Окисление бенз(а)пирена и фенолов в физико-химических и биологической системах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Введение.

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

§ I. Закономерности фотоокисления бенз(а)пирена

§ 2. Тушение возбужденных состояний полиаренов кислородом.II

§ 3. Пути образования синглетного кислорода и его роль в фотоокислении полиаренов.

§ 4. Тушение возбужденных состояний полиаренов акцепторами электрона.

§ 5. Строение и проницаемость кожи для органических соединений.

§ 6. Проникновение и метаболизм бенз(а)пирена в коже мышей.

Глава II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

§ I. Фотоокисление при поли- и монохроматическом облучении

§ 2. Фотосенсибилизированное окисление полиаренов

§ 3. Измерение флуоресценции в коже мышей.

§ 4. Канцерогенное воздействие

§ 5. Статистическая обработка результатов

Глава III. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОКИСЛЕНИЯ ПОЛИАРЕНОВ В ФОТОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

§ I. Окисление бенз(а)пирена и фенолов при полихроматическом облучении

§ 2. Взаимодействие с синглетным кислородом и гидрок-сильным радикалом при фотосенсибилизированном окислении полиаренов.

§ 3, Реакционная способность полиаренов в процессе фотоокисления. Расчетно-теоретическое обоснование схемы процесса

Быводы

Глава 1У. ВЛИЯНИЕ ФЕНОЛОВ И ХИНОНОВ НА ПРОЦЕСС

БИОДЕГРАДАЦИИ БЕНЗ(А)ПИРЕНА

§ I. Разработка кинетической модели проникновения и превращения бенз(а)пирена в коже

§ 2. Влияние фенолов и хинонов на проникновение и превращение бенз(а)пирена в коже мышей

§ 3. Влияние пирокатехина и п~бензохинона на канцерогенное воздействие бенз(а)пирена . 101 Выводы.

ОБЩИЕ ВЫВОДА.

Существенную долго экзогенных загрязнений среды продуктами и отходами многосторонней деятельности человека составляют вещества ароматической природы, зачастую обладающие выраженной и разнохарактерной биологической активностью. К ним относятся, в первую очередь, полициклические арены (ПА), в ряде случаев -сильные канцерогены, сопутствующие им токсичные фенолы.

Превращения этих веществ в биосфере, в различных её элементах, протекают главным образом, на основе активированного окисления - метаболического в биологических системах при взаимодействии с живыми организмами и инициированного воздействием в присутствии кислорода некоторых физико-химических агентов, в первую очередь ультрафиолетовой(у$) составляющей солнечного излучения - в неживой природе. Поэтому важной задачей в решении актуальной проблемы защиты человека и окружающей его среды от действия канцерогенных загрязнений является установление закономерностей, управляющих указанными процессами активированной деградации, не только раздельно для окисления некоторого изолированного канцерогенного ПА, но и во взаимодействии с тем или иным из сопутствующих ему ароматическим компонентом.

Ныне установлена способность физиологически высокоактивных фенолов воздействовать не только на канцерогенную активность ПА, но и участвовать в химических реакциях их окисления в качестве промоторов или ингибиторов. Указанные проявления в организации и эффективности окислительной деградации канцерогенного полиарена не следует все же приписывать лишь исключительно самому исходному сопутствующему фенолу: в смеси реагирующих или метаболи-зируемых веществ присутствуют и должны оказывать влияние на окисление полиарена также промежуточные продукты окисления фенола

- некоторые многоатомные фенолы, хиноны, продукты конденсации, непредельные спирты или кислоты. Многие из них сравнительно малоустойчивы и легко разрушаются в ходе дальнейшего окисления в химических и биологических системах. Соответственно, непосредственное их обнаружение в реакционных смесях, однозначная оценка их роли относительно изучаемого ПА и достоверная интерпретация конечных результатов оказываются затруднительными и, в некоторых обстоятельсвах, недостаточно убедительными.

Поэтому существенный раздел в изучении механизмов химического канцерогенеза и в исследовании реакций инициированного окисления ПА во внешней среде ( в частности- в водной среде), оказывается разработанным к настоящему времени ещё недостаточно. Сложность в решении проблемы усугубляется наличием ряда пробелов в существующих представлениях о природе фотоокислительной дегра^ дации пери-конденсированных углеводородов, к числу которых относится ряд известных канцерогенов, о детальном механизме взаимодействия ПА с синглетным кислородом и другими активными окислительными агентами, о зависимости эффективности фотоиницированно-го процесса от энергетических и молекулярно-структурных характеристик реагирующих веществ.

Сказанное определяет основную цель настоящей работы - исследование некоторых до сих пор мало изученных или недостаточно оцененных эффектов при взаимодействии, главным образом в водной среде, с некоторым модельным канцерогенным полиареном при его окислительной деградации с некоторыми из промежуточных продуктов окисления сопутствующего фенола в биологической и физико-химических системах.

Выбор конкретных объектов изучения продиктован актуальностью такой работы для характерных условий Прибалтийского региона в целом и Эстонской ССР, в частности, обладающих интенсивными хими ческой и топливно-химической отраслями промышленности, высокоразвитыми транспортом и теплоэнергетикой.При этом основные разделы исследования, для конкретизации подлежащих решению задач и известного целесобразного их упрощения, проводятся с широко известным бенз(а)пиреном (БП), который единогласно признан в настоящее время биологами и химиками индикаторным или эталонным представителем поликонденсированных ароматических канцерогенов.

Соответственно изложенной общей цели можно наметить в качестве основных нижеследующие задачи, решению которых посвящены конкретные разделы диссертации.

- Изучение кинетических закономерностей фотоинициированного соокисления фенолов, промежуточных продуктов их окисления и БП; получение уточненных кинетических характеристик фотосенисибили-зированного окисления БП и других модельных полиаренов разной структуры; попытка уточнения представлений о механизме этих процессов, в частности, при взаимодействии БП и других ПА с син-глетно-возбужденным кислородом и свободным радикалом гидроксила; установление достаточно четкой зависимости эффективности фотоинициированного окисления ПА от их энергетических и молекулярно--структурных характеристик, посвященных посильному вкладу данных и восполнению пробелов в накопленном к настоящему времени материале по фотоокислительной деградации ПА и фенолов, имитирующей процессы их деградации во внешней среде.

- Изучение закономерностей воздействия фенолов, продуктов их окисления, на окисление БП в биологической системе in vivo именно такие системы дают непосредственный ответ на подлежащие выяснению вопросы в отличие от более простых, но не охватывающих всю глубину процессов в организме систем in vitro )» в качестве которой избрана нами кожа подопытных живорных (безволосые мыши).

При решении указанных задач в работе получен ряд новых результатов. Установлен и получил объяснение специфический эффект взаимного влияния фенолов, хинона и БП при фотоиницииро-ванном окислении.

Определены константы скоростей взаимодействия некоторых модельных ПА с гидроксильным радикалом и с синглетно-возбувденным кислородом.

Впервые установлена корреляционная связь эффективности фотоокисления ПА и величины электронодонорной способности молекул ПА в триплетно-возбужденном состоянии и предложена схема начальных стадий фотоокисления полиаренов.

Впервые предложена и проверена на экспериментальных данных кинетическая модель проникновения и метаболизма БП в коже живых мышей, с помощью которой изучено влияние фенолов, хинонов и муко-новой кислоты на процессы диффузии и метаболического окисления БП в коже живых мышей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. Изучены кинетические закономерности окисления бенз(а)-пирена, фенолов и некоторых модельных промежуточных продуктов в этаноле, инициированном полихроматическим УФ-излучением. Скорость их раздельного окисления убывает в ряду: п-бензохи-нон > 7-ОН-БП > 6-0Н-БП )> оксибензол пирокатехин > БП. Взаимное влияние реагентов в бинарных смесях в значительной части случаев обусловлено лишь эффектом экранирования; химическое ингибирование окисления оксибензола происходит под влиянием двухатомных фенолов (пирокатехина и гидрохинона) и п-бен-зохинона; последний заметно ускоряет окислительную деградацию бенз(а)пирена.

С помощью конкурентных акцепторов и сенсибилизированного окисления некоторых полиаренов показана незначительная роль синглетно-возбужденного кислорода в ключевой стадии фотоиници-ированного окисления бенз(а)пирена в водной и этанольной среде»

3. На основе определения квантовых выходов фотоокисления БП и других аренов в воде показано наличие прямой связи между их реакционной способностью и величиной потенциала одноэлект-ронного окисления триплетно-возбужденной молекулы. Наиболее вероятным представляется механизм фотоинициированного окисления БП, в котором основной стадией является образование его катион-радикала.

Предложена оригинальная схема ключевых стадий фотоинициированного окисления полиаренов. На её основе впервые дано корреляционное уравнение, связывающее реакционную способность аренов разной структуры в процессе их фотоокисления с двумя па^ раметрами: электронодонорной способностью триплетно-возбуждённого состояния аренов и межмолекулярной энергией возмущения второго порядка реакции (411*211) -циклоприсоединения синглетно--возбуждённого кислорода к ароматической молекуле,

4. Разработана и предложена для практического применения кинетическая модель проникновения и превращения конечного количества БП в коже живых мышей, основанная на интерпретации процессов нестационарной диффузии и метаболического окисления БП.

5, С помощью предложенной кинетической модели изучено влияние варьируемых доз фенолов, хинонов и муконовой кислоты при совместном их нанесении с БП на величины конотант скоростей, характеризующих процессы диффузии и метаболического окисления БП в коже живых мышей. Показано, что присутствие этих веществ не оказывает влияние на процесс диффузии БП в кожу; на метаболизм этого полиарена существенное влияние оказывает лишь 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол (ионол) и в некоторой степени п-бензохинон, проявляя при этом ингибиторную активность. Полученные результаты аналогичны данным специально поставленного эксперимента по изучению канцерогенной активности БП при совместной аппликации с пирокатехином или п-бен-зохиноном.

1. Клар Э. Полициклические углеводороды, - М.: Химия, 1971,т.1, 456 с.

2. Паальме Л., Губергриц М. Влияние кислорода на кинетику фотодеградации 3,4-бензпирена.- Изв. АН ЭССР. Хим. Геол., 1971,т.20, № 2, с.127 133.

3. Губергриц М.Я., Кирсо У.Э., Паальме Л.П. Превращения канцерогенных веществ в биосфере.- М.: Знание, 1975, 64 с.

4. Паальме Л.П., Кирсо У.Э., Кару Т.И., Губергриц М.Я. Физико-химическая модель для оценки превращений и канцерогенной активности полициклических углеводородов.- Вопосы онкологии, 1975, т. 21, № 10, с. 56 62.

5. Паальме Л., Туулметс А., Кирсо У., Губергриц М. Реакционная способность полициклических ароматических углеводородов в процессе фотоинициированной деградации.- Реакц. способн. орг. соед. ТГУ, 1974, т. II, вып. 2, с. 313 322.

6. Паальме Л., Губергриц М. Воздействие температуры на кинетику фотодеградации 3,4-бензпирена.- Изв. АН ЭССР. Хим.Геол., 1971, т. 20, № I, с. 220 225.

7. Кару Т., Кирсо У., Губергриц М. Кинетика фотоинициированного соокисления бенз(а)пирена и фенолов разного строения. Изв. АН ЭССР. Хим.Геол., 1973, т. 22, № 3, с. 217 - 223.

8. Паальме Л.П., Губергриц М.Я. Кинетика соокисления 1,2- и 3,4--бензпиренов, активированного УФ-излучением.-В сб.: Теория и практика жидкофазного окисления,- М.: Наука, 1974, с. 120 122.

9. Паальме Л., Губергриц М. Кинетика раздельной и совместной фотодеградации бенз(а)пирена, пирена и 3-метилхолантрена.- Изв. АН ЭССР. Хим.Геол. , 1975, т. 25, № 4, с. 271-275.

10. Паальме Л., Лопп А., Губергриц М. Кинетика совместной окислительной фотодеградации бенз(а)пирена и 7,12-диметил-бенз(а)антрацена.- Изв. АН ЭССР. Хим.Геол., 1976, т. 25, № 3, с. 247 249.

11. Menger Е., Spokane R., Sullivan p. Free radicals derived from benzo(a)pyrene.- Biochem.Biophys. Res. Commun., 1976, v. 71, № 2, p. 610 616.

12. Watkins A.R. Oxygen quenching of the fluorescence of aromatic hydrocarbons in polar solvent.- Chem. Phys. Lett., 1979,v. 65, № 2, p. 380 384.

13. Wu K. 0., Trozzolo A.M. Production of singlet molecular oxygen from the oxygen quenching of the excited singlet state ofaromatic molecules in n-hexane solution.- J. Phys. Chem., 1979, v. 83, 24, p. 3180 3183.

14. Gijzeman O.L.J., Kaufman F., Porter G. Oxygen quenching of aromatic triplet states in solution. Part 1, 2.- J.Chem. Soc.

15. Faraday Trans. II, 1973 v. 69, №5, p.708 720, p.721 - 726.

16. Kearas D.R, Physical and chemical properties of singlet molecular oxygen,- Chem.Rev., 1971» v. 71, №4, p. 395 427»

17. Салохидцинов К.И., Бытева И.М., Гуринович Г.Т. Время жизни синглетного кислорода в различных растворителях.- Ж. прикл. спектроскопии, 1981, т. 34, вып. 5, с. 892 897.

18. Красновский А.А. Лгоминиеценция при фотосенсибилизированном образовании синглетного кислорода в растворах.- В кн.: Возбужденные молекулы, кинетика превращений.-Л.:Наука, 1982, с. 32- 50.

19. Stevens В., Perez S.R., Ors J. A. Phot ©peroxidation on unsa^иturated organic molecules. 14. 02 Ag acceptor properties and rectivity.*- J. Am. Ohem. Soc., 1974, v.96, №22, p. 6846-6850.

20. Chalvet 0., Daudel R., Ponce 0., Rigaudy J. Mechanism of photooxidation interpretation of the substituent effects in the photooxldation of acenic derivatives.- Int. J. Quant. Chem., 1968, v. 2, №4, p. 521 530.

21. Jousset-Dubien J., Lesclaux R. Direct and sensitized photo-oxidation of aromatic hydrocarbons in boric acid glass.- Proc, Int. Symp., Beirut, Lebanon, 1967, p.197 212.

22. Багдасарьян X.C. Двухквантовая фотохимия ,- M.: Наука, 1976, 127 с.

23. Potashnik K,R,, Goldschmidt C.R., Ottolenghi M, Triplet state formation in the quenching of fluorescence by molecular oxygen.- Chem. Phys. Lett., 1971, v.9, №5, p. 424 425*

24. Чибисов А.К. Перенос электрона в фотохимических реакциях. Успехи химии, 1981, т.50, вып.7, сЛ169 - 1196.

25. Пальм В.А. Основы количественной теории органических реакций, Л.: Химия, 1967, 360 с.

26. Михайлов И.Н. Структура и функции эпидермиса. М.:Медицина, 1979, 239 с.

27. Колпаков Ф.И. Проницаемость кожи.- М.: Медицина, 1973,208 с.40» Chandrasekaran S.K», Shaw J.E» Factors influencing the percutaneous absorption of drugs.- Curr. Probl. Dermatol», 1978, v, 7» p. 142 155.

28. Кожа (строение, функция, общая патология и терапия)/ Под ред. А.М.Чернуха, Е.П.Фролова.- М.: Медицина, 1982, 336 с.

29. Астарита Д. Массопередача с химической реакцией.- Л»: Химия, 1971, 223 с.

30. Шабад Л.М. Методы определения и изучения бластомогенности химических веществ.« М.: Медицина, 1970 , 240 с.

31. Berry DiL., Bracken W*R*, Slaga T.J., Wilson Butty S*

32. G*, Juchau №*R*; Benzo(a)pyrene metabolism in mouse epidermis* Analysis by high pressure liguid chromatography and ША binding,

33. Кобляков В.А., Сенницкая Л.В. Окислительные превращения бенз(а)пирена в клетке. В сб.: Окиление канцерогенных полициклических углеводородов производных бенз(а)пирена. АН ЭССР, Таллин, 1978, с. 70 82.

34. Действие канцерогенных углеводородов на клетки / Андрианов Л.А., Белицкий Г.А., Васильев ©.1. и др./.- М.:Медицина, 1971,168 с.

35. Ходосева И.А. Биохимические аспекты канцерогенеза.- М.:Наука 1976,208с.

36. Андрианов Л.А. Фактор времени и значение депонирования угле** водородов при химическом канцерогенезе в коже мышей. Автореф. Дисс. каед. мед. наук.- М., 1968, 15 е.

37. Кару Т.И., Кирсо У.Э., Андрианов Д.А. Динамика резорбции из кожи мышей 3,4-бензпирена с фенолами,- Вопросы онкологии, 1973,т« 19, №5, с. 80 ~ 84.

38. Эмануэль Н.М., Салрин А.Н., Шуляковская Т.О., Козлова Л.Н., Бунто Т.В. К механизму антиканцерогенного действия ингибитора свободнорадикальных процессов 2,6-дитрет-бутил-4~метилфенола (ионола)ДАН СССР, 1973, т.209, с.1449 1451.

39. Верещинский И.В., Пикаев А.К. Введение в радиационную химию. М., 1963, 343 с.

40. Кирсо У. Определение различных фенолов реакцией с 4-амино-антипирином.- Изв.АН ЭССР. Хим. Геол., 1977, т.26, № I, с.22-27.

41. Агроскин Л.С. Сравнение яркостей некоторых источников для ультафиолетовой микроскопии.- Биофизика, 1957, т.2, вып. 4, с.518 519.

42. Mackay D., Wan Xing Shin, Agueous solubility of polynuclear aromatic hydrocarbons,- J. Chem. Eng. Date, 19771 v.4, p,399-402,

43. Vogel A, Practical organic chemistry, London, 1956, p.573.

44. Antonello 0., Garlassare P, Products of photooxidation of benzo(a)pyrene in ultraviolet light.- Atti 1st. Veneto Sci. Lettere Arti, Glasse Sci.Mat. Nat., 1964, v.122, p. 9 19.

45. Пакет минимизации "Прямой поиск" на языке ФОРТРАН 1У (руководство программиста), Таллинский научно-производственный центр СНПО "Алгоритм", Таллин, 1978 , 99 с.

46. Пакет научных программ на языке ФОРТРАН 1У (руководство программиста), книга I, 1977, 277 с.

47. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами.1. М.: Мир, 1973, 957 с.

48. Тяхт Р.Э., Раяло Г.Ю. Пакет программ для определения констант уравнений химической кинетики , Таллин: АН ЭССР, 1978, 85 с.

49. Шевчук И. Фотоинициированное соокисление бенз(а)пирена с п-бензохиноном и пирокатехином.- Изв. АН ЭССР, Химия, 1979, т. 28, * 3, с.220 221.

50. Шевчук И. Соокисление бенз(а)пирена и его 6- и 7-гидрокси-производных.- Изв. АН ЭССР, Химия, 1981, т.30, № 2, с.134-136.

51. Шевчук И., Кирсо У. Эффекты взаимного влияния при соокислении фенолов, хинона и бенз(а)пирена. Из в. АН ЭССР, Химия, I98X, т. 30, № I, с.29 33.

52. Вельдре И.А., Кирсо У.Э. Изменение токсических свойств фенолов в процессе их окисления.- Гиг. санитария, 1976, I, с. 20- 22.

53. Введение в фотохимию органических соединений / Под ред. О.Г.Беккера/.- Л.: Химия, 1976 , 372 с.

54. Шевчук И., Чекулаев В. К механизму фотоинициированного превращения бенз(а)пирена в воде.- Изв. АН ЭССР, Химия, 1982, т. 31, * 2, с. 117 123.

55. Чекулаев В., Шевчук И. Реакционная способность некоторых полициклических ароматических углеводородов с ОН*- радикалом.-Изв. АН ЭССР, Химия, 1981, т.30, * 2, с. 138 140.

56. Нурмухаметов Р.Н. Поглощение и люминесценция ароматических соединений.- М.: Химия, 1971, с. 70 74.

57. РэнбиБ., Рабек Я., Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров.- М.: Мир, 1978, 675 с.

58. Lesko S., Caspary W., Lorentzen R., Ts'o, P.O.P. Enzymaticformation of 6-oxobenzo(a)pyrene radical in rat liver homoge-nates from carcinogenic benzo(a)pyrene.- Biochenu, 1975» v. 14, №18, p. 3978 3984*

59. Shizuka H., ITakamura M., Morita 0?» Anion induced fluorescence quenching of aromatic molecules»- J. Phys. Chem., 1980, v. 84, N°9, p. 989 - 994.

60. Kraljic J., Trumbore O.N. p-Nitrosodimethylaniline as on

61. OH radical scavenger in radiation chemistry.- J. Am. Ohem. Soc., 1965, №12, p. 2547 2550.

62. Grinstock C.L., Ruddock G.W. Radiation activation of carcinogens and the role of OH* and Photochem. Photobiol., 1978, v. 28, p. 887 880.

63. Паальме Л., Губергриц M. Макрокинетика фотолиза 3,4-бензпире-на в аэрированном растворе октана,- Изв. АН ЭССР, Хим. ,Геол., 1968, т. 17, № 2, с. 99 104.

64. Денисов Е.Т. Константы скоростей гемолитических жидкофазных реакций.- М.: Наука, 1971, с. 191.

65. Высоцкая Н.А. Реакционная способность радикалов ОН*, О"*, Н0£ и атомов кислорода в водных растворах ароматических соединений,- Успехи химии, 1973, т.42, вып. 10, с. 1843 1853.

66. Полуэктов В.А. К механизму торможения окисления органических веществ полициклическими ароматическими углеводородами.- ДАН СССР, 1970, т. 194, * 4, с. 857 860.

67. Манн Ч., Барнес К. Электрохимические реакции в неводных системах.- М.: Химия, 1974, с. 221.

68. Mill Т., Mabey W.R., Lan B.Y., Baraze A. Photolysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in water.- Chemosphere, 1981,v. 10, №11 -12, p. 1281 1290.

69. Birks J.B. Photophysics of aromatic molecules.- Londonj

70. Pysh E.S,, Yang N.C.Polarographic oxidation potentials of s aromatic compounds.- J. Am, Chem. Soc., 1963, v. 85, №14, p. 2124 2130.

71. Birks J.B. Organic molecular photophysics, v. 2,- London} F,-Y., Sydney, 1975, p. 118.

72. Стрейтвизер Э. Теория молекулярных орбит алей для химиков-органиков.- М.:Мир, 1965, 435 с.

73. Андрианов Л.А., Турусов B.C. Индукция опухолей и резорбция 7,12-диметилбенз(а)антрацена после однократного нанесения на кожу мышей.» Вопр. онкологии, 1969, т. 15, № 12, с. 64 68.

74. Шевчук И.Н. Кинетика резорбции бенз(а)пирена с пирокатехином, п-бензохиноном и муконовой кислотой в коже мышей.- В сб.: Люминисцентный анализ в медико-биологических исследованиях. ~ Рига:РМИ, 1983, с. 265 267.

75. Shen A., Fahl W., Wrighton S., Jefcoate C. Inhibition of benzo(a)pyrene-7,8-dihydrodiol metabolism by benzo(a)pyrene quinones.- Cancer Res., 1979»v.39, №10, p.4123 4129. 108. Berry D.L., Bracken W.R., Slaga T.J., Wilson N.M., Butty4 * '

76. НО. Тамме Ю.Р., Шевчук И.Н. Влияние бензохинона и пирокатехина на канцерогенное воздействие бенз(а)пирена.- Тезисы докладов 5-ой конференции онкологов Эст.ССР, Лат.ССР и Лит.ССР 26-28 октября 1981. Таллин, с.168.

77. Каплан В.Т., Перелыотейн Е.И., Фееенко Н.Р.О механизме самоочищения поверхности вод суши от фенольных соединений. Сообщ. I.Окисление простейшего фенола ( карболовой кислоты) кислородом воздуха.- Гидрохим. материалы, 1966, т.42, с. 274-286.

78. Стом Д.И. Хиноны как возможная форма полифенольных ингибиторов роста. ДАН СССР, 1969, т. 186, » 3, с. 714 716.

79. Jeftic L., Adams R.N. Electrochemical oxidation pathwaysof benzo/a/pyrene.- J. Am. Chem. Soc., 1970, v. 92, N 5, p.1332- 1337.