этих стадий в общем процессе, описываемым схемой 1.5, была проверена в [17]. На основе квантово-химических расчетов был сделан вывод, что вероятность рекомбинации существенно выше вероятности кросс-диспропорционирования: средняя разница в энергиях 30 кДж/моль. Об этом же говорят и многочисленные экспериментальные данные по анализу продуктов обрыва цепей по реакции NO + R [132]. Из экспериментальных данных по кинетике расходования TEMPO в кумоле, стироле или метилметакрилате в инертной атмосфере видно, что вплоть до 99% расходования NO доля реакции обрыва цепи на гидроксиламине с регенерацией NO составляет менее 1% от реакции кросс-диспропорционирования, следовательно, регенерация NO практически не происходит, т.е. в инертной атмосфере и в среде этих субстратов/= 1 [17].
В дальнейшем было доказано, что реакция (4) не единственная, по которой идет ингибирование окисления нитроксильными радикалами. При окислении ряда соединений доказано, что продолжение цепей ведут пероксирадикалы, имеющие подвижный атом водорода и обладающие окислительно-восстановительными свойствами. Сюда относятся радикалы НО/ (циклогексади-ен [133], винильные мономеры классов 1,2-замещенных этилена и 1,4-замещенных бутадиена [128]), С(ОН)02 (спирты [134]) и CH-CH(00 )N (алифатические амины [131]). Двойственная реакционная способность этих радикалов обуславливает многократное участие NO в актах обрыва цепей [94]. Например, для гидропероксидного радикала этот процесс описывается реакциями [94]: НО/ + NO - NOH + 02 НО/ + NOH NO + Н202 Очевидно, что при [02] 1-Ю"4 моль/л реакция кросс-диспропорционирования будет полностью подавлена взаимодействием NOH с R02 и [R#] « [R02#]. На основе сделанных выводов была предложена схема окисления при наличии регенерации [132]. Схема 1.6 Инициатор 2 RH R (і) R# + 02 R02# (1) R02 + RH - R (2) 2R02 - молекулярные продукты (3) R" + NO -+ NOR (4) RO/ + NO - продукт + NOH (5.1) RO/ + NOH - ROOH + NO (5.2) (где RO/ = НО/, C(OH)02# или CH-CH(00#)N ) Для данной схемы справедливо уравнение: Wi(WJW - W/Wo) = 4[ NO4o0V( i[Q2]) + 2 [ NO,]0(ri) 5/( )0 5, где ks = ( .i[ NO#] + 5.2[ NOH])/ 2[ NO ]0. Кинетический анализ показывает, что при [02] -ПО2 моль/л и [ NO]0 10-4 моль/л долю гибели цепей по реакции (4) можно не учитывать, тогда: W /W - W/Wo = 2 [ NO,]0/( 3)0 5 Скорость окисления при уменьшении Ро2 и при малой доле квадратичного обрыва цепей будет падать медленнее, чем это требует линейный закон, что и было установлено, например, в работах [130, 135].
Реакция (5.1) (схема 1.6) протекает по механизму диспропорционирования нитроксильного и пероксидного радикалов [94]: Н02 + NO - NOH + С(ОН)02 + NO - NOH + С=0 +02 CH-CH(00#)N + NO - NOH + C=CH-N + 02 Последующая реакция (5.2) и обуславливает регенерацию NO и многократный обрыв цепей. Измеренные величины кинетических коэффициентов инги-бирования/для разных нитроксильных радикалов и субстратов [94] значительно больше десяти и отражают лишь нижнюю границу данной величины.
Нитроксильные радикалы способны реагировать с пероксирадикалами, не обладающими окислительно-восстановительными свойствами, но и с R02#, являющимися только окислителями: (СН3)3СОО#, Н-С17Н35ОО" [19, 33, 136-139]. Этот вопрос является важным, поскольку подобные радикалы образуются в присутствии избытка кислорода в биологических тканях. Однако в литературе нет согласия относительно этой реакции. Некоторые авторы считают ее маловероятной [3, 31, 32, 133, 140]. В работе [136] предполагается образование достаточно стабильного ин-термедиата в реакции TEMPO с (CH3)3COO#: NO" + (CH3)3COO# (CH3)3COOON
В дальнейшем этот интермедиат распадается, как полагают авторы [136] на ряд продуктов с образованием молекулярного кислорода и регенерацией NO по следующей схеме. Схема 1.7 2 NO + 2(СН3)3СО Э - 2[N-0-0-0-C(CH3)3] (сн3)3соо/ \ [N-0-0-0-0-C(CH3)3] + (СН3)3СО 2[N-0-0-Cf ] + 2(СН3)3С(Э 02 + NO +(CH3)3CO [N-0-0-0-0-N ] СН3 + (СН3)2СО \ \ 02 + 2 1\Ю NOCH3 По результатам проведенных ab initio квантово-химических расчетов в работе [137] делается вывод о возможности схемы 1.7. Однако, так как работа [137] была опубликована в 2001 г, в качестве модели TEMPO из-за ограничений доступных компьютерных ресурсов был использован радикал H2NO , который не может служить адекватной моделью NO . Изученный радикал H2NO является гораздо более активным, чем моделируемый NO [17]. Авторы [33] также предполагают образование стабильного триоксида в реакциях трет-амидинопропильных радикалов с TEMPO и TEMPOL в фосфатном буфере при pH = 7,4; 310 K: (H2N)2+CC(CH3)OO# + NO - (H2N)2+CC(CH3)OOON Реакция исследовалась комбинацией методов ЭПР и циклической вольт-амперометрии, но никаких кинетических доказательств - ни образования продукта, ни его последующего превращения - не приводится.
Методика диспропорционирования и сопропорционирования
Как отмечалось в разделе 1.3.3, реакция диспропорционирования NO является обратимой, а ее направление зависит от pH среды. Для подтверждения обратимости была проведена серия экспериментов [152] (методика описана в разделе 2), результаты которых представлены в табл. 3.3.
Для большинства NO пиперидинового и пирролинового рядов исходный нитроксильный радикал может быть регенерирован нейтрализацией кислоты до нейтрального значения pH. Как видно из таблицы, степень обратимости нитро-ксилов le,h,o,u,r близка к 100%. Это свидетельствует о том, что они образуют устойчивые оксоаммониевые катионы и способны практически количественно регенерироваться из продуктов их диспропорционирования после нейтрализации кислоты до pH 7-8. Однако в случае NO In и lw регенерация протекает лишь в незначительной степени, что, вероятно, обусловлено низкой устойчивостью образующихся оксоаммониевых катионов в кислотной среде. Оксоаммониевый катион для 1n сильно дестабилизирован карбонильной группой и регенерация радикала после нейтрализации его кислого раствора незначительна. Детальный механизм фрагментации катиона 2n изучен в работах [160, 161].
Нитронная группа в 1w за счет протонирования (pK 7 для нитронов, не содержащих сильных электроноакцепторов [162]) и близкого расположения к нитроксильной группе наиболее сильно снижает основность последней. При обработке на холоду сильными кислотами радикал 1w образует устойчивые кристаллические соли 4w [109, 163]:
В растворе радикал lw диспропорционирует с заметной скоростью при [H2SO4] 50%. Продукты реакции в кислом растворе неустойчивы и за 24 ч при 20C полностью гидролизуются до ацетоноксима, бензойной кислоты и -гидроксиламинокетона [57].
Интегральной характеристикой, отражающей изменения в свойствах триад 1-2-3, является общая константа равновесия реакции диспропорционирования К4. Для каждого нитроксильного радикала имеется равновесное значение pHeq, при котором отношение концентраций [2][3]z/[l]2 = 1. Прямое измерение К4 вблизи pHeq не может быть проведено с удовлетворительной точностью из-за слишком низкой скорости установления равновесия. Получить К4 только из данных по дис-пропорционированию, как в работе [2], в рамках настоящего эксперимента мы не имеем возможности. Однако константу К4 с хорошей точностью удается определить из данных по кинетике реакции диспропорционирования при pH pHeq и реакции сопропорционирования при pH pHeq [45]. После подтверждения практически 100% обратимости процесса диспро-порционирования для большинства пиперидин–, пирролин– и пирролидинокси-лов, нами был изучен обратный процесс — сопропорционирование оксоаммоние-вых катионов и гидроксиламинов. Нами была исследована реакция сопропорционирования для восьми пар оксоаммониевых катионов и гидроксила-минов, соответствующих нитроксильным радикалам 1b,d-f,m,n,r,t (основные ре-зультыты опубликованы в [164-167]).
Предварительно сделанные исследования (ЭПР и потенциометрическое титрование) показали, что растворы гидроксиламинов 3H+ в условиях изучения реакции сопропорционирования (pH 4) устойчивы в течение более одной недели. Изученные оксоаммониевые соли 2 (за исключением 2n) в таких же растворах не претерпевают существенных изменений более 1 суток.
Стехиометрию реакции сопропорционирования 2 + 3H+ определяли в ходе кинетических опытов по концентрации нитроксильных радикалов после выхода ее на плато. В условиях избытка солей 3H+ для всех изученных пар (за исключением 2n + 3nH+) конечная концентрация образующихся радикалов 1 в пределах ошибок опытов равна 2[2]0, что согласуется с ранее полученными данными для реакции 2a + 3a [45] и говорит о хорошем соответствии полученных данных схеме 1.3. Для реакции 2n + 3nH+ конечная концентрация 1n меньше 2[2]. Это можно объяснить автовосстановлением 2n до 1n, сопровождаемым частичной деструкцией цикла. Поэтому скорость реакции сопропорционирования 2n + 3nH+ определяли путем вычитания вклада реакции автовосстановления 2n в изученных буферах из суммарного процесса.
Влияние липофильности на антиоксидантную активность нитроксильных радикалов и гидроксиламинов
Найденные в настоящей работе значения k NOH в 10-200 раз ниже данной величины. Причинами такого различия, помимо более низкой температуры в настоящей работе, по-видимому, как и в случае фенолов [35, 36], являются образование водородной связи между ОН-группой гидроксиламина и сложноэфирной группой LH, а также распределение NOH между водной фазой и мицеллами.
В представленные общие закономерности не укладываются пары ln/Зп и lw/3w. Радикал In эффективно тормозит окисление LH, в то время как соответствующий гидроксиламин Зп обладает довольно низким значением k NOH, значения же lg P для In и Зп можно охарактеризовать как средние в каждой из реакционных серий. Еще более кардинальные различия проявляются для пары имидазоли-нового ряда: lw эффективно тормозит окисление LH, в то время как для 3w вообще не наблюдается четкого периода индукции. Возможно, подобное поведение можно объяснить высокой скоростью побочных процессов, вследствие чего снижается эффективность антиоксидантного действия, либо спецификой действия имидазолинового цикла.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. На одной молекуле NO обрывается 3-5 цепей окисления, что говорит о регенерации NO в процессе ингибированного окисления LH в мицеллах. Можно предположить следующие пути регенерации NO в данном процессе: 1. Взаимодействие NO с пероксидными радикалами LO2 . В литературе рассматриваются возможные механизмы данного процесса через образование триоксида с последующим его распадом [136, 139]. Подробный анализ данных результатов осуществлен нами в работе [17]. Отметим, что диспропорционирование нитроксильного и пероксидного радикалов предполагается в качестве основной причины многократного обрыва цепей в некоторых окисляющихся непредельных соединениях [16, 17]. 2. Участие в обрыве цепей гидропероксидного радикала, возможность образования которого при окислении LH в мицеллах предполагалась в ряде работ [143, 150]. В этом случае регенерация NO может осуществляться посредством цикла: NO + HO2 - NOH + O2 NOH + HO2 - NO + H2O2
Второй путь регенерации представляется более предпочтительным по следующим причинам. Зависимость антиоксидантной активности NO и NOH от коэффициента распределения позволяет сделать вывод, что обрыв цепей окисления происходит преимущественно внутри мицелл. С другой стороны существенно гидрофильные NO 1с и 11 даже при низких концентрациях (4-8)-10–6 моль/л снижают скорость окисления LH в два раза (рисунок 4.1). Таким образом, вероятно, обрыв цепей окисления происходит как внутри мицелл, так и (с меньшей эффективностью) в водной среде, что может объясняться участием в обрыве цепей гидропероксидного радикала. Действительно радикал HO2 вследствие малых размеров обладает высокой подвижностью и может выходить из мицеллы. В водной среде радикал HO2 депротонируется с образованием супероксид-аниона O2 – (pКa = 4,8). При pH 7,4 соотношение [O2–]/[HO2] равно 400, однако существованием HO2 в водной среде пренебрегать нельзя ввиду более высокой его активности по сравнению с O2#– [132]. Предполагаемый механизм ингибированного нит-роксильными радикалами окисления LH в мицеллах представлен на схеме 4.1 [182,186,187]. Данная схема учитывает распределение NO и NOH между водной средой и мицеллами, образование радикала HO2 при окислении LH, его выход из мицеллы и депротонирование в водной среде, а также взаимодействие NO и NOH с HO2 (O2 –) в водной среде и мицеллах. В водной среде обрыв цепей окисления происходит путем дисмутации O2 – на NO через образование ок-соаммониевого катиона N+=O [18, 19]. Внутри мицеллы обрыв цепей осуществляется путем конкуренции реакций NO с алкильным радикалом и гидропероксидным радикалом. Следует отметить, что представленная кинетическая схема является упрощенной. В более сложном случае необходим учет диффузии реагентов (радикалов инициатора, O2, NO#, NOH, HO2#) из водной фазы в мицеллы и обратно.
Проведем оценку обрыва цепей в водной среде. Скорость неингибирован-ного окисления LH в условиях рисунка 4.1 составляет W0 = 5,5-10–7 моль/(л-с), следовательно, средняя длина кинетической цепи v = W0/Wi = 145. Число агрегации молекул Triton X-100 по разным источникам варьируется от 110 до 150 [192]. Используя среднее значение 130, получаем, что средняя концентрация мицелл составляет 0,05/130 = 3,9-10–4 моль/л, соответственно в одной мицелле в среднем находится 0,02/3,9-10–4 = 52 молекулы LH. Таким образом, на протяжении одной кинетической цепи окисление происходит, как минимум, в трех мицеллах. Предполагается, что один из механизмов межмицеллярной передачи цепи — образование радикала HO2 и его переход в другую мицеллу [143, 150].