Способ потенциометрического определения скорости генерирования пероксильных радикалов

Способ потенциометрического определения скорости генерирования пероксильных радикалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области физико-химических методов исследования радикальных реакций, в частности к способу определения скорости генерирования пероксильных радикалов. Способ может быть использован для количественного определения скорости генерирования пероксильных радикалов в растворе.

Известен способ изучения распада радикальных инициаторов и генерирования радикалов методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии в сочетании с жидкостной хроматографией [Werber J., Wang Y.J., Milligan M., Li X., Ji J.A. Analysis of 2,2'-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride degradation and hydrolysis in aqueous solutions // J. Pharm. Sci. 2011. 100(8): 3307-3315].

Недостатками данного способа являются сложность техники эксперимента, использование дорогостоящего оборудования и реактивов, а также высокие требования к исполнителю эксперимента в связи со сложностью интерпретации получаемых результатов.

Известен способ определения концентрации и скорости генерирования пероксильных радикалов, образующихся вследствие распада радикальных азоинициаторов методом электронного парамагнитного резонанса с использованием спиновых ловушек свободных радикалов, например 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида и 2,2-диметил -4- фенилимидазол -1- оксида [Krainev A.G., Bigelow D.J. Comparison of 2,2'-azobis(2-amidinopropane) hydrochloride (AAPH) and 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile)(AMVN) as free radical initiators: a spin-trapping study // J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1996. 2: 747-754].

Недостатками данного способа также являются сложность техники эксперимента и использование дорогостоящего оборудования, а также специфических реактивов, не являющихся общедоступными.

Известен способ определения скорости генерирования пероксильных радикалов методом активированной хемилюминесценции с использованием в качестве люминофора люминола. В данном способе регистрируется увеличение интенсивности свечения люминола за счет взаимодействия с генерируемыми пероксильными радикалами [Krasowska A., Rosiak D., Szkapiak К., Lukaszewicz М. Chemiluminescence detection of peroxyl radicals and comparison of antioxidant activity of phenolic compounds // Current Topics in Biophysics. 2000. 24\(2): 89-95].

К недостаткам данного способа можно отнести то, что спектрофотометрическая регистрация сигнала также ограничивает измерения в окрашенных жидкостях, и то, что результаты, получаемые данным методом, представлены в относительных единицах свечения.

Наиболее близким решением служит способ определения скорости генерирования пероксильных радикалов, также образующихся за счет распада радикальных инициаторов, спектрофотометрическим методом с помощью измерения концентрации акцептора свободных радикалов пирогаллового красного (пирогаллосульфонфталеина) - красителя, обладающего максимумом поглощения при 540 нм [Yoshida Y., Itoh N., Saito Y., Hayakawa M, Niki E. Application of water-soluble radical initiator, 2,2'-azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propane] dihydrochloride, to a study of oxidative stress // Free Radic Res. 2004. 38 (4): 375-84].

К недостаткам данного способа относится то, что спектрофотометрический способ измерения сигнала не позволяет проводить измерения в окрашенных объектах, обладает недостаточной чувствительностью и точностью.

Задачей, решаемой данным изобретением, служит повышение точности, достоверности и воспроизводимости результатов, расширение круга исследуемых веществ и используемых реагентов.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что определение скорости генерирования пероксильных радикалов проводят по изменению концентрации акцептора свободных радикалов, которая сопровождается изменением потенциала, регистрируемого при взаимодействии акцептора с генерируемыми радикалами, возникающими при термическом распаде радикального инициатора в растворе.

В качестве акцептора свободных радикалов используют восстановленную форму металла в составе комплексного соединения. При взаимодействии радикалов с восстановленной формой металла в комплексе образуется окисленная форма металла в комплексе и возникает обратимая электрохимическая система, потенциал которой зависит от соотношения окисленной и восстановленной форм. Пероксильные радикалы взаимодействуют с восстановленной формой металла в комплексе, что сопровождается постепенным уменьшением концентрации восстановленной формы металла по реакциям (1-2) и, соответственно, увеличением окислительно-восстановительного потенциала электрохимической системы согласно уравнению Нернста:

Расчет скорости производят по следующим формулам:

W_i=-d{C([Me^RedL])}/dt,

где W_i - скорость генерирования радикалов, м⋅с^-1;

C([Me^RedL]) - концентрация восстановленной формы реагента, М.

Для расчета кинетики уменьшения концентрации восстановленной формы реагента [Me^RedL] последнюю в каждый момент времени оценивают по формуле:

,

где

;

C⁰([Me^RedL]) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

E₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, В;

E₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂;

n - число электронов, участвующих в процессе, n=1;

F - постоянная Фарадея, равная 96485 Кл⋅моль^-1;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль⋅K);

T - абсолютная температура, К.

В качестве реагентов могут быть использованы комплексные соединения металлов переменной валентности, например комплекс железа (II) с ЭДТА [Fe(II)-EDTA], комплекс железа (II) с о-фенантролином [Fe(Phen)₃]²⁺, K₄[Fe(CN)₆], K₄[Mn(CN)₆], K₄[Mo(CN)₈], [Fe(SCN)₂], также комплексные соли металлов переменной валентности с органическими лигандами, например, тетраэтиламмония гексацианоферрат (II), тетраэтиламмония тетрахлороферрат (II), Fe(II)-TPTZ.

В качестве инициаторов, являющихся источником пероксильных радикалов, могут быть использованы азосоединения, например 2,2'-азобис(2-метилпропионамидин) дигидрохлорида (ААРН), 2,2'-азобис[2-(2-имидазолин-2-ил)пропан]дигидрохлорид (AIPN) и др.

Рабочий электрод может быть изготовлен из платины, электродом сравнения может служить стандартный хлорсеребряный электрод.

Указанные отличия существенны. Использование потенциометрического способа регистрации аналитического сигнала позволяет проводить анализ окрашенных объектов, а также увеличить чувствительность и точность метода за счет использования электрохимической детекции аналитического сигнала.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы неизвестен способ определения скорости генерирования пероксильных радикалов в заявляемой совокупности признаков. Впервые применена потенциометрия для решения этой задачи.

На фиг. 1 представлена зависимость потенциала от времени при совместном инкубировании радикального инициатора 2,2'-азобис(2-метилпропионамидин) дигидрохлорида (ААРН) с K₄[Fe(CN)₆] с при 37°C.

На фиг. 2 представлена зависимость потенциала от времени при совместном инкубировании радикального инициатора 2-азобис[2-(2-имидазолин-2-ил)пропан]дигидрохлорида (AIPN) с [Fe(II)-EDTA] с при 37°C.

На фиг. 3 представлена зависимость потенциала от времени при совместном инкубировании радикального инициатора 2,2'-азобис(2-метилпропионамидин) дигидрохлорида (ААРН) с [Fe(II)-EDTA] при 42°C.

На фиг. 4 представлена зависимость потенциала от времени при совместном инкубировании радикального инициатора 2-азобис[2-(2-имидазолин-2-ил)пропан]дигидрохлорида (AIPN) с [Fe(Phen)₃]²⁺ c при 37°C.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В 4,9 мл водного раствора, находящегося в термостатируемой ячейке при 37°С, содержащего 0,1 М радикальный инициатор ААРН, вносят 0,1 мл 0,0125 М раствор K₄[Fe(CN)₆]. Затем опускают рабочий электрод и электрод сравнения. Измеряют скорость изменения потенциала.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

Результаты измерений приведены на фиг. 1.

Кинетику уменьшения концентрации K₄[Fe(CN)₆] в каждый момент времени оценивают по формуле:

,

где ;

C⁰(K₄[Fe(CN)₆]) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

C(K₄[Fe(CN)₆]) - текущая концентрация восстановленной формы реагента в каждый момент времени, М;

E₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, В;

E₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂.

Скорость генерирования равна скорости уменьшения концентрации K₄[Fe(CN)₆].

W_i=-d{C(K₄[Fe(CN)₆])}/dt,

где W_i - скорость генерирования радикалов, м⋅с^-1.

Расчет показывает, что скорость генерирования радикалов равна 1,59⋅10^-7 м⋅с^-1.

Пример 2

В 4,9 мл водного раствора, находящегося в термостатируемой ячейке при 37°C, содержащего 0,15 М радикальный инициатор AIPN, вносят 0,1 мл 0,015 М раствор [Fe(II)-EDTA]. Затем опускают рабочий электрод и электрод сравнения. Измеряют скорость изменения потенциала.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

Результаты измерений приведены на фиг. 2.

Кинетику уменьшения концентрации [Fe(II)-EDTA] в каждый момент времени оценивают по формуле:

,

где ;

C⁰([Fe(II)-EDTA]) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

C([Fe(II)-EDTA]) - текущая концентрация восстановленной формы реагента в каждый момент времени, М;

E₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, B;

Е₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂.

Скорость генерирования равна скорости расходования [Fe(II)-EDTA].

W_i=-d{C([Fe(II)-EDTA])}/dt,

где W_i - скорость генерирования радикалов, м⋅с^-1.

Расчет показывает, что скорость генерирования радикалов равна 3,94⋅10^-7 м⋅с^-1.

Пример 3

В 4,9 мл водного раствора, находящегося в термостатируемой ячейке при 42°C, содержащего 0,1 М радикальный инициатор ААРН, вносят 0,1 мл 0,0125 М раствор [Fe(II)-EDTA]. Затем опускают рабочий электрод и электрод сравнения. Измеряют скорость изменения потенциала.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

Результаты измерений приведены на фиг. 3.

Кинетику уменьшения концентрации [Fe(II)-EDTA] в каждый момент времени оценивают по формуле:

,

где ;

C⁰([Fe(II)-EDTA]) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

C([Fe(II)-EDTA]) - текущая концентрация восстановленной формы реагента в каждый момент времени, М;

Е₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, В;

E₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂.

Расчет показывает, что скорость генерирования радикалов равна 3,67⋅10^-7 м⋅с^-1.

Пример 4

В 4,9 мл водного раствора, находящегося в термостатируемой ячейке при 37°C, содержащего 0,1 М радикальный инициатор AIPN, вносят 0,1 мл 0,015 М раствор [Fe(Phen)₃]²⁺. Затем опускают рабочий электрод и электрод сравнения. Измеряют скорость изменения потенциала.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

Результаты измерений приведены на фиг. 4.

Кинетику уменьшения концентрации [Fe(Phen)₃]²⁺ в каждый момент времени оценивают по формуле:

,

где ;

C⁰([Fe(Phen)3]²⁺) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

C([Fe(Phen)₃]²⁺) - текущая концентрация восстановленной формы реагента в каждый момент времени, М;

Е₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, В;

E₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂.

Скорость генерирования равна скорости уменьшения концентрации [Fe(Phen)₃]²⁺.

W_i=-d{С([Fe(Phen)₃]²⁺)}/dt,

где W_i - скорость генерирования радикалов, м⋅с^-1.

Расчет показывает, что скорость генерирования радикалов равна 5,43⋅10^-7 м⋅с^-1.

1. Способ определения скорости генерирования пероксильных радикалов, включающий генерацию пероксильных радикалов на модели термического разложения азоинициатора с помощью изменения концентрации акцептора свободных радикалов, отличающийся тем, что в качестве акцептора свободных радикалов используют восстановленную форму реагента и регистрируют значение окислительно-восстановительного потенциала во времени, затем рассчитывают концентрацию восстановленной формы реагента [Me^RedL] по формуле:

C([Me^RedL]) - концентрация восстановленной формы реагента в каждый момент времени, М;

C⁰([Me^RedL]) - начальная концентрация восстановленной формы реагента, М;

E₁ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₁=t, В;

Е₂ - потенциал, измеренный через промежуток времени t₂=ht, В;

h - отношение t₁ к t₂;

n - число электронов, участвующих в процессе, n=1;

F - постоянная Фарадея, равная 96485 Кл⋅моль^-1;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль⋅K);

Т - абсолютная температура, К,

а скорость реакции генерирования пероксильных радикалов рассчитывают по формуле:

где W_i - скорость генерирования радикалов, м⋅с^-1.

- изменение концентрации восстановленной формы реагента, М;

dt - промежуток времени, за который изменилась концентрация восстановленной формы реагента, с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве восстановленной формы реагента используют [Fe(II)-EDTA], [Fe(Phen)₃]²⁺, K₄[Fe(CN)₆], K₄[Mn(CN)₆], K₄[Mo(CN)₈], [Fe(SCN)₂], тетраэтиламмония гексацианоферрат (II), тетраэтиламмония тетрахлороферрат (II), Fe(II)-TPTZ.