Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных данных 11
1.1. Механизм окисления непредельных соединений 11
1.1.1. Соединения 1-й 1,1 -замещенных этиленов 11
1.1.2. Механизм окисления 1,2-замещенных этилена 12
1.1.3 Кинетика и механизм радикально-цепных реакций неингибированного окисления полиненасыщенных жирных кислот и их эфиров 14
1.1.3.1. Общая характеристика окисления 15
1.1.3.2. Кинетические параметры элементарных стадий 19
1.1.3.3. Детальный механизм окисления полиненасыщенных жирных кислот 22
1.1.3.4. Зависимость скорости окисления от концентрации кислорода 26
1.1.3.5. Особенности неингибированного окисления полиненасыщенных жирных кислот в организованных системах 27
1.2. Кинетика и механизм ингибированного окисления фенольными антиоксидантами 31
1.2.1. Механизм и кинетические особенности действия монофенольных антиоксидантов 31
1.2.1.1 .Общая характеристика механизма действия фенолов. 31
1.2.1.2.Реакция фенольных антиоксидантов с пероксильными радикалами 33
1.2.1.3.Реакции феноксильных радикалов 36
1.2.1.4. Особенности ингибированного окисления полиненасыщенных жирных кислот монофенольными антиоксидантами 38
1.2.1,5. Ингибированное окисление в организованных системах 43
1.2.2. Полифенолы 47
1.2.3. Механизм действия гидрохинонов 51
2. Экспериментальная часть 56
2.1. Применяемые материалы 56
2.2. Реакторы и установки 57
2.3. Методы исследования 59
2.4 Статистическая обработка данных и компьютерное моделирование 61
3. Разработка методической базы определения параметров антиоксидантнои активности замещенных гидрохинонов. 62
3.1. Методика расчёта периода индукции 62
3.1.1. Вычисление периода индукции «методом касательных». 62
3.1.2. Интегральный метод определения периода индукции. 64
3.2. Расчёт к7 при различных схемах ингибированного окисления 66
3.2.1. Расчет К7 с учетом реакций (7), (8) и (9) 67
3.2.2. Оценка к7 с учетом побочных реакций 11
4. Исследование механизма антиокислительной активности замещенных гидрохинонов при окислении стирола и метиллинолеата в гомогенных и мицеллярных системах 75
4.1. Стехиометрические коэффициенты ингибирования 75
4.1.1.Значения f в окисляющемся стироле 77
4.1.2. Побочные реакции 80
4.1.2.1. Реакция прямого окисления гидрохинона 80
4.1.2.2. Взаимодействие с субстратом окисления 81
4.1.2.3. Реакция феноксильного радикала с кислородом 82
4.1.3. Значения f в окисляющемся метиллинолеате 90
4.1.4. Значения f при окислении мети л линолеата в мицеллах. 93
4.2. Реакционная способность замещенных гидрохинонов в реакциях с перекисными радикалами стирола и метиллинолеата 99
4.2.1. Значения к7 в окисляющемся стироле 99
4.2.2 Значения к7 в окисляющемся метиллинолеате 101
Выводы 107
- Кинетика и механизм ингибированного окисления фенольными антиоксидантами
- Механизм действия гидрохинонов
- Расчет К7 с учетом реакций (7), (8) и (9)
- Реакционная способность замещенных гидрохинонов в реакциях с перекисными радикалами стирола и метиллинолеата
Введение к работе
Актуальность работы. Перекисиое окисление липидов (ПОЛ) является основной причиной нестабильности природных масел и других липидсодержащих продуктов. Особенно неустойчивы к действию 02 полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), имеющие в своей структуре две или более двойных связей. Они относятся к легко окисляемым органическим соединениям. ПНЖК и их эфиры являются основным субстратом ПОЛ в биологических системах [1]. Эти процессы идут, как с участием ферментов (липоксигеназа, пероксидаза), так и неферментативно. И те и другие играют важнейшую роль в регулировании физиологических процессов, являющихся причиной или сопутствующим обстоятельством ряда патологий [2].
Интерес к вопросам перекисного окисления липидов в биологических мембранах резко возрос в самое последнее время, свидетельством чему служат многочисленные публикации в самых различных биологических и медицинских периодических изданиях. Еще около десяти лет назад изучение цепных реакций перекисного окисления жирных кислот представляло собой как бы незначительные ответвления от различных отраслей науки, в свою очередь достаточно далеко отстоящих друг от друга. В химической кинетике, в проблемах пищевой промышленности, в отдельных вопросах патологии, токсикологии, радиобиологии, биохимии, биофизики и т. д. встречались разрозненные исследования, посвященные перекисному окислению липидов, но каждое из них, взятое в отдельности, относилось как бы к частному случаю, второстепенному в масштабах каждой из перечисленных наук. Но по мере накопления фактов становилось все более очевидным, что изучение свободно-радикального цепного окисления ненасыщенных жирных кислот в клетке само по себе является важной научной проблемой, которая находится в точке пересечения целого ряда смежных дисциплин [3-5].
Прежде всего проблема перекисного окисления липидов в биологических мембранах находится, как и вообще биология мембран, на рубеже между биохимией и биофизикой. Биохимические методы выделения субклеточных частиц, энзимологического контроля, равно как и анализа продуктов перекисного окисления, находят важное дополнение - в биофизических методах изучения свободно-радикальных процессов, среди которых в данном случае наиболее плодотворным оказалось измерение хемилюминесценции, сопровождающей эти процессы. Биохимическая концепция метаболизма, регулируемого рядом факторов, включая энзимы, дополняется биофизическими категориями реакций свободных радикалов в бимолекулярной структуре биологических мембран [6].
Изучение перекисного окисления липидов сблизило и две другие науки-, химическую кинетику и патологию. Как и в случае других органических соединений, перекисное окисление липидов подчинено кинетическим закономерностям, характерным для цепных реакций, которые изучены на объектах, далеких от биологии, скажем, на примере жидкофазного окисления органических соединений [7]. Но с другой стороны, появление перекисей в тканях является одним из важных факторов действия повреждающих агентов, например, радиации, ядов или авитаминоза [1]. Пока изучение кинетики ведется на примере углеводородов, а изучение патологии — на уровне целого организма, между этими двумя направлениями нет настоящей связи. Но при переходе исследований на уровень растворов и суспензий липидов, биологических мембран или органелл кинетика и патология становятся причиной и следствием одних и тех же молекулярных событий.
В процессе жизнедеятельности образуются свободные радикалы, которые способны разрушать биологические системы. Для предотвращения разрушения этих систем свободными радикалами, в организме содержатся разнообразные антиоксиданты.
К природным антиоксидантам относятся гидрохиноны. Изучение механизма действия и определения антиоксидантнои активности таких соединений по отношению к свободным радикалам представляет большой интерес для органической химии, биологии и медицины [8]. При этом необходимо отметить, что систематических исследований детального механизме процесса до настоящего времени практически не проводилось. Не достаточно разработана и методическая база определения таких важнейших кинетических параметров ингибированного окисления, как стехиометрический коэффициент ингибирования и значение основной константы скорости ингибированного окисления - константы скорости реакции перекисного радикала с молекулой ингибитора.
Поэтому представляется весьма актуальным исследование по установлению механизма и антиоксидантнои активности QH2 в гомогенных растворах, в ненасыщенных липидах и в водных мицеллах и липосомах.
Цель работы: - разработка методической базы определения кинетических параметров антиоксидантнои активности гидрохинонов, систематическое исследование антиоксидантнои активности гидрохинонов в гомогенных системах и в водных мицеллах с установлением детального механизма процесса и выявлением роли побочных реакций. Научная новизна
Впервые проведен детальный кинетический анализ применяемых подходов к расчету параметров антиоксидантнои активности ингибиторов: стехиометрического коэффициента ингибирования (f) и константы скорости реакции ингибитора с пероксирадикалом (к7).
Показано, что определение значений этих параметров, существенно зависит, как от методики их измерения, так, и (при расчёте к7) от вклада побочных реакций в детальный механизм процесса.
На основании компьютерного моделирования и экспериментального исследования, предложены методы корректного расчета f и к7 для процессов ингибирования п-замещенными гидрохинонами окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных и мицеллярных растворах.
Впервые обнаружен эффект зависимости величины f от скорости инициирования при ингибирования п-замещенными гидрохинонами окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных раствопах, что объяснено участием феноксильного радикала в реакции с молекулярным кислородом.
Автор защищает: - методику определения и расчета f и к7 для процессов ингибирования п-замещенными гидрохинона окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных системах. - Механизм ингибирования п-замещенными гидрохинона окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных и мицеллярных системах.
Научно-практическая ценность. Предложен универсальный метод расчета стехиометрических коэффициентов ингибировани.т, применимый для антиоксидантов любой силы. Разработана методика применения компьютерного моделирования для определения к7 в процессах ингибирования п-замещенными гидрохинонами окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных и мицеллярных растворах, учитывающая побочные реакции. Получен обширный массив кинетических данных (значения f и К7 для четырнадцати замещенных гидрохинонов) для ингибированного окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных и мицеллярных, что может служить основой для этих процессов процессов в химической технологии и при функционировании организованных систем.
Кинетика и механизм ингибированного окисления фенольными антиоксидантами
Фенольные антиоксиданты способны тормозить окисление благодаря наличию гидроксильной группы, присоединенной к ароматическому ядру. Под фенольными антиоксидантами понимают любые соединения вида Аг(ОН)п, в которых одна или несколько гидроксильных групп соединены с ароматическим ядром. В зависимости от природы ароматического фрагмента Аг следует различать собственно фенолы, а также нафтолы, оксипроизводные других конденсированных ароматических углеводородов и гетероароматических соединений. В зависимости от числа ОН-групп, присоединенных к одному ароматическому ядру, различают монофенолы и полифенолы. В зависимости от числа фрагментов Аг(ОН)п в молекуле антиоксиданта говорят о моноядерных и полиядерных фенолах. Рассмотрим более подробно строение собственно фенолов, к которым относится подавляющее большинство реально применяемых антиоксидантов. Общую формулу моноядерных фенолов можно представить следующим образом: Как правило, заместители в положениях 3 и 5 отсутствуют (R3 - R5 -Н). Чаще всего R2f R4, и R$ представляют собой алкильные заместители. Надежность кинетического анализа ингибированного окисления самым существенным образом зависит от адекватности используемых при расчетах кинетических схем, от знания механизма происходящих при этом процессов. Детали механизма, количественное соотношение между различными конкурирующими направлениями этого процесса зависят от кинетических параметров элементарных реакций, а также от условий окисления. Эффективность антиоксидантов характеризуется двумя параметрами. Первый - константа скорости (7) реакции - к7, характеризует взаимодействие с перекисными радикалами, определяет способность фенольных соединений АгОН тормозить цепное окисление. Этот параметр показывает глубину ингибирования при соответствующей концентрации ингибитора. Продуктом такой реакции является феноксильный радикал АЮ . Второй -стехиометрический коэффициент ингибирования - f, который показывает, сколько кинетических цепей способна оборвать одна молекула ингибитора, f характеризует продолжительность ингибирования.
Для большинства изученных монофенольных АгОН f равен двум, то есть на одну ОН-группу приходятся две оборванные кинетические цепи (RO2 ), что выражается последовательностью реакций (7) и (8) на Схеме 1.3 [59]: Схема 1.3 Механизм действия фенольных антиоксидантов. Значения констант скорости реакции (7) лежат в широком диапазоне 10 — 10 л/моль С. к7 мало зависит от структуры пероксидного радикала [58, 59]. На них оказывает большое влияние строение самого ингибитора посредством двух факторов: стерическиЙ (объём орто-заместителей) и термодинамический (прочность ОН-связи). Последний зависит от объёма орто-заместителей и электродонорной способности всех заместителей. Чем выше электродонорная способность тем выше к7. При увеличении объёма орто-заместителей, увеличиваются стерические препятствия, но зато уменьшается прочность ОН-связи. Например, если рассмотреть серию фенольных соединений, в которой варьируется орто-заместитель, то наименьшее значение к7 будет у орто-незамещённого соединения и 2,6-ди-трет-бутил-замещённого (табл. 1.5). Константы скорости к7 для полиядерных фенолов, кало отличаются от к7 для их моноядерных аналогов [65, 66]. Высокими значениями к7 обладает а-токоферол и его производные имеющие в своём составе хромановое кольцо [67]. Однако, наибольшими значениями к7 обладают производные 1-нафтола [67]. Высокая активность в реакции (7) производных а-токоферола и нафтола объясняется высокой стабилизацией феноксильного радикала, и как следствие ослабление ОН-связи. Следует отметить, что производные нафтола на сегодняшний день известны как самые мощные антиоксид анты при ингибировании в гомогенных растворах. Образующийся по реакции (7), феноксильный радикал взаимодействуя с пероксильным радикалом образует несимметричную хинолидную перекись (QP), реакция (8). Значения констант скорости реакции (8) лежат диапазоне 2-1СГ - 10 л/мольс и мало зависят от структуры фенольных антиоксидантов. QP - неустойчивые соединения, диссоциируя по 00 - связи могут образовывать свободные радикалы, реакция (12). Это, естественно, снижает эффективность ингибирования. С реакцией (8) конкурируют процессы бимолекулярной гибели АгО . Диспропорционирование - реакция (9), либо рекомбинация реакция (9а): Диспропорционирование происходит у тех феноксильных радикалов, у которых положения 2,4,6 замещены: Диспропорционирование возможно при наличие слабой либо ОН либо СрН связи в орто или пара-положении. При рекомбинации происходит обратимое образование кетодимера. В дальнейшем происходит енолизация с образованием устойчивых димерных фенольных соединений. Реакция (-7) - АгО" с гидроперекисью ROOH - обратна реакции (7). Благодаря этой реакции возрастает стационарная концентрация RO2 , увеличивается скорость поглощения 02, снижается ингибирующая активность АЮН, В случае стирола эта реакция не актуальна, поскольку при окислении стирола не образуются гидроперекиси [7]. Реакция (10). В литературе сообщается, что феноксильные радикалы могут взаимодействовать с кислородом с образованием симметричных хинолидных пепекисей: Этот процесс подробно исследован для 2,4,6-три-трет-бутилфеноксила. Скорость реакции пропорциональна произведению [АгО ] [Oj] и почти не зависит от температуры. В диапазоне 25 - 80 С в бензоле эффективная константа скорости 4,9-103 л2/(моль2-с). Для гидрохинонов подобные исследования никогда не проводились.
Однако нет оснований не рассматривать эту реакцию. Реакция (11)- феноксильного радикала с углеводородами регенерирует цепь окисления, т.е. снижает эффективность ингибирования. В литературе есть некоторые данные на этот счёт. Так в работе [68] получены к[ і для 2,4,6-три-трет-бутил феноксила и 2,4,6-трибромфеноксила. Первый исследовался в трёх мономерах: стирол, метилметакрилат и бутил метакрилат в диапазоне температур 50 - 90 С. Значения кп варьируются в диапазоне 5,4-1 (Г6 - 2,4-10" л/(моль-с). Значение кп для второго в стироле при 50 С составляет 0,5 л/(моль-с). Т.е. видно, что разброс значений констант довольно велик. Поэтому пока не будем исключать эту реакцию из предполагаемой схемы. Реакция (13) - распад феноксильных радикалов. Процесс (3 -распада известен для ряда активных радикалов. Однако, в случае феноксилов [3-у связь ослаблена в меньшей степени, поэтому следует ожидать более медленного р - распада по сравнению с активными радикалами. Это первое, второе заметный р - распад наблюдался лишь при температуре выше 70 С. В литературе есть значение к2 для 2,6-дитретбутил-4-бутоксифеноксильного радикала при 70 С составляет 5,8-10"5 с" . Ясно, что конкуренция с реакцией диспропорционирования не реальна. Окисление липидов, как и модельных углеводородов, тормозится прежде всего соединениями, эффективно взаимодействующими с радикалами R02 . Среди них наибольший практический интерес представляют замещённые фенолы (АгОН). В этом случае простейшая клнетическая схема окисления включает кроме реакций (0), (1), (2) и (6) также (7), (8) и (9) В области чисто линейного обрыва цепи (W7 » Wg) и при условии, что образующиеся в реакции (7) радикалы АгО погибают только в реакции (8), скорость окисления и длина цепей v равны : ) Если радикалы ArO погибают только в реакции (9), выражения для W и v отличаются от (1.4) и (1.4а) только отсутствием коэффициента 2 в знаменателе. Как следствие высокой активности ПНЖК в реакции (2) достаточно большую глубину торможения окисления липидов могут обеспечить только соединения, характеризующиеся высоким значением к7. Оценим это значение. Примем, что достаточная глубина торможения достигается при условии v 2. Типичная величина параметра k2[RH] в ненасыщенных природных липидах при 303 - 313 К - 2-Ю2 с"1. Это соответствует концентрации бисаллильных мети леновых групп порядка 2 моль/л. При использовании в качестве антиоксидантов 2,6-дитретбутил-4-алкилфенолов с к7 и 2-Ю4 л/(мольс) [69] (такова структура ионола и большинства других промышленных фенольных антиоксидантов [58]) условие v 2 выполняется только при [АгОН] 2,5-10 моль/л.
Механизм действия гидрохинонов
В литературе имеется достаточно много качественной информации по гидрохинонам, которые применяются как ингибиторы полимеризации. Природные убихинолы - 2,3-диметокси-диалкил-замещёиные гидрохинонов играют важную роль в биологических системах [104]. В 1970-х Pospisil опубликовал ряд данных относительно гидрохинонов - антиоксидантов полимеризации [105 - 107]. В качестве субстрата они использовали тетралин, инициатор AIBN. Оценка антиоксидантных свойств проводилось по времени индукционного периода в присутствии антиоксиданта (А№) и по времени поглощения определённого количества кислорода (Ат). Однако этот метод не позволяет дать тонкую количественную оценку антиоксидантнои активности. Однако можно отметить некоторые интересные результаты. Было найдено, что скорость окисления после окончания индукционного периода не возвращалась к скорости неингибированного окисления, особенно в случае пирокатехины. Другими словами, образующиеся орто-хиноны действовали как ингибиторы. Возможно, что это обусловлено присоединением пероксирадикалов к сопряженному хромофору хинона. Также сообщается, что 2-алкокси-замещённые гидрохиноны наиболее активны, что объясняется образованием водородной связи между фенольной и алкокси- группами [106]. Фактически, это заключение весьма неоднозначно, потому что более длинные индукционные периоды для этих соединений, вероятно, обусловлены уменьшением реакционной способности, из-за образованиг водородной связи в этих производных. Авторы также сообщают, что стехиометрические коэффициенты заметно зависят от экспериментальных условий и предложили, чтобы это происходит из-за реакции семихинон-радикалов с гидроперокс идами. В последнее время антиоксидантные свойства гидрохинонов были исследованы в нескольких работах. В работах Yamamura сообщается, что гидрохиноны дают меньший эффект падения скорости окисления (примерно в 2 раза), чем пирокатехины. При этом стехиометрический коэффициент f гидрохинонов составляет примерно 0,6 -1,1, тогда как для пирокатехины f примерно в 2 раза больше. Интересно отметить, что авторы объясняют более высокую антиоксидантную активность пирокатехинов, по сравнению с гидрохинонами, увеличением стабильности образующихся феноксильных радикалов из-за образования внутримолекулярных водородных связей [108].
Приведенные результаты свидетельствуют о важности образования внутримолекулярных водородных связей. 2,3-диметоксигидрохиноны имеют сильные водородные связи с обеих сторон (структура 1.2). (1.2), R = Н, или С5 изопреноид Расчет структуры переходного состояния и значения констант скорости к7 показывают, что внутримолекулярно связанный фенольный водород в о- метоксифенолах удивительно легко отрывается пероксирадикалами [109]. Внутримолекулярные водородные связи (структура 1.2) «защищают» молекулу от взаимодействий с растворителем, в отличие от моно-гидрокси фенолов. Т.е. исходя из сказанного, хотя убихинол в десять раз менее активен, чем а-Токоферол в системе стироле — AIBN, их антиоксидантные активности в водной дисперсии одинаковы, потому что моно-фенол (а-токоферол) более восприимчив к водородной связи. Из-за этого, убихинол является очень важным антиоксидантом в биомембранах [ПО]. Таким образом, в противоположность монофенолам, кинетически антиоксидантная активность полифенольных соединений - гидрохинонов (QH2) изучена лишь для некоторых соединений и многие аспекты действия гидрохинонов как антиоксидантов остаются неизученными. Можно отметить, что f для гидрохинонов никогда не превышает 2,. то есть на одну ОН-группу приходится одна оборванная кинетическая цепь [67, 111, 112]. Более того, для некоторых гидрохинонов f заметно меньше двух [67, 111], вероятной причиной этого, является либо прямое окисление гидрохинона молекулярным кислородом, либо реакция кислорода с гидрокси-замещенным феноксильным радикалом (QH ). На данный момент известны параметры антиоксидантной активности для некоторых соединений в разных системах: в биологических системах и в стироле (табл. 1.17, 1.18). Идебенон испытывался как препарат против клеточных и дегенеративных повреждений нервной системы вызванных свободными радикалами. Установлено, что антиоксидантной активностью обладает гидрохинон. Антиоксидантная активность (к7) соединений, представленных в таблице 1.15 исследовалась также в водных мицеллах и фосфолипидных бислоях [111, 112, 114]. В этих гетерогенных модельных системах наблюдалось значительное снижение к7. Этот эффект можно объяснить образованием водородной связи воды с электронной парой кислорода ОН-группы антиоксиданта, что снижает антиоксидантную активность в эшх системах по сравнению со стиролом. Из приведенных литературных данных можно сделать некоторые выводы. Во-первых, к7 измеренная в гетерогенных системах является эффективной величиной.
Во-вторых, в гомогенных системах (стирол) гидрохиноны проявляют максимальную к7. В-третьих, не проведено систематическое исследование антиоксидантной активности гидрохинонов, а также остается до конца невыясненным механизм их действия. Еще один аспект, требующий основательной доработки, - это методическая база исследований, поскольку, сам термин «антиоксидантная активность» включает в себя как величину к7, так и значение f. Определение этих параметров связано с установлением детального механизма процесса и выявлением роли побочных реакций. Решение этих задач и стало целью настоящей работы. 6-гидрокси-2,253,5,7-пентаметштхроман (С-1) (фирма Merck), Гидрохиноны коммерческие: 2,3-диметилгидрохинон, триметилгидрохинон (фирма Aldrich), этилгидрохинон (фирма Aldrich), 2,6-дифенилгидрохинон (фирма Aldrich), 2,5-дихлоргидрохинон (фирма Aldrich). Остальные гидрохиноны (QH2) были приготовлены из соответствующих бензохинонов (Q) по методике [115]. Бензохиноны: гьбензохинон (фирма Aldrich), 2,6-диметил-п-бензохинон (фирма Aldrich), 2-метил-5-изопропил-п-бензохинон (фирма Aldrich), 2,6-ди-трет-бутил-п- бензохинон (фирма Aldrich), 2,3-Диметокси-5-метил-п-бензохинон (Ubiquinone-O) (фирма Sigma); метил-п-бензохинон (фирма Merck); 2,6-диметокси-п-бензохинон (фирма Lancaster); 2,5-диметил-п-бензохинон (фирма Fluka); трет-бутил-п-бензохинон (фирма EGA Chemie). Мономеры: Метиллинолеат (LH) - фирма Sigma. Стирол (Ст) марки ч.д.а. очищался от введённых в него антиоксидантов путём пропускания в адсорбционной колонне через активированную окись алюминия и перегонялся в вакууме при ЗОЗК. Инициаторы: Жирорастворимый- 2,2 -азобис(2,4-диметилвалеронитрил) (AMVN) (фирма Polysciences, Inc). Водорастворимый 2,2 - азобис (2-амидинопропан) дигидрохлорид (ААРН) (фирма Polysciences, Inc). Прочие вещества: Фосфаты Na, NaH2P04 и Na2HP04, которые использовались для приготовления буферного раствора, также как и эмульгатор, додецил сульфат натрия (SDS) (фирма Merck). Супероксид дисмутаза (SOD) с активностью 4000-7000 U/мг, приготовленная из бычьих эритроцитов (фирма Sigma). В качестве растворителя для экспериментов в гомогенных системах использовали хлорбензол со степенью очистки puriss (фирма Fluka). 2.2. Реакторы и установки. Кинетика поглощения кислорода, при окислении Ст и LH в гомогенных растворах, исследовалась с помощью стеклянного капиллярного микроволюмометра, схема которого изображена на рис. 2.1. Волюмометрические методы позволяют измерять скорость окисления с большой степенью точности при малых глубинах превращения, когда влиянием продуктов окисления на кинетику реакции можно пренебречь [32]
Расчет К7 с учетом реакций (7), (8) и (9)
Когда QH гибнет по реакции (8), то для ингибированного окисления справедливо выражение Эта ситуация типична для монофенольных ингибиторов [58]. Однако, как известно из литературы, некоторые QH2 довольно легко вступает в реакцию диспропорционирования (9), поскольку для них известный диапазон 2к9 = 310 - 1,5-10 л/(моль-с) [63, 118 - 121]. При доминировании этой реакции процесс описывается выражением 3.5 [58]: Уравнение (3.5) отличается от уравнения (3.4) появлением двойки в знаменателе правой части. Отметим, что уравнения (3.4) и (3.5) корректно использовать при выполнении условия длинных цепей окисления [Белая книга Денисова). Поэтому расчёт к7 проводился при WQ/W 10. Принципиальным представляется вопрос о том, какая из реакций: (9) или (8), - основной путь гибели QH\ Для решения этого вопроса проведем компьютерного моделирование конкуренции этих реакций для двух крайних значений 2к9: 1,5-10 и 3,0-10 . Зададимся следующими данными: [стирол] = 7 моль/л, Wj = 2-Ю моль/(л-с), к7 = 1-Ю л/(моль-с) л/(моль-с) соответственно. Кинетические кривые, соответствующие этим двум случаям, представлены на рис 3.4. Из этого рисунка видно, что большую часть периода индукции преобладает реакция дислропорционирования QH , а не его взаимодействия с RCb . Используя уравнение (3.5), из анаморфозы 1А получим значение k7 = 1,02-106 л/(моль-с), а из анаморфозы 2А - к7 = 1,05-10 л/(мольс). Поскольку в схему расчета заложена величина k7 = Ы0 л/(моль-с), можно считать, что уравнение (7) справедливо для диапазона 2к9 от 3 108 до 1,5-10У лУ(моль-с). Если построить анаморфозы кривых (рис. 3.4) в координатах уравнения (3.4), а затем вычислить к7, то значение к7 получится в два раза меньше чем заложено в схему расчета. Надо отметить, что уравнения (3.4) и (3.5) это два крайних случая. Первый - когда QH" гибнет по реакции (8). Второй - основной путь обрыва QH - реакция (9).
Промежуточный случай - когда за время периода индукции реакций (8) и (9) конкурируют друг с другом. При таком раскладе необходимо оценить ошибку, которая возникнет при вычислении к7 по уравнению (3.4), не учитывающем реакцию (9). Для этого при базовом значении k7 = 1-Ю6 л/(моль-с) рассчитаем эту величину при разных (гипотетических) величинах 2к9. Результаты расчета приведены втабл. 3.3. Как видно из таблицы уже при значениях 2kg 1-106 л/(мольс) ошибка в определении к7 становится существенной. Уравнения (3.4) и (3.5) отражают изменение скорости ингибированного окисления во времени, когда QH2 расходуется по реакции (7). При этом очень важно, что для вычисления k7/k2 по этим уравнениям не надо знать концентрацию ингибитора и скорость инициирования. Пример кинетического опыта для вычисления k7/k2 приведен на рисунках 3.6 и 3.7. Из кривой ингибированного окисления (рис. 3.3), в координатах уравнения (3.5) строится ее анаморфоза, (рис 3.6). Как видно из этого графика, экспериментальные точки ложатся на прямую линию, из тангенса угла наклона которой можно вычислить k7/k2, и далее, по известной величине к2 рассчитать значение к7. 3.2.2. Оценка к7 с учетом побочных реакций. Уравнение (3.5) выведено без учета реакции (10). Поэтому необходимо проанализировать возможный вклад этой реакции при вычислении к7. Поскольку значение кю неизвестно, рассмотрим несколько гипотетических вариантов. В табл. 3.4 и 3.5 приведены зависимости расчетных значений к7 и f от величины кю и Wj при разных базовых значениях к7 и постоянных концентрациях QH2 и стирола. Анализ проведенных расчетов показывает, что при высоких скоростях инициирования ( 2-10"8 моль/(л-с)) и значениях кю ниже 10 л/моль-с реакция (10) не вносит существенного вклада в процесс и ей можно пренебречь. При низких величинах Wj 2-Ю 8 моль/(л-с) и значениях кш 103 л/молъ-с реакция (10) может оказывать значительное влияние на механизм, ингибирования, снижая величину f. С другой стороны, чем ниже f, тем выше может быть ошибка при вычислении к7 из формулы (3.5). Чтобы снизить эту ошибку, необходимо проводить эксперименты при возможно более высокой скорости инициирования. Эти выводы подтверждаются и данными табл. 3.6, которая аналогична табл. 3.4, но [QH2] увеличена на порядок. Как видно из э ой таблицы, увеличение концентрации ингибитора не влияет на характер изменения к7 и f. Оценка влияния реакции (11) может быть проведена на основании литературных данных [68] показано, что 2,4,6- тритретбутилфеноксильный радикал и 2,4,6-трибромфеноксильный радикал могут взаимодействовать со стиролом с константами скорости 3,1-10" л/(моль-с) и 0,5 л/(моль-с) соответственно. При таких константах скорости этой реакцией можно свободно пренебречь, поскольку из предыдущего рассмотрения очевидно, что подобный процесс может конкурировать с реакциями (9) и (10) лишь при константах скорости выше 105 лУ(моль-с).
В данном разделе представлены результаты изучения антиоксидантной активность ал кил- и метокси- замещённых гидрохинонов (QH2) при окислении стирола (Ст) и метиллинолеата (LH) в гомогенных системах и окислении LH в мицеллах додецил сульфата натрия (SDS) при 310 ± 0,1 К. Кинетика поглощения кислорода при окислении Ст и LH в гомогенных системах исследовалась с помощью стеклянного капиллярного микроволюмометра, а при окислении LH в SDS мицеллах - с помощью компьютеризированного кислородного биологического монитора. Описание приборов и методик проведения эксперимента приведено в главе 2. Методики расчета параметров антиоксидантной активности (f и к7) приведены в главах 2 и 3. Примечательно, что ни для одного из QH2 f не превышает двух; кроме того, для большой части QH2 Ґ - явно меньше этого значения (последнее типично для других гидрохинонов [111, 114]). Эта же закономерность, и как мы увидим ниже, соблюдается и при окислении метил линолеата в гомогенной системе. Причины уменьшения f по сравнению.с теоретическим значением подробно анализировались в главе 3 на основании компьютерного моделирования. Ниже эта проблема рассмотрена на основании полученных экспериментальных данных 4.1.2. Побочные реакции. В главе 3 отмечалось, что к снижению f могут приводить возможные побочные реакции с участие гидрохинонов. 4.1.2.1. Реакция прямого окисления гидрохинона. Можно предположить, что весьма слабая химически активная ОН-связь в фенолах будет сравнительно легко окисляться кислородом по реакции (12) (схема 3.1). Известная информация относительно непосредственного окисления фенольных соединений молекулярным кислородом в апротонных средах явно недостаточна. Этот процесс экспериментально наблюдался только при повышенных температурах (обычно 373 К) [58]. Поэтому при довольно низкой температуре исследования (Зі О К) реакция (12) маловероятна, поскольку сильно эндотермична для всех изучаемых QH2 и, что более важно, она "запрещена по - спину". Для проверки этого предположения, проведен ряд экспериментов с предварительным окислением гидрохинона. Сущность экспериментов состояла в том, что инициатор вводился после того, как гидрохинон некоторое время находился в системе (предполагая, что он окисляется). Затем вычислялся период индукции и стехиометрический коэффициент ингибирования f (таблица 4.4.). Полученные значения f сравнивались со значением f для эксперимента, когда инициатор и ингибитор вводились сразу.
Реакционная способность замещенных гидрохинонов в реакциях с перекисными радикалами стирола и метиллинолеата
Экспериментальные данные по определению к7 представлены ранее в табл. 4.2. Средние значения к7 для изученных ингибиторов приведены в табл. 4.15. Прежде всего отметим, что полученные величины (в отличии от f) не зависят от условий окисления (табл. 4.2 ). Среди QH2, представленных в табл. 4.17, только два антиоксиданта, QH2 12 и QH2 13, изучались прежде. Для обоих QH2, ранее сообщенные значения к7 2,8-10"6 л/(моль-с) и 6,2-1 О 5 л/(моль-с) соответственно [67] (умноженные на коэффициент 2 - см.гл.З) находятся в разумном соглашении со значениями определенными в этой работе (табл. 4.17). За некоторыми исключениями, значения к7 определенные в этой работе и опубликованные в литературе для QH2 [67, 71, 111, 114, 115] находятся в пределах узкого диапазона приблизительно (1-2)-10 л/(моль-с) (табл. 4.15). В частности почти те же самые значения к7 для а-токоферилгидрохинона и некоторых его синтетических аналогов приведены в работах [111, 114]. Это означает, что QH2 принадлежат наиболее активным антиоксидантам. Что касается связи между структурой и реакционной способностью этих ингибиторов в реакциях с L02 , то здесь можно сделать некоторые предварительные заключения. Реакционная способность незамещенного QH2 1 - относительно низка; к7 увеличивается при переходе к моно-, ди- и три-алкил-замещенным QH2. В то же самое время, метокси-замещенный QH2, (QH2 9) и, особенно QH2 13, явно менее активны, чем соответствующие метил- замещенные, QH2 5 и QH2 12 (табл. 4.15). Что касается уменьшения активности QH2 13, то это находится в соответствии с довольно низкой активностью других убихинолов (табл. 4.15). Исходя из работы [67], мы можем предположить, что снижение активности QH2 13 по сравнению с его метальным аналогом QH2 12 обусловлено стереоэлектронным эффектом. Особенно, можно предположить, что замена на метальные заместители в положениях 2 и 3 для метокс ильных групп вызывает уменьшение перекрывания между р-орбиталью атома кислорода ОН - группы и п- электронного облака ароматического кольца. Это приводит к снижению энергии стабилизации феноксильного радикала, образованного из QH2 13 по сравнению с феноксильным радикалом из QH2 12. Ингибитор QH2 11 обладает двумя электроноакцепторными заместителями, это приводит к уменьшению к7 по сравнению с незамещенным QH2 1 и метилзамещенными аналогами QH2 5, QH2 6. Можно предположить, что и другие QH2 с электроноакцепторными заместителями имеют пониженную антиоксидантную активность.
Видно, что преобразование кривой поглощения, кислорода в координатах уравнения (3.5) даёт прямую линию. Значения k7/k2 определены из тангенса угла наклона этой прямой. Абсолютные значения к? вычислены из к7/к2 при к2 = 70 л/(моль-с) [127]. Полученные значения к7 в гомогенных системах приведены в табл.4 Л 0, а в мицелярных - табл.4 Л 2. Средние значения к7 приведены в табл. 4.16, 4.17. Таблица 4,16. Средние значения к7для исследованных гидрохинонов при ингибированном окислении метиллинолеата в гомогенной системе. Анализ данных табл. 4.20 показывает, что все изученные QH2 эффективно ингибируют окисление стирола и метиллинолеата в гомогенной системе. Что касается окисления метиллинолеата в SDS мицеллах, то за исключением QH2 1 и 2, ) показали значительную антиоксидантную активность только в присутствии SOD. При переходе от окисления стирола к метиллинолеату в гомогенных системах значения к7 снижаются в 2 - 8 раз. Рассмотрим реакционную способность QH2 по отношению к LO2 . QH2 принадлежат к наиболее активным фенольным антиоксидантам. В частности, к7 для наиболее активного QH2 12, измеренная при окислении стирола в гомогенной системе, равна 2,32-106 л/(моль-с) (табл. 4.20), что сравнимо со значением k7 = 3-Ю6 л/(моль-с) для а-токоферола, который ИЗБЄСТЄН, как наиболее мощный, биологически важный липофильный антиоксидант [67, 71]. QH2 также активны и при окислении метиллинолеата в гомогенной системе: к7 для наиболее активных QH2 5,6 и 12 приблизительно 1,2-10 л/(моль-с) (табл. 4.20), которые не намного меньше, чем значение к7 для а- токоферола (1,3106 л/(моль-с)) и для С-1 (1,Ы06 л/(мольс)) [54]. Что касается ингибирования окисления метиллинолеата в SDS мицеллах, то значение ki для QH2 12 (1,97-105 л/(моль-с) (табл. 4.18) превышает все опубликованные значения к7, исключая С-1 (3,4-105 л/(моль-с) [54]) и бутилоксианизол (2,1-Ю5 л/(мольс) [54]). Очень высокая активность QH2 по отношению к L02 связана со строением QH2. Известно, что реакционная способность замещённых фенолов увеличивается, когда увеличивается электронедонорные свойства «-заместителей [58, 67]. Группа ОН в п-положении принадлежит к сильным резонансным донорам. Это обеспечивает высокую реакционную способность QH2. Рассматривая причину последовательного снижения значений к7 при переходе от окисления стирола к окислению метиллинолеата в гомогенных системах и дальнейший переход к окислению метиллинолеата в SDS мицеллах, следует учесть, что этот эффект присущ не только QH2. Ранее было опубликовано, что подобный эффект имеет место и для монофенольных [22, 26, 54], Предполагается, что образование Н-связей между ОН-группой фенольного соединения и карбокси-груштой метиллинолеата есть главная причина значительного снижения значений к7 при переходе от окисления неполярных углеводородов, к окислению эфиров жирных кислот [54]. Наиболее вероятно, что это также справедливо и для QH2, изученных в этой работе. Интересно, что значение к7 для QH2 14 остаётся почти неизменным при переходе от окисления стирола к окислению метиллинолеата в гомогенных системах ((табл. 4.20).
Вероятная причина того, что значение к7 для 2,6-ди-трет-бутил-замещён ного фенола остаётся неизменным это стерические затруднения при образовании Н-связи [54]. Дальнейшее снижение значений к7 при переходе от окисления метиллинолеата в гомогенном системе к окислению в SDS мицеллах можно объяснить следующими дополнительными факторами: 1) образование Н-связей между QH2 и молекулами воды [22, 54]; 2) препятствие доступа QH2 к L02" из-за разделения фаз [26, 54]; На этой стадии трудно установить, какой фактор наиболее существенен в каждом конкретном случае. В то время как, значение к7 измеренное при окислении стирола, можно отнести к элементарной реакции (7), то очевидно, что такой подход не корректен, когда мы имеем дело с окислением метиллинолеата в гомогенной системе, и, особенно при окислении метиллинолеата в SDS мицеллах. В этой связи, экспериментально измеренные значения к7, следует рассматривать в качестве эффективного параметра, который в большей степени определяется физическими факторами, чем реакционной способностью QH2. 1.Разработан общий подход к оценке параметров антиоксидантной активности ингибиторов (на примере гидрохинонов), заключающийся в комбинации экспериментального исследования процесса с компьютерным моделированием его механизма на уровне элементарных стадий. 2. Проведен кинетический анализ методической базы определения стехиометрического коэффициента ингибирования и показано, что расчет его из длительности индукционного периода возможен только для сильных ингибиторов. Предложена интегральная методика определения тШ1Д, позволяющая рассчитывать f для ингибиторов любой силы, 3. Методика для расчета к7, первоначально разработанная для случая монофенольных антиоксидантов, модифицирована под особенности действия гидрохинонов. 4. Впервые измерены параметры антиоксидантной активности (f и к7) для четырнадцати гидрохинонов в окисляющихся стироле и метиллинолеате в гомогенной системе, и при окислении метил линолеата в SDS-мицеллах. 5. Экспериментально и с помощью компьютерного моделирования выявлены причины низких значений стехиометрического коэффициента ингибирования гидрохинонов. 6. Обнаруженный эффект зависимости величины f от скорости инициирования при ингибирования QH2 окисления стирола и метиллинолеата в гомогенных растворах объяснен участием феноксильного радикала в реакции с молекулярным кислородом.
