Радиационно-химическое моделирование быстропротекающих процессов с участием промежуточных кислородсодержащих реакционных центров в различных системах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.09 ВАК РФ

На правах рукописи

РЕВИНА АЛЕКСАНДРА АНАТОЛЬЕВНА

РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ШСТРОПРОТЕКАЩИХ ПРОЦЕССОВ С УЧАСТИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ РЕАКЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ

02.00.09 -Радиационная химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте электрохимии им.А.Н.Фрумкина РАН Официальные оппоненты:

д.х.н. В.А.Шарпатый д.х.н., проф. С.А.Кабакчи д.х.н., проф. Л.Т.Бугаенко

Ведущая организация:

Российский химико-технологический университет им.Д. И.Менделеева

Защита состоится " " 1995 г. в '/д часов на

заседании диссертационного Совета Д 002.26.04 в Институте химической физики им.Н.Н.Семенова РАН по адресу: 117977 ГСП-1, Москва В -334, ул.Косыгина, 4 / К^рП ■ (5 ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химической физики им.Н.Н.Семенова РАН.

Автореферат разослан " М-^Ь^ХЗЭБ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.26.04 /с^""—~~

кандидат химических наук А.В.Волынская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации сформулировано и экспериментально обосновано новое перспективное направление в исследовании механизма окисления, заключающееся в генерировании, изучении природа и свойств промежуточных реакционных центров, в определении констант скоростей элементарных реакций и в использовании этих сведений для научно обоснованного управления и регулирования процессами окисления в органических и неорганических системах в присутствии различных катализаторов и биологически активных веществ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Классическая перекисная теория Баха-Энглера с ее научным обоснованием с позиции цепных рекций Н.Н.Семенова и развития учения об аутоокислении Н.М.Эмануэля и в настоящее время остается основополагающей теорией в изучении химических процессов, связанных с участием и активацией молекулярного кислорода. Установление сложного характера процессов окисления, изучение элементарных актов переноса заряда и идентификация короткоживущих промежуточных продуктов играют огромную роль в развитии учения об этом процессе.

Интенсивные научно-исследовательские работы, направленные на создание новых высоко эффективных и экологически чистых производств, непосредственно связаны с изучением механизма и селективности окислительно-восстановительных реакций различных соединений в присутствии катализаторов, ингибиторов, стабилизаторов. Для выбора оптимальных условий и принципа научного поиска эффективных катализаторов необходимо изучение механизма первичных стадий процессов и установление природа и свойств промежуточных реакционных центров.

Важную роль в проблеме изучения механизма первичных актов действия ионизирующего излучения на биологические объекты играют исследования реакций окисления при радиолизе органических соединений

с различными функциональными группами в зависимости от концентрации молекулярного кислорода. Тема исследований была предложена профессором Н.А.Бах еще в-начале 50-х годов и получила свое продолжение и ' дальнейшее развитие в работах ее сотрудников в ИЭЛ АН и МГУ.

Разрушительные процессы при любых неблагоприятных и стрессовых воздействиях на различные живые организмы связаны с активацией реакций свободно-радикального'окисления, с образованием значительных концентраций активных форм кислорода, накоплением токсичных соединений перекисного типа , ответственных за деструктивное и мутагенное действие. Усилия многих ученых мира направлены на поиски аффективных Природных антиоксидантов, радиопротекторов для предупреждения или уменьшения риска этих процессов.

В связи с вышеизложенным представляется актуальным использование радиационно-химического генерирования и изучения методом импульсного радиолиза промежуточных реакционных центров жизненно важных процессов окисления, в формировании которых определящую роль играют ранние стадии активирования молекулярного кислорода. Это позволило, благодаря изучению промежуточных частиц, показать общность первичных стадий инициирования каталитических, радиационно- и электрокаталитических процессов окисления в различных системах. Исследование выполнено в соответствии с координационными планами АН СССР по проблеме "Химия высоких энергий" и следующим темам : "Исследование свойств короткоживущих продуктов радиолиза неорга-К^ ческих, органических и биологических систем" (Toc.per.N 0185. 0072674); "Исследование методом импульсного радиолиза механизма радиационного синтеза на основе оксиметилирования органических соединений" (Toc.per.N 76031776); по Программам биологических и акологи-гических исследований АН СССР и ГКНТ 085.04 - "Разработка способов

интенсификации процессов производства тяжелых металлов с применением радиационно-химической технологии, основанное на использовании ускорителей электронов" (совместно с ГИНЦВЕТМЕТом), а также в рамках договоров о научном сотрудничестве с Кишиневским сельскохозяйственным институтом им.М.В.Фрунзе, институтом генетики АН МССР, НИО-ГИАП , РХТУ им.Д.И.Менделеева, ИБХ им.А.Н.Баха.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в разработке нового направления в изучении и установлении механизма окислительно-восстановительных реакций различных соединений в присутствии молекулярного кислорода, катализаторов, ингибиторов, природных антиоксидантов на основе радиационно-химичес-кого генерирования и исследования природы и реакционной способности промежуточных активных центров, ответственных за- каталитические реакции, протекающие в реальных технологических, радиобиологических и биохимических системах.

Работа предусматривала генерирование различных активных форм молекулярного кислорода таких, как супероксид анион-радикалы, перок-сильные радикалы и кислородсодержащие комплексы с переносом заряда, и исследование элементарных стадий их взаимодействия с молекулами катализаторов, ингибиторов и природных антиоксидантов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА . Создано новое направление в изучении механизма окислительно-восстановительных реакций - радиационно-химическое генерирование и детектирование промежуточных реакционных центров, включая состояния с переносом заряда между молекулами кислорода и молекулами катализаторов (ингибиторов), исследование реакций их взаимодействия с молекулами субстрата при варьировании физико-химических параметров системы и условий проведения эксперимента.

Впервые зарегистрированы та спектрам оптического поглощения лабильные комплексы о переносом заряда между алкильными радикалами я

» молекулами ингибиторов, комплексы на основе пероксильных радикалов.

Это позволило объяснить и экспериментально обосновать представление об избирательном ингибировании цепных химических реакций окисления углеводородов в результате изменения реакционной способности активных центров. Установлено, что связанный в комплексе с ингибитором алкильный радикал при взаимодействии с молекулой кислорода дает пероксильный радикал, участвует в развитии цепного процесса, ко не реагирует с целевым продуктом - гидроперекисью, и не снижает его выход.

Обнаружены промежуточные лабильные комплексы супероксид анион-радикалов с биологически активными веществами, супероксокомп-лексы флованоидов, каротиноидов различного строения, металлопорфири-нов. Рассмотрены разные аспекты действия 0~2 , инициатора редокс-реакций в биокатализе, глектрокатализе и других процессах.

Проведено исследование природа и свойств промежуточных частиц импульсного радиолиза диоксида серы. На основании изучения ранних стадий радиолитического превращения металлокомплексов порфи-ринов в отсутствие и присутствии молекулярного кислорода и диоксида серы предложен механизм реакций цепного, каталитического процесса окисления серы. Впервые экспериментально установлено и обосновано, что первичным актом активирования молекул катализатора и кислорода является реакция восстановления с образованием супероксокомп-лексов, которые в результате последующего переноса второго электрона па кислород, превращаются в пероксокомплексы, и что, именно, они являются активными центрами окисления субстрата, диоксида серы. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что она направлена ва решение важных прикладных задач химической технологии, радио' -биологии, химии физиологически активных веществ, на повышение эффек-

тивности использования природного сырья и разработку безотходных и экологически чистых производств;

- экспериментально обоснован на уровне элементарных реакций механизм избирательного ингибирования окисления органических соединений;

- установленные величины абсолютных констант скоростей реакций с участием промежуточных короткоживущих частиц вносят существенный вклад в банк данных по их реакционной способности;

- механизм избирательного ингибирования может быть использован при рассмотрении окислительно-восстановительных реакций в разнообразных системах, включая радиобиологические, биохимические и др.;

- на основе генерирования и изучения реакционной способности активных промежуточных частиц, ответственных за протекание сложных процессов

в биологических системах, предложен эффективный метод для подбора природных антиоксидантов, радиопротекторов и выбора оптимальных условий их применения с учетом экологических ситуаций;

- в связи с внедрением радиационных методов очистки газовых выбросов промышленных комплексов и энергетических установок исследованы промежуточные стадии радиационного окисления диоксида серы в 1 водных растворах в присутствии тетрасульфофталоцианина кобальта в качестве катализатора,

- проведено сравнение промежуточных стадий радиолитического и электрохимического восстановления тетратолилпорфирина марганца в растворах ацетонитрила, на основании этих исследований был сделан вывод о том, что зарегистрированные лабильные состояния с переносом заряда служат доказательством формирования каталитических центров как при радиолизе, так и при электрокатализе.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Установление сложного характера процессов окисления и наличия промежуточных и обратимых стадий является

дальнейшим развитием теории химических реакций, связанных с участием и активацией молекулярного кислорода.

Обратимое взаимодействие молекулярного кислорода о образованием ком-ллексов с переносом заряда было обнаружено методом ЭПР в бензольных растворах ДФПГ, свободных радикалов в облученных образцах пальмитиновой кислоты и ее производных. На основании спектрофотометрических исследований слабых обратимых взаимодействий с кислородом таких биологически активных соединений, как флавоноиды, порфирины, фталоцианины и каротиноида, сделан вывод о частичном переносе заряда на молекулу кислорода.

Показано, что при восстановлении оксокомплексов образуются супероксокомплексы. Рассмотрены разные аспекты действия супероксидных радикалов, инициаторов окислительно-восстановительных реакций в биокатализе, электрокатализе и других процессах, включая обратимые, в которых о"'выступает в роли акцептора или донора электронов, 0~' -предшественник радикалов ОН при каталитическом разрыве связи 0-0. Обнаружены комплексы с переносом заряда между 04~" и молекулами катализаторов, антиоксидантов или их продуктов радаолиза.

Изучен механизм действия ряда биологически важных соединений в качестве антиоксидантов , а также определены условия и способы повышения их эффективности, исследованы природа и реакционная способность короткоживущих промежуточных частиц в водных и водно-спир-тоных растворах флавоноидов, порфиринов и др.соединений..

Научно обоснован механизм цепного радикально-каталитического окисления диоксида серы молекулярным кислородом на основе изучения природа и свойств промежуточных продуктов и регистрации последовательных стадий переноса заряда при участии металлопорфириновых комплексов в качестве катализаторов. Установлено, что первичным актом

формирования реакционного центра окисления является реакция восстановления молекулы кислорода, молекулы катализатора или их совместного лабильного комплекса, М-..0,, с образованием супероксокомплекса. Последующий перенос второго электрона на кислород приводит к стабилизации пероксокомплекса, который в присутствии субстрата выступает в качестве активного окислительного центра.

Установлено, что стабилизация пероксидов, целевого продукта в промышленных процессах окисления органических соединений, может быть достигнута в результате подавления реакций пероксидов со свободными радикалами.

Изучены реакции окисления углеводородных радикалов молекулярным кислородом в присутствии фенолов, хининов различного строения, нит-роксильных радикалов, что позволило обнаружить стадии взаимодействия этих соединений с алкильными радикалами и объяснить их участие в качестве селективных ингибиторов. Связанные в комплексы с ингибитором радикалы взаимодействуют с 0%, образуют пероксильные радикалы или совместные комплексы с молекулой кислорода, способны участвовать в реакциях цепного окисления углеводородов, но не реагировать с пероксидами. Взаимодействие с ингибиторами имеет обратимый . ' характер, поэтому селективные ингибиторы реакций окисления органических соединений могут действовать многократно. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по теоретической и прикладной радиационной химии

(Обнинск, 1984, 1990), на Международных симпозиумах и конференциях

*

то радиационной химии (Тихань, 1979, 1982, 1986), по радиоизотопам (Токио, 1971) и быстрым реакциям возбуждения (Токио, 1989), по радиационным воздействиям (Лейпциг, 1984, 1987), на 1У Международном симпозиуме по гомогенному катализу (Ленинград, 1984), на ежегодных

Чтениях по радиационной-химии, посвященных памяти цроф.Н.А.Бах (Москва, начиная с 1980 г.), на Всесоюзном кинетическом коллоквиуме та радикальным реакциям в жидкой фазе (Черноголовка, 1985), 3-ей Всесоюзной конференции "Биоантиоксидант" (Москва, 1989), на 1-ом Всесоюзном съезде по радиобиологии (Москва, 1989), на У Все-юзной конференции по координационной и физической химии порфиринов (Иваново, 1988), на У Всесоюзном симпозиуме по фенольным соединениям (Таллин, 1987), 2-ом Всесоюзном симпозиуме по радиационной генетика (Москва, 1986), на У1 Всесоюзном симпозиуме "Молекулярные механизмы генетических процессов (Москва, 1987), на Международном симпозиуме по химии макроциклов (Одесса, 1990), Всесоюзном совещании по электрокатализу (Черноголовка, 1991), на 1-ой Международной конференции по биокоординационной химии (Иваново, 1994).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований автором опубликовано более

100 статей и тезисов докладов, представленных в отечественных и зарубежных изданиях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из 6 глав, заключения, выводов, списка использованной литературы, включающего 201 наименований. Работа изложена на 187 страницах, содержит 8 таблиц и 47 рисунков.

Все содержащиеся в диссертации данные получены автором лично или при непосредственном его участии. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение(гл.1). Дана общая характеристика работы, изложены основные задачи исследования, перечислены объекты и методы их изучения. Установление элементарных актов взаимодействия молекулярного кислорода с активными промежуточными частицами, детектирование реакционных центров, моделирование радиобиологических процессов, катали-

тических и ферментативных процессов в сложных системах по составу и условиям их реализации стало возможным на основе комплексного использования современных физико-химических методов: импульсного радиолиза со спектрофотометрической регистрацией сигналов оптического поглощения промежуточных продуктов, сигналов люминесценции, метода ЗПР, измерения электрохимических характеристик редокс-превращений непосредственно во время облучения, метода электрохимического восстановления с одновременной регистрацией спектров оптического поглощения реагентов, промежуточных и конечных продуктов реакций с переносом заряда.

■ Установки импульсного радиолиза со спектрофотометрической регистрацией промежуточных частиц были созданы в институте электрохимии АН СССР на базе линейных ускорителей электронов ЭУ-12, ЭЛУ-10, "Электроника У-003", энергия электронов 4,5, 10 и 6 МэВ, соответственно. Длительности импульсов варьировали от 20 не до 3,0 мкс. Применяли. различные фотоумножители в широком диапазоне спектральной чувствительности ( 220-1200 нм). Реализована возможность измерения спектров поглощения с точностью в УФ области ± 1 , в видимой + 5 нм. Величина поглощенной энергии в каждом импульсе определялась путем измерения заряда с калибровкой по химическому дозиметру.

Во второй главе приведены основные результаты по изучению элементарных реакций процессов жидкофазного окисления органических соединений молекулярным кислородом и идентификации активных промежуточных продуктов.

В проблеме изучения механизма первичных актов действия ионизирующей радиации на объекты живо! природы важную роль играют . исследования процессов окисления в различных биологических системах в присутствии ферментов, ингибиторов, сенсибилизаторов. Перекисная

теория окисления А.Н.Баха, теория медленного окисления Баха-Энглера, теория активирования молекулярного кислорода не только сохранили свое значение при изучении реакций окисления, инициированных иони--вируицим излучением, но и получили-свое подтверждение и дальнейшее развитие. Этому способствовало использование современных физических методов для регистрации промежуточных продуктов окисления. Методом ЭПР зарегистрированы свободные радикалы к, пероксильные радикалы ю2, получено подтверждение об образовании комплексов ¿..о2..и при радиационном окислении пальмитиновой кислоты и ее производных.

Метод импульсного радиолиза позволил инициировать процесс жидкофазного окисления циклододекана (ц-ДД) и н- додекана (н-ДЦ) при различных температурах, регистрировать алкилыше и пероксильные радикалы, и следить за их превращениями в последующих реакциях с добавками (хиноны, фенолы, ароматические соединения).

• В работе были использованы полученные в последние года сведения о механизме отдельных стадий процесса и общепринятая схема индуцированного излучением окисления органических соединений. Известные в литературеи полученные в настоящей работе значения абсолютных констант реакций с участием радикалов приведены в таблице 1.

Кинетика реакции циклододецильных радикалов с циклододецилгидро-пероксидом. Для годтвервдения предлагаемого объяснения снижения селективности процессов окисления за счет распада пероксидов год действием свободных радикалов , определены абсолютные константы скорости взаимодействия циклододецильных радикалов в с ц-ДЦГП в жидком ц-ДД методом импульсного радиолиза растворов ц-ДДГП - 6.10~2Моль/л) в отсутствие кислорода. В температурном диапазоне 343*393 К образующиеся циклододецильные радикалы и( Л>(1акс260 нм)

Абсолютные константы скорости реакций с участием радикалов

Радикал, и Реакция т,к к (2К), М^С-1

и + И 346 - 418 4,7.Ю10ехр ( - 8400/КГ) х)

н + й 346 - 418 5.3.109

н-с12 Н25 и + н 294 - 413 6,З.Ю10езф ( - 8000/КГ)

й + и 294 - 413 1.3-Ю10

Ц-с12Н2з яо2+ ¿о2 345 - 418 2.6.108 ехр (-7800/НГ)

Н-012Н25 ио2 + яо2 295 - 413 2,9.10® езф (-7800/КР)

Я + 02 < 370 > 108

Н_С12Н25 И + 02 < 370 > 108

н + ноон 343 - 393 3,0.108ехр (-7000/НШ)

х) энергия активации, Е в дж/моль !

гибнут практически (Рис.1) без образования пероксильных радикалов. 4 При впуске в облучаемую систему кислорода происходит образование радикалов ¿02> имеющих характерный спектр оптического поглощения с Лмакс>275 нм. Кинетика их гибели при невысоких концентрациях ц-ДЦГП (0,8.10""3- 5,0.10"%) . существенно не отличается от кинетики гибели ио2 в отсутствие ц-ДЦГП. Начальная скорость (я) гибели И представляет сумму скоростей реакций (И + &НОН) и (н + и), а константа скорости определяется из уравнения:

Ка.«о'н>= С* - Ш]2)/[Ш№00Н].

I

Определена зависимость константы к скорости от температуры (343 +393 К) для начальных концентраций ц-ДЦГП- (1,5+12). Ю-3 М и радикалов К- (2,0+6,Б).10~5 М, которая выражается уравнением: к, = 3.10®ехр (-7000 - 5000 Дк.моль-1/КР) М"^"1

I"'

Зависимость константы скорости реакции циклододецильных радикалов с циклододецилгидропероксидом от обратной температуры

Рис.1. Осциллограммы сигналов оптического поглощения промежуточных, частиц радиолиза чистого ц-додекана цри 358 К (а,б) и содержащего: 2,03.10~'М (в), 5,87.10" *М (г) и 0,8.10*41 (д.е) ц-додецилгидропероксида в отсутствие (а,в,г,д) и в присутствии (д.е) кислорода; а и в - при А. = 260 нм, б.г.д.е- при К =27Ъ нм

0,1

но Vо но ио по но Л,ни

Т= 346 К (1,5) Т= 373 К (2,3) Т= 383 К (4,6,7)

Рис. 2. Спектры поглощения облученного вакуумированного (а) и насыщенного кислородом (б) ц-додекана в отсутствие добавок (1,5) и в. присутствии 2.10~3М бензохинона(2); 1,1.10"4М 1,«-нафтохинона(3), 2,3.10~3М »-изопрошш-»,»о - антрахинона (4,7), 2,07^0 М антрахинона, зарегистрированные через 20 (а) и 30 мкс (б) после импульса

Образование лабильных комплексов алкильных радикалов с хинонами. ароматическими углеводородами и нитроксильными радикалами

На основании результатов исследования термического окисления углеводородов было предположено, что углеводородные радикалы, к, реагируют с хинонами с образованием аддуктов, способных при контакте с О, регенерировать хинон. Для изучения первичного акта взаимодействия и с молекулами ингибиторов был использован метод импульсного радиолиза. Установлено, что время жизни генерированных цикло- и н-до-децильных радикалов в жидких углеводородах в присутствии хинонов, ароматических углеводородов и др.ингибиторов (1п) уменьшается по сравнению с временем жизни и в чистых углеводородах за счет реакции:

К

и + 1п —(Л...1п)

Поэтому начальная скорость гибели радикалов и равна: -«М/ю = * = *п - , а ^П = ПГ - 2к^,ьСН]2 + 1*_П)/Ш[1п), где отвечает скорости обратного распада (1п...и). Для определения верхних пределов значений констант скорбсти реакции (и +1л .) без учета реакций распада аддуктов (Н1п), использованы экстраполированные к моменту окончания импульса электронов начальные концентрации .й и скоростей их гибели и определенные константы скорости реакции (к + Е) из уравнений табл.1. Значения констант скорости взаимодействия углеводородных радикалов нормального и циклического строения с хинонами, танолом и ароматическими углеводородами близки к диффузионным.

Гибель углеводородных радикалов сопровождается образованием новых промежуточных частиц, спектральные и кинетические характеристики которое отличны от радикалов я. Максимумы полос оптического поглощения соответствующих частиц смещены в сторону больших длив волн по сравнению с \ полос алкильных радикалов (Рис.2, Табл.3).

Константы скорости взаимодействия алкильных радикалов с ингибиторами при различных температурах и различных концентрациях реагентов

Радикал, Соединение 1п

И

т,к

0x1О? [¿1x10? ^ № М- М" с

н"и12н25

у, ю- Антрахинон 2УЬ 0,Ь 1,1-3,У 17 ± 1

9,10-Антрахинон 338 0,5 2,0 20 + 2

9,10-Антрахинон 358 0,5 1,2 17 + 2

9,10-Антрахинон 413 0,5 1,4 23 + 3

1,4-Бензохинон 383 2,0 1,4-4,8 5,0+ 0,9

1,2-Нафтохинон 393 3,9 3,0-3,6 5,9+1,2

1,4-Нафтохинон 373-393 1,0-4,3 3,5-4,0 5,8+1,0

9,10-Антрахинон 343 1,0 2,9-4,3 4,9±0,8

2-Изопропил-9,1О-Антрахинон 383 9, Ю-Фенантренхинон 373-393 Танол 393 1.0-2,3 1.1-3,9 1,0-2,0 2,8-6,4 2,1-4,0 2,4-5,2 5,6±1,2 4,7+0,7 8,9+0,8

Нафталин 348-388 61-134 1,1-1,3 0,13+0,02

'Нафталин 413 25 0,76 . 0,25+0,03

Антрацен 388 15 3,2 0,21+0,03

с_С12Н23

Промежуточные продукты взаимодействия радикалов й с молекулами ингибиторов более стабильны по сравнению с алкильными радикалами и трансформируются в другие продукты с константами скорости гибели 10^+10® Увеличение концентрации вводимых добавок приводит

к возрастанию интенсивности поглощения этих более стабильных частиц. Спектры оптического поглощения промежуточных частиц были приписаны лабильным адцуктам типа комплексов о переноса заряда ~(к...1п).

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что природа ингибитора влияет на константу скорости образования аддуктов

Максимумы полос оптического поглощения аддуктов, ( И..1п), А.

образующихся при взаимодействии циклододецильных радикалов с хинонами, ароматическим углеводородами и нитроксильными

радикалами

Соединение X .нм Соединение X ,нм

Танол 278 2-Изопропил-

1,4-Бензохинон 283 9,10-Антрахшгон 282

1,2-Нафтохинон 280 9,10-Фенантренхинон 280

1,4-Нафтахинон 287 Нафталин 290

9,10-Антрахинон 280 Антрацен 273

9,10-Антрахинон 280х'

х¡Продукт взаимодействия с н-додецильными радикалами (и 1п), на их стабильность и на характер гибели этих лабильных комплексов. Вероятно, из-за сравнительно небольшой степени переноса заряда в аддукте циклодедодецильяых радикалов и 9,10-Антрахинона его гибель происходит на основе бимолекулярного распада с константой скорости только ~ вдвое меньше константы Кинетические кривые гибели аддуктов радикалов Н с нафталином (А,^ 280нм), описываются уравнением первого порядка по концентрации радикалов со значением констант скорости гибели равными: (4,9+0,2).104 и (1:3+0,3). 105с~1, соответственно для температуры 386 К и 413 К. Идентификация реакционных центров, ответственных за селективное ингибирование реакций окисления углеводородов

Облучение цикладодекана, насыщенного кислородом, с достаточно высоким содержанием хинонов, танола или ароматических углеводородов приводит к образованию новых частиц, спектры которых отличаются от спектров радикалов к (А^ 260 нм), радикалов й02(А.Я1вх 275 нм) и

комплексов Юл. Максимумы поглощения новых частиц смещены в сторону больших длин волн (Хта)<295-297нм). При использовании хинонов образуются частицы, которые, как и Ёо2, гибнут в мс-диапазонэ. В присутствии ароматических углеводород^ регистрируемые спектра представляют суперпозицию спектров нескольких продуктов. Предположено, что образуются пероксосодержащие комплексы с различными ингибиторами в в результате ряда последовательных реакций : ю2 + 1п —► (1Ю2...1п) (и ш) + о2 —► (йо2...1п) Из-за сравнительно высокой скорости реакции образование аддуктов (1п...в) возможно и в присутствии кислорода.

В случав ароматических угеводородов в образовании кислородсодержащих комплексов, по-видимому, нужно учитывать реакцию:

(Хп02) + К-► (1п..02..К)

с участием оксокомплексов (1п02), которые были зарегистрированы методами УФ- и ЯМР-спектроскоши. Гибель комплексов (1пЁо2) происходит в соответствии с кинетическим законом второго порядка:

(1п й62) + (1п Н02) -> продукты

Значение констант скорости к 5 10ел/моль.с для нафталина и антрацена при температуре 343-383 К указывает на увеличение реакционной способности последних по сравнению с радикалами юг. Несмотря на количественную замену радикалов И02 на комплексы с ингибиторами -(1п..02..¿), окисление циклододекана с образованием циклододецил-гидропероксида в присутствии Ю-2М. ~ 9,10-антрахинона при 423 К происходит почти с такой же скоростью, как и окисление чистого ц-ДД. Это указывает на возможность протекания реакций с участием аддуктов: (1пй) + о2 —► 1п + но2

(1пН02) + РН-► ЙООН + (1пЛ)

и на независимость отношения констант скорости реакций роста и обрыва цепей, определяющего скорость реакции окисления, от замены активных центров окисления.

Установлено, что в результате импульсного облучения растворов 1,2-нафтохшгана и 9,10-антрахинона в ц-ДЦ (1+5)И0-4М. . их концентрация заметно уменьшается, но полностью восстанавливается при контакте с кислородом. Это подтверждает многоразовое действие использованных соединений в качестве селективных ингибиторов.

В заключении отмечается, что на уровне элементарных реакций обоснован принцип избирательного ингибирования индуцированного распада пероксидов в цепных реакциях их синтеза, который открывает новые пути целенаправленного влияния на процессы окисления и повышения их селективности. Впервые при изучении высокотемпературного жидко-фазного окисления углеводородов в присутствии добавок обнаружены кислородсодержащие комплексы н.1п.о2, лабильные реакционные центры, ответственные за селективное ингибирование реакций окисления.

Третья и четвертая главы посвящены моделированию и изучению ранних стадий радиобиологических процессов, что, создает предпосылку не только для более глубоких теоретических обоснований механизма-процессов, происходящих в организме при лучевых поражениях,но и для решения вопросов прикладной радиобиологии-пострадиационного восстановления организмов и противолучевой защиты, поиска эффективных радиопротекторов. Направленная генерация радикалов, которые участвуют в нормальных процессах метаболизма, помогает выяснить механизм ряда биохимических реакций, связанных с ферментативной активностью клетки в норме и при определённой патологии, изучать синергические • эффекты при воздействии различных факторов.

Проблема перекисного окисления в радиобиологии самым тесным

образом связана с расшифровкой функциональной роли антиоксидантов, радиопротекторов, молекулярных механизмов антиоксидантного действия природных физиологически активных веществ, среди которых флавоноиды, каротиноида, металлокомплексы горфиринов и др.).

Исследование радиационно-химических превращений флавоноидов в спиртовых и водно-спиртовых растворах показало, что флавоноиды, подобно другим полифенольным соединениям природного происхождения, в нативных системах могут выступать в качестве радиопротекторов, антимутагенов и разобщителей алектронтранспортной цепи. На модельных системах была исследована реакционная способность флавоноидов различного строения по отношению к первичным активным продуктам радиолиза субстрата: он, н, е~ 1чя,но^(о~" НО,. В качестве объектов были выбраны флавоноиды -антоцианидины (пеларго-нидин и дельфинидин) и флавонолы (кверцетин и морин):

-ОН он~ пеларгонидин, П (Я.так=5оа нм)

Ни-!|« он-дельфинидин.Д (Кпах*520 нм)

растворитель:метанол /Н,Б04 (1:100); И, „._., = ОН -кверцетин, Кв (А. -374 нм)

<9»4 } * шах

ОН ОН- морин , МО (\ __«390 нм)

( I«4 ) * Шах

дц растворитель; ме танол

он, о

За меру радиационно-химического разложения флавоноидов в пост-

I

радиационный период было выбрано изменение оптической плотности в полосе собственного поглощения в зависимости от дозы облучения, структуры флавоноида, рН среды, наличия 02 и дополнительного воздействия света (Рис.3). Радиационно-химический выход (б_ы) обесцвечивания антоцианидинов в кислых спиртовых растворах в присутствии кисло-

го

рода воздуха составляет 0,08 и 0,15 молекул для П и Д, соответственно.

При контакте с кислородом облученных вакуумированных образцов происходит регенерация исходных молекул пигмента за счет реакций промежуточных продуктов с 0,. При дозе облучения > г.Ю^Гр обнаружена необратимая деструкция флавоноидов и зарегистрированы новые полосы поглощения для флавонолов - в области 275-290 нм и для антоцианидинов - поглощение псевдооснования при К ~ 480 нм .

При облучении метанольных растворов флавоноидов в присутствии 02 с первых импульсов электронов происходит как снижение оптической плотности, так и смещение в область коротких длин волн (для Кв гипсохромное смещение АЛ* 6-8 нм, а для Мо - 25 нм. Такое же обратимое смещение АХ. зарегистрировано при вакуумировании образцов, что позволило предположить образование лабильного оксокомплек^_ флавонолов (за счет переноса электрона с атома кислорода пиранового кольца и замыкания тетраксидной структуры на кислород »-ОН группы Мо з-ОН группы Кв) и существование равновесия:

Мо + 0, -—► Мо*?..0Та (Л. 390 нм),

1 < I * тох "

Кв + 0„ Кв*9..0;° 374 нм)

Кроме радиационно-химического обесцвечивания флавоноидов зарегистрирована новая частица, поглощение которой лежит в области 520-545 нм. Стабильность "красной формы" зависит от структуры пигмента.природы растворителя и присутствия 02- В вакуумированных образцах Кв в сняон эта форма, имеющая пиранильную структуру, сохраняется в течение нескольких суток, ,в аэрированных - исчезает за 10 мин. В присутствии о, образуется лабильное соединение перекисного типа. Появление антоциановой окраски у растений, содержащих флавоноиды, при воздействии неблагоприятных факторов, включая радиацию, послужило основанием для использования флавоноидов в

качестве генетических маркеров.

Были исследованы промежуточные частицы импульсного радиолиза флавоноидов. Анализ, кинетических кривых спада сигналов оптического поглощения показал, что обесцвечивание антоцианидов, П и Д, подчиняется закону реакций псевдопервого порядка с (2,5 + 0,2). 10*с"1 и (4,7 ± 0,4).10*0* для П и Д, соответственно. В молекуле Д две дополнительные группы ОН в кольце В. В деаэрированных растворах к#гг обецвечивания пигментов выше (отсутствие конкуренции с о, за

В результате анализа спектральных и кинетических характеристик сигналов ОП короткохивувдх частиц в зависимости от концентрации Кв и Мо, присутствия -кислорода и закиси азота в водно-метанольном и метанольном растворах выделены индивидуальные полосы ОП, которые принадлежат аддуктам радикалов ОН с молекулами пигментов, Фл(0Н)..0Н (320-330 нм) и радикалам феноксильного типа, ФлО (420-430нм),образованием которых объясняют антирадикальную активность этих соединений. При высоких концентрациях Кв( ~ Ю~*М) в области спектра 520-540 нм зарегистрировано поглощение Кр.формы.

Исследовано влияние Кв на образование и кинетику гибели пероксильного радикала в метаноле, 1Ю2 (¿зСН^ОИ, Х^ 275 нм). При концентрации Кв ~ 10""+ 5.10~°М было обнаружено батахромное смещение максимума поглощения Л02 на 10 нм и ускорение гибели соответствующей промежуточной частицы. На основании данных о влиянии концентрации Кв и 02 на образование и гибель ПЧ сделано предположение о стабилизации обратимого комплекса Кв.. .ш2 при радиолрзе метанольного раствора Кв в присутствии 0,. Автоколебательный релаксационный характер гибели ПЧ (рис.3) можно объяснить существованием равновесных лабильных кислородсодержащих комплексов перекисного типа, потенциальных предшественников относительно устойчивое Кр.формы :

Кв + гю2 в» Кв...И02 ~ Кр.форма — °2 ^

Кв • • • О«^ == Кв • • • ©2 • • *Н

Реакция Кв о исследована в спиртово-тцелочных растворах Кв (1,3.10~*М). Псевдопервый порядок гибели е~ч сохраняется, но увели-личивается от 2,5И05 до 7,9.105 с-1 по сравнению со щелочным раствором метанола. В водно*метанольном растворе Кв при рН > 7 образующиеся ионы Нэ0" способствуют появлению Кр.формы пирилиевой структуры, правда, менее устойчивой, чем в кислой среде. В анаэробных условиях Кр.форма образуется за счет восстановительных частиц е~ и гидроксиметильного радикала С1^0Н( ^„.,284 нм). Таким образом, и среди промежуточных продуктов "Кр.формы" необходимо выделять различные по своей природе и реакционной способности частицы.

Кинетика и механизм реакций супероксидного анион-радикала с некоторыми биологически важными соединениями в водных растворах Радиационно-химическое генерирование методом импульсного радио лиз а супероксидного анион-радикала О"' позволяет исследовать с его участием реакции в различных биологически активных системах. Это важно для выяснения вклада 0~" в радиобиологические эффекты и его функциональной роли в нормальных процессах метаболизма. Особый интерес представляет изучение обратимых взаимодействий супероксидного радикала с порфиринсодержащими соединениями, приводящих -л образованию промежуточных реакционных центров каталитических процессов.

В насыщенных кислородом водных растворах, содержащих формиат ионы, НС00~, образование 0~" с общим выходом б--. , равным 6.2 (о0-. = + сон+ сн= 6.2) происходит в соответствии со схемой реакций, принятой и широко используемой во многих научно-исследова-

тельских центрах:

е~+ 0,—► О;- к=(1.9 + 0.2). Ю10!*"'. с"1

ш + нсоо"—► сх>7'+ н,о к= сз.1+0.6).ю" м-;с"1

Н + НСОО"-С0~" + Н, к=(3.0+1.1).10в Ы'*.с"

Н + 0,-»-НО, к=(2.0+0.5).101ОМ~1.с"*

С0»'+ —+ к= 4.5.10? М^.с"*

В отсутствие добавок, взаимодействующих с О"', распад супероксидных- радикалов происходит в соответствии с кинетикой реакций второго порядка, зависимой от рН раствора: Н02 —► 07"+ К4" рК - 4.75 + 0.08

НО, + НО, --Н,0, + 0, к = (7.61+0.55). 103 КГ'.с"1

НО, + о;-Д^Н,0,.+ О, к = (8.86+0.43). 10' 1Г*.сГ*

207*'->-Н,0,+ 0, к = 0.35 Ы^.сГ1

Таким образом, в аэрированном растворе фосфатного буфера (2.ю"*м, рН ™7.3) в присутствии 2.10"1 М формиата основной реагирующей частицей будет супероксид анион-радикал. Спектр оптического поглощения 07 (Л.МАХ= 255 нм, е (\,АХ)= 1.6.103М~1см"1) представлен на рис.4(а-1). Реакции флавонолов с 07*. Введение в буферные растворы флавонолов

приводит к трансформации полосы оптического поглощения 07". На ^ 1

рис.4а представлено изменение спектральных и кинетических характеристик поглощения в присутствии Кв. Наблюдается смещение \тах полосы поглощения в длинноволновую область на 12+15 нм относительно Луд^ (07") без существенного изменения скорости гибели. В случае Мо подобное смещение АХ. = 5+8 нм и почти вдвое увеличивается т , соответствующей частицы. Обнаруженные эффекты можно объяснить образованием лабильных комплексов с частичным переносом заряда, супероксо-комплексов флавоноидов:

°7" + м —> М7:.0,

230 л» ¿да «оо ло боо' «ос

I ' Ч>|1И||

е Вставка: сигналы оптического поглощения раствора кверцетина, Кв, 6,8.10~"М, а- 540, б- 520 и с-370 нм, х = х ■= 5 мкс, х «1 мс,

■ ■ ■ | * ■ ■ 1 и ............. ® ™ С

(О » 32 2! 14 го « Х 1000в.* у, в .

Рис. 3. Спектры оптического поглощения аэрированного метаноль-ного раствора Кв (6,8.1<Т*И): 1-исходный (1:2), 2-5-после облучения 50,100,150 и 200 импульсов, соответственно (Доза/имп* 2.10^ эВ/мл) 6- вакуумированный образец ( 5 импульсов).

7,9.10"7М

3.10""М

: 3,0.10"

о.о 0.2 о.ч 0.4 0.« ЧЛ

Рис.4-6.

Рис.4-а. Спектральные и кинетические характеристики о"' в буфере растворе (I) и в присутствии кверцетина 4,0.10* М (2)

Рис.4-б. Кинетика гибели о* в буферном растворе и в присутствии церулоплазмина, ЦП, и супероксиддисмутазы, СОД.

Рис.4-с. Сравнение пострадиационной оксидазной активности ЦП и СОД в зависимости от дозы облучения образцов.

Поскольку изменения спектра 0~'обнаруживаются уже через

несколько мкс после конца импульса электронов, следует предполагать

или высокие'значения констант скоростей реакций О^'с флавоноидами,

близкими к Ьдафф» или объяснять такое быстрое образование супероксо-

комплексов прямым взаимодействием с e~q идентифицированных оксоком-

комплексов, М- -. о :

_. ~ е_„

м + м...о,—аз* (м.-.о,)- -;—> м.,.о;-

Облучение раствора Кв приводит к накоплению продуктов радиолиза Кв, которые обладают супероксидцисмутазной активностью, ускоряя гибель 0~" (рис.4а, кривая 111). Важная информация была получена при изучении реакционной способности окисленной формы Кв^ф-^ЭОнм) по отношению ко]; В буферном растворе Квох не зарегистрированы ни Og", ни Кв-. 0~' , вероятно за счет перехвата e~q на более ранних стадиях радиолиза окисленной формой Кв.

Полученные результаты, объясняющие разную антиоксидантную активность различных равновесных форм флавоноидов и их продуктов радиолиза, позволяют понять противоречивость литературных данных.

Влияние церулоплазмина на образование супероксид-радикалов в

радиационно-химических и ферментативных системах генерации 0~*

Предположение о защитной роли против токсического действия

О2' в организме супероксиддисмутазы, СОД, было высказано в 1969 г. В

конце 70-х года?)было показано, что в системах генерации 0^' подобно

СОД может проявлять активность медьсодержащий белок, церулоплазмин,

ЦП, выполняющий целый ряд важных физиологических функций. Однако СОД

\ _

катализирует реакцию диспропорционирования 0,*до перекиси водорода и кислорода, тогда как ЦП катализирует реакцию восстановления о, непосредственно до воды. Неоднозначность интерпретации результатов при косвенном способе детектирования 0^* потребовала использования

метода импульсного радиолиза для установления механизма антиоксидан-тной активности ЦП.

Кинетика гибели 0~ "в буферном растворе в присутствии различных концентраций ЦП и СОД представлены на рис.46. При добавлении СОД скорость гибели 0~" увеличивается до значения г.З.Ю^М^с-1, в присутствии ЦП кинетика исчезновения о~' практически не изменяется в мс-диапазоне, однако выход 0^'снижается пропорционально концентрации ЦП, и практически отсутствует при С « 3,0.10 ~вМ .С учетом значений констант скоростей реакций можно показать, что ЦП реагирует с е~ч и ТС>2 с константами не ниже, чем 10" ЛГ'с"1 . Результаты исследования взаимодействия ЦП с е~ при нс-импульсном радиолиза

аЧ

показали, что первичным акцептором электронов на белковой глобуле является аминокислотный остаток цистин, который не является лигандсм меди первого типа, и предположить существование внутримолекулярного переноса электрона на лиганд меди, возможно на гистидин.

Одновременно с гибелью ПМЧ цистина и гистидина зарегистрировано восстановление меди первого типа (Си'+, А^^бЮнм), которое можно представить суммой двух процессов, протекающих по кинетике первого порядка с К^ЫО* и К,= 1.103с-1. Восстановление продолжается и в секундном диапазоне после конца импульса электронов с Кэ= 0.1 с-1, вероятно через стадии мвтолекулярной компенсации заряда. Важно отметить, что в присутствии 02 не зарегистрировано продуктов восстановления меди 1 типа. Следовательно, каталитические центры восстановления кислорода непосредственно до воды содержат другие типы меда (молекула ЦП имеет в своем составе 5-7 атомов меди трех различных типов), смешанные лиганды которых содержат и лабильно связанный кислород. Обратимое изменение УФ-части спектра ЦП в зависимости от концентрации кислорода подтверждает этот вывод :

ЦП + ЦП.. .02 ЦП + 2 Н,0

4 Н

и объясняет высокую радиационную устойчивость то сравнению с СОД (Рис. 4с). .

Взаимодействие каротиноидов с 0~~. Предполагается, что активными природными антиоксидантами, содержание которых поддается регулированию в живом организме, могут быть каротиноида. Доказана их необходимость для нормальной жизнедеятельности всех организмов. Известно, что они осуществляют защиту клеток от разрушительного действия 1о1 и свободнорадикальных процессов. Для установления механизма стабилизирующего действия каротиноидов на биомембраны представляло интерес изучить взаимодействие этих веществ с различными активными формами кислорода. Ранее было установлено, что наибольшим коэффициентом тушения 102 обладает р-каротин, наименьшей -фукоксантин, Фк. Лютеин и виолаксантин занимают промежуточное положение. Поскольку стабилизирующее действие этого ряда кислородсодержащих каротиноидов имеет обратный порядок защитной активности при криоконсервации акросом, было необходимо провести исследование взаимодействия этих веществ с о" Г Обнаружено различное влияние каротиноидов на образование и стабили-? зацию Зарегистрированный спектрально обратимый оксокомплекс Фк, Фк...С>2, следует рассматривать в качестве основного предшественника

суперокснкомплексв Фк___:

Фк + О, -—► Фк...О, > (Фк...0>Г'т—» Фк...о;-В таком связанном состоянии о~" имеет другую реакционную способность в окислительно-восстановительных процессах и в зависимости от вида каротиноида может проявлять специфичность взаимодействия с биологическими мишенями. При этом особый интерес представляет вопрос обратимости этих взаимодействий, приводящих к регенерации исходных молекул фукоксантина, активного антиоксиданта.

Кинетика и механизм реакций супероксид анион-радикала с порфиринсодержащими соединениями

В работе исследованы промежуточные продукты реакций ' с тремя видами порфириновых соединений в водных растворах: свободным порфирином (гематопорфирином,ГП), комплексами с железом (ферропор-фирин С, гемин С, ГО) и тетрасульфофталоцианином кобальта, Со^Рс, а также с тетратолилпорфирином марганца, Мпа*Р в ацетонитриле. Концентрацию растворенных веществ изменяли в пределах 10""+ 2.10"** М .

Исходя из представленных в литературе величин констант скорость-реакций, м = (1.2 + 2.0).Ю10 М"*-о"*, концентрации введенных добавок выбирались таким образом, чтобы они не конкурировали заметно с кислородорм за е"^. Это позволяет рассмо-тривать в качестве активной частицы только 0^'. Однако при введении добавок происходила некоторая трансформация полосы поглощения о"' со смещением Хиах на 5*10 нм .При увеличении концентрации Со'Те зарегистрировано постепенное батохромное смещение \,АХ- Наблюдается значительное замедление кинетики гибели 0^' (рис.5а). Обнаруженную стабилизацию 0^* можно объяснить частичным переносом заряда при взаимодействии с молекулой добавки и образованием супероксокомпг-лекса: 0~" + М -—-» М...07*

В отличив от Од" кинетика гибели Со'*Рс...О^'описывается уравне н«ем 1 порядка. В водных растворах Со1*Рс и ГС обнаружено обратимое влияние кислорода на интенсивность и положение полосы Соре, что позволило предположить образование обратимых оксокомплексов М...0,, прямых предшественников суперкомплексов, Со'*Рс.. .0"'.

Определенные в пострадиационный период выхода обесцвечивания растворов, которые составляют 0,1, 0,3 и 0,2 молекул/100 еВ для ГП, ГС и Со'"Рс, соответственно, указывают на обратимый характер реакций

Рис. 5. а- Спектральные и кинетические характеристики о~" в отсутствие (1) и в присутствии тетрасульфофталоцианика кобальта, Со"Рс, 5,0.10* М (2) и 1,0.11? М (3). б- Дифференциальные спектры оптического поглощения промежуточных продуктов импульсного радиолиза насыщенного кислородом водного буферного раствора 2,5.10"5 М Со1*Рс.

Вставка ; кинетические кривые изменения оптической плотности при X ^(Со'Тс... о~" ); Со^Рс ; Со3*... о|" .

0~с исследуемыми молекулами. В связи этим большой интерес представ-вляет изучение промежуточных стадий от распада лабильного комплекса М...С>2* до регенерации исходных молекул порфириновых комплексов. ' Соответствующе изменения полос оптического поглощения промежуточных продуктов радиолиза представлены на рис.56. Посла импульса электро-ронов ( до 50+100 мкс) спектр имеет только одну полосу поглощения СоРс.. .Og* (^дах 260 нм). Последующее снижение ее интенсивности сопровождается обесцвечиванием во времени Q- и Соре - поглощения СоРс ( \ах 620 и 320 нм) и появлением полосы с Х^« 350 нм, соответствующей частице с т ~ 3 с, гибель которой сопровождается регенерацией исходного спектра фталоцианина.

Представленная кинетика распада Со^*Рс...О^' и образования . новой II43g0 отвечает реакции превращения супероксокомплекса в пероксокомплекс, Со3*Рс...Og", за счет внутрикомплексного переноса второго электрона на кислород с центрального иона металла: Со'*Рс...07'—Соэ'Рс...О^ (Л^ 350 нм) Таким образом, полученные результаты позволили выделить три основных схемы процессов, описывающих различное влияние исследованных веществ на генерацию и кинетику гибели 0^"•

Таблица 4

Тип реакций Биокатализатор схема реакций

1 сод 07* + 07- н,о, + о,

Церулоплазмин, окисленная форма , М...0, >- 2 На0

^ох ' _м 4е~

я ^ ил. _ 17 _ ,

ИГ' Флаваноиды, 0, + е —► М...0,*—.. .0,

М.. .0. -^-М.. .0."* —. .0'"

каротиноидн, металлокомплексы

порфиринов

а) процессы заканчиваются регенерацией исходной молекулы пигментов

В заключение следует обратить внимание на полифункциональную активность природных антиоксидантов. Роль этих веществ в изменении различных сторон клеточного метаболизма объясняют их основным свой-ством-регуляторов перекисного окисления лшшдов мембран, обрывом цепей перекисного окисления в биологических системах. Однако появились данные, косвенно указывающие на наличие других, еще не изученных механизмов защитного действия антиоксидантов.

Использование метода импульсного радиолиза для генерации и регистрации активных частиц, ответственных за развитие цепных окислительных процессов в живых организмах, позволило на примере флавонои-дов, показать многообразие защитных реакций, полифункциональную активность антиоксидантов :

1.Установлено, что флавоноиды являются активными акцепторами радикальных и ион-радикальных частиц (э^щр. ОН, О^', й, 1Ю2) - т.е. могут осуществлять защиту за счет регулирования скорости ПОЛ.

2. Обратимое образование оксокомплексов флавоноидов с 02 позволяет им изменять концентрацию кислорода и защищать легкоокисляемые участки клетки или при недостатке 02 в клетке -поставлять его.

3. Кв и Мо являются прекрасными комплексооОразователями и способны (обратимо в зависимости от рН) выводить ионы тяжелых металлов, являющихся сенсибилизаторами процессов цепного окисления в органических системах.

4. Обнаружена высокая обратимость радаационно-химических превращений антоциановых пигментов, что объясняется высокими скоростями переноса заряда и анергии возбуждения промежуточными продуктами пигментов; которые соответствуют равновесным конформационным формам флавоноидов. С этим связано защитное действие сравнительно низких физиологических концентраций пигментов.

5. Радиационно-химическое моделирование позволило объяснить защитную роль флавоноидов при "электрическом пробое" мембран (за счет возникновения сверхдопустимых потенциалов в бислоях мембран).-Была использована радиационно-элэктрохимичеекая ячейка, с оптическими окнами, анодом из полупроводникового материала (п-ТЮ2), 14-катодом и насыщенным каломельным электродом в качестве электрода сравнения. В этой серии экспериментов измеряли генерированный анодный ток за счет поглощения энергии ионизирующего излучения полупроводниковым анодом и электролитом и интенсивность люминесценции, возникающей при распаде возбужденных состояний, промежуточных продуктов радаолиза. Изучали влияние природы электролита на вклад рекомбинаци-онных процессов и реакций с разделением заряда при радиационно-электрохимическом преобразовании энергии ионизирующего излучения. Было установлено,что добавка антоциановых пигментов, пеларгонидина и дельфинидина, в водный раствор электролита (1н н^о^ или 1н КОН) приводила к снижению величины анодного тока и увеличению интенсивности люминесценции с проявлением новых полос, ответственных за свечение возбужденных форм пигмента, обратимо связанных с поверхностными центрами полупроводникового анода-. На основании полученных результатов высказано предположение о новой форме защитного эффекта био?; мембран флавоноидами. В случае биологических мембран флавоноиды, способные адсорбироваться на специфических центрах поверхности клеток принимают участие в коллективном отклике на стрессовые воздействия и часть энергии возбуждения высвечивают в виде световой, тем самым, снижая вклад поглощенной энергии в генерирование свободных раздавленных зарядов и уменьшая вероятность электрического "пробоя".

Таким образом, антиоксидантная активность природных активных соединений в регулировании окислительных процессов кроме рас-

смотрения чисто химического взаимодействия с активными радикальными частицами, требует учета физического акта - межмолекулярного переноса энергии и реагентов с регенерацией исходных состояний молекул антиоксидантов.

Результаты, представленные в пятой и шестой главах, относятся к вопросу о механизме последовательных элементарных стадий каталитических процессов с участием в качестве катализаторов металлопор-фиринов, МР, и природе промежуточных реакционных центров. К порфи-ринам, которые играют важную роль в природных фотохимических, окислительно-восстановительных и электрон-транспортных процессах, давно приковано внимание многих исследователей. В фундаментальных работах рассматриваемые продессы представляют собой модели для изучения ферментативных стадий моно- и диоксигена^ирования различных субстратов, биохимических реакций, селективность и производительность которых пока недостижимы в современной химии. С прикладной точки зрения знание детального механизма каталитических процессов окисления позволит целенаправленно повышать эффективность технологических процессов для успешного решения энергетических и экологических проблем.

Восстановление металлопорфиринов и взаимодействие (МР)-' с кислородом изучалось в работах очень многих исследователей и в нашей стране, и за рубежом, однако до сих пор не выработано единого мнения о природе каталитического центра и последовательности элементарных актов переноса заряда. Использование метода импульсного радиолиза позволило идентифицировать короткоживущие частицы, которые участвуют в формировании реакционных центров в каталитических и ферментативных системах.

Установлено, что в водном растворе Со'*Рс эффективно восста-танавливается е~ ( к = 2,0И0,он"1с",0 и гидроксиизопропильным й,

(СНДСОН до Со'*Рс (Хмах= 460 нм):

Со'^Рс + е ~ -► Со1+Рс

ач

Со'"Рс + (СН9),С0Н -- Со'-Рс + (СН9),С0 + Н*

При взаимодействии с ОН радикалом происходит окисление фтало-цианинового лиганда с образованием ка*ион-радикала Со'"Рс"':

Оо'*Рс + ОН—► Со'*Рс*' В присутствии кислорода Со^Рс быстро окисляется в соответствии с константой реакции, равной О,о+о,5)-10л М^с"1. На промежуточных стадиях редокс-превращений Со'Тс, МР, зарегистрировано поглощение новой частицы, спектр которой имеет два максимума при 350 и'670 нм, а ее гибель приводит к регенерации исходной формы катализатора, с учетом экспериментальных данных, полученных при изучении механизма реакций взаимодействия МР с супероксид-ионом, была впервые зарегистрирована промежуточная частица, пероксокомплекс МР, МР". - ■ о|", и предложена схема восстановления кислорода с участием катализатора, металлопорфиринового комплекса : СХЕМА

мпр Л...о, ф !Л>.,.о7- У-г— о,

г" и 1 о 1 пкз

мПр -»-мп+>Р... о|-

Таким образом, взаимодействие Со'-Рс с 0, и Со'*Рс с о,' в конечном результате может приводить к окислению центрального иона металла в порфириновом комплексе и восстановлению кислорода до перо-ксид-иона,о|~. Соэ*Рс восстанавливается до исходного состояния катализатора СоиРс с генерацией радикала ОН, способного вести цепное окисление субстрата :

Соэ*Рс + Н,0 —►-Со'"Рс +' ОН + Н" Следовательно, инициирующей стадией процесса восстановле-

ния кислорода с участием МР может быть восстановление молекулы катализатора, молекулы кислорода или их совместного комплекса, оксо-комплекса, МР...04, зарегистрированного спектрально. Исследование редокс-превращений тетратолилпорфирина Мпа*Р и влияния на них молекулярного кислорода

• Представлено сравнение результатов исследований электрохимического и радиолитического способов инициирования реакций восстановления кислорода и Кп9*Р в ацетонитрильных растворах. Спектральную регистрацию продуктов электрохимического восстановления Мпэ*Р и кислорода проводили в специально сконструированной и изготовленной кварцевой электрохимической ячейке с оптическими окнами, которую непосредственно помещали в измерительное пространство Бресогй М 40. Рабочим электродом служила платиновая сетка, электродом сравнения-насыщенный каломельный электрод. Задавали режим процесса и измеряли электрозфмические характеристики с пошщыо потенциостата П-5827 М.

При восстановлении Мп3*Р ( ф = -0,3 В) в отсутствие кислорода наблюдается полоса оптического поглощения Мп'Тс, П^д• При контакте с 02 продукт П42д мгновенно окисляется до исходного Мп9*Р с полной регенерацией менее, чем за 1 мин. Восстановление Мп3*Р при том же самом значении потенциала, но в атмосфере кислорода приводит к образованию продукта П444 , достаточно стабильного (для полного восстановления спектра исходного катализатора требуется свыше 15 часов). Повторная поляризация приводит к полностью обратимому образованию продукта При контакте с кислородом восстановленного в атмосфере инертного газа Кп,'"Р продукт П^ не образуется. Из этого следует, что для образования П44< необходим активированный предшественник - Мпв*Р...о2. Результаты исследования образования супероксид-иона, о;- , в ацетонитрильном растворе Мп'*Р , полученные методом

импульсного радиолиза, подтверждают этот вывод (рис.6а).

Радиолитическое восстановление нп9*Р в ацетонитрильном растворе в отстутствие 0, происходит за счет его взаимодействия с CHgCN"• (с, в деаэрированном CHgCN составляет ~ 1ион/100 эВ). В присутствии г£пэ*Р (0,46.10~**М) значительно возрастает время жизни СНаС?Г' до 20 мкс (в чистом ацетонитриле 0,6 мкс), а полоса поглощения смещается батохромно на 20 нм и Х.[Пах= 340 нм. Можно предположить, что уже за время импульса электронов завершается образова-вание комплекса между Ип"Р и CH3CN~". Гибель ( Mns*P...CHgCN"') сопровождается обесцвечиванием собственных полос поглощения Мпэ*Р (\,ах 370 и 471 нм) и появлением новой полосы с ^^=430 нм. Можно полагать, что восстановление Мп3"Р протекает за счет внутрикомплек-сного переноса электрона (к =4,0+ 0,5). 10" с-1): Нпэ*Р...СН„саг- -► Нп'*Р + ОТ CN

9 Э

Спектры продуктов восстановления Мп9Т в присутствии кислорода представлены на рис.6 и 7. Сразу после конца импульса электронов зг регистрированы только радикал CHaCN (\ах 290 нм) и анион-радикал СНэС1Г* (\мах=320нм). Однако скорость гибели CH3CN~"значительно выше, чем в деаэрированном растворе, что можно объяснить переносом электрона с образованием 0~":

шэсгг-+ о, —снэот + 07В отсутствие Мпэ*Р полоса поглощения 0^"имеет характерный максимум при 250 нм (Рис.бб). По мере увеличения концентрации Мпэ+Р полоса поглощения Отодвигается в длинноволновую часть спектра и при концентрации, равной 4,6.Ю_5М, имеет ^тах=2б5 нм. Такой сдвиг полосы поглощения и изменение скорости гибели 0^'приписывается образованию супероксокомплекса - Мпя*Р...0~', который в результате внутри-комплексного переноса электрона переходит в Мп**Р.. Для изучений

ов цач

цоз

I

т 0.01

. нлсо

400

300 Л, ям |

та ио НО к/т |

Рис.6. Спектр оптического поглощения 0~' через 20 мкс после конца импульса электронов в насыщенном кислородом СНаСК (а); 1- без добавок, 2-1.10"^ , 3- 1.10~*М, 4- 4,6.10~°М Мп3*р.

б - спектры оптического "поглощения ацетонитрильного раствора 1,0.1О"5 Мпэ"Р и продуктов его восстановления при потенциале - 0,5 В в атмосфере кислорода при поляризации : 2 мин (2), 70 мин (3), 2 ч 30 мин (4) и 4 ч (5).

Рис. 7. Дифференциальные спектры оптического поглощения продуктов импульсного радиолиза насыщенного кислородом ацетонитрильного раствора 9.0.10_<5М Мп"р через разные промежутки времени после конца импульса электронов : 0-(а), 100 мкс (б), 1 мс(в), 50 мс(г).

320 нм Вставка ¡кинетические кривые гибели

470 нм

(320 нм), Мп Р (470 нм) и образования Ып*"Р...о!" (420 нм).

снасн

с

420 нм

механизма элементарных актов взаимодействия промежуточных активных центров в качестве окисляемого субстрата был выбран диоксид cepu.so,. Радиационно-химическое и радиационно-каталитическое окисление S0l•

В разработке новых аффективных методов утилизации so2 с целью очистки промышленных газов особое внимание уделяется использованию радиационно-химических технологий. Цепной режим окисления в жидкой фазе s*—»s"*с характерными для радиационно-инициируемых реакций высокими величинами G_80 , превышающими 500 молекул/ЮО эВ, наблюдали в разных лабораториях. Исследовали в основном модельные системы на основе сульфитных и бисульфитных солей с привлечением импульсного фотолиза и радиолиза. Было установлено, что при импульсном радиолизе водных растворов диоксида серы в присутствии 02 образуются следующие промежуточные частицы : so~- 360 нм), 30Г"(\(акс= 255 нм'"

so~* (XMQX =265 нм) и иона s1°^~(\eBx = 320 нм). На основании данных о промежуточных частицах радиолиза водных растворов s""разработан механизм цепного окисления диоксида серы, однако он не объясняет изменения эффективности образования серной кислоты в зависимости от концентрации SOj.

В нашей работе проведено исследование влияния концентрации диоксида серы в водных растворах (10~% 1 М) на образование промежуточных частиц. Установлено, что в деаэрированных водных растворах soj облучение приводит к образованию на начальном этапе частиц бо~'и SO"'. Затем ион-радикал so~*, димеризуясь, быстро превращается в ион SjO*-. В растворах, содержащих кислород, ион S0"' превращается в scf '. С увеличением концентрации SQt в растворе от Ю~" до Ю"ЭМ выход этих промежуточных частиц возрастает, а затем остается неизменным. Наряду с этим, сразу после импульса электронов было зарегистрировано впервые поглощение новых частиц, при Я.^^390 и 560 нм. Было устано-

влено, что акцепторы радикалов ОН не снижают выход ПЧ доо и ПЧвво.

Изучение радиолиза растворов бо1 в ацетонитриле, в котором ак-вктивными частицами являются только восстановительные - СНдСи-", показало, что спектры частиц ПЧзро и ПЧ5во не отличаются от спектров образующихся частиц в водных растворах 50, при Сво выше 6.10~*М.

При радиолизе кислых водных растворов, к которым относятся растворы БО, (сво > 6.10_2М, рН < 2) в качестве восстановительной частицы можно рассматривать только атом Н, поскольку равновесие:

'есольв + Н+= Н (рК = 4,85), полностью смещено вправо. Водные растворы диоксида серы представляют собой сложную равновесную систему, в которой состав различных форм определяется рН и ионной силой раствора: БО + Н.О --> НБО~+ Н+-->

в которой к4= 0,0132 М и к, = 6,24. Ю^М. Известно также, что Н-атом способен восстанавливать только одну из равновесных форм, недиссоци-ированную молекулу БО,. Взаимодействие с сульфит ионом можно не рассматривать, поскольку его концентрация при рН 2 ничтожна. Для объяснения образования на ранних стадиях других промежуточных частиц Пэео. Пово были использованы теоретические представления о преимущественно "кластерной" структуре молекул во-, в водных растворах и о вероятной стабилизации ион-радикальных кластеров типа - (80^ ~'или (БО,)"' (Н,0)т. Существенное увеличение выхода серной кислоты очевидно происходит за счет дополнительного развития реакций цепного окисления Б4"—► в"* с участием этих частиц.

Взаимодействие радиолитически восстановленных кислородсодержащих комплексов металлопорфиринов, Со'Тс и Мп3*Р. с диоксидом серы

Метод импульсного радиолиза был использован для изучения об-

разования реакционных центров на основе МР, ответственных за цепное окисление диоксида серы молекулярным кислородом. Спектр промежуточных продуктов радиолиза ацетонитрильного раствора 10~*М Мпэ*Р, содержащего 10~*М эо^, представлен на рис.8а. Видно, что после импульса электронов (50 мкс) наблюдается полоса оптического поглощения радикала СН20} (Хмах=290нм), а также обесцвечивание собственных полос поглощения МР (Л^ах=380 и 471 нм) и соответствующее образование новой широкой полосы с ^мах=420 нм. Эту полосу отнесли к суперпозиции полос поглощения кислородсодержащих комплексов, один из которых идентифицирован,, является пероксокомплексом . .0^",

генерированным электрохимически 439 нм). Видно (вставка

Рис.8з), что в присутствии во,, оптическая плотность снижается быстрее, чем без БО,, что указывает на взаимодействие кислородсодержащих комплексов МР с диоксидом серы.

Различная реакционйая способность супероксо- и пероксокомплексги по отношению к Б04 позволяет считать именно пероксокомплекс МП**Р... о| каталитическим центром окисления Б4*—.

Окисление Б-'в водном растворе Со'*Рс можно представить схемой реакций:

Соэ*Рс.. .о'- + бо, -Со9*Рс + бо'~

Со9*Ро...о!~ + ИБО"-» Соа*Ро + Б0,_

+

Со9"Ро.. .о)"+ Бо'~ -2-.- Со3*Ро + ОН- + Б0'~

1 Э 4

Принимая во внимание, что спектрально был зарегистрирован тройной комплекс Б01...Со1+Ро...0|, не исключаем возможность окисления бо1 по следующей схеме:

Б04.. .Со'*Ро.. .04 + е~ольв -► БО,.. .Со'^Ро.. .07"-

-►-Б01...Соэ*Ро...0|~-►-Соэ"'Ро +

Было обнаружено, что скорость регенерации Со'*Рс зависит от концент-

Рис.8. Дифференциальные спектры оптического поглощения промежуточных продуктов: а- в ацетонитрилыюм растворе 10"3Ы Мп3*Р в при сутствии О, через 50 мкс; б-в насыщенном ог водаом растворе 2.10® м Со'^Рс через 20 мкс(1), 20 мс(2) и 0,5 с(3) после импульсз электрожи Вставки: а-кинетичнеские кривые убыли оптической плотности при А. = 420 нм в растворе Нп3+Р отсутствие зо4 (1) и при [БО,]= ю'^м (2), б-кинетические кривые убыли оптической плотности при Х= 350 нм в растворе Со1*Рс в отсутствие (1) и в присутствии Б01(2).

00 1.6

1.0

0.4

280 ем

300

400

X, нм

Рис.9, а- Спектры оптического поглощения 10 М ацетонитриль-ного раствора Мпа>Р, насыщенного воздухом, в присутствии 10~аМ 80,(1) и после его восстановления в течение 3,5 часов при потенциале -0,4 В б- Кинетические кривые расходования Мп4*Р.. ^О1" при взаимодействии с Б01 «» и БО, при взаимодействии с Кп4*Р.. .0^~<ь>. Концентрация Мп4*Р.. .о\~ в растворе Ю"3М, концентрация БО, : 1-5,8.10"*» , 2- 2.10"3Ы, 3-4,1.10" М, T-1.1l? М, 2 -6,5-"Гб М.

рации диоксида серы в облучаемой системе. Увеличение скорости регенерации катализатора в присутствии ЕО, служит доказательством того, что окисленная форма молекулы катализатора являются дополнительным центром окисления Б"* :

Со"*Ро + Ш0~<80*~) -»-Со'^Ро + ВЗО^ЗО^")

Следует обратить внимание, что радикал ИБО* или его ионная форма 50^" являются инициаторами цепного окисления диоксида серы в водном растворе, таким образом молекула субстрата активируется катализатором в активную форму, которая способна инициировать автокаталитический процесс окисления.

Таким образом, окисление Б(1Т) в присутствии рассмотренных катализаторов МР может протекать двумя параллельными путями : по цепному механизму и при непосредственном взаимодействии с пероксид-ионом пероксокомплекса МР.

Электрокаталитическое окисление растворенного диоксида серы . при участии Нп"*Р и молекулярного кислорода

Прямое подтверждение цепного механизма каталитического окисления бо, молекулярным кислородом в присутствии Мп9*Р было получено спектрофотометрически благодаря одновременному измерению кинетических кривых расходования диоксида серы ( е280 = 1400 М"1. см* в ацето- . нитриле) и уменьшения концентрации генерированного электрохимическим восстановлением пероксокомплекса Мп""р...о)-. Установлено, что скорость убыли Мп""р...о|~ пропорциональна количеству введенного йо,, она тем больше, чем выше концентрация бо,. Математическая обработка кинетических данных по реакции взаимодействия субстрата и каталитических центров не позволила определить формальный порядок реакции и ее константу. Кривые убыли диоксида серы имеют сложный характер, причем диоксид серы продолжает окисляться после полного расходования

Мп":.,о|~ и регенерации исходной формы катализатора. В этом процессе количество окисленного диоксида серн значительно превосходит количество пероксокомплекса Мп**Р..более, чем в 100 раз. Столь высокий выход окисления БО,, а также его самоокисление после полного расходования пероксокомплекса можно объяснить протеканием реакций цепного характера. Полученные результаты были использованы для организации каталитического непрерывного процесса окисления БО,.

Электрокаталическое восстановление ацетонитрильного раствора Мп"*р в присутствии 80, и.О, при потенциалах <р от -0,4 до -0,6 В приводило к окислению диоксида серы (рис.9). На начальном этапе катодной реакции наблюдали только расходование БО, без видимого изменения концентрации Мл9"?. Образование Мп""Р.. .0,~такке не было зарегистрировано. Продолжительность процесса окисления зависела от концентрации во, в растворе. После того, как весь БО, был окислен, в системе было обнаружено образование пероксокомплекса. В действительности генерация Мп4*р..происходит с самого начала электровосстановления, но, вследствие высокой скорости взаимодействия реакционного центра с диоксидом серы его накопления не происходит. Так, на основании данных импульсного радиолиза, константа скорости внутри-комплексного переноса электрона в супероксокомплексв с генерацией пероксокомплекса, Со3*Рс..составляет 25 с-1, а константа скорости реакции этого продукта о бо, - 1,2.1СР М^с-1. Константа скорости реакции взаимодействия мй**Р...о|~ с бо, на 4 порядка выше

После полного окисления диоксида серы и регенерации исходной молекулы катализатора повторное введение БО, приводило к возобновлению электрокаталитического окисления бо, за счет генерированных восстановлением пероксокомплексов Мп**Р...о{". Эти результаты подтвер-

дали возможность организации непрерывного каталитического процесса окисления субстрата молекулярным кислородом в присутствии МР без разделения реакционных пространств!

Таким образом, окисление Б Б в присутствии рассмотренных МР может протекать двумя параллельными путями: по цепному механизму и при непосредственном взаимодействии с пероксвд-ионом. Показано,что реакционным центром является только пероисокомплекс М^п+1 а процесс окисления можно представить следующей схемой: Б0..Н,0 —♦ Н50~ + н4—> БО*~ + гн,

—р-

м^р.-.о, —►-мп+р...о7 от* о,, «О, , I

н-р -вот- к^>;р...о;-

Лп-1

гнзо3

мп+р + во'" + нво; + он",

НБО; + О. -» Н50" ,

9 1 9

НБО* + НБО" -- -НБО" + НБО;

НБО + НБО. -2НБ0

9 9 4

п=2 и 3 для Со и мп, соответственно.

Таким образом, процесс окисления диоксида серы имеет стадию инициирования, которая представляет собой реакцию восстановления молекулы кислорода, МР или их совместного оксокомплекса МР...02. Функция катализатора заключается с одной стороны в коордишфовании и направленном восстановлении молекул кислорода до пероксид-ионов, возможном, благодаря редокс-преврвщениям металлического центра МР, а с другой стороны -в генерировании активных радикальных форм субстрата: радикалов ибо^ и ионных форм Б0~", являющихся инициаторами автоокисления субстрата.

Непосредственное наблюдение за активными промежуточными частицами и детектирование элементарных актов переноса заряда при формировании каталитических центров и их превращений позволило показать, что лимитирующей стадией этого сложного процесса является внутриком-плексная перестройка реакционного центра - а окисле-

ние S0g и, соответственно регенерация исходной формы молекулы катализатора протекает с высокими скоростями реакций. Влияние воды на каталитическую активность тетратолилпорфирина Мп9* в реакции окисления диоксида серы молекулярным кислородом в OH0CN С целью более глубокого изучения механизма каталитического окисления диоксида серы и возможных путей повышения эффективности процесса было исследовано влияние вода на стадию генерации пероксо-комгаюкса Mns*P...oJ~ и последующее окисление S0, в системе : CHgCN / HgO / Og / S02 / Mns*P при алектрокатализе. Из литературных источников известно, что при концентрации HgO до 1 H наблюдается незначительное смещение потенциала восстановления кислорода в положительную сторону и рост тока, что объясняется протеканием реакции протонирования :

О, + Hf+ е~ -» НО,

Полярографическое восстановление ряда порфириновых комплексов Мп3* показало, что первая волна восстановления Мп**—» «помещается на 0,15 В в положительную сторону в водно-ацетонитрильном растворе по сравнению с водным. Это может быть обусловлено известным эффектом «выталкивания воды" и потенциал восстановления приближается к Е^ top в ацетонитриле. На рис.10 представлены спектры ацетонитриль-ного (1) и водао-ацетонитрильного (а) раствора Мп**Р. При увеличении концентрации воды наблюдается смещение максимума Q-полосы ЫпР

РксИ0: Спектры оптического поглощения ацетонитрильного раствора Ю'"и Мпэ*Р до (1) и после добавления воды (2,2 М)(2), а также продуктов его восстановления при потенциале Е= -0,6 В в присутствии кислорода в- зависимости от времени поляризации, мин-ЗЬ 2, 4)-5, 5)-20, 6)-40, 7)-140.

Вставка: Кинетические кривые снижения концентрации диоксида серы в процессе восстановления ацетонитрильного раствора, содержащего 10~5М Мпэ*Р, 10"4М БО, и воды : 1-КГ3; 2-0,11 ; 3-1,1; 4-2,2. 3'- повторный цикл восстановления (3) при введении кг'м бо

(XMQI= 478 нм) в УФ область. При концентрации HgO, равной 2,2 М это смещение составляет 8 ем. Изменяется структура полосы оптического поглощения в области 330-400 нм. При восстановлении порфиринового' комплекса (ф = - 0,6 В) в зависимости от времени поляризации в присутствии кислорода уменьшается интенсивность полосы с =470 нм и растет полоса восстановленного комплекса, причем ^^ смещен на 10 нм в УФ область (^^=434 нм), вместо ^^=444 нм. Кроме того, в спектре кислородсодержащего порфиринового комплекса почти отсутствует поглощение в области 300+400 нм. Увеличивается скорость восстановления Нп**Р. Следует обратить внимание на увеличение коэффициента экстинкции Q-полосы восстановленного комплекса. При деполяризации происходит регенерация исходного Мп**Р с характерной структурой спектра в водао-ацетонитрильном растворе. Обнаруженное изменение в спектрах оптического поглощения Ып"*Р и его продукта восстановления п.озволявт сделать вывод о том, что включение молекулы вода в качестве экстралиганда приводит к перераспределению электронной плотности на металлическом центре и в тс-сопряжении лкгандов. Представляло интерес изучить каталитическую активность генерированных в Н,0 /CH30N -растворе пероксокомплексов в реакции окисления диоксида серы.

Раствора 1£па"р в ацетонитрилэ, содержаще КГ*М so&, о, и различное количество воды, восстанавливали при <р = -0,6 В. Одновременно с измерением спектров реакционных каталитических центров при поляризации снимали кинетику расходования диоксида серы по убыли интенсивности полосы при Я^^ = 280 нм (рис.10 •). Установлено, что увеличение содержания н,о в ацетонитриле приводит к увеличению скорости убыли SO,. Однако, также, как при электрокатализе в chacn, в водао-ацетонитрильном растворе только после полного расходования диоксида серы начинается уменьшение интенсивности полосы исходной

формы катализатора и увеличение оптической, плотности поглощения восстановленного кислородсодержащего комплекса =434 ни).

Следует отметить, что при повторном цикле электрокатализа в водно-ацетонитрильном растворе реакционная способность повторно -генерированных активных центров в реакции окисления Б**—Б*5*увеличивается.

Таким образом, полученные результаты по генерации и изучению каталитической активности восстановленных кислородных металлокомпле-ксов порфиринов в апротонных растворителях в присутствии добавок вода расширяют сферу применения каталитической системы окисления эо1-Можно полагать, что изменение электронной структуры МР и его восстановленных кислородсодержащих комплексов за счет включения дополнительных заместителей (экстралнгандов) дает возможность влиять на кинетику образования реакционных центров и на скорость редокс-превращений субстратов с их участием. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Особое внимание в работе было уделено обнаружению и выяснению роли ранних стадий активирования молекулярного кислорода. Доказано, благодаря использованию различных методов инициирования реакций окисления и современных методов регистрации активных частиц, прямое участие исходных оксокомплексов, .. формировании

пероксокомплексов, М^Р.-.О^Т, каталитических центров.

Экспериментально обоснован на уровне элементарных реакций принцип избирательного ингибировния индуцированного распада пероксидов в цепных процессах их синтеза, что позволяет целенаправленно выбирать условия повышения селективности и эффективности процессов.

Установлен факт регенерации молекул ингибиторов,

катализаторов, что способствует расширению подхода для оценки ко- -личественных характеристик физиологической активности антиоксидан-тов, радиопротекторов и других биологически активных соединений.

Доказана важная роль ранних обратимых стадий активирования молекулярного кислорода в различных окислительных процессах , что вносит определенный вклад в развитие перекисной теории окисления.

ВЫВОДЫ

1.Впервые спектрально зарегистрированы обратимые кислородсодержащие комплексы с частичным переносом заряда для целого ряда биологически активных соединений (флавоноиды, порфири-новые комплексы металлов, каротиноиды и др.) образование которых позволяет объяснить способность молекул этих веществ "активировать" молекулярный кислород.

2.На примере диоксида серы установлены общие закономерности механизма образования реакционных каталитических центров окисления субстратов молекулярным кислородом; пероксокомплексов металло-порфиринов." Прослежены последовательные стадии реакций переноса заряда в процессе окисления диокисида серы вплоть до регенерации молекул катализатора.

3. С целью решения проблемы повышения эффективности процессов получения пероксидов окислением органических соединений молекулярным кислородом исследованы спектральные и кинетические характеристики цикло- и н-додецильных радикалов в соответствующих углеводородах в жидком состоянии (300-426 к), а также кинетические параметры реакций этих радикалов друг с другом, кислородом, ароматическими углеводородами, хинонами, нитроксильными радикалами и цшслододецилгидропероксидом.

4. Впервые зарегистрированы в вакуумированных алканах

( п-012Н26, о-с12Н24) спектры оптического поглощения промежуточных продуктов взаимодействия алкильных радикалов с хинонами, • ароматичоскими углеводородаки ■ (к™109-Ю50 Ы"1с"')., В присутствии кислорода образуются кислородсодержащие аддукгы, которые от персксильных радикалов отличаются спектральными и кинетическими характеристиками.

5. Предложен и экспериментально обоснован на уровне вломентарных реакций механизм избирательного ингибирования индуцированного распада пероксидов (конечного продукта) в цепных многоцентровых процессах окисления органических соединений, заключающийся в связывании ингибиторами алкильных радикалов, разрушающие пероксида, в менее активные лабильные комплексы.

6. Установлэна возможность многоразового (каталитического) действия стабилизаторов пероксидов. Полученные данные позволяют • заключить, что механизм их регенерации в присутствии кислорода имеет сложный автоколебательный характер.

7.Проведено систематическое исследование радиационной стойкости биологически активных веществ. Изучены спектральные и кинетические характеристики промежуточных частиц в растворах препаратов (флавоноиды, каротиноиды, церулоплазмин), обладающих антиоксидантной, радиопротекторной и антимутагенной активностью,

На основании экспериментальных результатов был сделан вывод о новой форме защиты биомембран флавоноидами. Предположено, что флавоноиды, адсорбируясь на специфических центрах поверхности клеток, принимают участие в коллективном отклике на стрессовые воздействия. Часть энергии возбуждения они выделяют в виде световой, тем самым снижая вероятность генерирования разделенных зарядов и уменьшая риск электрического "пробоя" биомембраны.

8. Изучена супероксиддисмутазвая активность различных классов биологически активных соединений. Описаны различные схемы реакций образования супероксид анион-радикалов, формы их стабилизации и кинетики гибели. Зарегистрированы спектры оптического . поглощения супероксидных комплексов, М...О^", и продуктов внутрикомплексного переноса заряда - перксокомплексов, М4"..^*.

9. Проведено детальное исследование механизма радиационно-химического и радиационно-каталитичэ ского окисления в**—> Б®* в водных и ацетонитрильных растворах диоксида серы

с

в широком диапазоне концентраций (10 - 1 М бо2). При увеличении концентрации во2 (выше 10_2М) впервые методом импульсного радиолиза обнаружены новые частицы Пддд и П560, образование которых объясняется кластерной структурой молекул диоксида серы в присутствии молекул -вода, восстановлением сложных ассоциатов типа - (бо,^. (н|о)т.

9. Использование . спектрофотометрической регистрации короткоживущих промежуточных частиц, генерированных при импульсном облучении потоком ускоренных электронов или электрохимическим восстановлением, позволило выделить элементарные акты переноса заряда при образовании реакционных каталитических кислородсодержащих центров с участием металлопорфиринов, выбранных, в качестве катализаторов окисления диоксида серы.

10. Установлено, что из всех зарегистрированных промежуточных продуктов восстановления: О", Ы11-1?, МР...О"", МП+1Р.., только пероксокомплекс является каталитическим активным центром прямого окисления диоксида серы двумя параллельными путями: в результате взаимодействия с пероксвд-ионом и окисленной формой молекулы МР, которое приводит к генерации инициатора цепного оки-

сления субстрата радикала S0~"(HS0~").

11. Результаты спектрофотометрических исследований влияния добавок воды Сцо 2,2 М) на кинетику редокс-превращений порфирина Mns" и убыли so, в системе MP/CHjCN-HjO/o/so, позволили связать увеличение скорости разложения диоксида серы и регенерации исходной формы катализатора с изменением электронной структуры металлического центра при включении молекул воды в качестве экстралигандов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах;

1. Ревина A.A., Бах H.A. - Исследование взаимодействия молекулярного кислорода со стабильными свободными радикалами в растворе методом электронного парамагнитного резонанса.//Док.АН СССР. 1961,T.14t,. *

2, С.409-412.

2. Ревина A.A., Арипджанов Ш.А., Бах H.A. - Исследование образования свободных радикалов при облучении пальмитиновой кислоты методом ЭПР.// Докл.АН СССР. 1962,Г. 145,*2,0.363-365.

3. Ревина A.A., Подсобляев А.П. - Исследование радиолиза пиперидана методом ЭПР.//ДОКЛ АН СССР. 1963, Т. 152, * 3, С.668-670.

4. Ревина A.A., Бах H.A. • -Реакции свободных радикалов при взаимодействии кислорода с облученым пальмитатом калия.//Докл.АН СССР, 1963, Т. 155, *2, С.410-413!.

5. Ревина A.A., Бах H.A. - Исследование ранних стадий радиационного окисления пальмитиновой кислоты и ее производных.//Кинетика и катализ. 1964, Т.5, вып.5, С.769-775.

6. Ревина A.A., Карасев А.Л. - Исследование методом ЭПР образования перекисных радикалов в облученной пальмитиновой кислоте и пальмитате калия.// Ж.структ.химии. 1965, Т.6, » 4, С.556-562.

7. Ермакова Г.Л., Ларин В.А., Ревина A.A., Бах H.A. - Радиолиз

н-алкилквтонов.//Химия высоких энергий.1969, Т.З, Я 1,0.94-95.

8.Ревина A.A., Борисенко Г.Л., Бах H.A., Костин.А.К. - Стабилизация электронов и ионные реакции в облученных кетонах.//Докл.АН СССР. 1970, Т. 191, * 4, С.845-847.

9. Борисенко Г.Л., Ревина A.A., Базе-H.A. - Первичные продукты радиолиза метилциклогексилкетонов.//Химия высоких энергий. 1071. Т.5, * 3, С.274-276.

10.J Ревина A.A., Костин А.К. - Основные закономерности радиолиза алкилкетонов в конденсированной фазе.//Химия высоких энергий. 1971. Т.5, » 4,0.358-359.

И. Костин А.К., Точин В,А., Ревина A.A., Никольский В.Г. -Термолюминесценция облученных н-алкилкетонов.//Химия высоких энергий. 1971. Т.5, * 5, 0.411-415.

12. Baoh N.A., Borisenko G.b., Kostin A.K., Revina A.A. - Early Stages of Alkylketonee Radiolysis.// Int.J. Radiat.Phys.Chem. 1972.V.4, P. 121-134.

13-Ревина A.A., Луцик Т.К. - Пострадиационная регенерация кислородом полифенольных соединений - антоциановых пигментов в кислой среде.// Инф.бюллетень по радиобиологии. АН СССР. 1984, * 29, С.46-52.

14. Зимина Г.М., Ревина A.A., Бах H.A. - Шентификация короткоживущих частиц, образующихся в метаноле при мощности дозы.//Химия высоких энерги. 1981. Т.15, * 4, С.307-311.

15. Ревина A.A. Импульсный радиолиз метанола. Влияние хлорида магния на стабилизацию промежуточных частиц.//Химия высоких энергий. 1984. Т.18, * 4, С. 377.

16. Кротова М.Д., Плесков Ю.В., Ревина A.A. - Преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую и химическую с помощью

варЁровании

полупроводниковых электродов.//Электрохимия. 1981. Т. 17, * 4, С. 528-533.

17. Ревина A.A. - Светоиндуцированные центры рекомбинации при импульсном радиолиза системы электролит/полупроводник.//Электрохимия 1982. Т. 18, * 8, С. 1114-1117.

18. Ревина A.A., Зорин Д.М., Золотаревский В.И., Хлобыстин П.Б. -Спектры люминесценции в насыщенном метанольном растворе хлорида магния при нс-импульсном радиолизе.//Химия высоких энергий. 1983. Т. 17, & 1, С.91-93.

19. Луцик Т.К., Ревина A.A. - Пострадиационная регенерация антоциановых пигментов в присутствии кислорода.//Радиобиология. 1985. #3, С.343-347.

20. Ладыгин Б.Я., Зимина Г.М., Ревина A.A. - Кинетика реакций радикалов, образующихся при импульсном электронном облучении циклических спиртов в жидкой фазе.//Изв.АН СССР.сер.хим. 1984.Ä10, С.2194-2198.

21. Ладыгин Б.Я., Ревина A.A. - Кинетика реакций циклододецильных радикалов с цгаслододецилгидропероксидом.//Докл.АН СССР. 1984. Т.84. С. 1172-1176.

22. Кротова М.Д., Ревина A.A., Плесков Ю.В. и др. Радиационно-электрохимическое преобразование энергии излучения в радиационно-электрохимической ячейке с полупроводниковыми электродами.//Атомная энергия. 1984. Т.57, Вып. 5, С.364-365.

23. Кротова М.Д., Плесков Ю.В., Ревина A.A. - Об эффективности радиационно-электрохимического преобразования энергии ионизирующего излучения.//Химия высоких энергий. 1985. Т.19. № 1,С.29-33.

24. Ладыгин Б.Я., Ревина A.A. - Кинетика реакций радикалов, образующихся в циклических спиртах в присутствии кислорода.

//Изв.АН . 1985. сер.хим., Х2, С.282-290.

25. Ладыгин Б.Я., Ревина A.A. - 0 взаимодействии углеводородных радикалов циклического и нормального строения с антрахиноном.//Изв. АН СССР. 1985. сер.хим. * 10, С.2180-2186.

26. Ладыгин Б.Я., Ревина A.A. - Об участии хинонов в окислении углеводородных радикалов.//Химия высоких энергий. 1985. Т. 19, * 5, С.412-417.

27. Pleskov Yu.V., Krotova M.L., Revina A.A. - Radiation eleotroohemioal oxydation of water at eemioonduotor eleotrodee (TiOg, SrTiOj) in aqueous eleotrolite BOlutions.//Rad.PhyB.Chem.1985. V.26.N.1. P.17-23.

28. Ревина A.A., Ладыгин В.Я., Ванников A.B. - Реакции циклододедальних радикалов при ' импульсном радиолизе растворов нафталина и антрацена в жидком циклододекане.//Изв.АН СССР. 1986. сер.хим. Jfß, С.313-317.

29. Радюшкина К.А., Зонина Б.О., Ревина A.A. и др.-Редокс-превращения порфиринов марганца и ' влияние на них дикислорода.//Электрохимия. 1988. Т.24, * 11, С. 1568-1571.

30. Полевой П.С., Ревина A.A., Хачатуров-Тавризян А.Б., Шилин С.А. -Средне температурный импульсный радиолиз азеотропной серной кислоты.//Химия высоких энергий. 1989. Т.23, * 1, С.17-22.

31. Володько В.В., Ревина A.A., Ванников A.B., Протасова Б.Л. -Импульсный радиолиз водных растворов тетрасульфофталоцианина кобальта.//Химия высоких энергий. 1989. Т.23. Л 6, С.483-489.

32. Парамонова Л.И., Ревина A.A., Лизунков А.Ф., Милованов В.К. -Взаимодействие каротиноидов с супероксид анион-радикалом в связи с их стабилизируицимдействием при криоконсервации.//Докл ВАСХНИЛ.1989. *11, С.30-32.

33. Ревина A.A..Володько В.В., Радюшкина К.А.-Исследование методом импульсного радиолиза редокс-превращений Нп'^ТГР и влияния на них кислорода.//Кинетика и катализ. 1990. Т.31, вып. 6, с. 1321-1329.

34. Володько В.В..Рэвина A.A. - Механизм каталитического окисления S02 кислородом в присутствии порфиринов переходных металлов Со(11) и Hh(111).//Кинетика и катализ. 1991. Т.32. вып.6, С.1362-1370.

35. Baturina O.A., Xanevsky b.S., Bagotsky 7.S., Revina A.A. et.al. - Influenoe of rcaorooyolio oompaunds on the eleotroohemioal reduction of thionil ohloride at glassy oarbon oathods.//Journal Of Power Sourois. 1991. V/36. P.127-136.

36. Володько B.B., Ревина A.A. - Ранние стадии радиолиза высококонцвнтрированных водных растворов диоксида серы.//Химия высоких энергий. 1992. T.2S, £ 5, С.417-422.

37. Ревина A.A., Володько В.В., Гркбкова 0.Л.-Электрокаталитическое

J

окисление растворенного s02 при участии тетратолилпорфирина Мпя*. //Кинетика и катализ. 1994. Т.35, * 2, С.261-265.

38. Ревина A.A., Грибкова 0.Л.-Влияние воды на электрокаталитическое окисление диоксида серы в ацетонитриле при участии хлорида тетратолилпорфирина марганца Мп9!//Электрохимия. 1994. Т.30. N 5. С.657-662.

39. Sergeev A.G., Pavlov A.R., Revina A.A., Yaropolov A.I. The meoha-nism of interaction of oeruloplasmin with superoxide radioale.// Int.J.Bioohem.1993. V.25. N 11. P.1549-1554.

i -

а

• v (У

A.A. Ре вина гРадиацишж>-химическое моделирование быстр опро-текаюших процессов с участием промежуточных кислородсодержащих реакционных центров в различных системах.' 02.00.09 - Радиационная химия

Заказ № 38. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринтах в Институте прикладное математики АН