CC BY
20
УДК 544.51
ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ РЕАКЦИИ ЛЮМИНОЛА И 1Ч-ОКТИЛЛЮМИНОЛА С ГИПОХЛОРИТОМ В АНИОННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВАХ
Т.В. Янькова1*, П.В. Мельников2, Н.К. Зайцев2
(1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, кафедра химической кинетики; 2Российский технологический университет (МИРЭА); *е-тай: yankovatatyana@yandex.ru)
Проведено сравнительное исследование кинетики хемилюминесцентной реакции люминола, локализующегося в водной фазе, и его гидрофобного аналога -К-октиллюминола, локализующегося в мицеллярной фазе, с гипохлорит-ионом в анионных мицеллах додецилсульфата натрия при разных концентрациях ПАВ. Определена зависимость константы скорости накопления и гибели промежуточного продукта от наличия и концентрации ПАВ в реакционной смеси.
Ключевые слова: хемилюминесценция, люминол, ПАВ, мицеллы, константа скорости.
Хемилюминесцентная реакция люминола широко используется в аналитических целях [1-5]. Многие реальные объекты биохимических анализов зачастую содержат поверхностно-активные компоненты биологических мембран [6], однако их влияние на хемилюминесцентную реакцию лю-минола систематически не изучалось. В связи с этим возникает необходимость исследовать хеми-люминесцентную реакцию в мицеллярных, везикулярных и других организованных молекулярных системах, моделирующих биологические мембраны. Мицеллярная среда может дать дополнительную возможность управления хемилюминесцент-ными реакциями, прежде всего, для повышения их эффективности.
Литературные сведения о хемилюминесцент-ных реакциях в организованных молекулярных системах носят отрывочный характер, отмечено, например, влияние на них микрогетерогенности. Так, в работе [7] при исследовании окисления лю-цигинина в ламеллярных и везикулярных агрегатах обнаружено повышение квантового выхода хемилюминесценции по сравнению с гомогенным раствором. В отдельных случаях переход к микрогетерогенной системе оказывает влияние на механизм хемилюминесцентной реакции. В частности, при проведении реакции 10,10'-диметил-9,9'-биакридиния нитрата со щелочью и пероксидом водорода в мицеллярной среде не только происходит повышение квантовой эффективности процесса, но появляется также излучение от первичного эмиттера [8], что можно объяснить эффектом компартментализации и его влиянием на процес-
сы передачи энергии в системе. Использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) позволяет совмещать гидрофобные и гидрофильные реагенты. Например, использование цетилтри-метиламмоний бромида позволило реализовать хемилюминесцентную реакцию в системе люминол - перманганат - Ь-тироксин [9].
В работах [10-12] проведены исследования химических выходов продуктов реакции для хе-милюминесцентных систем, основанных на лю-миноле [10], лофине [11] и производных люцеги-нина [12] в присутствии поверхностно-активных веществ.
Использование ПАВ в хемилюминесцентных реакциях люцегинина позволило улучшить методики определения витаминов С и Р [13], никотина [14], эстрогена [15], холестерина [16] и фактора активации тромбоцитов [17] за счет увеличения интенсивности хемилюминесценции. В работе [18] для повышения квантового выхода хемилюми-несцентной реакции окисления люминола использовали флуоресцеин в качестве акцептора энергии. Перенос энергии к флуоресцеину приводит к десятикратному повышению интенсивности люминесценции в мицеллярных системах (по сравнению с системами без флуоресцеина) за счет концентрирования донора и акцептора энергии в катионных мицеллах. Для повышения эффективности переноса энергии между донором и акцептором энергии в мицеллах авторы [19] модифицировали изолюминол и флуорес-цеин нонильным фрагментом, способствующим их концентрированию в мицеллах, и добились
увеличения квантового выхода хемилюминес-ценции в 12 раз. В работе [20] установлено, что при добавлении ПАВ к хемилюминесцент-ной системе люминол - пероксид водорода при критической концентрации мицеллообразования (ККМ) наблюдается аномальное повышение интенсивности хемилюминесценции. При подборе буферных растворов (отдельно для каждого ПАВ) авторы смогли определить ККМ для ЦТАБ, бромид цетилпиридиния, додецилсульфата натрия и эфира додецилового спирта с полиоксиэтиленом.
К сожалению, в литературе нет детального исследования влияния перехода к мицеллярным и другим организованным молекулярным системам на кинетику хемилюминесцентных реакций. В связи с этим мы провели сравнительное исследование кинетики хемилюминесцентной реакции люминола, локализующегося в водной фазе [21], и его гидрофобного аналога N-октиллюминола, локализующегося в мицеллярной фазе, с ги-похлорит-ионом в анионных мицеллах доде-цилсульфата натрия при разных концентрациях ПАВ. В результате было установлено влияние локализации реагентов в мицеллах на кинетику хемилюминесцентных реакций.
Экспериментальная часть
Реагенты. В работе использовали люминол C8H7N3O2 (98,8%, «Applichem», США) без дополнительной очистки.
N-октиллюминол C16H23N3O2 синтезировали по следующей методике. К суспензии люминола (0,500 г; 2,82 ммоль) в диметилформамиде (20 мл) при перемешивании добавляли октил бромистый (13,615 г; 70,50 ммоль). Реакционную массу кипятили в течение 10 ч. Через 30 мин после начала кипения образовался раствор. В реакционную массу выливали 50 мл петролейного эфира и 50 мл воды, охлаждали до 4 оС, отфильтровывали, промывали петролейным и диэтиловым эфиром, а затем высушивали в вакуумном эксикаторе над P2O5. Получали твердый продукт желтого цвета, представляющий собой смесь исходного субстрата и продукта моноалкилирования, который экстрагировали кипящим толуолом. Суспензию отфильтровывали, маточный раствор охлаждали до -10 оС в течение 12 ч, осадок отфильтровывали, промывали охлажденным толуолом и высушивали в вакуумном эксикаторе над Р2О5. Выход N-октиллюминола составил 31%. Спектр) 1H ЯМР, 5, м.д.: 11.21 (2H, уш. с, NH-NH), 9.02 (1H, т, 3 J = 5,1 Гц, NH-CH2), 7.55 (1H, т, 3 J = 8.1 Гц, ArH, HA в ABC), 6.95 (1 H, д., 3 J = 8.0 Гц, ArH), 6.80 (1 H, д, 3 J = 8.3 Гц, ArH), 3.15
(2H, к, NH CH2 CH2), 1.62 (2H, п, CH2-CH2-CH2), 1.30 (10 Н, м.), 0.85 23 H, т, CH2-CH3).
Натрия гидроксид (NaOH, «х.ч.», «ЛенРеак-тив», Россия), 3,25%-й гипохлоран-3 (NaClO, «Omega dent», Россия), 98,5%-й додецилсульфат натрия (C12H25NaO4S, «Sigma-Aldrich», Япония) использовали без дополнительной очистки. Деио-низированную воду получали, пропуская дистили-рованную воду через стеклянную хроматографи-ческую колонку, содержащую катионит КУ-2-8чС в водородной (H) форме и анионит АВ-17-8чС в гидроксильной (OH ) форме в соотношении соответственно 1:1,3. Качество воды контролировали с помощью кондуктометра «Эксперт-002» («Эконикс-Эксперт», Россия) с датчиком наливного типа. Удельное сопротивление использованной деионизированной воды составляло не менее 18 МОмсм.
Методика измерения. Для измерения хеми-люминесценции использовали экспериментальный образец хемилюминометра («Эконикс-Экс-перт», Россия), снабженный четырьмя датчиками (показания которых суммируются), расположенными в разных положениях относительно ячейки.
В ячейку, представляющую собою прозрачную стеклянную пробирку в фотоприемной камере хемилюминометра, помещали 0,25 мл гипохлорита (0,0004 М для раствора N-октиллюминола и 0,0005 М для раствора лю-минола) и в режиме счета числа квантов вносили щелочной раствор субстрата путем прокалывания резиновой мембраны шприцевой иглой. Раствор субстрата состоял из 0,001 М люмино-ла и 0,1 М гидроксида натрия (для люминола) и 0,001 М N-октиллюминола и 0,1 М гидроксида натрия (для N-октиллюминола).
При проведении экспериментов в мицелляр-ных растворах навеску ПАВ вносили в растворы люминола и N-октиллюминола. Результат исследования регистрировали в виде кинетической кривой хемилюминесценции в координатах «Максимальная интенсивность (усл. ед.) - время» с разрешением 0,2 с. Максимальное значение интенсивности определяли по высоте пика на кинетической кривой хемилюминесценции, интегральную интенсивность - путем интегрирования полученной кинетической зависимости. Величина ККМ для додецилсульфата натрия в присутствии 0,1 М NaOH, определенная нами методом отрыва кольца на тензометре К9 (США), составила 5,010-4 моль/л, в то время как в нейтральном водном растворе этот показатель составляет 8,310-3 моль/л.
Результаты и их обсуждение
Типичная экспериментальная кинетическая зависимость для хемилюминесцентной реакции люминола с гипохлоритом и ее полулогарифмическая анаморфоза приведены на рис. 1. Для Н-октиллюминола регистрируемые зависимости имеют аналогичный вид. До введения реагентов в ячейке устанавливают фоновую интенсивность света, не превышающую 100 квант/с. После введения в реакционную ячейку реагента наблюдается возрастание интенсивности хемилюминесценции, регистрируемое всеми датчиками. По истечении первых 5 с зависимости интенсивности хемилю-минесценции, измеренной на всех четырех датчиках, от времени становятся подобными, что свидетельствует о завершении процесса смешения реагентов.
Форма кинетических кривых соответствует появлению и гибели промежуточного продукта в последовательной реакции типа
А X В % С.
Из литературы [5] известно, что окисление лю-минола в щелочной среде гиполхлорит-ионом протекает по нижеприведенной схеме. В работе [20] показано, что процесс окисления люминола - процесс одноэлектронный, протекающий до аминоф-талевой кислоты. Из электрохимических данных [20] определены следующие показатели:
стандартный потенциал окисления люминола
Е0 = 0,55 В (относительно НВЭ),
стандартный потенциал восстановлении гипо-хлорита
Е0 = 0,88 В (относительно НВЭ).
Это обусловливает окисление люминола ги-похлоритом с образованием возбужденной молекулы аминофталевой кислоты, которая, в свою очередь, высвечивает квант света, поэтому продукт В соответствует, скорее всего, окисленной форме люминола (схема).
Константу скорости ^ определяли по тангенсу угла наклона кинетической зависимости, спрямленной в полулогарифмических координатах (рис. 1, б). Константу скорости kl рассчитывали по формуле для последовательных реакций:
1П ^2/
t =-
таХ k - k
Л.', Д-1
где k1 - константа скорости накопления промежуточного продукта, ^ - константа скорости гибели промежуточного продукта, ^ах - время выхода кривой на максимум.
Определенные таким образом значения kl и k2 для реакций люминола и Н-октиллюминола с гипохлоритом в гомогенном водном растворе в присутствии додецилсульфата натрия приведены в табл. 1 и табл. 2 соответственно. Константы скорости kl и ^ определяли на участках кинетических кривых после завершения процесса смешения реагентов. С помощью полученных констант проводили моделирование кинетических зависимостей. Моделированные кинетические зависимости совпадают с экспериментальными, следовательно, кинетические зависимости удовлетворительно описываются двухэкспоненциаль-ной зависимостью.
Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что зависимость максимальной интенсивности
С х е м а
Время, с Время, с
Рис. 1. Типичная кинетика хемилюминесценции в реакции люминола с гипохлоритом (а) и ее полулогарифмическая анаморфоза (б)
Т а б л и ц а 1
Кинетические параметры хемилюминесцентной реакции люминола и К-октиллюминола в водном растворе
Люминол М-октиллюминол
[С10-], М кр 1/с к2, 1/с максимальная интенсивность хемилюминесценции [С101, М к1, 1/с к2, 1/с максимальная интенсивность хемилюминесценции
0,0002 0,058 0,0107 6800 0,00007 0,0063 900
0,0004 0,064 0,0133 21200 0,00010 0,007 0,0036 2300
0,0006 0,116 0,0156 39700 0,00020 0,020 0,0049 11800
0,0008 0,230 0,0178 53800 0,00040 0,067 0,0061 16900
Т а б л и ц а 2
Кинетические параметры хемилюминесцентной реакции люминола и К-октиллюминола в присутствии различных концентраций додецилсульфата натрия
с АПАВ Люминол М-октиллюминол
к1, 1/с к2, 1/с максимальная интенсивность хемилюминесценции к1, 1/с к2, 1/с максимальная интенсивность хемилюминесценции
0 0,090 0,0145 30400 0,067 0,0060 16900
0,0001 0,082 0,0107 17500 0,343 0,0113 25200
0,0002 0,056 0,0101 16800 0,383 0,0116 28900
0,0004 0,045 0,0098 19200 0,628 0,0120 31100
0,0005 0,064 0,0104 21800 0,473 0,0122 32800
0,0006 0,053 0,0106 16700 0,560 0,0125 33500
0,0008 0,069 0,0113 29700 0,540 0,0127 31200
0,0010 0,080 0,0128 29700 0,435 0,0125 28500
0,0015 0,054 0,0126 22400 0,470 0,0128 30300
0,0020 0,060 0,0120 27000 0,483 0,0122 28300
хемилюминесценции люминола от концентрации гипохлорита в гомогенном водном растворе линейна.
Зависимость константы скорости накопления промежуточного продукта kl для люминола и Н-октиллюминола в водном растворе в пределах точности эксперимента прямо пропорциональна концентрации гипохлорита, что свидетельствует о псевдомономолекулярном характере этой величины и позволяет определить бимолекулярную константу скорости реакции гипохлорита с лю-
минолом и Н-октиллюминолом. Этот показатель
2 2
оказался равным 2,6-10 и 2,1 • 10 л/моль с соответственно.
В отсутствие АПАВ (рис. 2) величина kl для люминола значительно меньше соответствующего значения для Н-октиллюминола. При увеличении концентрации АПАВ величина kl люминола проходит через два максимума при 5 10-4 М (соответствует ККМ) и 1 • 10-3 М. Для Н-октиллюминола аналогичная зависимость также имеет два максимума, однако они находятся в областях концентрации АПАВ, меньших 5 10 и различие может быть обусловлено тем, что присутствие Н-октиллюминола оказывает влияние на текущее значение ККМ за счет встраивания Н-октиллюминола в мицеллу додецилсульфата натрия, так как Н-октиллюминол сам является поверхностно-активным веществом. Причина возрастания константы скорости окислительно-восстановительной реакции между люминолами и
гипохлорит-ионом остается пока неясной, однако можно утверждать, что возрастание интегральной интенсивности хемилюминесценции, наблюдавшееся ранее [10, 20], связано с ростом скорости образования промежуточного продукта вблизи ККМ, который в дальнейшем проявляет себя как источник электронно-возбужденных молекул.
В хемилюминесцентных системах люминол -гипохлорит и Н-октиллюминол - гипохлорит зависимости величин ^ от концентрации АПАВ носят разный характер. В случае люминола величина ^ вначале падает, но при дальнейшем повышении концентрации АПАВ наблюдается ее рост, и при
-3
достижении концентрации 110 М она выходит на плато (рис. 3). Для Н-октиллюминола величина ^ изначально существенно меньше, с ростом кон -центрации АПАВ ее значение возрастает и выходит на плато при [АПАВ] ~ 110-3 М. Такой характер зависимостей можно объяснить тем, что при [АПАВ] < 110-3 М промежуточный продукт образуется в разных условиях (внутри и вне мицелл),
-3
однако при достижении концентрации 110 М процесс его образования практически полностью осуществляется в мицеллах, где микроокружение промежуточного продукта для изучаемых люминофоров становится схожим, определяя близкие величины констант скорости гибели промежуточного продукта.
Таким образом, показано, что процессы нарастания и затухания хемилюминесценции люминола и Н-октиллюминола удовлетворительно
Рис. 2. Зависимость величины ^ от концентрации АПАВ для Н-октиллюминола (1)
и люминола (2)
Рис. 3. Зависимость k2 от концентрации АПАВ для люминола (1) и N-октиллюминола (2)
описывается двухэкспоненциальнои зависимостью, причем эффективная константа скорости нарастания интенсивности хемилюминесценции прямо пропорциональна концентрации гипохло-рит-иона. Константа скорости к1 зависит от концентрации АПАВ. В случае люминола константа скорости к1 проходит через два локальных максимума при концентрациях АПАВ, равных 5 10_4
_3
и 1,010 М. Вероятно, это связано со спецификой ассоциации молекул и ионов в области ККМ, увеличивающей эффективную локальную концентрацию реагентов. При хемилюминесценции Н-октиллюминола константа скорости к1 также проходит два локальных максимума, но они сдвигаются в область меньших концентраций АПАВ за счет встраивания Н-октиллюминола в мицеллы додецилсульфата натрия с соответствующим уменьшением эффективного значения ККМ.
Константа скорости к2 для люминола уменьшается, а для Н-октиллюминола возрастает при
увеличении концентрации АПАВ, причем при [АПАВ] « 110 М они принимают практически одно и то же значение. Вероятно, при [АПАВ] < 110_3 М промежуточный продукт в случае люминола образуется в водной фазе, а в случае Н-октиллюминола - внутри глобул собственных мицелл Н-октиллюминола. Однако при достижении [АПАВ] = 110 3 М промежуточные продукты реакции окисления как лю-минола, так и Н-октиллюминола солюбилизу-ются в одни и те же мицеллы додецилсульфата натрия, в результате чего их микроокружение становится сходным и константы скорости гибели промежуточного продукта реакции становятся приблизительно равными для обоих субстратов.
Авторы выражают глубокую благодарность Михаилу Яковлевичу Мельникову за ценные советы и рекомендации по оформлению статьи.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Хемилюминесцентные реакции в организованных молекулярных системах»
(проект № 16-03-00722).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Marquette Ch.A., Blum L.J. // Anal. Bioanal. Chem. 2006. Vol. 385. P. 546.
2. García-Campaña A.M., Baeyens W.R.G., Cuadros-Rodríguez L., Alés Barrero F., Bosque-Sendra J.M., Gámiz-Gracial L. // Curr. Org. Chem. 2002. Vol. 6. P. 1.
3. Tsaplev Yu.B. // J. Anal. Chem. 2012. Vol. 67. N 6. P. 506.
4. Iranifam M. // J. Lumin. 2013. Vol. 28. N 23. P. 798.
5. Yamaguchi M., Yoshida H., Nohta H. // J. Chromatogr. A. 2002. Vol. 950. P. 1.
6. Meng L., Zi-Yue W., Chun-Yang Z. // Chin. J. Anal. Chem. 2016. Vol. 44. N 12. P. 1934.
7. Varveri F.S., Mantaka-Marketou A.E., Vassilopoulos G., Nikokavouras J. // Monatsh. Chem. 1988. Vol. 119. P. 703.
8. Paleos C.M., Vassilopoulos G., Nikokavouras J. // J. Pho-tochem. 1982. Vol. 18. P. 327.
9. Cao J., Wang H., Liu Y. // Spectrochim. Acta A. 2015. Vol. 140. P. 162.
10. Hadjianestis J., Nikokavouras J. // J. Photochem. Photo-biol. A.: Chem. 1992. Vol. 67. P. 237.
11. Boyatzis S., Nikokavouras J. // J. Photochem. Photobiol. A.: Chem. 1993. Vol. 74. P. 65.
12. Papadopoulos K., Spartalis S., Nikokavouras J. // Anal. Chim. Acta. 1994. Vol. 290. P. 179.
13. Nikokavouras J., Vassilopoulos G. // Monatsh. Chem.
1983. Vol. 114. P. 255.
14. Nikokavouras J., Vassilopoulos G. // Monatsh. Chem.
1984. Vol. 115. P. 437.
15. Mantaka-Marketou A.E., Vassilopoulos G., Nikokavouras J. // Monatsh. Chem. 1985. Vol. 116. P. 973.
16. Varveri F.S., Mantaka-Marketou A.E., Nikokavouras J. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1990. Vol. 187. P. 315.
17. Varveri F.S., Mantaka-Marketou A.E., Papadopoulos K., Nikokavouras J. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem.
1992. Vol. 66. P. 113.
18. Nikokavouras J. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem.
1993. Vol. 69. P. 337.
19. Papadopoulos K., Chantron A., Nikokavouras J., Hrbac J., Lasovsky J. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1998. Vol. 116. P. 153.
20. Yildiz G., Tasdoven U, MenekN. // Anal. Methods. 2014. Vol. 6. P. 7809.
21. Янькова Т.В. // Мат-лы Междунар. молодежного научного форума «Ломоносов-2018». Секция «Инновации в химии». М., 2018. С. 904.
Поступила в редакцию 12.11.2018 Получена после доработки 20.11.2018 Принята к публикации 15.12.2018
CHEMILUMINESCENT REACTIONS OF LUMINOL AND N-OCTYL LUMINOL WITH HYPOCHLORITE IN ANIONIC SURFACTANTS
T.V. Yankova1*, P.V. Melnikov2, N.K. Zaytsev2
(1Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry, Department of Chemical Kinetics;2Russian Technological University: *e-mail: yankovatatyana@yandex.ru)
A comparative study of the chemiluminescent reaction kinetics of luminol, which is localized in the aqueous phase, and its hydrophobic analogue, N-octylluminol, which is localized in the micellar phase, was carried out with the hypochlorite ion at various concentrations of sodium dodecyl sulfate anionic micelles. The dependence of the intermediate product concentration increase and decrease rates on the presence and concentration of surfactant in the reaction mixture was determined.
Key words: chemiluminescence, luminol, surfactant, micelles, rate constant.
Сведения об авторах: Янькова Татьяна Вячеславовна - аспирант кафедры химической кинетики химического факультета МГУ (yankovatatyana@yandex.ru); Мельников Павел Валентинович - доцент кафедры физической химии института тонких химических технологий РТУ МИРЭА, канд. физ.-матем. наук (melnikovsoft@mail.ru); Зайцев Николай Конкордиевич - зав. кафедры энергетических технологий, систем и установок института тонких химических технологий РТУ МИРЭА, докт. хим. наук (nk_zaytsev@mail.ru).
