Кинетика и катализ, 2021, T. 62, № 5, стр. 527-535

ВВЕДЕНИЕ

Окисление веществ молекулярным кислородом – одна из фундаментальных реакций в химии и биологии. Биохимическое окисление органических веществ является основой жизнедеятельности организмов. Важную роль в этом процессе играют пероксильные радикалы липида. При неблагоприятных условиях концентрация этих частиц возрастает, и они способны повреждать липидный слой мембраны клетки, контактирующей с водной средой [1]. Биомедицинские аспекты окисления липидов клеточной мембраны стимулировали интерес к исследованию действия ингибиторов окисления липидов в водной среде. В последнее время для тестирования антиоксидантов используется процесс окисления липида в мицеллах, образуемых поверхностно-активным веществом (ПАВ) [2–8]. В этом случае осуществляется радикально-цепная реакция, которая отражает окисление липида в мембране клетки. В качестве ПАВ применяются додецилсульфат натрия (ДДС) [9, 10], цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) [11, 12], тритон Х-100 [4, 5, 13]. В роли модельного субстрата в подавляющем большинстве используется метиллинолеат [6–8, 13]. Более доступным липидом для исследования закономерностей окисления в эмульсии является метиловый эфир олеиновой кислоты (метилолеат). Это позволяет проводить тестирование веществ на антиоксидантную активность при достаточно высокой концентрации субстрата, т.е. создавать условия, когда окисление протекает в капельке метилолеата, стабилизированной поверхностно-активным веществом. Существенными факторами являются доступность метилолеата и простота его очистки и хранения. Кинетика окисления этого субстрата изучена, и его используют в качестве модельного для тестирования антиоксидантов [14, 15]. Ранее были исследованы кинетические закономерности окисления метилолеата в водоэмульсионной системе, содержащей цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) [12]. Было установлено, что ЦТАБ практически не влияет на кинетические закономерности окисления метилолеата. Максимальная концентрация ЦТАБ в воде составляет 1.8 × 10^–3 моль л^–1, что может быть недостаточным для образования устойчивой эмульсии метилолеата в воде. В связи с этим в настоящей работе в роли ПАВ были рассмотрены додецилсульфат натрия и тритон Х-100.

Поскольку данные об окислении метилолеата в водном растворе ПАВ немногочисленны [12, 16], в представленной работе изучены кинетические закономерности окисления его в микроэмульсии, стабилизированной ПАВ. Для генерирования радикалов применяли липидрастворимый инициатор 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил. Скорость инициирования измеряли методом ингибиторов, в роли которых использовали α-токоферол и тролокс.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Метиловый эфир олеиновой кислоты (МО, C₁₇H₃₃CОOCH₃) и 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил (АИБН, С₈H₁₂N₄), хлорбензол и воду очищали согласно [12]. Тритон Х-100 (C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)_n с n = = 9–10, чистота 98%) производства фирмы “Acros Organics”, 6-гидрокси-2,5,7,8-тетраметилхроман-2-карбоновая кислота (тролокс, C₁₄H₁₈O₄, чистота 97%) фирмы “Acros” и 6-гидрокси-2,5,7,8-тетраметил-2-(4,8,12-триметилтридецил)-хроман (α-токоферол, C₂₉H₅₀O₂, чистота 96%) фирмы “Sigma” дополнительной очистке не подвергали. Структурные формулы тритона Х-100, α-токоферола и тролокса приведены на схеме 1 .

Схема 1 . Структурные формулы тритона Х-100, α-токоферола и тролокса.

Опыты проводили в стеклянном реакторе, в который загружали метилолеат, хлорбензол и водный раствор поверхностно-активного вещества, термостатировали и затем добавляли раствор инициатора в хлорбензоле. В случае ингибированного окисления вместо хлорбензола вводили раствор антиоксиданта в хлорбензоле. Соотношение органической и водной фаз составляло 1 : 2.7 v/v (по объему). Так как радикально-цепное окисление в условиях наших экспериментов протекает в органической фазе, концентрацию субстрата, инициатора и ингибитора рассчитывали исходя из суммарного объема загруженных в реактор метилолеата, раствора инициатора АИБН и хлорбензола (или раствора ингибитора) без учета объема воды. Концентрацию ДДС и тритона Х-100 вычисляли с учетом объема только водной фазы. Окисление метилолеата кислородом воздуха проводили при температуре 333 К. За поглощением кислорода следили с помощью универсальной манометрической дифференциальной установки [17]. Скорость поглощения кислорода в жидкой фазе определяли по методике, описанной в работах [17, 18]. Объем газовой фазы составлял 26 мл, объем реакционной смеси – 8.2 мл.

В качестве инициатора окисления использовали АИБН. Скорость инициирования находили по формуле: w_i = k_i[АИБН] = 2ek_р[АИБН], где k_i и k_р – константа скорости инициирования и константа скорости распада инициатора соответственно, е – вероятность выхода радикалов в объем, [АИБН] – концентрация инициатора. Константа скорости распада АИБН в метилолеате в безводной среде lgk_р = 15 – 127.5/θ [с^–1], 2e = 0.65 [19, 20].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В отсутствие водной фазы жидкофазное окисление МО кислородом воздуха, инициированное АИБН, протекает по радикально-цепному механизму с квадратичным обрывом цепи [12] (схема 2 ):

Схема 2 . Элементарные реакции радикально-цепного окисления метилолеата, начальная стадия.

Нумерация реакций соответствует общепринятой схеме жидкофазного окисления углеводородов.

Скорость окисления описывается уравнением:

Здесь k₂ и 2k₆ – константы скорости продолжения и обрыва цепи на пероксильных радикалах метилолеата соответственно. Параметр k₂(2k₆)^–0.5 характеризует окисляемость метилолеата. Зависимость параметра k₂(2k₆)^–0.5 от температуры (303–333 К) в координатах уравнения Аррениуса описывается выражением [12]:

При температуре 333 К k₂(2k₆)^–0.5 = 4.9 × × 10^–3 л^0.5 моль^–0.5 с^–0.5.

На рис. 1а представлена зависимость скорости окисления метилолеата (w) от концентрации ДДС. Видно, что c увеличением концентрации ПАВ скорость окисления снижается. При концентрации ДДС равной 0.6 моль/л скорость окисления минимальна. При дальнейшем повышении концентрации ДДС вязкость реакционной смеси заметно возрастает и перемешивание затрудняется. На рис. 1б показана зависимость скорости окисления метилолеата от концентрации тритона Х-100. При [тритон Х-100] ≥ 0.2 моль/л скорость окисления метилолеата (w) в нашей системе не меняется. Зависимость получена при концентрациях метилолеата 2.7 и 1.6 моль/л.

Рис. 1.

Зависимость скорости окисления метилолеата от концентрации ПАВ: а − ДДС, [МО] = 2.7 моль/л; б − тритон Х-100, [МО] = 2.7 (1) и 1.6 моль/л (2). Условия реакции: [АИБН] = 5.6 × 10^–3 моль/л, соотношение водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 К.

Снижение скорости инициированного АИБН окисления метилолеата с увеличением концентрации как ДДС, так и тритона Х-100 согласуется с литературными данными для системы с метиллинолеатом [2, 21]. В нашей системе также наблюдается уменьшение реакционной способности пероксильного радикала, но не в такой значительной степени.

Анализируя полученные результаты, можно рассматривать тритон Х-100 более подходящим ПАВ для стабилизации метилолеата в микроэмульсии. Во-первых, максимальная концентрация тритона Х-100, при которой скорость окисления метилолеата не зависит от концентрации ПАВ, ниже, чем для ДДС, следовательно, меньше затраты на реагент. Во-вторых, при применении ДДС не наблюдается четкого плато. После достижения минимальной скорости окисления при [ДДС] = 0.6 моль/л дальнейший рост концентрации данного ПАВ приводит к увеличению вязкости реакционной смеси и перемешивание затрудняется.

Кинетические закономерности окисления метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100

Скорость инициированного АИБН окисления метилолеата при температуре 333 К в отсутствие воды составляет 2.4 × 10^–6 моль л^–1 с^–1, что удовлетворительно согласуется с литературными данными [12]. Добавление воды не влияет на скорость окисления (рис. 2, кинетическая кривая 2), соответственно и параметр окисляемости метилолеата сохраняется. В отсутствие метилолеата в системе водного раствора тритона Х-100 в присутствии АИБН поглощение кислорода составляет 3.9 × 10^–8 моль л^–1 с^–1 (рис. 2, кинетическая кривая 3), что мало по сравнению со скоростью окисления метилолеата. Следовательно, в этих условиях окислением тритона можно пренебречь.

Рис. 2.

Кинетика поглощения кислорода в зависимости от состава реакционной смеси при Т = 333 К и [АИБН] = 5.6 × 10^–3 моль/л: 1 – [МО] = 2.7 моль/л; 2 – [МО] = 2.7 моль/л, соотношение Н₂О : МО = 2.7 : 1, 3 – [МО] = 0 моль/л, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л, водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v.

На рис. 3 представлена зависимость скорости окисления метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100, от концентрации субстрата. Для снижения концентрации метилолеата в качестве растворителя был применен хлорбензол. Линейность зависимости сохраняется в интервале концентрации метилолеата 0.4–1.6 моль/л. При дальнейшем увеличении концентрации МО скорость окисления метилолеата остается постоянной, поэтому опыты проводили при [МО] ≤ 1.6 моль/л. Как видно из рис. 1б, как при [МО] = 2.7 моль/л, так и в растворе его в хлорбензоле ([МО] = 1.6 моль/л) характер зависимости w от концентрации тритона Х-100 идентичен.

Рис. 3.

Зависимость скорости окисления метилолеата от его концентрации. Условия реакции: [АИБН] = = 5.6 × 10^–3 моль/л, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л, соотношение водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 К.

Зависимость скорости окисления метилолеата от концентрации инициатора рассматривали при концентрации метилолеата 1.5 моль/л. Как видно из рис. 4, наблюдается квадратичная зависимость от [АИБН].

Рис. 4.

Зависимость скорости окисления метилолеата от концентрации инициатора. Условия реакции: [МО] = 1.5 моль/л, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л, соотношение водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 К.

Таким образом, окисление метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100, протекает по такому же механизму, что и в гомогенной среде, т.е. в среде самого субстрата. Аналогичная закономерность наблюдалось при окислении метиллинолеата в водной дисперсии, образованной тритоном Х-100 [13].

Из изложенного выше следует, что жидкофазное окисление метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100, идет по радикально-цепному механизму с квадратичным обрывом цепи (схема 2 ). Для измерения скорости инициирования в предлагаемых условиях окисление метилолеата проводили в присутствии ингибиторов окисления – α-токоферола и тролокса.

Ингибированное α-токоферолом окисление метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100

Добавление α-токоферола в реакционную смесь окисляющегося метилолеата в микроэмульсии приводит к снижению скорости поглощения кислорода (рис. 5а), поскольку появляется дополнительный канал расходования пероксильных радикалов по реакциям (VII) и (VIII):

(VII)

${\text{RO}}_{2}^{\centerdot } + {\text{InH}}\xrightarrow{{{{k}_{7}}}}{{{\text{P}}}_{7}},$

(VIII)

${\text{RO}}_{2}^{\centerdot } + {\text{I}}{{{\text{n}}}^{\centerdot }}\xrightarrow{{{{k}_{8}}}}{{{\text{P}}}_{8}}.$

Рис. 5.

Кинетические зависимости поглощения кислорода при окислении метилолеата: а − без ингибитора (1), [α-токоферол] = 2.7 × 10^–5 (2) и 6.8 × 10^–5 моль/л (3); б − без ингибитора (1), [тролокс] = 1.2 × 10^–5 (2) и 1.5 × × 10^–5 моль/л (3). Условия реакции: [МО] = 1.1 моль/л, [АИБН] = 5.6 × 10^–3 моль/л, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л, водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 К.

Продолжительность индукционного периода определяли, обрабатывая кинетическую кривую по уравнению (1) [22]:

(1)

${{\tau }} = \int\limits_0^\infty {\left( {1 - {{{\left( {\frac{w}{{{{w}_{0}}}}} \right)}}^{2}}} \right)} {\text{d}}t,$

где w – скорость ингибированного окисления, w₀ – скорость неингибированного окисления.

В табл. 1 приведены значения индукционного периода (τ), наблюдаемого на кинетической кривой поглощения кислорода в процессе окисления метилолеата в микроэмульсии. Данные получены при разных концентрациях ингибитора.

Таблица 1.

Зависимость скорости окисления метилолеата и индукционного периода от концентрации α‑токоферола*

[α-Токоферол] × 10–5, моль/л	w × 10–7, моль л–1 с–1	τ, с	k2, л моль–1 с–1
0	12.2	0
0.7	7.7	300	6.3
1.4	5.5	558	6.7
2.7	3.6	947	5.4
3.4	2.4	1621	4.6
4.1	1.6	1800	8.2
6.8	1.3	2600	5.8
9.6	0.9	4370	6.3

*  Условия реакции: [МО] = 1.1 моль/л, [тритон Х-100] = = 0.2 моль/л, [АИБН] = 5.6 × 10^–3 моль/л, соотношение водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 K.

Согласно уравнению (2) скорость инициирования (w_i) обратно пропорциональна τ:

(2)

$\tau = f\left[ {{\text{InH}}} \right]{\text{/}}{{w}_{{\text{i}}}},$

где [InH] – начальная концентрация α-токоферола, f – стехиометрический коэффициент ингибирования.

Следовательно, зная индукционный период, можно рассчитать значение скорости инициирования. Предположив, что на молекуле α-токоферола гибнет два пероксильных радикала метилолеата, найдено w_i = (4.2 ± 0.4) × 10^–8 моль л^–1 с^–1. Согласно литературным данным (см. раздел Экспериментальная часть) в метилолеате без водной фазы w_i = 2еk_p[АИБН] = 0.65 × 1 × 10^–5 с^–1 × 5.6 × × 10^–3 моль л^–1 = 3.6 × 10^–8 моль л^–1 с^–1. Следовательно, проведение окисления метилолеата в микроэмульсии практически не оказывает влияние на распад АИБН. Найденное значение w_i дает возможность вычислить константу скорости инициирования k_i = 7.5 × 10^–6 с^–1. А это в свою очередь позволяет рассчитать параметр окисляемости метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100. Для этого рассмотрим зависимости скорости окисления w от концентрации субстрата и инициатора (рис. 3 и 4). Из тангенсов угла наклона этих графиков найдены значения параметра окисляемости k₂/(2k₆)^0.5, которые составляют 4.4 × 10^–3 л^0.5 моль^–0.5 с^–0.5 и 4.9 × 10^–3 л^0.5 моль^–0.5 с^–0.5 соответственно. Это свидетельствует о том, что в условиях, когда [RH] = = 0.4–1.6 моль/л, [АИБН] = (1.3–8.8) × 10^–3 моль/л, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л и при соотношении водной и органической фаз 2.7 : 1 v/v, параметр окисляемости метилолеата в микроэмульсии сохраняется таким же, как и в отсутствие водного раствора ПАВ.

Константа скорости реакции пероксильного радикала метилолеата с α-токоферолом

Начальную скорость ингибированного α-токоферолом окисления метилолеата (w) определяли по наклону касательной к кривой зависимости количества поглощенного кислорода через 300 с после введения ингибитора в реактор. Для того, чтобы получить эффективную константу скорости fk₇, зависимость w от концентрации α-токоферола (рис. 6) преобразовывали в координатах уравнения (3) [23]:

(3)

$F = {{w}_{0}}{{w}^{{--1}}}--w{{\left( {{{w}_{0}}} \right)}^{{--1}}} = f{{k}_{7}}{{\left[ {{\text{InH}}} \right]}_{0}}{{\left( {2{{k}_{6}}{{w}_{{\text{i}}}}} \right)}^{{--0.5}}}.$

Рис. 6.

Зависимость начальной скорости окисления в мицеллах от концентрации α-токоферола и преобразование ее в координатах уравнения (3). Условия реакции: [RH] = 1.1 моль/л, w_i = 4.2 × 10^–8 моль л^–1 с^–1, [тритон Х-100] = 0.2 моль/л, соотношение водная фаза : органическая фаза = 2.7 : 1 v/v, 333 К.

С применением найденного значения скорости инициирования (w_i = (4.2 ± 0.4) × 10^–8. моль л^–1 с^–1) и допущением того, что 2k₆ = 10⁶ л моль^–1 с^–1, получено fk₇ = (2.9 ± 0.2) × 10⁴ л моль^–1 с^–1. Так как для α-токоферола свойственно перехватывать 2 пероксильных радикала (f = 2), можно предположить, что k₇ = 1.5 × 10⁴ л моль^–1 с^–1.

В практически чистом метилолеате ([МО] = = 2.6 моль/л) в отсутствие водного раствора ПАВ константа скорости реакции пероксильного радикала метилолеата с α-токоферолом значительно выше: k₇ = 4.5 × 10⁵ л моль^–1 с^–1 [12]. Снижение антиоксидантной активности α-токоферола в микроэмульсии можно объяснить образованием водородной связи между молекулами воды и ингибитора [24]. Снижение реакционной способности α-токоферола наблюдалось и при окислении метиллинолеата в микрогетерогенном растворе, где найдена константа скорости k₇ = 2.3 × × 10⁴ л моль^–1 с^–1 [9, 10].

Для расчета константы скорости продолжения цепи (k₂) окисления метилолеата в микроэмульсии применимо уравнение (4) [23]:

(4)

$\Delta [{{{\text{O}}}_{2}}]{\text{ }} = --{{k}_{2}}{{({{k}_{7}})}^{{--1}}}[{\text{RH}}]{\text{ }}\ln (1{\text{ }}--t{\text{/}}\tau ),$

где Δ[O₂] – концентрация поглощенного кислорода.

Результаты приведены в табл. 1. Найдено k₂ = = (6.2 ± 0.8) л моль^–1 с^–1, что согласуется с измеренными ранее значениями этой константы: 5.3 л моль^–1 с^–1 в чистом метилолеате и 6.3 л моль^–1 с^–1 в микроэмульсии метилолеата, стабилизированной ЦТАБ [12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определены кинетические закономерности инициированного липидрастворимым 2,2'-азо-бис-изобутиронитрилом окисления метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100. Установлено, что окисление протекает по радикально-цепному механизму с квадратичным обрывом цепи. Методом ингибиторов с применением α-токоферола и тролокса измерена скорость инициирования окисления метилолеата в микроэмульсии, стабилизированной тритоном Х-100. Найдены эффективные константы скорости реакции пероксильного радикала метилолеата с α‑токоферолом и тролоксом fk₇, составившие при 333 К (2.9 ± 0.2) × 10⁴ и (4.0 ± 0.2) × 10⁴ л моль^–1 с^–1 соответственно.