Effect of 5-Hydroxy-6-methyluracil and Ascorbic Acid on the Radical-Chain Oxidation of Tetrahydrofuran

L. R. Yakupova; Якупова Л. Р.; R. A. Nasibullina; Насибуллина Р. А.; A. R. Migranov; Мигранов А. Р.; A. R. Gimadieva; Гимадиева А. Р.; Y. Z. Khazimullina; Хазимуллина Ю. З.; R. L. Safiullin; Сафиуллин Р. Л.

doi:10.31857/S0453881124050073

Влияние 5-гидрокси-6-метилурацила и аскорбиновой кислоты на радикально-цепное окисление тетрагидрофурана

Авторы: Якупова Л.Р.¹, Насибуллина Р.А.¹, Мигранов А.Р.¹, Гимадиева А.Р.¹, Хазимуллина Ю.З.¹, Сафиуллин Р.Л.¹
Учреждения:
1. Уфимский Институт химии – обособленное структурное подразделение ФГБУН УФИЦ РАН
Выпуск: Том 65, № 5 (2024)
Страницы: 576-583
Раздел: ПАМЯТИ ОЛЕГА НАУМОВИЧА ТЕМКИНА
URL: https://journal-vniispk.ru/0453-8811/article/view/284007
DOI: https://doi.org/10.31857/S0453881124050073
EDN: https://elibrary.ru/QVFSWB
ID: 284007

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изучено влияние 5-гидрокси-6-метилурацила, 5-гидрокси-3,6-диметилурацила и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацила на радикально-цепное окисление тетрагидрофурана. Найдено, что соединения являются ингибиторами радикально-цепного процесса. Эти производные урацила взаимодействуют с пероксильным радикалом тетрагидрофурана с константой скорости k₇ = (0.8÷1.2) × 10⁴ л моль^–1 с^–1. Измерен стехиометрический коэффициент ингибирования f = (0.9÷1.4). Рассмотрено влияние аскорбиновой кислоты на антиоксидантные свойства метилированных производных 5-гидроксиурацила. При совместном действии 5-гидроксиурацила и аскорбиновой кислоты наблюдается значительное снижение начальной скорости окисления, характерное для ингибирования только аскорбиновой кислотой. Экспериментально наблюдаемый индукционный период численно равен сумме индукционных периодов урацила и аскорбиновой кислоты, при условии, что стехиометрический коэффициент ингибирования для аскорбиновой кислоты равен 1. Измерена эффективная константа скорости ингибирования (k₇ × 10⁴, л моль^–1 с^–1) при совместном действии аскорбиновой кислоты и 5-гидрокси-6-метилурацила (8.1 ± 0.6), 5-гидрокси-3,6-диметилурацила (8.8 ± 1.1) и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацила (7.5 ± 0.6). Предположено, что в начальном периоде снижение скорости окисления происходит преимущественно за счет реакции аскорбиновой кислоты с пероксильными радикалами тетрагидрофурана.

Ключевые слова

радикально-цепное окисление, тетрагидрофуран, 2,2’-азо-бис-изобутиронитрил, 5-гидрокси-6-метилурацил, аскорбиновая кислота, эффективная константа скорости реакции, индукционный период

Полный текст

Сокращения и обозначения: k_i – константа скорости инициирования; k₁ и k₂ – константы скорости продолжения цепи; k₆ – константа скорости обрыва цепи окисления по реакции рекомбинации пероксильных радикалов; k₇ – константа скорости ингибирования; τ – индукционный период; f – стехиометрический коэффициент ингибирования; RH – окисляемый субстрат (тетрагидрофуран, ТГФ); R^•, RO₂^•– алкильный и пероксильный радикалы, образующиеся из тетрагидрофурана; АИБН – 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил; AscH – аскорбиновая кислота (витамин С); ОМУ – 5-гидрокси-6-метилурацил; ОДМУ – 5-гидрокси-3,6-диметилурацил; ОТМУ – 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил.

ВВЕДЕНИЕ

Пиримидиновые основания широко распространены в природе, являясь, в частности, структурными элементами нуклеиновых кислот. Это малотоксичные соединения, которые применяются в медицине. 5-Гидрокси-6-метилурацил (оксиметилурацил, 2,4-диоксо-5-гидрокси-6-метил-1,2,3,4-тетрагидропиримидин) известен как лекарственное средство широкого спектра действия [1, 2]. Помимо того, что 5-гидрокси-6-метилурацил обладает противовоспалительным и регенерирующим свойствами [2], он еще представляет собой ингибитор радикально-цепного окисления углеводородов [3–5]. Константа скорости реакции его с пероксильными радикалами 1,4-диоксана при температуре 333 К составляет 5 × 10⁴ л моль^-1 с^-1. На примере 5-амино-6-метилурацила было показано, что путем введения метильных заместителей в положения 1 и 3 урацилового цикла антиоксидантную активность соединения можно увеличить [6, 7]. К тому же это повышает растворимость данного урацила. С целью улучшения свойств лекарственной формы 5-гидрокси-6-метилурацила применяются комплексы его с органическими кислотами. Установлено, что янтарная кислота (ЯК) способствует возрастанию биологической активности 5-гидрокси-6-метилурацила (ОМУ) [8]. При этом было найдено, что стехиометрический коэффициент ингибирования, измеренный для комплекса ЯК–ОМУ, составляет 1.6, тогда как для индивидуальной молекулы ОМУ он равен 1 [9]. Комплекс аскорбиновой кислоты с ОМУ проявляет антигипоксическую активность [10]. Однако действие этой кислоты на константу скорости реакции ОМУ с пероксильными радикалами не рассматривалось. В связи с вышеизложенным было весьма актуально измерить константу скорости реакции 5-гидрокси-6-метилурацила и его производных с пероксильными радикалами и рассмотреть влияние на этот параметр аскорбиновой кислоты. Для генерации пероксильных радикалов может быть использована модельная реакция инициированного окисления тетрагидрофурана. Данная система позволяет также проводить процесс в присутствии аскорбиновой кислоты.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тетрагидрофуран (ТГФ) (“Х.Ч.”, АО “ЭКОС-1”), 2,2’-азо-бис-изобутиронитрил (АИБН) (“Реахим”) очищали и хранили как описано в работе [11]. Аскорбиновую кислоту (AscH) (ООО “Компонент Реактив”) трижды промывали свежеперегнанными спиртом и затем ацетоном, сушили на воздухе, хранили при пониженной температуре. Степень чистоты контролировали по УФ-спектру в растворе бидистиллята [11]. 5-Гидрокси-6-метилурацил (ОМУ), 5-гидрокси-3,6-диметилурацил (ОДМУ), 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил (ОТМУ) получены по методике, представленной в работах [12, 13]. Структурная формула урацилов представлена на схеме 1.

Схема 1. Структурная формула исследованных урацилов.

Окисление тетрагидрофурана кислородом воздуха осуществляли при температуре 309 К. Кинетические опыты проводили в стеклянном реакторе, в который загружали тетрагидрофуран, перемешивали, насыщая кислородом воздуха, и затем добавляли раствор АИБН в тетрагидрофуране. Измеряли скорость окисления и затем добавляли 5-гидрокси-6-метилурацил и его производные в виде раствора в тетрагидрофуране. Аскорбиновую кислоту добавляли в виде раствора в бидистилляте. За поглощением кислорода следили с помощью универсальной манометрической дифференциальной установки [14]. Скорость поглощения кислорода в жидкой фазе находили по методике, описанной в работе [15]. Объем газовой фазы составлял 25–27 мл, объем реакционной смеси – 5–7 мл. Концентрацию кислорода в жидкой фазе вычисляли с учетом коэффициента Генри для 1,4-диоксана (6.28 × 10^–3 моль л^–1 атм^–1 [16]).

Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре UV-365 (“Shimadzu”, Япония) в области 220–350 нм с использованием кварцевых кювет толщиной 1 см.

В качестве инициатора окисления применяли 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил (АИБН). Скорость инициирования для АИБН рассчитывали по формуле: w_i = k_i[АИБН], где k_i – константа скорости инициирования, [АИБН] – концентрация инициатора. Константа скорости инициирования для АИБН в тетрагидрофуране k_i = 3.9 × 10^–7 с^–1 [17].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Радикально-цепное окисление тетрагидрофурана, инициированное АИБН, протекает по схеме 2 [17]:

Схема 2. Механизм жидкофазного радикально-цепного окисления тетрагидрофурана.

Добавление ОМУ в ходе радикально-цепного окисления тетрагидрофурана приводит к снижению скорости поглощения кислорода (w) (рис. 1, кинетическая кривая 2). Для количественного измерения антиоксидантной активности исследуемого соединения строили зависимость w от начальной концентрации ОМУ, которую обрабатывали в координатах уравнения (1) [18]:

$F = w_{0} w^{- 1} - w {(w_{0})}^{- 1} = f k_{7} [InH] {(2 k_{6} w_{i})}^{- 0.5},$ (1)

где w_i – скорость инициирования, которая задается концентрацией инициатора (моль л^–1с^–1), F – степень тормозящего действия ингибитора; f – стехиометрический коэффициент ингибирования; [InH] – начальная концентрация ОМУ (моль/л); w₀ и w – начальные скорости поглощения кислорода в отсутствие и в присутствии ингибитора соответственно (моль л^–1с^–1).

Рис. 1. Кинетические зависимости поглощения кислорода в ходе окисления ТГФ: без добавления ингибитора (1); [ОМУ] = 1.2 × 10–4 моль/л (2); [AscH] = 1.2 × 10–4 моль/л (3); [ОМУ] = 1.2 × 10–4 моль/л, [AscH] = 1.2 × 10–4 моль/л (4). Условия реакции: wi = 4.0 × 10–8 моль л1 с1, [ТГФ] = 12.3 моль/л, 309 К.

Полученные значения начальной скорости окисления ТГФ в присутствии ОМУ приведены в табл. 1. В результате была найдена эффективная константа скорости реакции ОМУ с пероксильными радикалами ТГФ fk₇ = (1.1 ± 0.1) × × 10⁴ л·моль^–1с^–1. При расчете принимали 2k₆ = 7.53 × 10⁷ л·моль^–1с^–1. Это значение было рассчитано для 303 К [17]. Так как данный параметр слабо зависит от температуры, при расчете его использовали в виде (2k₆)^0.5, то было предположено, что оно применимо и при температуре 309 К.

Длительность индукционного периода определяли интегральным методом в соответствии с уравнением (2) [19]:

$τ = \int_{0}^{\infty} (1 - {(\frac{w}{w_{0}})}^{2}) d t$ , (2)

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

Полученные значения длительности индукционного периода приведены в табл. 1. Из зависимости τ от [ОМУ] с учетом уравнения (3) найден стехиометрический коэффициент ингибирования f = 0.9 ± 0.1.

$τ = f [InH] / w_{i} .$ (3)

Таблица 1. Зависимость скорости окисления ТГФ и длительности индукционного периода от начальной концентрации производных 5-гидроксиурацила*

[InH] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^–1 с^–1	τ, с
5-гидрокси-6-метилурацил
0	10.0	0
5.3	7.7	2246
8.0	7.6	2434
16.0	4.5	6179
10.7	6.3	3858
32.0	3.5	12983
5-гидрокси-3,6-диметилурацил
5.3	9.4	–
10.7	6.2	6864
16.0	4.8	7210
21.3	1.8	12179
5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил
4.0	8.6	1014

8.0	6.4	3651
12.0	5.7	10668
20.0	4.2	9914
28.0	3.7	14933

*Условия реакции: [ТГФ] = 9.9 моль/л, w_i = 2.3 × × 10^-8 моль л^–1 с^–1, 309 К.

Прочерк означает, что опыт не провели до выхода из индукционного периода.

Введение 5-гидрокси-3,6-диметилурацила (ОДМУ) и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацила (ОТМУ) в окисляющийся тетрагидрофуран также ведет к снижению скорости поглощения кислорода. Значения скорости окисления w и индукционного периода в зависимости от концентрации исследуемых соединений приведены в табл. 1. Экспериментальные данные были обработаны по той же схеме, что была применена для 5-гидрокси-6-метилурацила (ОМУ). Из результатов, которые представлены в табл. 2, следует, что 5-гидрокси-6-метилурацил, 5-гидрокси-3,6-диметилурацил и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацил являются ингибиторами окисления тетрагидрофурана с константой скорости fk₇ = (1.2 ± ± 0.2) × 10⁴ л·моль^–1с^–1 и стехиометрическим коэффициентом ингибирования, равным 0.9 ± ± 0.1, 1.3 ± 0.2 и 1.4 ± 0.2 соответственно. Отнести их следует к ингибиторам средней силы.

Таблица 2. Зависимость эффективной константы скорости ингибирования и стехиометрического коэффициента f от строения 5-гидроксиурацила*

InH	fk₇ × 10⁴, л·моль^–1с^–1	f	k₇ × 10⁴, л·моль^–1с^–1
ОМУ	1.1 ± 0.1	0.9 ± 0.1	1.2 ± 0.1**
ОДМУ	1.2 ± 0.2	1.3 ± 0.2	1.0 ± 0.2**
ОТМУ	1.2 ± 0.1	1.4 ± 0.2	0.8 ± 0.1**

*Условия реакции: [ТГФ] = 9.9 моль/л, w_i = 2.3 × × 10^-8 моль л^–1 с^–1, 309 К.

**Найдено из соотношения fk₇/f.

Для изучения влияния аскорбиновой кислоты на антиоксидантные свойства исследуемых 5-гидроксиурацилов ингибированное окисление тетрагидрофурана проводили в присутствии обоих ингибиторов. Результаты приведены в табл. 3–5.

Таблица 3. Зависимость скорости окисления ТГФ и длительности индукционного периода от начальных концентраций 5-гидрокси-6-метилурацила и аскорбиновой кислоты*

[AscH] = 5.3 × 10^–5 моль/л				[ОМУ] = 5.3 × 10^–5 моль/л
[ОМУ] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^-1 с^-1	τ, с	τ_расч**, с	[AscH] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^–1 с^–1	τ, с	τ_расч**, с
0	10	–	2304	0	7.7	2246	2166
4.0	8.4	2149	3939	2.7	3.2	3970	3340
5.3	7.2	4353	4470	5.3	1.8	6413	4470
5.3	6.7	4181	4470	7.9	1.3	5411	5601
8.0	4.0	4951	5574	10.6	0.9	8580	6775
10.9	3.1	8996	6759	13.2	0.9	8695	7905
15.9	2.6	10473	8803	16.0	2.6	9680	9123
21.2	1.3	16147	10969	53.1	1.8	–	25253

*Условия реакции: [ТГФ] = 9.8 моль/л, w_i = 2.3 × 10^–8 л моль^–1 с^–1, 309 К.

**τ_расч = 0.94 × [InH]/w_i + [AscH]/w_i.

Прочерк означает, что опыт не провели до выхода из индукционного периода.

Таблица 4. Зависимость скорости окисления ТГФ и длительности индукционного периода от начальных концентраций 5-гидрокси-3,6-диметилурацила и аскорбиновой кислоты*

[AscH] = 2.6 × 10^–5 моль/л				[ОДМУ] = 5.3 × 10^–5 моль/л
[ОДМУ] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^-1 с^-1	τ, с	τ_расч**, с	[AscH] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^–1 с^–1	τ, с	τ_расч**, с
5.3	8.5	3822	4034	0	9.4	–	2903
7.9	7.6	7551	5458	2.6	6.0	3822	4034
10.5	5.0	10046	6883	4.0	2.8	6632	4643
15.8	2.4	13597	9786	5.3	2.6	7910	5208
21.1	2.2	13256	12690	7.9	1.6	8343	6338
				10.5	1.6	8881	7469
				13.2	1.5	10256	8643

*Условия реакции: [ТГФ] = 9.8 моль/л, w_i = 2.3 × 10^–8 моль л^–1 с^–1, 309 К.

**τ_расч = 1.26 × [InH]/w_i + [AscH]/w_i.

Прочерк означает, что опыт не провели до выхода из индукционного периода.

Таблица 5. Зависимость скорости окисления ТГФ и длительности индукционного периода от начальных концентраций 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацила и аскорбиновой кислоты

[AscH] × 10^–5, моль/л	w × 10^–7, моль л^–1 с^–1	τ, с	τ_расч*, с
[ОТМУ] = 7.9 × 10^–5 моль/л, w_i =2.3× 10^–8 моль л^–1 с^–1, [ТГФ] = 9.8 моль/л, 309 К
0	6.4	4407	4912
2.6	5.8	4110	6042
5.3	1.0	6520	7216
7.9	1.2	6338	8347
10.5	1.2	7334	9477
[ОТМУ] = 1.2 × 10^–4 моль/л, w_i = 4.0 × 10^–8 моль л^–1 с^–1, [ТГФ] = 12.3 моль/л, 309 К
0	12.3	3358	4290
1.8	7.3	5212	4740
3.0	5.2	5956	5040
6.0	3.5	6153	5790
11.9	4.7	7906	7265
17.9	4.5	8480	8765
23.9	2.2	13028	10265
29.8	2.8	13502	11740

*τ_расч = 1.43 × [InH]/w_i + [AscH]/w_i.

На рис. 1 показаны кинетические зависимости поглощения кислорода при окислении тетрагидрофурана без ингибитора, с 5-гидрокси-6-метилурацилом, с аскорбиновой кислотой. Там же для сравнения приведена зависимость поглощения кислорода при совместном присутствии обоих ингибиторов (кинетическая кривая 4). Видно, что начальный участок кинетической кривой 4 совпадает с начальным участком кинетической кривой 3 окисления тетрагидрофурана, ингибированного только аскорбиновой кислотой. Второй участок кинетической кривой 4 по своему виду схож с кинетической кривой 2 окисления ТГФ, ингибированного только 5-гидрокси-6-метилурацилом. Такая же закономерность наблюдается и для 5-гидрокси-3,6-диметилурацила и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацила. Выдвинуто предположение, что при совместном присутствии урацила и кислоты на начальном этапе окисление подавляется преимущественно за счет аскорбиновой кислоты.

Как следует из табл. 3–5, экспериментальный индукционный период равен расчетному при условии, что стехиометрический коэффициент ингибирования (f) для аскорбиновой кислоты принят равным 1.

Согласно литературным данным, значение f для аскорбиновой кислоты составляет 0.6 [11]. Это объясняется тем, что образующийся из аскорбиновой кислоты радикал окисляется кислородом (реакция VIII). Эта реакция дает гиропероксильный радикал, который участвует в продолжении цепи окисления [20]. В результате снижается параметр f.

На основании полученных нами экспериментальных данных было сделано предположение, что формирующийся из аскорбиновой кислоты радикал не окисляется кислородом (реакция VIII), а регенерирует радикал, образующийся из урацила (реакция IX). Возможно, это приводит к тому, что стехиометрический коэффициент для аскорбиновой кислоты повышается до 1.

Ранее при изучении антиоксидантных свойств 3-бутил-5-амино-6-метилурацила также было предположено, что происходит замещение N-центрированных радикалов 3-бутил-5-амино-6-метилурацила на феноксильные в обменной реакции с ионолом [21].

Экспериментальные данные о зависимости скорости окисления тетрагидрофурана, ингибированного производными 5-гидроксиметилурацила, от концентрации аскорбиновой кислоты (табл. 3–5) были обработаны с применением уравнения (1). Результаты, представленные в табл. 6, подтверждают версию о том, что первоначально ингибирование происходит преимущественно за счет аскорбиновой кислоты, так как полученное значение константы скорости k₇ = (8.1 ± 0.4) × 10⁴ л·моль^–1с^–1 ближе к константе скорости ингибирования, найденной для аскорбиновой кислоты (k₇ = 1 × 10⁵ л·моль^–1с^–1 [11]), чем к константе скорости взаимодействия метилированных производных 5-гидроксиурацила (k₇ ≈ 1 × 10⁴ л·моль^–1с^–1, табл. 2).

Таблица 6. Влияние аскорбиновой кислоты на эффективную константу скорости ингибирования и стехиометрический коэффициент f метилированных производных 5-гидроксиурацила

[InH] × 10^–5, моль/л	[AscH] × 10^–5, моль/л	fk₇ × 10⁴, л·моль^–1с^–1	f	k₇ × 10⁴, л моль^–1с^–1
[ОМУ] = 5.3	2.7 ÷ 53.1	8.9 ± 0.6	1.1 ± 0.2	8.1 ± 0.6*
[ОДМУ] = 5.3	2.6 ÷ 13.2	9.7 ± 1.2	1.1 ± 0.3	8.8 ± 1.1*
[ОТМУ] = 11.9	1.8 ÷ 29.8	9.7 ± 0.8	1.3 ± 0.1	7.5 ± 0.6*

*Рассчитано из отношения fk₇/f.

Таким образом, совместное присутствие 5-гидроксиурацилов и аскорбиновой кислоты приводит к улучшению антиоксидантных свойств полученной композиции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерены стехиометрический коэффициент и константа скорости реакции пероксильного радикала тетрагидрофурана с 5-гидрокси-6-метилурацилом, 5-гидрокси-3,6-диметилурацилом и 5-гидрокси-1,3,6-триметилурацилом. Показано, что при совместном применении исследованных урацилов и аскорбиновой кислоты антиоксидантные свойства композиции улучшаются. Предположено, что это происходит за счет регенерации радикалом аскорбиновой кислоты радикала, образующегося из урацила.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ УфИХ УФИЦ РАН по теме “Реакционная способность молекул, содержащих активный кислород в процессах окисления органических соединений”, рег. № НИОКТР 122031400201-0.