Лекция 14

                  МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ АНТИОКСИДАНТОВ

Содержание

14.1. Кинетическая классификация антиоксидантов
14.2. Механизм ингибированного окисления RH
14.3. Ингибирование окисления как цепной вырожденно-разветвленной реакции
14.4. Многократный обрыв цепей на ингибиторах окисления
14.5. Ингибиторы окисления, разрушающие гидропероксиды
14.6. Синергизм действия ингибиторов окисления
14.7. Биоантиоксиданты
Литература
Задача14.1
Задача14.2
Задача14.3
 

14.1. Кинетическая классификация антиоксидантов.

Цепной процесс окисления ведут, чередуясь, алкильные и пероксильные радикалы. Поэтому окисление могут тормозить акцепторы как алкильных, так и пероксильных радикалов. Автоокисление развивается как цепная реакция, автоинициированная образующимся ROOH. Поэтому автоокисление можно затормозить, разрушая гидропероксид без его распада на радикалы. В соответствии со сложным механизмом окисления ингибиторы по механизму их действия можно разделить на следующие шесть групп.

1. Ингибиторы, обрывающие цепи по реакции с пероксильными радикалами. Такими ингибиторами являются ароматические соединения со сравнительно слабыми O- H и N- H - связями (фенолы, нафтолы, ароматические амины, аминофенолы, диамины). Такого типа соединения обладают восстановительными свойствами и быстро реагируют с пероксильными радикалами.

2. Ингибиторы, обрывающие цепи по реакции с алкильными радикалами. К ним относятся соединения, быстро реагирующие с алкильными радикалами: хиноны, иминохиноны, метиленхиноны, стабильные нитроксильные радикалы, молекулярный иод. Алкильные радикалы быстро реагируют с кислородом . Поэтому такого типа ингибиторы эффективны в условиях, когда концентрация растворенного кислорода в окисляемом веществе низкая.

3. Ингибиторы, разрушающие гидропероксиды. К такого типа соединениям относятся вещества, быстро реагирующие с гидропероксидами без образования свободных радикалов: сульфиды, фосфиты, арсениты и т. д., а также тиофосфаты и карбаматы металлов, разнообразные комплексы металлов. Реакция с гидропероксидом может протекать стехиометрически (сульфиды, фосфиты) и каталитически (комплексы металлов).

4. Ингибиторы - дезактиваторы металлов. Соединения металлов переменной валентности разрушают гидропероксиды с образованием свободных радикалов, что ускоряет окисление. Такое катализированное окисление удается замедлить, вводя комплексообразователь, который образует с металлом комплекс, неактивный по отношению к гидропероксиду. В качестве такого типа ингибиторов используются диамины, гидроксикислоты и и другие бифункциональные соединения, образующие с металлами прочные комплексы.

5. Ингибиторы многократного действия. При окислении некоторых классов веществ (спирты, алифатические амины) образуются пероксильные радикалы , обладающие как окислительным, так и восстановительным действием. В таких системах ряд ингибиторов , обрывая цепи, снова регенерируются в актах обрыва цепи: происходит каталитический обрыв цепей. Число обрывов цепей зависит от соотношения скоростей реакций регенерации ингибитора и его обратимого расходования. Многократный обрыв цепей наблюдается в ряде случаев и в полимерах. Ингибиторами многократного обрыва цепей являются ароматические амины, нитроксильные радикалы, соединения металлов переменной валентности.

6. Ингибиторы комбинированного действия. Некоторые соединения тормозят окисление, одновременно вступая в несколько реакций. Например, они реагируют и с алкильными, и с пероксильными радикалами (антрацен, метиленхинон), разрушают гидропероксиды и обрывают цепи по реакции с RO2·(карбаматы и тиофосфаты металлов). Такие соединения являются ингибиторами комбинированного действия. В параллельные реакции может вступать одна и та же группа. Например, с двойной связью метиленхинона реагирует и R· и RO2· . Часто в молекуле имеются две или более функциональных группы, каждая из которых вступает в соответствующую реакцию. Например, фенолсульфид реагирует с гидропероксидом своей сульфидной группой и с RO2·своей фенольной группой. Наконец, в разного типа реакции могут вступать исходный ингибитор и продукты его превращения. Комбинированным действием обладают часто смеси ингибиторов. Например, при введении в окисляющийся углеводород фенола и сульфида первый тормозит, обрывая цепи по реакции с RO2·, а второй снижает скорость вырожденного разветвления цепей, разрушая гидропероксид. Если два ингибитора усиливают тормозящее действие друг друга, то мы имеем дело с синергизмом. Если их тормозящее действие просто суммируется (например, период индукции при действии смеси равен сумме периодов индукции при действии каждого из ингибиторов порознь), то мы имеем дело с их аддитивным тормозящим действием. Если тормозящее действие смеси меньше суммы тормозящих воздействий каждого из ингибиторов, то мы имеем дело с антагонизмом ингибиторов.

14.2. Механизм ингибированного окисления RH.

Схема окисления в присутствии ингибитора InH, реагирующего с пероксильными радикалами, и ингибитора Q - акцептора алкильных радикалов включает ряд реакций, в которых участвуют образующиеся из ингибитора радикалы (In· + In· , In· + RO2· ) и реакции продолжения цепи типа In· + RH, In· + ROOH. Являясь восстановителем, ингибитор окисляется не только пероксильным радикалом (эта реакция приводит к обрыву цепи), но и кислородом и гидропероксидом, что приводит к расходованию ингибитора без обрыва цепи. Ниже приведен перечень реакций, протекающих с участием ингибитора; реакции R· и RO2· , в которых ингибитор не участвует, рассмотрены в лекции 13, (Rў OORў - инициатор):
 
Rў OORў ® 2 Rў O· (d)
Rў O· + RH ® Rў OH + R· (i)
Rў O· + InH ® Rў OH + In· (i)
R· + O2 ® RO2· (1)
RO2·+ RH ® ROOH + R· (2)
RO2·+ InH ® ROOH + In· (7)
In· + ROOH ® InH + RO2· (-7)
R· + Q ® RQ· (7')
RO2·+ In· ® ROOIn (8)
RO2·+ In· ® InH + Продукты (8')
In· + In· ® Продукты (9)
In· + RH ® InH + R· (10)
InH + ROOH ® In· + H2O + RO· (11)
InH + O2 ® In· + HO2· (12)
ROOIn ® RO· + InO· (13)
In· ® Q + r· (14)
RO2·+ HOC6H4O· ® ROOH + OC6H4O (15)

Хинолидный пероксид ROOIn образуется по реакции присоединения RO2·к 2.4.6-триалкилфеноксильному радикалу. В реакцию распада с образованием алкильного радикала и хинона вступает феноксил, имеющий алкоксизаместитель в пара- или орто-положении. В зависимости от строения ингибитора и условий окисления механизм децствия ингибитора может быть разным. По кинетическим данным можно идентифицировать механизм, т.е. выяснить те ключевые реакции, которые определяют механизм ингибированного окисления (см. Таблицу 14.1).

Таблица 14.1.

Скорость ингибированного окисления v и кинетика поглощения кислорода D[O2](t) при разных механизмах ингибированного окисления.
 
v/ моль л- 1 с- 1 t/с D[O2](t) / моль л- 1
     
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 10
Лимитирующие стадии: 2, 7, - 7, 8
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 11
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 12
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 13
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 14
 
Лимитирующие стадии: 2, 7, 8, 15
b = k11[ROOH]; c = k12[O2]; t 0 = f [InH]0/vi

14.3. Ингибирование окисления как цепной вырожденно-разветвленной реакции.

Если окисление проводится без инициатора, т. е. в режиме автоокисления, то оно протекает с автоускорением из-за нарастающей в ходе реакции скорости инициирования. Очень важно то, что темп ускорения зависит от скорости цепного окисления, т. е. существует положительная обратная связь между процессами автоинициирования и цепного окисления RH. Эта связь проявляется и в ингибированном окислении органических соединений.

Если в цепной инициированной реакции, когда vi = const, период индукции не зависит от эффективности тормозящего действия ингибитора, а определяется его концентрацией, то при автоокислении чем эффективнее ингибитор обрывает цепи, тем он медленнее расходуется, так как медленнее накапливается ROOH и увеличивается период торможения.. Далее инициированное окисление углеводородов тормозят соединения, обрывающие цепи. Автоокисление тормозят и такие соединения, которые разрушают гидропероксиды. Такой распад, если он не сопровождается образованием свободных радикалов, снижает концентрацию накапливающегося гидропероксида, а следовательно, и скорость автоинициирования. Распад гидропероксидов вызывают соединения серы, фосфора, а также разнообразные комплексы металлов, например тиофосфаты, тиокарбaматы цинка, никеля и других металлов.

Для ингибированного автоокисления часто характерны критические явления, причиной которых является автокаталитический характер реакции и упоминавшаяся выше обратная связь. Поскольку гидропероксид в ходе окисления распадается, возникают два разных режима ингибированного окисления: нестационарный и квазистационарный по гидропероксиду.

Нестационарный режим. При нестационарном режиме окисления гидропероксид устойчив и за время периода индукции t практически не распадается. Это имеет место, когда константа скорости распада kd < t -1. Очевидно, такой режим связан с условиями ингибированного окисления, равно как и со строением и реакционной способностью RH, ROOH и ингибитора. Поскольку окисление RH и расходование ингибитора взаимосвязаны, поглощение кислорода можно количественно связать с расходованием введенного ингибитора, используя следующие уравнения (vInH - скорость расходования InH):

vi = vio + k3[ROOH]  , vInH = vif                                                        (14.1)
v = k2[RH][RO·2] + k7[InH][RO·2]                                                (14.2)

Для каждого механизма ингибированного окисления можно связать [RO· 2] с [InH] и [ROOH], решив систему из двух дифференциальных уравнений, описывающих поглощение кислорода и расход ингибитора, и выразив количество поглощенного кислорода через количество израсходованного ингибитора. Например, в случае механизма, когда ключевыми являются реакции (2), (7), (-7), (8) (см. табл. 14.1), получим:

                       (14.3)

[ROOH] = 2k8[RH](fk-7/k3k7k8)1/2([InH]01/2- [InH]1/2)           (14.4)

Для каждого механизма такая связь будет иметь свой характерный вид.

В табл. 14.2 приведены формулы, связывающие глубину окисления с количеством израсходованного ингибитора. Расчет проведен для следующих условий: D [O2] = [ROOH], vi0 << k3[ROOH], механизм в течение периода индукции t не изменяется.

Таблица 14.2

Уравнения для [ROOH] = F([InH]) при окислении углеводородов в нестационарном режиме (x = [InH]/[InH]0)
 
Ключевые реакции [ROOH] a
     
2, 7
2, 3, 7, - 7, 8
2, 3,7, 8, 10 [RH]
2, 3, 7, 11
2, 3, 7, 12
2, 3, 7, 13
2, 3, 8, 14 [RH]
2, 3, 8, 15 [RH]

Поскольку vInH = vi/f, а в ходе окисления vi увеличивается, кинетика расходования ингибитора носит нелинейный характер. В начальный период окисления vInH = vi0/f, а по мере накопления гидропероксида vInH увеличивается и становится максимальной к концу периода индукции.

Квазистационарный режим. При достаточно высокой температуре или в присутствии разрушающего ROOH катализатора гидропероксид быстро распадается, и в системе устанавливается квазистационарный режим окисления по гидропероксиду, когда скорость его распада становится равной скорости образования. При этом концентрация гидропероксида в процессе окисления увеличивается, так как по мере расходования ингибитора торможение ослабевает и скорость образования ROOH нарастает. Необходимым условием квазистационарного режима ингибированного окисления является следующее неравенство: kеt>> 1, где kе- суммарный коэффициент скорости расходования ROOH по всем направлениям: распад на радикалы, распад на молекулярные продукты, распад под действием свободных радикалов. Переход от нестационарного к квазистационарному режиму связан с периодом индукции t , который зависит от ингибитора и его концентрации. Этот переход иногда носит характер резкой смены режимов автоокисления и проявляется в критических явлениях.

Критическое явление в ингибированном автоокислении углеводородов выражается в том, что при некоторой концентрации ингибитора, которая называется критической [InH]кр, происходит резкое изменение зависимости периода индукции от [InH], т.е.  производная dt/d[InH] при [InH] > [InH]кр много больше, чем при [InH] < [InH]кр.

Рассмотрим механизм ингибированного окисления с ключевыми реакциями (2) и (7). Когда In· не участвует в продолжении цепи, цепи обрываются линейно и длина цепи v не зависит от vi (см. табл. 14.1). В этом случае длина цепи n
 
                            n
= v/vi = k2[RH]/fk7[InH]. (14.5)

Рассмотрим случай длинных цепей (n >> 1). При достижении квазистационарного режима по гидропероксиду устанавливается равновесие между скоростями образования и распада ROOH ([ROOH]s - стационарная концентрация):
 
n
= kе[ROOH]s   n = v/vi   vi = vi0+k3[ROOH]s (14.6)

После подстановки и преобразования получаем (b = ki / kе):
 
[ROOH]s
= b nvi0 / k3 (1 -b n ) (14.7)

Из этой формулы следует, что квазистационарный режим устанавливается только тогда, когда bn < 1 и, следовательно, [InH] > [InH]кр,
 
[InH]кр
= b k2[RH]/fk7. (14.8)

При [InH] < [InH]кр процесс развивается нестационарно в присутствии ингибитора. Период индукции t ингибированного окисления RH при [InH] > [InH]кр можно определить как время, за которое концентрация ингибитора уменьшается от [InH]0 до [InH]кр:

                  (14.9)

В табл. 14.3 приведены уравнения для квазистационарной концентрации гидропероксида ROOH, длины цепи n и периода индукции t ингибированного окисления RH в квазистационарном режиме.

Таблица 14.3

Ингибированное окисление углеводородов в квазистационарном режиме. Уравнения для длины цепи n, [InH]кр и [ROOH]кр.
 
Ключевые
реакции
n [InH]кр [ROOH]кр
       
2, 3, 7
2, 3, 7, 8, 10 b -1 -
2, 3, 7, - 7, 8
2, 3, 7, 11
2, 3, 7, 12
2, 3, 7, 13
2, 3, 7, 8, 14 -
2, 3, 7, 8, 15 -

14.4. Многократный обрыв цепей на ингибиторах окисления.

В некоторых системах одна молекула ингибитора может обрывать большое число цепей (f >>2 ). Это наблюдается, когда по реакции активного центра (R· или RO· 2) с продуктом превращения ингибитора (In· ) снова образуется исходный ингибитор или ингибитор действует каталитически, переводя активный RO· 2 в малоактивный радикал.

1. В окисляющихся спиртах (первичных и вторичных) образуются гидроксипероксильные радикалы, обладающие восстановительным действием. В присутствии ингибиторов (ароматических аминов AmH ) возникают циклические реакции обрыва цепей с участием аминильных и нитроксильных радикалов:

>C(OH)OO· + HАm ® >C(OH)OOH + Am· ,

>C(OH)OO· + Am·® AmH + O2 + >C=0

>C(OH)OO· + Am·® >C(OH)O· + AmO·

>C(OH)OO· + AmO·® AmOH + O2 + O=C<

>C(OH)OO· + AmOH ® >C(OH)OOH + AmO·

Аналогичные реакции протекают при введении ароматических аминов в окисляющиеся алифатические амины, пероксильные радикалы которых также обладают восстановительным действием.

2. Хиноны Q и иминохиноны тормозят окисление спиртов, вступая с пероксильными радикалами в циклические реакции:

>C(OH)OO· + Q ® >C=О + O2 + · QH

>C(OH)OO· + · QH ® >C(OH)OOH + Q

Многократный обрыв на хинонах наблюдается и в окисляющемся полипропилене, где при распаде блочных гидропероксильных групп образуется H2O2 , из него по обменной реакции образуются радикалы HO2·, которые и восстанавливают хинон в семихинонный радикал. Аналогичная ситуация наблюдается при окислении циклогексадиена, которое протекает с участием HO2·радикалов.

3. Соли металлов переменной валентности при окислении спиртов и аминов - типичные отрицательные катализаторы (f®Ґ ):

>C(YH)OO· + Mn+ ® >C(YH)OO- + Mn+1,

>C(YH)OO· + Mn+1®>C=Y + O2 + H+ + Mn+

4. Стабильные нитроксильные радикалы (>NO· ) многократно обрывают цепи при окислении полимеров, что лежит в основе высокой эффективности стерически затрудненных аминов как светостабилизаторов. Известны три механизма циклического обрыва цепей с участием нитроксильных радикалов:

Первый:

>NO· + R·® >NOR

>NOR + RO2· ®ROOH + >NO· + Олефин
 
 

Второй:

>NOR Ы (NO·+ R· ) ® >NOH + Олефин

>NOН + RO2·® >NO· + ROH

Третий:

R(OOH)2 ® H2O2 + Пероксид

H2O2 + RO2·® ROOH + HO2·

>NO· + HO2·®>NOH + O2

>NOH + RO2· ® >NO· + ROOH

6. Многократный обрыв цепей в окисляющихся углеводородах с участием стабильного нитроксильного радикала обеспечивает трехкомпонентная система: нитроксильный радикал + пероксид водорода + кислота (НА). Важную роль в этом механизме выполняет кислота. Механизм действия следующий (RH - углеводород):

>NO· + НA Ы >NOH+·+ A-,

>NOH+· + RO2·® ROOH + >NO+

>NO+ + H2O2 ® >NOH + O2 + H+

>NOH + RO2· ® >NO· + ROOH

В этой системе нитроксил и кислота выступают как катализаторы, а H2O2 расходуется. Аналогичный циклический механизм обрыва цепей реализуется при введении в окисляющийся углеводород системы: спирт + нитроксил + кислота, а также системы: пероксид водорода + хинонимин + кислота.

14.5. Ингибиторы окисления, разрушающие гидропероксиды.

При автоокислении органических соединений главным источником свободных радикалов являются образующиеся в реакции гидропероксиды. Отсюда следует, что скорость автоокисления можно замедлить, если снизить концентрацию гидропероксида путем его разрушения. При этом следует иметь в виду, что возможны два принципиально разных направления распада ROOH: гомолитический и гетеролитический. Первый приводит к образованию свободных радикалов, и поэтому интенсификация гомолитического распада только ускорит окисление. Наоборот, гетеролитическое превращение ROOH в молекулярные продукты (молекулярный распад) снизит концентрацию гидропероксида и соответственно скорость его распада на радикалы.

Фосфорорганические ингибиторы Среди разнообразных фосфорорганических соединений нашли применение как ингибиторы окисления арилфосфиты. Фосфиты достаточно быстро окисляются гидропероксидами до фосфатов по реакции:

R'OOH + P(OR)3 ® R'OH+ O=P(OR)3

Реакция протекает со стехиометрией 1:1 . Лишь иногда стехиометрия несколько отличается от этого. Так, например, кумилгидропероксид окисляет трифенилфосфит в стехиометрическом соотношении от 1,02:1 до 1,07:1 в зависимости от соотношения реагентов. Реакция протекает бимолекулярно, триалкилфосфиты реагируют с ROOH быстрее, чем с арилфосфитами, энеригия активации зависит от структуры фосфита и изменяется в интервале 25-77 кДж/моль. Строение гидропероксида слабо отражается на скорости его реакции с фосфитом.

Серосодержащие соединения. Серосодержащие соединения используются как составная часть антиокислительных присадок к полимерам и смазочным материалам. Механизм их тормозящего интенсивно изучался в 70-х годах и оказался достаточно сложным. Центральное место в этом механизме занимает реакция таких соединений с гидропероксидами. Г.Денисон в 1945г. первый показал, что диалкислсульфиды окисляются гидропероксидами до сульфоксидов, а последние - до сульфонов:

RSR + ROOH ® RS(O)R + ROH

RS(O)R + ROOH ® RSO2R + ROH,

а гидропероксид восстанавливается до спирта. В присутствии спиртов и кислот реакция протекает бимолекулярно, предполагается каталитическое участие кислоты.

14.6. Синергизм действия ингибиторов окисления.

Механизм воздействия ингибиторов на окисление органических соединений разнообразен. Ингибиторы обрывают цепи по реакциям с RO2·или с R·. Образующиеся из них радикалы неактивны или участвуют в продолжении цепи по реакциям с ROOH и RH; в ряде случаев возникакают циклические реакции обрыва цепей. Ингибитор может восстанавливать гидропероксид или каталитически его разрушать. Поэтому при введении в окисляемый углеводород (или другое соединение) двух или более ингибиторов возникают самые разные механизмы их взаимного тормозящего действия.

По своему воздействию на окислительный процесс все случаи торможения смесями ингибиторов можно свести к следующим трем: аддитивное действие, когда тормозящее действие смеси равно сумме тормозящих воздействий каждого из компонентов, антагонизм, когда ингибиторы мешают друг другу, и синергизм, когда действие смеси больше, чем сумма тормозящих воздействий компонентов.

В лабораторной практике давно сложился способ сравнения тормозящего действия разных ингибиторов и их смесей по длительности тормозящего действия - периоду индукции t , который равен отрезку времени от начала опыта до поглощения определенного количества кислорода или достижения определенной хорошо измеряемой скорости окисления. Поэтому три разных случая воздействия ингибиторов на автоокисление RH можно выразить следующими неравенствами
( tе- период индукции, вызванный введением нескольких ингибиторов, а ti - одним i-ым ингибитором):
 
Синергизм Аддитивность Антагонизм
t е > е t i t е = е t i t  е = е t i

Если принять за основу характер взаимодействия ингибиторов и образующихся из них продуктов, который приводит к синергизму, то исследованные системы можно разделить на следующие три группы:

1. Один ингибитор обрывает цепи, второй снижает скорость автоинициирования, разрушая ROOH или дезактивируя катализатор, деструктирующий ROOH на радикалы.

2. Два исходных вещества (ингибитора или не ингибитора), реагируя, образуют эффективный ингибитор.

3. Промежуточные продукты превращения ингибиторов, взаимодействуя, усиливают тормозящее действие друг на друга.

1. Совместное введение ингибитора, обрывающегося цепи, и вещества, разрушающего гидропероксиды, широко используют для более эффективного торможения окислительных процессов в полиолефинах, каучуках, смазочных маслах и других материалах. В качестве акцептора RO2·применяют разнообразные фенолы, бисфенолы, ароматические амины, а для разрушения ROOH вводят арилфосфиты, эфиры тиопропионовой кислоты, диалкилдитиопропионаты, тиофосфаты цинка и никеля и другие аналогичные соединения. Обычно измеряют период индукции окисляющегося субстрата при введении смесей ингибиторов с различным соотношением компонентов и находят такое соотношение, которое вызывает наиболее длительное торможение.

Введение в окисляющийся RH вещества S, разрушающего ROOH, естественно, снижает текущую концентрацию ROOH. Это не отражается на скорости окисления, если источник радикалов - инициатор, не взаимодействующий с S, свет или излучение, но вызывает замедление автоинициированиеяпроцесса окисления, когда главный источник радикалов - гидропероксид. Начальная стадия автоокисления в отсутствие акцептора RO2·описывается параболическим временным законом:

D [O2]1/2 = bt, где b = 0.5 k2k31/2k6 - 1/2[RH]               (14.10)

Введение S меняет ситуацию: из-за распада ROOH с самого начала возникает расхождение между поглощенным кислородом и [ROOH]. Если S разрушает гидропероксид только молекулярным путем по бимолекулярной реакции со скоростью vROOH = ks[ROOH][S] и гибель одной молекулы S приводит к гибели fs молекул ROOH, то в этом случае скорость накопления ROOH

d[ROOH]/dt = a[RH](vi0 + k3[ROOH])1/2- (kе + ks[S])[ROOH]               (14.11)

При очень интенсивном разрушении гидропероксида за время t ~ (k s[S]0 )-1устанавливается квазистационарный режим окисления с квазистационарной концентрацией [ROOH]s, равной

                (14.12)

Обычно скорость зарождения цепей vi0 очень мала, так что

                   (14.13)

если ингибитора S введено так много, что k[S] >> kе . Период индукции, вызванный введением S, сли его определить как время, за которое S уменьшится до концентрации [S]t = kе / ks, равен:

          (14.14)

При введение ингибитора в концентрации [S]0 >> kе / ks выражение упрощается:

                    t s » fsks[S]02 / 2a2k23kе[RH]2                                                 (14.15)

Период торможения в этом случае тем больше, чем больше ks и fs, и t ~ [S]02. Очевидно, что замедление окисления при введении S проявится при введении достаточно высокой концентрации [S]0 > kе/ ks. Если разрушение ROOH ингибитором S идет настолько быстро, что [ROOH]s < vi0 / k23, то в течение периода индукции количество образовавшейся (и разрушенной) за период индукции ROOH равно n vi0, а сам период индукции t s = fs[S]0 / n х vi0. Таким образом, даже в этом наиболее благоприятном режиме S расходуется в n раз быстрее, чем генерируются свободные радикалы. Для сравнения можно напомнить, что высокоэффективный акцептор RO2· в аналогичных условиях будет расходоваться со скоростью ni0 /f и t0 = f[InH]0 / vi0.

Отсюда следует, что ингибитор S будет тормозить окисление, если оно протекает цепным путем (n > 1) и главным инициирующим агентом является образующийся гидропероксид (k3[ROOH] > vi0). Заметное торможение окисления будет наблюдаться при введении такого количества ингибитора, когда ks [S]0 > kе. Есть еще одно существенное обстоятельство. Практически все вещества, реагирующие с ROOH, разрушают его как гетеролитически (константа ks), так и гомолитически (константа ksi). Тормозящее, а не инициирующее действие будет проявляться тогда, когда

b s = ksi / ks << k3 / kе= b , (14.16)

т.е. доля гомолиза ROOH по реакции с S много меньше его самопроизвольного гомолиза в условиях окисления.

Синергизм, обусловленный взаимодействием промежуточных продуктов ингибиторов. Синергизм наблюдается при введении в углеводород бинарных смесей некоторых фенолов и ароматических аминов. Он связан со взаимодействием ингибиторов и образующихся из них радикалов. При совместном введении фенил-N-b -нафтиламина и 2,6-ди-трет-бутилфенола в окисляющийся этилбензол сначала расходуется фенол, и только после его исчезновения начинает расходоваться амин, хотя RO2·с амином реагирует быстрее [k7 = 1,3 ґ 105л/(моль с), 333 К], чем с фенолом [k7 = 1,3 ґ 104л/(моль с), 333 К] . Обусловлено это явление быстро устанавливающимся равновесием:

Am· + HOAr Ы AmH + ArO·

Оно сдвинуто вправо, если DN-H > DO-H . Например, константа расновесия реакции дифениламинильного радикала с 2,4,6-три-трет-бутилфенолом в CCl4 при 348 К равна (5 ± 1) ґ 103. В общем случае - RTInK = D H = DO-H -DN-H. Это равновесие при совместном введении амина и фенола снижает концентрацию аминильных радикалов, если DO-H < DN-H. Аминильные радикалы продолжают цепь по реакции с RООH, а образующиеся из фенола стерически затрудненные феноксилы не участвуют в продолжении цепи и погибают только по реакции с RO2·, что и приводит к синергизму при автоокислении углеводорода.

Синергизм обнаружен и при совместном введении двух фенолов, один из которых обязательно 2,6-ди-трет-бутилфенол. Так, инициированное окисление 9,10-дигидроантрацена почти не тормозит 2,4,6-три-трет-бутифенол (10-4 моль/л при 333 К), но пара-метоксифенол в такой же концентрации тормозит окисление. Период индукции удваивается, если ввести оба фенола в одинаковой концентрации, т.е. в обрыве цепей участвуют оба фенола, если они введены вместе. Это обьясняется быстрой обменной реакцией:

Ar1O· + HOAr2Ы Ar1OH + Ar2O·

14.7. Биоантиоксиданты.

Нормальный метаболизм в живом организме продуцирует активные свободные радикалы, такие как супероксид - радикал ·O2-, гидропероксильный радикал HO2·, гидроксильный радикал HO· , а также такой активный окислитель и источник радикалов как H2O2. Эти частицы генерируются также такими внешними источниками как свет, радиация, смог и сигаретный дым. Свободные радикалы вызывают окисление липидов в клеточных мембранах и липопротеинов. Окислительное повреждение низкомолекулярных липопротеинов играет важную роль в развитии таких патологических процессов как атеросклероз, рак и ревматоидные артриты.

Радикалы HO· и HO2· возникают из пероксида водорода.
 
H2O2 + Fe(II)
® HO· + Fe(III) + HO-  
HO· + H2O2
® H2O + HO2·  

Гидроксильные радикалы очень активны и быстро реагируют с разнообразными субстратами. В частности, они реагируют с ДНК и являются главными агентами, вызывающими ее повреждение. Они также инициируют окисление липидов, которое затем протекает как цепная реакция, подобная окислению углеводородов (см. Лекцию 11).

Для защиты от вредного действия агентов - окислителей организм синтезирует биоантиоксиданты: протеины, имеющие антиоксидантные группы, и низкомолекулярные антиоксиданты. Реализуется многоуровневая защита организма от агентов - окислителей.

Во-первых, существуют ферменты, каталитически разрушающие H2O2, такие как каталаза, аскорбат-пероксида и глутатион - редуктаза. Каталаза удаляет H2O2 очень эффективно в соответствии со следующей стехиометрией реакции:
 
H2O2 + H2O2
® 2H2O + O2  

Во-вторых, супероксид - ион ·O2-эффективно удаляется супероксидисмутазой (SOD), которая катализирует диспропорционирование ·O2-по реакциям:
 
· O2-+ Cu(II) - SOD ® O2 + Cu(I) - SOD   
· O2-+ Cu(I) - SOD ® O22-+ Cu(II) - SOD   
· O22-+ 2 H3O+ ® H2O2 + 2 H2O  

Комбинированное действие каталазы и SOD превращает ·O2-и H2O2 в воду и кислород, предотвращая, таким образом, появление такой очень активной и токсической частицы, как гидроксильный радикал.

В-третьих, в организме присутствуют низкомолекулярные водорастворимые антиоксиданты. К ним относятся: мочевая кислота, аскорбиновая кислота и биллирубин. Они содержатся в плазме крови в концентрациях (в м моль л - 1):
 
Мочевая кислота Аскорбиновая кислота Биллирубин
160 - 450 30 - 150 5 - 20

В-четвертых, антиокислительный процесс в липидах тормозят липидо-растворимые антиоксиданты, а именно: a- токоферол, убихинол - 10, ликопен, b- каротин и лутеин. Их концентрация в плазме в ликопротеин-связанной форме равна (в м моль л - 1):
 
a - Токоферол Убихинол - 10 Ликопен b - Каротин Лутеин
15- 40 0.4- 1.0 0.5- 1.0 0.3- 0.6 0.1- 0.3

В пятых, в дополнение к низкомолекулярным антиоксидантам антирадикальной активностью обладают и белки, такие как альбумин, трансферрин, лактоферрин, церулоплазмин, гаптоглобин и гемопексин.

Механизм ингибирующего действия акцепторов свободных радикалов (InH) в окисляющихся липидах (LH) подобен таковому в окисляющихся углеводородох и включает следующие реакции (АН - аскорбиновая кислота):
 
LO2·+ InH ® LOOH + In·  
In· + AH ® InH + A·  
AH + H2O Ы A- +H3O+  
In· + A- ® In- + A·  
In- +H3O+ Ы InH +H2O  
A· + A· Ы Продукты диспропорционирования  

Интегральная емкость антиоксидантов как акцепторов радикалов (f) и их вклад в торможение окисления в плазме распределяется следующим образом:
 
a - Токоферол Аскорбиновая кислота Мочевая кислота Протеин - тиолы
f = 2.0 f = 1.7 f = 1.3 f = 0.3
7 % 14 % 58 % 21 %

Константы скорости реакций с участием a- токоферола, его феноксильного радикала и аскорбиновой кислоты см. в Таблице 14.4.

Таблица 14.4.

Константы скорости реакций с участием a- токоферола (InH), его феноксильного радикала (In· ) и аскорбиновой кислоты АН.
 
Реакция Растворитель T/K k/л моль-1с-1
       
RO2·+ InH ® ROOH + In· Этилбензол 310 3.6 ґ 106
RO2·+ InH ® ROOH + In· Стирол 303 3.2 ґ 106
HO2·+ InH ® H2O2 + In· Этанол 298 2.0 ґ 105
CH3O2·+ A- ®CH3O2-+ A· Вода 295 1.7 ґ 106
In· + A- ®In- + A· Вода 298 1.5 ґ 106
In· + In· ® Продукты Бензол 323 2.0 ґ 103

Литература


1. Denisov, E. T., Denisova, T. G., Handbook of Antioxidants, CRC Press, New York, 2000.
2. Landberg, W. O., Ed., Autooxidation and Antioxidants,  Interscience, New York, 1962, Vol. 1, 2.
3. Scott, G., Ed., Atmospheric Oxidation and Antioxidants, Vol. 1-3, Elsevier, Amsterdam, 1993. 
4. Денисов Е. Т., Саркисов О. М., Лихтенштейн Г. И., Химическая кинетика, Химия, Москва, 2000.
5. Денисов Е. Т., Азатян В. В., Ингибирование цепных реакций, ИХФ РАН, Черноголовка, 1997.
6. Эмануэль Н. М., Заиков Г. Е., Майзус З. К., Роль среды в радикально-цепных реакциях окисления органических соединений, Наука, Москва, 1973.
7. Денисов Е. Т., Ковалев Г. И., Окисление и стабилизация реактивных топлив, Химия Москва, 1983.
8. Рогинский В. А., Фенольные антиоксиданты. Реакционная способность и эффективность, Наука, Москва, 1988.
9. Denisov, E. T., Khudyakov, I. V., Mechanism of action and reactivity of the free radicals of inhibitors, Chem. Rev., 87, 1313, 1987.
10. Денисов Е. Т., Циклические механизмы обрыва цепей в реакциях окисления органических соединений, Успехи химии, 1996, Т. 65, С. 547.