Физико-химические закономерности окислительно-восстановительных процессов с участием алкилрезорцинов и железа(III) тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ДЫКМАН Роман Львович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ С УЧАСТИЕМ АЛКИЛРЕЗОРЦИНОВ И ЖЕЛЕЗА(Ш)

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Саратов - 2014 г.

005560176

005560176

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук (ИБФРМ РАН).

Научный руководитель - Камнев Александр Анатольевич

доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории биохимии ИБФРМ РАН, г. Саратов

Официальные оппоненты:

Казаринов Иван Алексеевич

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой физической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского», г. Саратов

Залуцкин Александр Альбертович

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет», г. Ярославль

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится «27» января 2015 г. в «12» часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.07 на базе ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, Институт химии (корпус 1).

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» (410601, Саратов, ул. Университетская, 42) и на сайте: http://www.sgu.ru/research/dissertation-council/d-212-243-07.

Автореферат разослан «/-1» декабря 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета | /

доктор химических наук, доцент Т:; Русанова Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Алкнлрезорцины (АР; .м-днгидроксибензолы с различными алкильными заместителями) представляют собой природные фенольные соединения из группы алкилированных фенолов с широким спектром химических и биологических функций (Kozubek & Tyman, 1999; Stasiuk & Kozubek, 2010; Sampietro et al., 2013). Многие микроорганизмы синтезируют и выделяют АР (с относительно короткими алкильными заместителями) в окружающую среду, где посредством этих соединений осуществляют сигнальные, ауторегуляторные и адаптогенные функции. Известно также, что АР в зависимости от условий н природы алкильного заместителя в молекуле могуг влиять на структуру ДНК и ее химическую стабильность; на структурную организацию, проницаемость и устойчивость мембранных комплексов; взаимодействовать с белками и другими биополимерами; стабилизировать ферменты в водных средах, одновременно усиливая или ингибируя их активность. Помимо этого, одним из важнейших свойств АР, как и многих других фенольных соединений, является антиоксидантная и антирадикальная активность (см. работы Г.И. Эль-Регистан, В.Ф. Гальченко, A.C. Капрельянца, Д.Г. Дерябина и их соавторов).

С другой стороны, химическая активность внеклеточных биогенных АР, синтезируемых микроорганизмами и выделяемых ими во внешнюю среду, может способствовать их абиотическому (химическому, фотохимическому) разрушению под воздействием целого ряда факторов окружающей среды, что представляется весьма существенным с точки зрения участия АР в процессах микробного сигналинга и ауторегуляции. Так, для почв и природных водоносных слоев (в том числе, имеющих повышенную кислотность водной фазы) возможно протекание химических процессов (гидролиза, комплексообразования, окислительно-восстановительных реакций и т.п.), в частности - в присутствии ионов тяжелых металлов. Протекание подобных процессов с участием сигнальных молекул (включая АР) снижает их концентрацию в среде, что может затруднять достижение пороговой концентрации, необходимой для согласованного поведения консорциума микроорганизмов (явление "ощущения кворума", quorum sensing). Абиотическое разрушение или химическая модификация сигнальной молекулы, эквивалентные прерыванию межклеточной передачи сигнала, влияют на сопряженные процессы рецепции, передачи сигнала и, в конечном итоге, на формирование клеточных откликов в микробном консорциуме.

Одним из наиболее распространенных металлов в почве является железо, находящееся в основном в виде оксидных и/или гидроксидных соединений железа(Ш). Если в нейтральных и щелочных почвах его растворимость и, соответственно, реакционная способность минимальны, то в слабокислых средах, как было показано в ряде исследований (Kamnev et al., 1997, 2009; Koväcs et al., 2006, 2008; Kamnev, 2008; Johnson et al., 2012), возможно его

участие в окислительно-восстановительных процессах с целым рядом биомолекул самого различного строения.

Несмотря на обилие биологических исследований свойств и роли АР как внеклеточных сигнальных молекул (аутоиндукторов) и адаптогенов в жизнедеятельности различных микроорганизмов, изучению химических свойств этих важных биомолекул посвящено очень ограниченное число работ. Как следствие, информации о структурно-химических аспектах их взаимодействий с объектами окружающей среды явно недостаточно.

В связи с вышесказанным, данное физико-химическое исследование актуально как с точки зрения химии алкилрезорцинов, так и для понимания влияния абиотических (в первую очередь, окислительно-восстановительных) процессов с их участием на микробный обмен химическими сигналами.

Цель и задачи исследования

Целью данной диссертационной работы являлось выяснение физико-химических закономерностей окислительно-восстановительных процессов с участием некоторых АР различного строения и железа(Ш) в слабокислых водных средах. В соответствии с указанной целью, в работе поставлены и решались следующие конкретные задачи:

1) изучить процессы восстановления железа(Ш) в присутствии АР различного строения в слабокислых водных средах с помощью методов мёссбауэровской (ЯГР) спектроскопии и УФ-спектрофотометрии;

2)провести сравнительное исследование кинетики окислительно-восстановительных процессов в слабокислых водных средах с участием железа(Ш) и ряда АР, отличающихся длиной и положением алкильного заместителя;

3)с помощью квантово-химических расчетов оценить относительную реакционную способность указанных молекул АР и их неалкилированного аналога (резорцина) в окислительно-восстановительных процессах и провести сравнение с экспериментальными данными;

4) для наиболее реакционноспособного АР провести идентификацию основных продуктов окисления с помощью методов газовой хроматографии, масс-спектрометрии и инфракрасной фурье-спектроскопии.

Научная новизна работы

Впервые предпринято систематическое сравнительное исследование окислительно-восстановительных процессов, протекающих в слабокислых водных средах с участием ряда алкилрезорцинов различной химической структуры и железа(Ш). На основании полученных экспериментальных данных впервые обнаружены существенные отличия кинетики изученных редокс-процессов в зависимости от длины алкильного заместителя (С1 - С3 - С6) и его положения в молекулах АР, а также показано соответствие полученных экспериментальных данных по кинетике окисления АР в присутствии железа(Ш) общему тренду изменения их реакционной способности, предсказанной на основании выполненных квантово-химических расчетов

адиабатических потенциалов ионизации молекул АР и их неалкилированного аналога (резорцина). Для наиболее быстро окисляющегося АР (4-н-гексилрезорцина) впервые установлены границы кислотности, в которых его окисление железом(Ш) протекает с заметной скоростью, и показано, что первичной стадией его окисления железом(Ш) в указанных условиях (рН-3) является дополнительное гидроксилирование ароматического цикла, что аналогично описанному в литературе пути ферментативного окисления некоторых АР в нейтральных средах.

Научно-практическая значимость работы

Результаты проведенных исследований позволяют прогнозировать относительную устойчивость АР различного химического строения и возможность их абиотических превращений, моделирующих процессы, протекающие в реальных природных условиях (кислые почвы и водоносные слои), и косвенно влияющих на микробный обмен данными молекулярными сигналами. Полученные новые сведения также расширяют представления о роли абиотических факторов окружающей среды в экологии почвенных микроорганизмов, заключающейся во влиянии внешних условий среды на процессы молекулярного сигналинга и ауторегуляции посредством химической модификации или деструкции молекул ауторегуляторов.

Полученные в данной работе результаты квантово-химических исследований относительной химической активности ряда изученных алкилрезорцинов (а также их неалкилированного аналога - резорцина) используются в учебном процессе при чтении дисциплин «Физические методы исследования», «"Зелёная" химия и дизайн лекарств», «Аналитическая и структурная химия органических соединений» на кафедре аналитической и экологической химии Института химии Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского».

На защиту выносятся следующие результаты н положения:

1) результаты исследований восстановления железа(Ш) в водной среде при рН~3 на воздухе в присутствии алкилрезорцинов (5-метилрезорцина, 5-я-пропилрезорцина или 4-н-гексилрезорцина) до соединений железа(Н);

2) влияние структуры молекул алкилрезорцинов (длины и положения алкильного заместителя) на кинетику их окисления железом(Ш) в водных средах при рН~3;

3) влияние скорости взаимодействия 4-н-гексилрезорцина, наиболее быстро окисляющегося в ряду изученных алкилрезорцинов, с железом(Ш) от рН среды (скорость максимальна при рН < 3.0, резко уменьшается при рН > 3 и практически равна нулю при рН-4 и выше; при повторном снижении величины рН до рН < 3 реакция возобновляется с относительно меньшей скоростью);

4) результаты квантово-химических расчетов адиабатических потенциалов ионизации исследованных алкилрезорцинов, а также их неалкилированного аналога - резорцина (4-//-гексилрезорцин является наиболее склонным к окислению, а резорцин - наименее);

5) экспериментально установленный факт, что доминирующим процессом окисления 4-н-гексилрезорцина железом(Ш) при рН~3 в водной среде на воздухе является гидроксилирование ароматического кольца.

Личный вклад автора. Научные положения и выводы диссертации полностью базируются на результатах собственных исследований автора, участвовавшего в планировании и проведении экспериментов, расчетов, обсуждении результатов, формулировании выводов и подготовке публикаций. На защиту вынесены только те положения, которые сформулированы в процессе выполнения автором данного диссертационного исследования.

Исследования автора, проведенные в лаборатории биохимии ИБФРМ РАН, в том числе при обучении в аспирантуре в течение 2010-2013 гг., выполнялись в рамках госбюджетных тем НИР «Биополимеры и низкомолекулярные соединения во взаимодействии растений и микроорганизмов» (2009-2012 гг.: № госрегистрации 01200904391), а также «Роль биомакромолекул и низкомолекулярных веществ в механизмах адаптации растительно-микробных ассоциаций в составе антропобиоценозов к условиям аридного климата» (2013-2015 гг.; № госрегистрации 01201359049).

В 2011 г. автор проходил краткосрочную научную стажировку по тематике диссертационной работы в Лаборатории ядерной химии Университета им. JI. Этвеша (г. Будапешт, Венгрия) с участием в исследованиях, осуществлявшихся в соответствии с Соглашением о научном сотрудничестве между РАН и Венгерской академией наук на 2011-2013 гг. (проект № 28).

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.х.н. профессору A.A. Камневу и сотрудникам ИБФРМ РАН (г. Саратов) за помощь в работе; профессору кафедры аналитической и экологической химии ФГБУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» д.х.н. профессору А.Н. Панкратову за помощь в проведении квантово-химических расчетов и в интерпретации результатов этой части работы; к.х.н. А.Г. Щелочкову (Экспертно-криминалистический центр ГУ МВД РФ по Саратовской области, г. Саратов) за помощь в проведении ряда спектроскопических измерений.

Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертационной работы представлены и обсуждены на следующих научных мероприятиях: V Всероссийская конференция молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой», г. Саратов, 2010 г.; 5th Central-European Conference "Chemistry towards Biology", 2010, Primoiten, Croatia; 4th European Conference on Chemistry for Life Sciences, 2011, Budapest, Hungary; XII Международная конференция "Мёссбауэровская спектроскопия и её применения", г. Суздаль, 2012 г.; Colloquium Spectroscopicum Internationale XXXVIII, 2013, Tromso, Norway.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования изложены в 11 печатных работах, в числе которых 3 статьи в рецензируемых научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований, одна статья в

сборнике рецензируемых трудов международной конференции, а также 7 опубликованных тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 129 страницах компьютерного текста; состоит из введения, 3 глав (обзор литературы, материалы и методы, глава результатов собственных исследований, состоящая из 9 разделов); заключения, выводов, списка использованных источников, содержащего 130 ссылок; иллюстрирована 4 таблицами и 29 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены и проанализированы современные методы биосинтеза фенольных соединений, их антиоксидантные свойства и регуляторные функции; вопросы, касающиеся основных химических и биохимических свойств алкилоксибензолов (и, в частности, АР) в биологических системах; свойства АР как адаптогенов, шаперонов и пищевых биомаркеров, а также их взаимодействие с ДНК.

Глава 2. Материалы и методы исследования

В работе использованы следующие АР: 5-метилрезорцин (5-МР; моногидрат, С7Н802-Н20; "Fluka"), 5-н-пропилрезорцин (5-и-ПР; C9H1202; "Enamine", Киев, Украина) и 4-н-гексилрезорцин (4-н-ГР; С12Н,802; "Sigma").

Оптическая спектроскопия. Спектры оптического поглощения растворов 5-МР, 4-н-ГР, а также растворимых продуктов их взаимодействия с железом(Ш) в УФ-области регистрировали на UV-Vis-спектрофотометрах Specord М40, S250 или S300 (Analytik Jena, ФРГ) при комнатной температуре относительно водного (для 5-МР и продуктов его окисления) или водно-спиртового раствора (20 об.% этанола для увеличения растворимости 4-н-ГР и продуктов его окисления) в кварцевых кюветах (длина оптического пути 1 см).

Мёссбауэровская (ядерная гамма-резонансная, ЯГР) спектроскопия. Для измерения спектров ЯГР смеси готовили так же, как и для изучения продуктов окисления АР железом(Ш) методом УФ-спектрофотометрии (см. выше), но с использованием препаратов, обогащенных 57Fe (90%), без центрифугирования смеси. Растворы смешивали (толщина водного слоя ~3 мм), сразу же доводя pH до нужной величины (микродозами растворов 1 М NaOH или HCl при перемешивании), закрывали для исключения испарения и воздействия света, выдерживали заданное время при комнатной температуре и замораживали в жидком азоте. Твердые образцы готовили высушиванием аналогичной смеси на воздухе (в темноте) при комнатной температуре в течение суток.

Спектры ЯГР измеряли в режиме пропускания, помещая образцы в медный держатель криостата (типа "cold finger"), наполненного жидким азотом (температура образца 80 К). Измерения проводили на ЯГР-спектрометре "WissEl" (ФРГ) в режиме постоянного ускорения с источником 57Co(Rh) (50 мКи). Данные аппроксимировали с помощью программы MossWinn как суперпозицию квадрупольных дублетов с линиями, имеющими форму функции Лоренца (кроме спектра ЯГР образца 4-н-ГР + 57Fem при рН~1.5, содержавшего

уширенную компоненту с магнитной сверхтонкой структурой; см. раздел 3.4). Рассчитываемыми по экспериментальным данным параметрами являлись: изомерный сдвиг 5 (мм с"1; относительно a-Fe при комнатной температуре); квадрупольное расщепление Д (мм с'1); ширина линии на половине интенсивности Г„сп (мм с"1), а также площадь каждой спектральной компоненты ST (в % от общей площади спектра). При равенстве вероятности эффекта Мёссбауэра (резонансного поглощения ядром у-кванта без отдачи) для всех Fe-содержащих форм в образце (что приблизительно соблюдается при низких температурах и в случае однотипных в химическом отношении и по физическому состоянию форм железа в образце) значение Sr для каждой формы пропорционально содержанию железа в ней (о тносительно общего содержания Fe в образце)., что используется для количественного определения присутствующих в веществе (образце) железосодержащих форм.

Квантово-химические расчеты. Для ряда исследуемых в данной работе АР, а также, с целью сравнения, - для их неалкилнрованного аналога (резорцина), проведены квантово-химические расчеты адиабатических потенциалов ионизации указанных молекул гибридным методом теории функционала плотности (DFT) в варианте B3LYP с базисным набором 6-311++G(3d,3p).

Газовая хроматография с масс-спектрометричсским детектированием (ГХ-МС). Проверку чистоты 4-и-ГР, а также выделение и исследование растворимых продуктов его окисления железом(Ш) (в виде экстракта в СНС13) проводили на газовом хроматографе Agilent 6890N ("Hewlett Packard", США) с масс-спекгрометрическим детектором Agilent 5973N при следующих условиях: детектор - масс-селективный в режиме электронного удара (70 эВ), сканирование масс-спекгров по полному ионному току в диапазоне m/z 25-550 а.е.м.; колонка капиллярная неполярная с 5%-фенил-95%-метилс11локсановой фазой (типа HP-5MS) со следующими использованными параметрами: газ-носитель - гелий; температура инжектора 280°С; температура интерфейса детектора 280°С; программирование температуры колонки: 1) выдержка при 70°С в течение 1 мин, 2) подъем температуры от 70°С до 295°С со скоростью 15°С/мин и выдержкой при конечной температуре 20 мин с постоянным потоком газа 1 мл/мин; ввод пробы исследуемого вещества с делением потока 1:50; объем пробы 1 мкл. Для полученных хроматограмм определяли индексы удерживания компонентов, после чего регистрировали их масс-спектры в режиме по полному ионному току. Обработку хроматограмм осуществляли на химической станции MSD ChemStation D.02.00.275 ("Agilent Technologies") с помощью программы Enhanced Data Analysis. Масс-спектры, снятые с вершин пиков на хроматограммах, полученных в вышеуказанных условиях, сравнивали с библиотечными масс-спектрами NIST/W9N08/EKBDRUGS (ver. 12.610).

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). Анализ продукта взаимодействия 4-м-ГР с FeCl3 (выделенного из реакционной смеси при помощи экстракции СНСЬ) в высушенном экстракте проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра модели ED 2000 ("Oxford Instruments", Великобритания).

Инфракрасная спектроскопия. Инфракрасные (ИК) спектры исходного 4-м-ГР и высушенного хлороформного экстракта продуктов его взаимодействия с Ре 1 записывали на ИК-фурье-спектрометре «Симекс», модель ФТ-801 (Новосибирск, Россия), управляемом с помощью персонального компьютера, в режиме пропускания в диапазоне частот 4000-400 см-1 при комнатной температуре. Образцы готовили в виде тонких таблеток, прессованных со спектроскопически чистым КВг (2% вещества; смесь измельчали в агатовой ступке) с помощью ручного пресса, входящего в комплект со спектрометром.

Глава 3. Экспериментальные исследования, результаты и их обсуждение

3.1 Окислительно-восстановительные процессы с участием 5-МР Для инициирования окислительных реакций в водных растворах 5-МР использовали раствор РеС13 определенной концентрации (при мольном соотношении Ре:АР = 1:3; рН~3). УФ-спектры растворов 5-МР в присутствии Ре"' и без него, в зависимости от времени после смешения реагентов, и зависимость изменения интенсивности при = 279 нм от времени представлены на рис. 1. Из сравнения исходного УФ-спектра 5-МР, имеющего дублетную структуру (Х^ = 273 и 279 нм), и спектров смесей, измеренных через 10 мин, 3 ч, 5.5 ч. а также после высушивания в течение 24 ч (с последующей экстракцией водорастворимой фракции продуктов реакции) следует, что со временем происходит некоторое изменение формы линий спектра и интенсивности поглощения во всем исследованном диапазоне.

Некоторое перераспределение интенсивностей максимумов при 273 и 279 нм становится заметным после 5.5 ч реакции (см. вставку на рис. 1), а также на спектре водного экстракта высушенной смеси (после 24 ч), т.е. после заметного

Рис. 1. Зависимость оптической плотности (А) в максимуме при длине волны Хти = 279 нм от времени (/) на спектрах поглощения в УФ-области (вставка: спектры в области 260-300 нм (У) водного 0.12 мМ раствора 5-МР, а также растворимых продуктов его окисления железом(Ш) при эквивалентном разведении после центрифугирования смеси через (2) 10 мин, (3) 3 ч и (О 5.5 ч).

Как видно из рис. 1, со временем сначала происходит увеличение интенсивности поглощения (в течение -10 мин) как в области пиков (273 и 279 нм), так и в области фонового поглощения около 250 нм и 300-320 нм. Это согласуется с литературными

данными (Ревина и соавт., 2003), согласно которым наблюдалось существенное увеличение поглощения в указанных областях в процессе иного типа окисления (радиационного) аэрированного раствора 5-МР. В случае окисления 5-МР железом(Ш) это может соответствовать образованию меньшего количества сходных продуктов на начальных этапах окисления (так, по данным спектроскопии ЯГР, описанным ниже, в аналогичной смеси 5-МР с железом(Ш) при рН~3 через 10 мин лишь около 7% всего Ре'" восстанавливалось до Ре2+; следовательно, соответствующее количество 5-МР подвергалось окислению).

При дальнейшем увеличении выдержки (3 ч, 5.5 ч) смеси водных растворов 5-МР с железом(Ш) происходило снижение поглощения водорастворимых продуктов (см. рис. 1), наиболее вероятно, вследствие образования нерастворимых комплексов продуктов окисления 5-МР с железом (удаляемых центрифугированием растворов перед измерениями спектров). Более предпочтительно образование подобных комплексов для железа(Ш), но не исключается и возможность образования комплексов с железом(П) (особенно при его значительном накоплении). Так, после длительного взаимодействия водного раствора 5-МР в смеси с РеС13 в высушенных продуктах, по данным ЯГР (см. раздел 3.3), обнаружены две различные формы комплексов железа(И) с суммарым количеством около 75% от исходного Ре.

3.2. Окислительно-восстановительные процессы с участием 4-н-ГР Для инициирования окислительных реакций в водно-спиртовых растворах 4-К-ГР использовали раствор РеС13 определенной концентрации (мольное соотношение Ре:АР = 1:3; рН~3). УФ-спектры измеряли в интервале 230-300 нм. (Введение 20% этанола в состав водных растворов 4-н-ГР вызвано необходимостью увеличения его растворимости до приемлемой величины.)^

Изменение УФ-спектров поглощения растворов 4-н-ГР в присутствии Ре во времени после смешивания реагентов представлено на рис. 2.

Из сравнения исходного УФ-спектра поглощения 4-н-ГР (для которого измеренная величина е279 = 2.42x103 М~'см_1) и спектров, измеренных через 5, 10 и 30 мин после смешивания с Реш (рис. 2а), следует, что со временем происходило изменение интенсивности поглощения.

Отметим, что меньшие (по сравнению с 5-МР) промежутки времени для проведения реакции в случае 4-н-ГР были взяты в связи с тем, что, как показали данные спектроскопии ЯГР (см. раздел 3.3), скорость восстановления железа(1И) в растворах 4-н-ГР (и, следовательно, скорость окисления 4-н-ГР)

была значительно выше.

Как видно из полученных спектров, с течением времени происходило заметное снижение величины поглощения водорастворимых продуктов. Необходимо заметить, что первоначального кратковременного увеличения поглощения при окислении 4-н-ГР (отмечавшегося в случае 5-МР на рис. 1 и по данным работы Ревиной и соавт., 2003) не наблюдалось. Однако оно могло происходить в течение очень короткого начального периода в связи со

значительно более высокой скоростью окисления 4-н-ГР (следовательно, его в этом случае было бы трудно зафиксировать).

Рис. 2. Спектры поглощения в УФ-области (я) и зависимость оптической плотности А в максимуме от времени I при дайне волны Х^ = 279 нм (б) водно-этанольного (20 об.% этанола) Реш-содержащего раствора 4-н-ГР (исходное мольное соотношение 1:3, соответственно; рН = 3.0; исходное содержание ¡Реш] = 0.016 М) при 100-кратном разведении после центрифугирования смеси через 5 00, 10 (2) и 30 мин (3). Исходная концентрация раствора 4-н-ГР в данных растворах после разведения (без учета последующего окисления 4-н-ГР) составляла 4.8х Ю-4 М.

Понижение интенсивности

поглощения, наблюдаемое и в данном случае (аналогично окислению 5-МР; см. рис. 1), могло также происходить, наиболее вероятно, по причине образования нерастворимых

комплексов продуктов окисления 4-н-ГР с железом (удаляемых центрифугированием; см. рис. 2).

3.3. Исследование восстановления железа(Ш) в присутствии алкилрезорцинов методом спектроскопии ЯГР Метод мёссбауэровской спектроскопии, основанный на явлении ядерного гамма-резонанса (ЯГР) на ядрах стабильного изотопа 57Ре (содержание в природном Ре около 2.2 мол.%), чувствительный к химическому состоянию атомов Ре, был использован для количественной оценки соотношения Реш и Реь как в водных растворах (в замороженном виде в определенный момент времени после смешивания реагентов), так и в высушенных твердых фазах.

Мёссбауэровские спектры смесей АР с железом(Ш) в водных средах (приготовленных так же, как и в опытах по изучению окисленных форм АР методом УФ-спектрофотометрии, но с использованием соли Реш, обогащенной изотопом 5 Те; см. главу 2), а также их высушенных на воздухе остатков, измеренные при температуре 80 К. приведены на рис. 3 и 4. Мёссбауэровские параметры, рассчитанные из спектроскопических данных, сведены в табл. 1.

Рис. 3. Спектры ЯГР водных 57Реш-содержаших растворов 5-МР, быстро замороженнысх через 10 мин (а) и 5.5 ч (б) после смешивания реагентов (рН смеси ~3), а также твердого остатка («), полученного высушиванием смеси при комнатной температуре (измерения проведены при температуре 80 К).

Положение квадрулольных

дублетов, соответствующих

различным химическим формам Ре, показано над спектрами (цифрами справа указана соответствующая данной форме степень окисления железа).

Полученные результаты

свидетельствуют о постепенном восстановлении Реш в

присутствии 5-МР и 4-и-ГР в изученных слабокислых

растворах. При этом, если в растворе 5-МР через 10 мин -7% Реш было восстановлено до Ре11, а по прошествии 5.5 ч — около 26% (см. рис. За,б и табл. 1), то в случае 4-н-ГР в аналогичных условиях восстановление

протекало намного быстрее: уже через 5 мин около трети всего V мм -с"1 Ре"1 было восстановлено (см. рис.

4а и табл. 1).

Отметим, что, по результатам отдельных измерений, присутствие 20 об.% этанола в водных растворах при рН~3 практически не влияло на скорость восстановления Реш 5-метилрезорцином. Следовательно, можно полагать, что наблюдавшееся значительно более быстрое восстановление Ре1" в присутствии 4-я-ГР (в водном растворе с 20 об.% этанола) по сравнению с 5-МР в водном растворе (более чем на порядок; см. также раздел 3.5) связано со структурой молекулы, а именно - с длиной и/или положением алкильного заместителя в ароматическом цикле.

-1-1-1—J-1-1--1__I_I_I

-4 -2 0 2 4 6 и. мм • с"1

Таблица 1. Параметры спектров Ж'Р смесей АР с Реш в водных средах и их высушенных на воздухе остатков (измерения проведены при Т= 80 К).

Рис. 4. Спектры ЯГР: а - водного 57реш-содержащего раствора 4-н-ГР (с 20 об.% этанола), быстро замороженного через 5 мин после смешивания реагентов (рН смеси ~3), б - твердого остатка после высушивания смеси при комнатной температуре (измерения проведены при Г = 80 К). Обозначения и штриховка расшифрованы в подписи к рис. 5 (см. также табл. 1).

Как известно, в водных средах при рН~3 основная часть Реш находится в гидролизованной форме (в виде полиядерных гидроксокомплексов и, возможно, коллоидных частиц), что согласуется с параметрами форм Ре"1 (5 = 0.48 мм с"1 и Д = 0.72-0.76 мм с"' при 80 К; см. табл. 1).

АР в смеси с 57Рсш б растворе (состояние) /6, ч Степень окисления Ре (форзяа) 8, М М ■ С-4 Д, АШ . С'1 ММ . с*1

5- мстил резорцин (раствор) 0. }7 +3 +2 0.48(!) 1.410) 0.74(1) 3.22(1) 0.52(1) 0.34(1) 93.3 6.7

5.5 +3 +2 0.48(1) 138(1) 0.72(1) 3.23(1.) 0.50(1) 0.42(1) 74.1 25.9

5-мстил резорцин (сухой остаток) +3 +2(форма 0 1. (форма 2) 0.48(1) 1.31(1) 1.29(1) 0.63(2) 1.86(3) 2.65(1) 0.43(2) 0.50(3) 0.34(1) 24.5 33.3 42.2

4-я-гексклрезорцин (раствор) 0.08 +3 +2 0.475(3) 1.402(3) 0.757(4) 3.388(5) 0.49(1) 0.34(1) 68.8 31.2

4-я-гекскл резорцин (сухой остаток) +3 +2 (форма 0 +7 (форма 2) +2 (Форш 3) 0.54(1) 1.43(1) 1.29(1) 1.359(3) 0.65(1) ¡.55(3) 2.54(2) 3.1(41) 0.48(2) 0.35(3) 0.4513) 0.34(1) 34.9 9.0 23.7 32.4

5 - изомерный сдвиг (относюетывхх-Рс); Д - кэддрупояьное расщепление: Гжсп - экспериментально намеряемая полная ширима линии на середине интенсивности (в скобках привезены значения расчетной ошибки в последнем знаке): \ - площадь спектральной компоненты <»% от общей площади спектра}, отвечающая содержанию рс взанно» форме относительно общего содержания Гс в образце {при условии равенства вероятности эффекта Мёсебауэра для всех форм); относителькая ошибка величины .V, ± 4%.

г> Время после смешения реагентов до замораживания образца.

Мёссбауэровские параметры форм железа(Н), образующихся в водных средах при восстановлении (6 ~ 1.4 мм с4 иА~ 3.2-3.4 мм с"1 при 80 К; см.

табл. 1), показывают, что наиболее вероятное их состояние - в виде аквокомплексов [Ре(Н20)5]г+. Тем не менее, после высушивания растворов на спектрах отмечаются в случае 5-МР две формы железа(И), а в случае 4-я-ГР -три формы железа(11) (см. рис. Зв и 46, соответственно, и табл. 1). Параметры данных форм указывают на образование в твердой фазе различных комплексов Реп с органическими лигандами, в первую очередь, очевидно, с продуктами окисления АР.

Важно отметить, что резорцин - неалкилированный лг-дигидроксибензол - в кислых водных растворах, по данным работы РгасМ Л. ег а1. {СкетозрЪеге, 2001, V. 44, р. 613), не восстанавливал железо(Ш) (в отличие от его о- и п-дигидрокси-изомеров - пирокатехина и гидрохинона).

В высушенных на воздухе образцах Ре", образующееся при восстановлении Реш, доминирует, в сумме составляя для 5-МР и 4-н-ГР соответственно 75.5 и 65.1' мол. % (см. табл. 1). В связи с этим очевидно, что АР и продукты их окисления (упомянутые выше алкилированные тригидроксибензолы) образуют достаточно прочные хелатные комплексы с железом(П), которые препятствуют его окислению на воздухе в процессе высушивания.

3.4. Мессбауэровское исследование влияния кислотности на скорость редокс-взаимодействий железа(Ш) с 4-н-гсксилрезорцином в водных средах

В данном разделе описано изученное методом мёссбауэровской спектроскопии взаимодействие железа(Ш) с 4-и-ГР (наиболее быстро окисляющимся из изученных АР) в диапазоне рН 1.5-4.5 в водных средах (замороженные растворы). Показано, что редокс-процесс протекает с высокой скоростью при рН 1.5-3.0. В частности, в спектре раствора 57Реш + 4-н-ГР при рН~1.5, замороженного через 1 мин после смешивания реагентов, наблюдали уширенную компоненту с магнитной сверхтонкой структурой, характерной для мономерных гидратированных ионов Ре3", которые в данных условиях, очевидно, частично гидролизованы, а также квадрупольный дублет (8% площади спектра) с параметрами, типичными для аквокомплексов ¡Те(Н20)6] Процесс, однако, резко замедляется при рН > 3 и практически не идет при рН около 4 и выше. В спектре раствора 57Реш + 4-н-ГР, выдержанного 2 мин при рН~3.7 (в этих условиях восстановления Реш не наблюдалось в течение 30 мин) и затем 70 мин после доведения рН до -2.3, помимо характерного квадрупольного дублета 57Реш, регистрировали также дублет [Те(Н20)6]2" (-12%). Таким образом, при повторном снижении рН ниже 3 процесс возобновляется, хотя и со сравнительно ннзкой скоростью (последнее, очевидно, объясняется образованием полиядерных гидроксосоединений Ре + и/или коллоидных форм при рН > 3, имеющих меньшую реакционную способность по сравнению с мономерными или олигомерными формами).

Таким образом, в реальных системах (кислые почвы, водоносные слои) подобные процессы, приводящие к окислительной деградации наиболее реакционноспособных АР с определенной структурой, участвующих в процессах ауторегуляции микроорганизмов, могут влиять на обмен их

молекулярными сигналами, снижал концентрацию последних в водной фазе, в частности, в зависимости от кислотности (рН).

3.5. Анапа кинетических закономерностей процессов взаимодействия алкилрезорцинов с железом(Ш) По некоторым литературным данным для биологических систем, первым этапом окисления АР может быть дополнительное гидроксилирование бензольного кольца с образованием тригидроксилированных алкилбензолов. Формально это эквивалентно "введению" атома кислорода в С-Н-связь ароматического кольца с образованием соответствующей связи С—О-Н в соответствии со схемой:

А1кСбН3(ОН)2 + [О] - А1кС6Н2(ОН)3, (1)

где «А1к» — алкильная группа. Учитывая, что первый этап окисления АР (с эквивалентом "формирования" и введением атома кислорода в С-Н-связь) является двухэлектронной реакцией (при этом соответственно два иона Fe3+ переходят в 2Fe~+), можно полагать, что реакция между гидролизованными формами железа(Ш) и АР в выбранных условиях (рН~3) будет протекать между парой соседних ионов гидроксилированного Fe3+ (в полиядерной форме) и молекулами АР в соответствии со следующей общей схемой:

[Реш2(ОН)2]4+ + AlkC6H3(OH)2 = 2Fe2+ + Н20 + А1кС6Н2(ОН)3. (2)

Более общая схема с участием многоядерных молекул гидроксилированных форм железа(Ш) выглядит следующим образом:

[Fernx(OH)y]"-y + AlkC6H3(OH)2 = 2Fe2+ + [Ре,п^(ОН)^2]^4 +

+ H20 + AlkC6H2(0H)3 (3)

Согласно этой схеме, следует ожидать, что скорость реакции в растворе будет пропорциональна общей концентрации Fem и концентрации АР. В настоящей работе начальное молярное соотношение [Fe3+] и [АР] было принято во всех случаях равным 1:3, а общая доля Fem, восстановленного до Fen, была в пределах 6.7-31.2% (см. табл. 1). Поскольку два моля Fem, восстановленного до Fe11, соответствуют одному молю окисленного АР (см. уравнения 2 и 3), можно ожидать, что общая доля окисленного АР в наших кинетических экспериментах (с учетом исходного соотношения [FeJ+]:[AP] = 1:3) не превышала 5.2%. В этом случае для кинетических расчетов концентрацию АР можно принять постоянной. Соответствующее кинетическое уравнение при постоянном значении рН (и концентрации АР, принимаемой постоянной) можно упростить следующим образом:

—dC(i)/df = kC(t), (4)

где C(f) — текущая концентрация Fem в реакционной среде в момент времени t (где начальное условие / = 0 соответствует моменту смешения реагентов), а к — эффективная константа скорости псевдо-первого порядка относительно концентрации Fem (знак минус соответствует уменьшению концентрации Fem в ходе реакции).

В уравнении (4) C(t) может быть выражена в различных единицах. Для простоты использована величина C(i) как отношение текущей концентрации

Реш к его начальной концентрации (эквивалентной общей концентрации Ре в реакционной среде), так что при / = О значение С(1) = 1; таким образом, формально, 1 > С(() > 0. Интегральная форма уравнения (4) с граничными условиями от С(/) = 1 до С(<) и, соответственно, от Г = 0 до С имеет вид:

1п[С(/)]=-Аг. (5)

Для проверки выполнимости данной простой кинетической схемы и расчета констант скорости редокс-процессов использовали экспериментальные данные, полученные методом мёссбауэровекой спектроскопии (для растворов 5-МР, 5-н-ПР и 4-н-ГР). Отметим, что проведенное исследование взаимодействия 5-н-ПР с Реш при рН~3 в аналогичных условиях (водный раствор, быстро замороженный через 2 ч 20 мин после смешивания реагентов) с помощью спектроскопии ЯГР показало значительно более медленное протекание данного процесса даже по сравнению с 5-МР: в реакционной смеси обнаружено около 8% Ре11 от общего его количества (в случае 5-МР близкое количество Реп детектировали уже через 10 мин; см. табл. 1). Мёссбауэровекие параметры продуктов в случае 5-и-ПР как для Реш, так и для Ре11 практически не отличались от данных, полученных для растворов 5-МР и 4-н-ГР.

Экспериментальные данные (полученные из мёссбауэровских измерений) для 5-МР, представленные в координатах 1§[С(/)] - t, показали очень хорошую линейную корреляцию (Л2 = 0.9993; рис. 5а; время г на рис. 5 дано в минутах). Однако полученная аппроксимацией прямая линия не выходит из начала координат. Этот факт можно объяснить тем. что в самые начальные моменты реакции (в относительно короткий начальный период) для свежеобразованных (при смешивании реагентов) гидроксо-форм Реш происходит достаточно быстрый процесс «старения» (что очень характерно для свежеобразованных гидроксидов многих металлов, включая Ре). В этом случае скорость реакции в самый начальный период (до завершения процесса старения гидроксо-форм Реш в системе) будет значительно выше в связи с более высокой химической активностью свежеобразованных гидроксо-форм.

t [мин] 200

Рис. 5. Кинетика восстановления железа(Ш) при рН~3 (а) 5-метилрезорцином и (б) 4-н-гексилрезорцином. С{1) - текущая концентрация Fe111 (в долях единицы относительно общего содержания Fe в растворе), рассчитанная из мессбауэровских спектроскопических данных.

В таком случае кинетическая схема (4) может выполняться начиная не с момента t = 0, а с некоторого I = Л (где tx > 0), и поэтому отношение (4) вступает в силу с C{t{) = С\. Соответственно, интегральная форма уравнения (4) для граничных условий от С, до C(t), где C(t) < Си и от /, до t (где t > /,), имеет вид (в десятичных логарифмах): lg[C(0] = (IgC,. + 0.4343^,)-0.4343A/. - (6)

Уравнение (6) отражает существование отрезка, отсекаемого на оси ординат при t = 0, равного (IgCi + 0.4343А~Л) = const, на линейной зависимости (см. рис. 5а). (Очезндно, что значение к может быть вычислено по наклону линейной регрессии, тогда как С] и 1Х не могут быть одновременно вычислены из отрезка, отсекаемого на оси ординат при t = 0.) Можно также полагать, что, в то время как значение IgCi является отрицательным (т.к. Q < 1), а 0.4343Ai i является положительным (поскольку и к, и > 0), общее значение отрезка, отсекаемого на оси ординат при t = 0 (который отрицателен в обоих случаях; см. рис. 5а, б), может определяться доминирующим значением lgСь особенно для небольших значений к (см. ниже), например, на рис. 5а, где значение 1\ может составлять порядка ~1 мин. Тем не менее, значения Сi и tx для водного раствора (рис. 5а) и в присутствии 20 об.% этанола (рис. 56) могут несколько, отличаться, что, наряду с различными значениями к (см. ниже), можег объяснить некоторое различие в величинах отрезков, отсекаемых на оси ординат прн / = 0, рассчитываемых в соответствии с уравнением (6): расчетные значения для ig[C(/ = 0)] составляют-0.028 (рис, 5а) и -0.044 (рис. 56).

Полученная кинетическая последовательность скоростей реакций (расчет к проведен по экспериментальным данным в условиях, применяемых в настоящем исследовании) такова:

4-н-ГР (к = 9.1 хЮ^ с"1)» 5-МР (к = 1.2* Ю'5 с"1) > 5-н-ПР (к = 2.3х Ю"6 с"1).

3.6. Результаты квантово-хгшических исследований и их обсуждение в сравнении с жспершлентальнъши данными Для теоретического объяснения возможности существенных различий химических активностей в редокс-процессах с участием исследуемых соединений были проведены расчеты адиабатических потенциалов ионизации (IPadiab) как для изученных алюшрезорцинов, так и для их неалкилированного аналога (резорцина) из разности значений полной энергии без учета нулевой колебательной энергии (IPici) и с её учетом (IPztT0); с учетом нулевой колебательной энергии и тепловых поправок (IP,hem.), а также из разности значений свободной энергии Гиббса с учетом нулевой колебательной энергии и тепловой энергии (IPatbs)- Полученные результаты приведены в табл. 2.

Полученные расчетные значения хорошо согласуются с литературными данными для сходных соединений. Таким образом, уровень B3LYP/6-31 l++G(3i/,3p), очевидно, достаточен для сравнительной оценю! значений IPadi»b в ряду производных резорцина.

Таблица 2. Расчетные значения адиабатических потенциалов ионизации (эВ) для резорцина (1,3-дигидроксибензола) и некоторых его алкшшрованных производных.

Вещество IPid IP ■ 1 7?ГО IPth*rm IPr.lMi!

резорцин 7.98 7.99 7.98 7.97

5-метилрезорцин 7.83 7.84 7.83 7.82

5-н-пропилрезорцин 7.73 ! 7.74 7.74 7.75

4-н-гексилрезорцин 7.52 i 7.55 7.54 7.57

Согласно полученным данным, в соответствии с любым из полученных критериев (1Р№ IPzer« ^merm или IPGibbs), способность подвергаться окислению должна уменьшаться в следующем ряду: 4-н-ГР » 5-н-ПР > 5-МР » резорцин.

Таким образом, рассмотрение указанных термодинамических параметров показьгеает, что алкилирование резорцина и дальнейшее увеличение длины алкильного заместителя должно приводить к повышению восстановительной способности. Учитывая полученные экспериментальные данные для АР, а также невозможность для резорцина окисляться в аналогичных условиях (см. Pracht J. et al., 2001), соответствующая экспериментальная серия выглядит следующим образом: 4-н-ГР » 5-МР > 5-н-ПР » резорцин.

Полученные квантово-хнмические оценки IPadiai, для серии этих производных резорцина, в соответствии с экспериментальными данными, подтверждают наиболее высокую способность 4-н-ГР в редокс-процессах отдавать электрон и самую низкую способность к окислению в отношении резорцина. Однако термодинамические расчеты (см. табл. 2) предсказывают более высокую способность к окислению для 5-н-ПР по сравнению с 5-МР, в то время как эксперимент показывает обратное (см. раздел 3.5). Это, очевидно, может быть связано с воздействием кинетических параметров (существенных для водной среды), связанных, например, с более высокой гидрофобностью 5-н-ПР и/или его предполагаемым более низким коэффициентом диффузии (по сравнению с 5-метил-производным).

Экспериментальным и расчетным путем показано, что скорость окисления намного выше для 4-н-ГР. Следовательно, из совокупности полученных данных можно сделать вывод, что алкилирование резорцина (1,3-дигидроксибензола) по положению 4 ароматического кольца может быть дополнительным благоприятным условием для окисления полученных 4-АР, по сравнению с 5-АР, даже с учетом более длинного 4-н-алкильного заместителя (что, как следует из сравнения данных об относительных скоростях окисления 5-МР и 5-н-ПР, может в целом понижать скорость окисления из-за предполагаемого влияния кинетических факторов).

Таким образом, возможность АР окисляться железом(Ш) в слабокислых средах с различной скоростью в зависимости от структуры молекулы АР наблюдалась экспериментально и в целом подтверждена с помощью квантово-химических расчетов адиабатических потенциалов ионизации соединений.

3.7. Исследование продуктов взаимодействия 4-н-гексшрезорцина с железом(Ш) методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим

детектированием

Для изучения взаимодействия 4-и-ГР (наиболее быстро окисляющегося в ряду изученных АР) с Реш и с целью идентификации полученных соединений методом ГХ-МС данную реакцию проводили таким же образом, как и в случае изучения продуктов взаимодействия методом мёссбауэровской спектроскопии (но без использования обогащенных изотопом 57Ре препаратов Реш). Для исходного реактива (4-н-ГР) на хроматограмме обнаружен единственный компонент, которой идентифицирован как 4-я-гексилрезорцин.

В результате взаимодействия хлорида железа(Ш) с 4-н-ГР получена реакционная смесь, которую для дальнейшего исследования экстрагировали хлороформом. Изучение обнаруженных на хроматограмме сигналов веществ проводилось для компонента, детектируемого при 12.163 мин, количество которого было преобладающим (остаточный пик 4-н-ГР при этом в расчет не принимали). В результате анализа масс-спектра данного компонента ему приписана структура алкнлированного гидроксилированного и-бензохинона. Наиболее вероятная схема фрагментации при МС-определении описана ниже.

Образующийся из 4-н-ГР (I, рис. 6) после его окисления до II гидроксилнрованный н-гексил-и-бензохинон (III) имеет сигнал молекулярного иона с величиной т/г 208, который идентифицируется на масс-спектре.

он с«

С„Н,40,

Мо1. 194.23

Рис. 6. Наиболее вероятная схема фрагментации гидроксилированного л-хинона (III), детектируемого на хроматограмме при 12.163 мин, образующегося из исходного 4-я-гексилрезорцина (I) после его гидроксилирования в растворе в присутствии железа(Ш) (с образованием II и последующим окислением до Ш).

В результате деструкции н-гексильного фрагмента данного я-хинона (II!) с потерей метальной группы образуется слабоустойчивый осколок с величиной т/г 194 (малоинтенсивный пик). Фрагментация этого осколка идет с дальнейшим отщеплением метиленовых групп (от уже деструктированного н-гексильного фрагмента) вплоть до деалкнлированного фрагмента с т/г 124 (рис. 6) с соответствующим пиком на масс-спектре, который стабилизируется потерей протона с образованием наиболее устойчивого фрагмента с величиной т/г 123, наблюдавшегося в виде самого интенсивного пика на масс-спектре.

(Дальнейшая фрагментация хинонового фрагмента идет с разрушением кольца с образованием низкомолекулярных продуктов деструкции.)

3.8. Исследование состава хлороформного экстракта продуктов взаимодействия 4-н-гексилрезорцина с железом(Ш) методом РФА Помимо ГХ-МС-исследования продукта взаимодействия 4-//-ГР с Реы (выделенного из реакционной смеси экстракцией СНС13), производилось его исследование методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА; для идентификации возможного присутствия Реш в экстракте) после высушивания. Помимо процессов окисления 4-н-ГР железом(Ш), в результате реакции возможно образование комплексов Реш, которые (в отличие от комплексов Бе ) могут частично экстрагироваться хлороформом и давать последующее окисление тригидроксилированного н-гексилбензола (предполагаемого основного продукта окисления 4-н-ГР) до гидроксилированного н-гексил-«-хинона (см. рис. 6) непосредственно в процессе МС-детектирования. В результате анализа установлено, что в продукте взаимодействия присутствуют ионы железа (основные линии при 6.40 кэВ, К«,, и 7.06 кэВ, Кс), характерные сигналы которого присутствуют на рештенофлуорограмме.

3.9. Исследование продуктов взаимодействия 4-н-гексилрезорцина с железом(Ш) методом ИК-спектроскопии Для выявления особенностей структуры продуктов взаимодействия 4-и-ГР с железом(Ш) хлороформный экстракт реакционной массы после высушивания был исследован методом ИК-фурье-спектроскопии. Полученные спектры указывают на то, что продукт окисления 4-н-ГР железом(Ш) содержит допошштельную гидроксо-группу (так, в области валентных колебаний О-Н, вместо интенсивной широкой структурированной полосы около 3426 см" в ИК-спектре 4-н-ГР, для продукта окисления наблюдалось образование двух не менее интенсивных широких полос с максимумами около 3501 и 3377 см" и широкого плеча в области 3200-3300 см"1 при незначительных изменениях полос других функциональных групп). Отметим, что в продуктах окисления 4-н-ГР отсутствовали характерные для хинонов (в частности, л-бензохинона и его замещенных) отдельные интенсивные полосы в области 1650-1700 см" .

Эти результаты в целом хорошо согласуются с совокупностью данных, полученных методами ГХ-МС и РФА, свидетельствующих об образовании в процессе окисления молекулы 4-н-ГР тригидроксилированного н-гексилбензола (который в процессе ГХ-МС-анализа окисляется железом(Ш),

которое присутствует, по данным РФ А, в хлороформном экстракте продуктов, до гидроксилированного н-гексил-л-бензохинона).

В заключении к диссертации подчеркивается, что вопросам абиотических (химических) превращений биомолекул фенольного ряда, в том числе АР, незаслуженно уделялось относительно мало внимания. Тем не менее, эти превращения имеют существенное значение не только для химии фенольных производных, но и в целом для реальных биологических, экологических и биогеохимических систем, что определяется широко распространенной способностью разнообразных почвенных микроорганизмов синтезировать и выделять эти соединения в окружающую среду. В связи с этим, в настоящей работе изучен ряд физико-химических и структурных аспектов абиотических редокс-процессов с участием АР различной структуры и одного из самых распространенных и биологически важных металлов - железа (в форме Реш).

Одним из вопросов, интересных как в фундаментальном отношении - для изучения химии алкилрезорцинов, - так и в плане выяснения влияния абиотических факторов на молекулярный микробный сигналинг с участием различных по структуре алкилрезорцинов, является роль молекулярной структуры в кинетике редокс-процессов с их участием. В данном исследовании проведена серия экспериментов, а также квантово-химические расчеты, показавшие существенную роль длины и положения алкильного заместителя в молекулах АР в скорости их окисления железом(Ш) в слабокислых средах.

Для наиболее химически активного в ряду изученных соединений, 4-//-ГР, экспериментально определен диапазон кислотности, в котором его окисление протекает с заметной скоростью. С помощью комплекса инструментальных методов впервые показано, что первой стадией его окисления железом(Ш) при рН~3 является дополнительное гидроксилирование ароматического цикла. Этот путь описан в литературе для АР при ферментативных превращениях в клетках некоторых бактерий в нейтральной физиологической среде.

Совокупность полученных данных, кроме фундаментального интереса с точки зрения химии алкилрезорцинов, имеет значение для более полного понимания влияния абиотических факторов внешней среды на процессы сигналинга микроорганизмов и их адаптации с участием данных биомолекул.

Выводы

1. Экспериментально доказано, что 5-метилрезорцин, 5-н-пропилрезорцин и 4-н-гексилрезорцин окисляются железом(Ш) в водной среде при рН~3 с его восстановлением до железа(П). Высушивание реакционных смесей (с исходным мольным соотношением Реш:алкилрезорцин = 1:3) для 5-метилрезорцина и 4-н-гексилрезорцина на воздухе сопровождается образованием смеси соединений с преобладанием комплексов железа(Н).

2. Показано, что скорость окисления алкилрезорцинов (АР) в водных средах при рМ~3 существенно зависит от структуры молекулы (длины и положения алкильного заместителя). Предложена и апробирована кинетическая модель, в соответствии с которой экспериментально найденная последовательность

констант скорости реакции в данных условиях (при рН~3) такова: 4-н-гексилрезорцин » 5-метилрезорцин > 5-м-пропилрезорцин.

3. Методом спектроскопии ЯГР показано, что редокс-процесс между 4-н-гексилрезорцином, наиболее быстро окисляющимся в ряду изученных АР, и железом(Ш) протекает с высокой скоростью при рН 1.5-3.0, однако резко замедляется при рН > 3 и практически не идет при рН около 4 и выше (тем не менее, возобновляясь, хотя и со сравнительно невысокой скоростью, при повторном подкислении среды до рН < 3).

4. Из проведенных квангово-химических расчетов адиабатических потенциалов ионизации для молекул исследованных алкилрезориинов и их неалкилированного аналога (резорцина) следует, что наиболее склонным к окислению является 4-м-гексилрезорцин, а наименее - резорцин, что согласуется с полученными экспериментальными и литературными (для резорцина, не окисляющегося в указанных условиях) данными.

5. По совокупности данных ряда инструментальных методов показано, что основным процессом окисления 4-н-гексилрезорцина, наиболее быстро окисляющегося в ряду изученных АР, в присутствии железа(Ш) при рН~3 является дополнительное гидроксилирование ароматического кольца.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в рецензируемых зкурналах

1.Камнев А.А., Ковач К., Дыкман Р.Л., Кузманн Э., Вертеш А. Исследование взаимодействия железа(Ш) и алкилрезорцинов в водных растворах: окислительная деградация микробных ауторегуляторов // Изв. РАН. Сер. физ. 2010. Т. 74, № 3. С. 425-429.

2.Камнев А.А., Дыкман Р.Л., Ковач К., Кузманн Э. Мёссбауэровское исследование влияния рН на скорость редокс-взаимодействий железа(Ш) с 4-н-гексилрезорцином в водных средах // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. Т. 77, № 6. С. 794-798.

3.Kamnev А.А., Dykman R.L., Kovacs К., Pankratov A.N., Tugarova A.V., Homonnay Z., Kuzmann E. Redox interactions between structurally different alkylresorcinols and iron(III) in aqueous media: frozen-solution "Fe Mossbauer spectroscopic studies, redox kinetics and quantum chemical evaluation of the alkylresorcinol reactivities // Struct. Chem. 2014. V. 25, № 2. P. 649-657.

Статья в рецензируе.мом сборнике научных трудов

4.Kamnev А.А., Tugarova A.V., Dykman R.L., Tarantilis P.A., Polissiou M.G., Kovics K., Kuzmann E., V<§rtes A. Spectroscopic studies of some effects of metal ions related to soil microbial ecology // Metal Ions in Biology and Medicine aud Aqueous Chemistry and Biochemistry of Silicon. Vol. 11 / Eds.: Pele L., Powell J.J., Kinrade S., Jugdaohsingh R., Collery P., Maymard I., Badawi A. - Paris: John Libbey Eurotext, 2011. P. 184-189.

Тезисы докладов

5.Katnnev A.A., Dykman R.L. Redox transformations involving alkylresorcinols and iron(lll) in aqueous solutions: a model of oxidative degradation of microbial autoregulator molecules // VII Международный симпозиум по фенольным соединениям: фундаментальные и прикладные аспекты. Материалы докладов. Москва, 19-23 окт. 2009 г. - М.: Ин-т физиол. растений им. К.А. Тимирязева РАН, 2009. - С. 295-296.

6.Kamnev A.A., Dykman R.L., Kovacs К., Kuzmann Е., Vertes A. Spectroscopic approaches for studying the effects of abiotic factors on microbial molecular signaling // 5th Central European Conference "Chemistry towards Biology", Primosten, Croatia, Sept. 8-11, 2010. Book of Abstracts. P. 97.

7.Дыкман P.JI., Камнев A.A. Окислительная деградация микробных ауторегуляторов: роль абиотических факторов в молекулярном сигналинге // V Всероссийская конференция молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой», Саратов, 28 сент. - 1 окт. 2010. Саратов: Наука, 2010. С. 126.

S.Kanmev А.А., Tugarova A.V., Dykman R.L., Tarantilis P.A., Polissiou M.G., Kovacs K., Kuzmann E., Vertes A. Spectroscopic studies of some effects of metal ions related to soil microbial ecology /7 XI International Symposium on Metal Ions in Biology arid Medicine, Cambridge, UK, 20-23 June, 2011. Abstracts / L. Pele, J.J. Powell, S. Kinrade, R. Jugdaohsingh, Ph. Collery, I. Maymard, A. Badawi (Eds.). Metal Ions in Biology and Medicine and Aqueous Chemistry and Biochemistiy of Silicon. Vol. 11. Paris: John Libbey Eurotext, 2011. P. 7-8.

9.Kamnev A.A., Dykman R.L., Kovacs K., Tugarova A.V., Kuzmann E., Vertes A. Spectroscopic approaches in studying mutual effects of soil iron(III) and microbial molecular signals. Abiotic oxidative degradation of extracellular autoinducer molecules coupled to iron(IIl) reduction // 4th European Conference on Chemistry for Life Sciences, Budapest, Hungary, 31 August - 03 September, 2011. Book of Abstracts. P. 95.

10. Kanmev A.A., Dykman R.L., Kovacs K., Kuzmann E. The effect of pH on the reaction rate of 4-w-hexyIresorcinol with iron(III) in aqueous solutions: The role of the environment in oxidative degradation of microbial autoregulators // XII Международная конференция «Мёссбауэровская спектроскопия и её применения», Суздаль, Россия, 6-10 октября 2012. Сборник материалов. М: ИМЕТ РАН, 2012. С. 117.

11. Kamnev А.А., Dykman R.L., Shchelochkov A.G., Kovacs К., Kuzmann E., Pankratov A.N. Experimental spectroscopic and quantum chemical studies of the reactivity of alkylresorcinols in redox processes /7 XXXVIII Colloquium Spectroscopicum Internationale, Tromso, Norway, June 16-20, 2013. Book of Abstracts. P. 91-92.

Подписано в печать 25.11.2014 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 389/2014

Типография ОООп «Орион» 410031, г. Саратов, ул. Московская, 62 тел.: (8452) 23-60-1S