Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ароматические амины структура, реакции окисления, применение в аналитической химии.pdf
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
1.3.3. Теоретическое изучение окислительно-восстановительных реакций ароматических аминов
Полезным инструментом при оценке окислительно-восстановительных свойств ароматических аминов и их окисленных форм являются методы квантовой химии, которые не только объясняют наблюдаемые экспериментально установленные факты, но и позволяют
предсказать поведение новых систем.
Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (Е0)
одноэлектронного окисления ароматических аминов является количественной мерой их восстановительных свойств. Не случайно изучение
возможностей теоретического предсказания Е0представлено в литературе достаточно широко.
Расчёт редокс-потенциала ряда моноариламинов полуэмпирическими и DFT квантовохимическими методами проведён в [135, 136].
Расчёт окислительно-восстановительного потенциала в водном растворе проводили как
o
∆G
(X) = IP(X) + ∆G
Ох
evr,g
(X → X
• +
+ ¯e) + ∆G
0
• +
(X
s
) − ∆G
0
(X) – 4.44 эВ,
s
где IP (X) – адиабатический потенциал ионизации амина,
∆G
evr,g
(X → X
• +
+ ¯e) – разница в тепловых колебательно-враща-
тельных вкладах между амином и его ионизированной формой,
∆G
0
s
(X) и ∆G
0
• +
(X
) – свободная энергия сольватации амина и катион-
s
радикала соответственно. Теоретически предсказанные значения
o
∆G
(X) и экспериментальные значения Е0хорошо коррелируют
Ох
между собой, и погрешность определения Е0не превышает 0.02 В для
обучающей выборки и 0.09 В для тестового набора [135]. Также
показано, что значения редокс-потенциала коррелируют с энергией
ВЗМО и рядом молекулярных дескрипторов ароматических ааминов
(pKa, константы Гаммета и др.).
Авторами [16] показано, что значения окислительно-восстановительного потенциала многозамещённых ТФА линейно коррелируют
с теоретически рассчитанным (B3LYP/6-31G(d )) адиабатическим потенциалом ионизации и могут быть предсказаны с достаточно высокой
точностью.
Большой вклад в изучение реакций окисления дифениламинов внесли работы саратовской школы химиков (С. П. Муштакова,
41
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
...
NHNH
NHNH
А. Н. Панкратов и др.) [49, 137–141]. Показано, что региоселективность реакций гомолитической окислительной и восстановительной димеризации (сочетания) органических соединений различных
классов управляется спиновой плотностью на атомах в реакционных интермедиатах (электронейтральных радикалах, катион-радикалах, анион-радикалах), рассчитанной ab initio, DFT и полуэмпирическими методами квантовой химии. Сформулированы общие тенденции
распределения спиновой плотности в радикальных и ион-радикальных интермедиатах и закономерности, регулирующие реакционную
способность и региоселективность гомолитического (окислительного
и восстановительного) сочетания органических соединений различных классов. Для объяснения и предсказания направлений указанных
реакций апробировано квантовохимическое рассмотрение с позиций
анализа кинетического (включая спиновую плотность), термодинамического, стерического факторов [139–142].
Отмечена [139, 140] химическая неэквивалентность ароматических колец в катион-радикалах замещённых соединений рядов ДФА
и ТФА с точки зрения распределения спиновой плотности, обоснованы направления гомолитического окислительного сочетания незамещённых и замещённых соединений названных рядов и их гетероциклических аналогов. Проанализировано влияние строения реакционного центра, состояния НЭП аминного атома азота, а также роль дальнодействующих сил (электростатический потенциал молекул) на протолитические и окислительно-восстановительные свойства аминосоединений [143].
По данным квантовохимических расчётов [139–142] в катион-радикалах и аминильных радикалах спиновая плотность неспаренного
электрона делокализована по ароматическим кольцам:
так что возможна димеризация названных ион-радикальных и радикальных интермедиатов с участием как атома азота, так и атомов
углерода колец.
42
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
NH
H
2
NH NH
2
H
+
Поскольку наибольшая спиновая плотность в катион-радикальных
и радикальных интермедиатах сосредоточена на атоме азота, в слабокислых, нейтральных и слабоосновных водных растворах, а также
в среде органических растворителей в ряде случаев происходит димеризация N,N-типа (в данном случае продуктом является тетрафенилгидразин Ph2N—NPh2):
2Ph2NH
• +
Ph2N—NPh2+ 2H+.
Однако в кислых средах связь N-N лабильна, и реализуется C,Cсочленение ароматических колец. При этом димеризация с участием
атомов углерода в орто-положениях колец не происходит. Так, было
установлено, что если оба пара-положения молекулы дифениламина
заняты, то амин не окисляется до дикатиона N,N′-диарил-пара-дифенохинондиимина.
Отсутствие димеризации показано также для диариламинильных радикалов – интермедиатов окисления дифениламинов
в щелочных средах. В частности, 4,4′-дикарбоксидифениламин 4HOOCC6H4NHC6H4COOH-4′не окисляется K3[Fe(CN)6] в среде
3–10 M KOH.
Продукты C,N-сочетания катион-радикальных и радикальных интермедиатов в реакционных смесях окисления дифениламинов в различных по кислотности и полярности средах также не зарегистрированы. Следовательно, радикальные интермедиаты димеризуются по типу
пара-, пара-сочленения, например:
Пара-, пара-сочленение ароматических колец более предпочти-
тельно по сравнению с димеризацией с участием орто-углеродных
атомов также и с точки зрения спиновой плотности.
Возникающий N,N′-дифенилбензидин способен к дальнейшему
окислению, например реакция в кислой среде протекает согласно сле-
43
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
NH NH
+
1) 2H
2) –H –e
+
+
NH
2
NH
–H
+
–ē
NH NH
–H
+
–ē
–H
+
–ē
дующей схеме:
Дифениламины, молекулы которых имеют группы NH2, NHR,
NR2или -OH в орто- или пара-положениях, при окислении образуют мономерные, а не димерные продукты. Ниже приведена схема
реакции окисления 4-амино-4′-метоксидифениламина (вариаминовый
синий, ВС) [96]:
Реакции окисления ДФА и его производных, ТФА, карбазола,
акридона, феноксазина, фенотиазина и его замещённых в кислых,
44
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
нейтральных, щелочных водных, кислых водно-органических средах
разными окислителями включают бимолекулярную лимитирующую
стадию, образование катион-радикалов или аминильных радикалов,
способных к димеризации; процесс носит одно- или двухэлектронный
характер. Константа скорости второго порядка зависит от кислотности
среды, что связано с участием окислителей и/или субстратов в протолитических равновесиях [139–142].
Для аналитических редокс-реагентов – соединений рядов ДФА
и ТФА установлены линейные количественные соотношения, связывающие значения формального окислительно-восст ановительного потенциала (E0′) близкого по смыслу и величине к стандартному редокспотенциалу с квантовохимически рассчитанной энергией ионизации
(потенциал ионизации, IP) аминов и катионов сопряжённых кислот
0′
(то есть протонированных форм) аминов: E
= a + b · IP [11, 12].
теор
Экспериментально определённые значения E0′в водных растворах
H2SO4для ряда новых синтезированных реагентов хорошо согласуются с теоретически рассчитанными на основании корреляционных
уравнений (табл. 7).
Таблица 7
Значения формального редокс-потенциала сульфодифениламинов и сульфотрифениламинов: экспериментальные [144, 145] и оцененные из величин первого купмансовского
2-Нитро-4′-сульфодифениламин 1.07 0.96 0.91
3-Нитро-4′-сульфодифениламин 1.15 0.98 0.93
4-Нитро-4′-сульфодифениламин 1.16 0.98 1.10
4-Сульфотрифениламин 0.94 0.91 0.89
4,4′-Дисульфотрифениламин 1.00 0.92 0.94
потенциала ионизации аминов и катионов их сопряжённых кислот
Соединение
молекулярной
формы
0′
E
, В
теор
протонированной
формы
E
0′
эксп
, В
При этом, как правило, согласие с экспериментом оказывается
лучше, если величина E0′оценивается на основе величин энергии
ионизации катионов сопряжённых кислот аминов. Это косвенно подтверждает экспериментальные и теоретические результаты, согласно
которым механизм окисления дифениламинов в сильнокислых средах включает взаимодействие протонированной частицы субстрата
с окислителем. Такому протеканию элементарного акта реакции часто способствует электростатический фактор: катион диариламмония,
например (C6H5)2NH
+
, атакуется анионом окислителя. Значение E
2
45
0′
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
ограничивает круг окислителей, с которыми может взаимодействовать
данный редокс-реагент, то есть определяет селективность (избирательность) реакции с его участием. Таким образом, развиты квантовохимический подход к молекулярному дизайну производных ди- и трифениламинов с заданными окислительно-восстановительными и аналитическими свойствами, а также методология предсказания избирательности реакций с участием аналитических редокс-реагентов [11, 12].
Таким образом, теоретическое изучение механизма окисления
ариламинов является сложной задачей и включает анализ геометрических и электронных особенностей строения ариламинов, катион-радикалов, продуктов их димеризации, оценку термодинамических и кинетических параметров процессов их трансформации. Кроме того, необходимо учитывать возможные процессы протонирования/депротонирования и влияние растворителя.
1.4. Биотрансформация и токсичность
ароматических аминов
В последние годы большое внимание уделяется биотрансформации различных контаминантов, при этом объектами исследования являются как превращения ферментов и влияние различных факторов
на их активность, так и механизмы трансформации субстратов [146].
В этом плане изучение биохимических процессов взаимодействия ароматических аминов с ферментными системами имеет как фундаментальное, так и большое практическое значение.
Интерес к этой области связан, прежде всего, со способностью
ароматических аминов к трансформации в окружающей среде и в организме, а следовательно, к возможности эколого-гигиенической оценки их опасности. Причиной биологической активности ароматических
аминов, а также метаболизма лекарств на их основе является возможность протекания окисления по атому азота или N-алкильным заместителям в присутствии пероксидаз и оксидаз (липогеназа, пероксидаза хрена (ПХ), блеомицин, метомоглобин, цитохром Р450, аминооксидаза) [147].
Сложность и многостадийность процессов затрудняют оценку
влияния ароматических аминов на экосистемы и здоровье человека.
Ферментативное окисление аминов, как и рассмотренное выше химическое окисление, включает процессы, конкурирующие между собой, – перенос электронов, протонов и атомов водорода. Кинетические
46
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
аддукты с ДНК
аддукт
с гемоглобином
закономерности, состав промежуточных и конечных продуктов ферментативного окисления первичных, а также вторичных и третичных
N-алкилпроизводных ариламинов являются постоянными объектами
изучения различными научными группами с использованием современных инструментальных методов и методов компьютерного моделирования.
1.4.1. Биотрансформация ароматических аминов
К настоящему времени подробно изучено ферментативное окисление ариламинов в живых организмах. Оно может протекать с участием ферментов монооксигеназной системы цитохрома Р450, катализирующей три стадии окисления: одноэлектронное окисление субстрата, депротонирование и рекомбинацию радикалов [148, 149]. На первой фазе биотрансформации цитохром Р-450 действует как терминальная оксидаза и катализирует N-гидроксилирование анилинов с образованием арилгидроксиламинов согласно следующей схеме [150]:
Затем под действием цитозольных или связанных с мембранами ферментов происходит коньюгация гидрофильных групп к полярным группам субстрата или метаболитам, образующимся по первой фазе. О-ацетилирование N-фенилгидроксиламинов под действием
ацетилтрансфераз приводит к образованию неустойчивых N-ацетоксиариламинов, которые гетеролитически расщепляются до нитрени-
47
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
евых ионов. Возможная сульфатная коньюгация приводит к образованию ещё более токсичных соединений (например, N-сульфоэфиров
2-ацетиламинофлуорена) [148].
Учитывая существенно электронодефицитный и электроноакцепторный характер катионов нитрения, их высокое сродство к электрону,
полагаем, что хотя брутто-схема не оперирует переносами электронов,
переход от названных катионов к пара-аминофенолам включает стадии восстановления и окисления с нулевым электронным балансом,
которые суммарно можно представить как + H2O + ¯e на стадиях при-
соединения и – H+− ¯e на стадиях отщепления химических частиц
(H2O, H+).
В литературе не найдено примеров исследования биотрансформации ди- и трифениламинов в присутствии цитохрома Р-450. В ряде
работ [85, 151, 152] рассмотрен вопрос о ферментативной биодеградации ДФА под действием диоксигеназ. Установлено [85], что диоксигеназы катализируют дигидроксилирование фенильного кольца ДФА
с дальнейшей неферментативной трансформацией по одному из путей
(А или В) согласно схеме:
d paAaAdAc – диоксигеназы, действующие на ДФА
Основным направлением реакции является образование анилина и пирокатехина, которые количественно детектируются в качестве
продуктов биотрансформации ДФА.
48
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
Определённый интерес представляют процессы пероксидазного
окисления ароматических аминов, что связано как с их широким
распространением в природе (животные и растительные организмы,
аэробные микроорганизмы), так и с использованием в аналитических целях и биотехнологии. К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный материал по строению, свойствам и механизму действия пероксидаз в каталитических реакциях [149, 153, 154].
Д. И. Метелица и Е. И. Карасёва [146] отмечают, что детальное
изучение реакций гидроксилирования и окислительного деалкилирования различных субстратов, в том числе ароматических N-алкиламинов, с участием Р450 показывает одинаковую природу окисляющего агента (FeO+). Во всех изученных реакциях лимитирующей
стадией биотрансформации является акт внедрения атома кислорода по связи С—Н субстрата (энергия активации ∼12–16 ккал/моль)
с последующим быстрым распадом фермент-субстратного комплекса.
Механизм переноса атома кислорода на субстрат изучен на модельных системах, содержащих ионы/комплексы металлов и молекулярный/активированный кислород; показана решающая роль кислородных и пероксидных комплексов ионов металлов и ферментов в окислении ароматических аминов. Предложенные схемы окисления носят
общий характер. Для пероксидазного окисления аминов упрощенная
схема выглядит следующим образом [153]:
где E — Fe
III
E—Fe
• +
E—Fe
+
EH—FeIV== O + SH2→ E — Fe
III
– исходный фермент,
+ Н2О2→
III
== O + SH2→+EH—FeIV== O +•SH,
• +
E—FeIV== O + H2O,
III+•
SH + H2O,
• +
E—Fe
III
== O и+EH—FeIV== O –
интермедиаты пероксидазы (по терминологии, принятой в пероксидазном катализе, – комплексы I и II), SH2– субстрат. Кроме того,
в избытке пероксида водорода или в присутствии высокореакционноспособных форм кислорода для некоторых субстратов (НАД, индолил3-уксусная кислота) возможно проявление оксидазных свойств пероксидаз:
+
EH—FeIV== O + Н2О2→•E—Fe
III
—ООН + H2O.
49
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
Ароматические N-алкиламины могут подвергаться окислительному N-деалкилированию в присутствии гемных ферментов [143, 148].
Общепризнанным является факт, что пероксидазы участвуют только
в первой стадии – окислении ариламинов до катион-радикалов, в отличие от цитохрома Р450, который последовательно участвует в стадиях
переноса атома водорода, электрона и протона. Присутствие катионрадикалов в качестве интермедиатов пероксидазного окисления ариламинов доказано методом ЭПР [143]. Дальнейшая рекомбинация катион-радикалов ароматических аминов приводит к образованию продуктов различного строения, часто димеров с хиноидной структурой.
Методом многокомпонентного анализа стабильных изотопов [101]
показано, что при окислении вторичных и третичных ароматических
N-алкиламинов пероксидом водорода в присутствии пероксидазы хрена интермедиаты и продукты реакции имеют строение, сходное с продуктами их окисления оксидом марганца(IV) (см. рис. 4).
Сочетание экспериментальных биохимических данных и методов компьютерной химии позволило установить механизм действия
первичных ариламинов на организм и выделить параметры количественных соотношений структура – биотрансформация – токсичность
[148, 150, 155, 156]. Установлено, что общая токсичность, а также избирательная (метгемоглобинобразующая) и специфическая (мутагенность и канцерогенность) активность ариламинов определяются биоактивацией в ходе N-окисления аминогрупп [155]. Ответственными
за образование мет-гемоглобина являются промежуточные продукты
N-окисления (N-фенилгидроксиламины и нитробензолы). Последние
выделены при биотрансформации анилина, алкиланилинов, п-фенетидина и др. Активным окислительным агентом в реакциях превращения
оксигемоглобина в метгемоглобин является также свободный радикал, образующийся в процессе восстановления нитрозогруппы в гидроксиламиногруппу. Основными факторами, определяющими токсичность аминов, являются не только лёгкость образования первого метаболита (N-фенилгидроксиламина), но и его способность вступать
в реакцию одноэлектронного окисления в эритроцитах с образованием
катион-радикалов и переносом электрона на связанный с гемоглобином кислород. Биодоступность нитрениевых ионов, которые взаимодействуют с ДНК, РНК и белками, в целом определяет биологическую
активность ароматических аминов [156].
Н. В. Харчевниковой с соавт. [150] показано, что мутагенная
и метгемоглобинобразующая активность ароматических аминов раз-
50