Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 9, стр. 1322-1327

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследований были использованы урацил и шесть его производных (тимин, 6-метилурацил, 5-бром-6-метилурацил, 5-нитро-6-метилурацил, 1,3-диметилтимин и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил). Урацил, тимин и 6-метилурацил были произведены фирмой “Фармакон” (г. Санкт-Петербург). Остальные производные урацила синтезированы по методикам, описанным ранее [7–9]. Озон-кислородная смесь была получена с помощью озонатора, конструкция которого описана в работе [10]. Растворитель – свежеперегнанная бидистиллированная вода.

Кинетику реакции изучали спектрофотометрическим методом на приборе UV-2600 фирмы “Shimadzu” при равенстве начальных концентраций реагентов ([ПУ]₀ = [О₃]₀), которое достигалось следующим образом. Вначале определяли концентрацию озона в воде, которую создавал озонатор в день проведения эксперимента. Для этого в пробирку помещали 4 мл бидистиллированной воды и подавали в нее озон-кислородную смесь до насыщения. Дополнительными опытами было установлено, что максимальная концентрация озона в 4 мл воды достигалась за 2 мин барботажа О₃–О₂-смеси. Далее спектрофотометрически по закону Бугера–Ламберта–Бера определяли эту концентрацию О₃ в воде (${{\varepsilon }_{{{{{\text{O}}}_{3}}}}}$ = = 2700 л моль^–1 см^–1 при = 270 нм [11]). Затем готовили 4 мл водного раствора ПУ такой же концентрации (из заранее приготовленного раствора большей концентрации).

Перед началом кинетического эксперимента вновь насыщали 4 мл бидистиллированной воды озон-кислородной смесью. Далее, после смешения 2 мл озонового раствора с 2 мл водного раствора ПУ, наблюдали за изменением оптической плотности полученной реакционной смеси. Поскольку оба реагента поглощают в ультрафиолетовой области, кинетику озонированного окисления урацила и его производных исследовали на длинах волн (λ_max), равных максимумам поглощения сопряжения урацильного кольца¹¹. При этом оптическая плотность в каждый отдельный момент времени представляла собой сумму двух оптических плотностей:

где А_ПУ и А_Оз – оптические плотности, обусловленные поглощением ПУ и О₃, соответственно; ε_ПУ и ε_Оз – коэффициенты экстинкции ПУ и О₃, соответственно, на длине волны λ_max урацила или его производного, л моль^–1 см^–1; l – толщина кюветы, см. Учитывая, что [ПУ] = [О₃] = С, получаем следующее выражение которое позволяет от оптической плотности А перейти к текущей концентрации С реагирующих веществ (ПУ или О₃). Толщина кюветы (l) во всех опытах составляла 1 см.

Стехиометрические соотношения реагентов (ПУ и О₃) определяли с помощью барботажной установки [11, 12], продувая озон-кислородную смесь через водные растворы урацилов и следя за изменением [О₃] в газовой фазе на выходе из реактора. Методика проведения данных экспериментов подробно описана в работе [13].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Согласно [14–16], урацил и его производные в водных растворах при рН < 7.0 существуют преимущественно в дикето-форме. Исследования показали, что pH водных растворов изученных урацилов в диапазоне используемых нами концентраций не превышает 5.8. На основании данного факта можно утверждать, что в условиях наших экспериментов урацилы представлены главным образом дикето-формой.

На первом этапе исследований были определены коэффициенты экстинкции урацила и его производных в водных растворах (по закону Бугера–Ламберта–Бера), которые в дальнейшем будут использованы для расчетов остаточных концентраций ПУ. Было установлено, что линейная зависимость между оптическими плотностями изученных урацилов и их концентрациями в водных растворах четко выполняется до [ПУ] = 2 × 10^–4 моль/л. По тангенсам углов наклона зависимостей А = f ([ПУ]) были определены коэффициенты экстинкции урацилов, значения которых представлены в табл. 1.

На следующем этапе была изучена кинетика реакции озона с урацилами. Как отмечено в экспериментальной части, реакцию проводили при равенстве начальных концентраций реагентов: [ПУ]₀ = [О₃]₀ = С₀. Анализ кинетических кривых изменения концентрации С показал, что они достаточно хорошо линеаризуются в координатах уравнения реакции второго порядка (рис. 1):

где k – константа скорости реакции озона с ПУ, r – коэффициент корреляции. По тангенсам углов наклона прямых (рис. 1) были рассчитаны константы скоростей k реакции озона со всеми исследованными урацилами.

Далее с помощью барботажной установки, описанной в работах [11, 12], была изучена кинетика поглощения озона водными растворами урацилов. Опыты проводили при комнатной температуре (295 К). На рис. 2 в качестве примера приведены кривые изменения оптической плотности озона для воды (верхняя кривая) и водного раствора 6-метилурацила (6-МУ) (нижняя кривая).

Количество озона, поглощенное реакционной смесью, пропорционально площади, заключенной между кривыми оптического поглощения S (рис. 2). Зная количество озона, приходящееся на единицу площади рисунка, можно рассчитать количество поглощенного озона. Для этого сначала определяли количество О₃, соответствующее площади оценочного прямоугольника S_пр [11, 12]:

где W_газ – скорость газового потока (W_газ = 6 л/ч), V – объем реакционного раствора (V = 0.05 л), ΔА_пр, Δt_пр – размеры прямоугольника в координатах А – t (с), ε – коэффициент экстинкции озона при λ = 300 нм (ε = 95 л/(моль·см) [11]), l – длина кюветы (l = 5 см). Количество озона [О₃]_р, поглощенного реакционной смесью (моль/л), рассчитывали по формуле [11, 12]:

Количество 6-метилурацила, израсходованного к данному моменту времени, находили по формуле:

где [6-МУ]₀ – начальная концентрация 6-метилурацила, [6-МУ]_t –концентрация 6-метилурацила, оставшаяся к моменту времени t. Остаточную концентрацию 6-МУ определяли методом УФ-спектроскопии после охлаждения отбираемых проб (с помощью снега) и выдувки озона (с помощью аргона).

В табл. 2 приведены данные по зависимости количеств поглощенного озона [О₃]_р и израсходованного урацила [6-МУ]_р от времени подачи озон-кислородной смеси через водный раствор субстрата. Из приведенных данных следует, что в начальные моменты времени (вплоть до 2 мин) исходные вещества – озон и 6-метилурацил – реагируют в соотношении 1 : 1. Отметим, что для начальных стадий окисления остальных изученных урацилов озоном имело место аналогичное соотношение (1 : 1). Отсюда становится понятным второй порядок озонированного окисления урацилов по данным спектральных исследований. Очевидно, изучаемая реакция имеет первый порядок по ПУ и первый порядок по озону:

Обращает на себя внимание тот факт, что на более глубоких стадиях соотношение [О₃]_р : [6-МУ]_р превышает единицу (табл. 2). Повышенный расход озона, очевидно, связан с дальнейшим окислением образующихся продуктов.

В настоящей работе для урацила и шести его производных в интервале 285–309 К была изучена температурная зависимость k, значения которых суммированы в табл. 3. Согласно данным этой таблицы наблюдается следующий порядок реакционной способности урацилов по отношению к озону (285 К): 1,3-диметилтимин > 5-бром-6-метилурацил > урацил, 6-метилурацил > 5-нитро-6-метилурацил > 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил > тимин. Из приведенного ряда следует, что тимин обладает наиболее выраженными антиокислительными свойствами. Отсюда становится понятным, почему именно тимин входит в состав ДНК.

Обработка данных табл. 3 в координатах уравнения Аррениуса позволила определить активационные параметры изучаемых реакций (табл. 4). В качестве примера на рис. 3 приведены результаты линеаризации в координатах lg k = f(1/Т) температурных зависимостей констант скоростей реакции озона с тремя урацилами (6-метилурацилом, 5-нитро-6-метилурацилом и тимином).

На основании анализа данных табл. 4 было установлено, что между энергиями активации Е и логарифмами предэкспоненциальных множителей lg A удовлетворительно (рис. 4, r = 0.988) выполняется линейная зависимость – компенсационный эффект [17]. Данный факт может свидетельствовать о едином механизме лимитирующей стадии окисления изученных урацилов озоном. Уменьшение сигнала, относящегося к поглощению сопряжения урацильного кольца, свидетельствует об участии этой группы в реакции с О₃. С учетом данного факта, а также кинетического уравнения (5), можно ожидать, что окисление ПУ лимитирует стадия присоединения озона по связи урацильного кольца.

Таким образом, в настоящей работе изучена кинетика озонированного окисления урацила и шести его производных в водных растворах. Показано, что исследуемые реакции протекают по кинетическим уравнениям второго порядка (первого – по урацилу и первого – по озону). В интервале 285–309 К исследована температурная зависимость констант скоростей второго порядка и определены активационные параметры реакций. Для ряда изученных урацилов в водной среде установлена корреляционная зависимость между значениями энергий активации и логарифмами предэкспоненциальных множителей.