Реакционная способность таутомерных форм 5-метилурацила при взаимодействии с пероксидом водорода в водных растворах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.14:547.551.2

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ТАУТОМЕРНЫХ ФОРМ 5-МЕТИЛУРАЦИЛА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

© Г. Р. Ахатова*, Г. М. Шарипова, И. В. Сафарова, А. Я. Герчиков, А. Г. Мустафин

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел./факс: +7 (34 7) 273 6 7 2 7.

E-mail: [email protected]

Изучены кинетические закономерности реакции кетонной и енольной форм 5-метилурацила с пероксидом водорода в водных растворах. Установлено, что наличие микропримесей ионов металлов в растворе приводит к наличию двух параллельных направлении реакции — радикальному и молекулярному. Найдено, что рН среды влияет на скорость реакции, причем в сильнощелочной среде реагирует преимущественно енольная форма урацила, реакционная способность которой выше кетонной.

Ключевые слова: 5-метилурацил, пероксид Введение

5-Метилурацил (тимин) как один из представителей большого класса пиримидиновых оснований, известен в качестве исходного реагента для синтеза ряда замещенных урацилов, многие из которых являются основой для создания лекарственных препаратов широкого спектра действия [1—3]. Кроме того, известны антиоксидантные свойства этих веществ [4], что является элементом их биологической активности. Количественная характеристика антиоксидантной активности является комплексной величиной, состоящей из констант скорости реакции потенциального антиоксиданта с радикалами, ведущими цепь окисления, и констант скорости его реакции с первичным продуктом окисления — гидропероксидом. Причем, если первая характеристика изучена достаточно подробно [5-7], по поводу второй данные весьма немногочисленны.

В связи с изложенным, в данной работе была изучена кинетика реакции 5-метилурацила (тимина ТЬ) с пероксидом водорода в нейтральных и щелочных водных растворах, когда тимин находится в кетонной и енольной формах, соответственно.

Методика эксперимента

Кинетику реакции исследуемых соединений с пероксидом водорода изучали методом кинетической фотометрии на максимуме поглощения ураци-лов (спектрофотометр Shimadzu иУ-2450РС). Реакцию проводили в термостатируемой кварцевой кювете толщиной 1см, находящуюся в кюветной камере спектрофотометра. Известно, что в нейтральных водных растворах урацилы присутствуют в основном в кетонной форме, а при больших величинах рН — преимущественно в енольной форме [8]:

ho-

водорода, механизм, таутомерные формы.

Это проявляется, в частности, в УФ-спектрах растворов, когда максимум поглощения енольной формы сдвигается в сторону больших длин волн.

Измерения проводили на максимумах поглощения %тах соответствующих форм тимина, которые составляют 263 и 289 нм для кетонной и енольной форм соответственно.

В изученном интервале концентраций урацила связь оптической плотности с его концентрацией удовлетворяет закону Бугера—Ламберта—Бера, что позволяет найти величину коэффициентов экс-тинкции е, которые оказались равными 9000 ± 670 и 4900 ± 400 М-1 см-1 для кетонной и енольной форм соответственно.

В качестве растворителя использовали биди-стиллированную воду, которую получали по стандартной методике; пероксид водорода использовали квалификации «х. ч.»; источником ионов двухвалентного железа служил FeSO4x7H2O марки «х. ч». Реакцию енольной формы урацила и тимина проводили в водном растворе с добавлением ^ОН при рН £ 9—11, когда вещество находится практически полностью в енольной форме [8].

Результаты и их обсуждение

В условиях псевдопорядка, когда [ТЬ]0 << [Н2О2]0 из кинетических кривых расходования ти-мина были рассчитаны начальные скорости его расходования, зависимость которых от [ТЬ]0 отвечает первому порядку реакции по концентрации тимина (рис. 1).

О первом порядке реакции по концентрации тимина свидетельствует также удовлетворительная логарифмическая анаморфоза кинетических кривых его расходования в нейтральных (кетонная форма) и сильно щелочных (енольная форма) растворах (рис. 2—3).

В табл. 1 приведены значения константа скорости псевдопервого порядка, найденные из концентрационной зависимости (рис. 1) и логарифми-

o

o

+

h

o

* автор, ответственный за переписку

ческих анаморфоз кинетических кривых (рис. 2—3), которые удовлетворительно совпадают.

Рис. 1. Зависимость начальной скорости расходования тимина от его начальной концентрации. 1 - кетонная форма, 2 - енольная форма. [Н202]0=0.01 М, 348 К.

Рис. 2. Логарифмическая анаморфоза кинетических кривых расходования кетонной формы тимина. Начальные концентрации тимина: 1 - 8.3x10 5 М, 2 - 11.1x10 5 М, 3 - 16.6x10 5 М. [Н202]0=0.01 М, 348 К.

Зависимость начальной скорости расходования тимина от начальной концентрации Н2О2 имеет линейный характер, что свидетельствует о первом порядке реакции также и по концентрации гидро-пероксида (рис. 4).

Таким образом, изучаемая реакция формально описывается кинетическим уравнением второго порядка, что позволяет количественно охарактеризовать реакцию эффективными константами скорости второго порядка. Сопоставление этих величин для кетонной и енольной форм тимина свидетельствует о большей реакционной способности последней, что вероятно связано с уменьшением прочности связи ^—Н, вызванной акцепторными свойствами соседней гидроксильной группы.

Изучение температурной зависимости бимолекулярных констант скорости в интервале 333—363 К позволило найти активационные параметры реакции для таутомерных форм тимина в виде энергии активации Е и предэкспоненциального множителя Эти значения вместе с полученными ранее приведены в табл. 2.

На рис. 5 приведены результаты исследования компенсационного эффекта, полученные в [9—11],

куда введены результаты, полученные в настоящей работе для тимина в кетонной и енольной формах.

Рис. 3. Логарифмическая анаморфоза кинетических кривых расходования енольной формы тимина. Начальные концентрации тимина: 1 - 8.3x10 5 М, 2 - 11.1x10 5 М, 3 - 16.6x10 5 М. [Н202]0=0.01 М, 348 К.

[н202]*103, м

Рис. 4. Зависимость начальной скорости расходования тимина от начальной концентрации пероксида водорода. 1 - кетонная форма, 2 - енольная форма. [140=8.3x10 5 М, 348 К.

Е, кДж/моль

Рис. 5. Зависимость предэкспоненциального множителя от энергии активации: (индекс 2 указывает на енольные формы соединений).

Симптоматично, что эти экспериментальные результаты удовлетворительно описываются в координатах ранее полученного компенсационного эффекта. Наличие компенсационного эффекта дает основание утверждать, что, как ранее изученные урацилы, так и исследованный в настоящей работе тимин взаимодействуют с пероксидом водорода по одному и тому же механизму, который подробно изучен ранее [12].

Таблица 1

Константы скорости реакции псевдопервого порядка; [H202]0=0.01 M, 348 K

Тимин k х 105, рассчитана из временной зависимости) к х 105, с 1 (рассчитана из концентрационной зависимости)

Кетонная форма 1.8±0.2 2.0±0.4

Енольная форма 70±8 50±6

Таблица 2

Эффективные константы скорости реакции второго порядка и активационные параметры взаимодействия производных ура-

цила с пероксидом водорода (348 К)

Соединение кх103, М !с 1 E, кДж/моль Igko

кетонная енольная кетонная енольная кетонная енольная

6-Метилурацил* (II) Урацил* (III) 5-Метилурацил 5-Бромурацил (VIII) 5-Фторурацил (IX) 27 ± 1 9.6 ± 0.8 2.0 ± 0.4 6.4 ± 0.4 3.7 ± 0.2 190 ± 30 110 ± 13 50 ± 6 123 ± 8 102 ± 6 100 ± 13 36 ± 3 150 ± 10 46 ± 7 65 ± 10 43 ± 5 17 ± 1 13.5 ± 0.8 12 ± 1 3.0 ± 0.3 20 ± 1 6.5 ± 1.0 8.5 ± 2.0 4.5 ± 0.6

*по данным [9-11]

На основании этого механизма следует, в частности, что на скорость реакции должны влиять добавки микропримесей ионов металлов, содержащиеся в воде.

Действительно, добавки ионов Fe2+ в реакционную смесь приводят к увеличению скорости реакции (табл. 3).

Экспериментальные результаты удовлетворительно описываются механизмом:

НООН + УР ^ продукт

HOOH + Fe ^ HO^ +Fe + HO-HO^ + H2O2 ^ HO/ + H2O

HO/ + УР

продукт

HO/ + Fe ^ Fe + HO2 Fe2+ + HO^ ^ Fe3+ + HO-

(0)

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

Таким образом, пероксид водорода в условиях реакции расходуется по двум направлениям — молекулярному (реакция 0) и радикальному (реакции IV). На основании данного механизма, принимая для концентрации радикалов НО/ и НО^ условия стационарности, было получено следующее уравнение:

кхкз [Ге 2+ \П2О2 ][УР ] к 3 [УР ] + к 4 [ре2+ ] Поскольку скорость реакции (0) много ниже скорости расходования гидропероксида по ради-

V = V0 +-

кальному механизму, первым членом этого уравнения можно пренебречь, после чего уравнение легко приводится к виду [12]:

1

УР ]

k

V

к эф к Ь2 Г кк 'где кэф [Н202 ][УР ] Принимая для констант скорости значения: к2=3х107 л-моль-1-с-1, к5=3х108 л-моль-1-с-1 [13] и спрямляя экспериментальные данные в координатах последнего уравнения можно получить величину константы к], а также отношение констант к4/к]к3 (рис. 6).

1/k .

6 8 [Fe2+]-1*10-7, М-1

Рис. 6. Зависимость обратной эффективной константы от

обратной концентрации ионов железа (II) для 5-метилурацила. 1 - кетонная форма, 2 - енольная форма. [Н202]0=0.01 М, [ТЩо=8.3х10 5 М, 348 К.

2

о

Таблица 3

Зависимость начальной скорости расходования 5-метилурацила от начальной концентрации Ге2+ ([Н202]0=0.01 М,

[ТЪ]о=8.3х10 5 М, 348 К)

[Ге2+]х108, М 0.5 1.5 2 3 2.5 4 5 6.5 7.5 9 10 4

Гх108, М/с (кетонная форма) - - - - 2 2.4 2.6 2.8 3 3.4 3.6 4

Гх108, М/с (енольная форма) 0.6 1 1.9 2.1 2.5 - 3.4 - 5 - - -

Принимая для известное из литературы значение (£4=7.2х105 л-моль-1-с-1 [14]), можно найти константу скорости реакции взаимодействия гид-ропероксильного радикала с молекулой тимина: А3=(220±20) и (1700±160) М-1с-1 при 348 К для ке-тонной и енольной форм, соответственно. Сравнение констант кетонной и енольной форм соединений 5-метилурацила свидетельствует о более высокой реакционной способности последней. Вероятной причиной наблюдаемого эффекта является влияние соседней с ^-Н-связью гидроксильной группы, уменьшающее прочность этой связи.

ЛИТЕРАТУРА

1.

Мышкин В. А., Срубилин Д. В., Вакарица А. Ф. // Ученые Баш. мед. Института. 1992. С. 73.

2. Мышкин В. А., Хайбуллина З. Г., Башкатов С. А. // Здр. Башкортостана. 1994. №4. С. 26-30.

3. Левин А. И // Сов. Мед. 1969. №11. С.81.

4. Сейфулла Р. Д., Борисова И. Г. // Фармакология и токсикология. 1990. Т.53. №6. С. 3.

5. Даутова И. Ф., Ахатова Г. Р., Сафарова И. В., Герчиков А. Я., Хурсан С. Л. // Докл. АН. 2010. Т. 431. №4. С. 487.

6. Ахатова Г. Р., Сафарова И. В., Герчиков А. Я. // Бутлеров-ские сообщения. 2010. Т.20. №5. С. 11.

7. Ахатова Г. Р., Сафарова И. В., Герчиков А. Я. // Кинетика и катализ. 2011. Т.52, №1. С. 1.

8. Иванов С. П., Муринов Ю. И. // Башкирский химический журнал. 2006. Т.13. 1. С. 22.

9. Ахатова Г. Р., Сафарова И. В., Герчиков А. Я. Еникеев А. А. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. №3. С. 40.

10. Ахатова Г. Р., Шарипова Г. М., Сафарова И. В., Герчиков А. Я. // Вестник БашГУ. 2013. Т.18. № 1. С. 44.

11. Ахатова Г. Р. Дис. ... канд. хим. наук. Уфа. 2012. 107 с.

12. Ахатова Г. Р., Сафарова И. В., Герчиков А. Я. Еникеев А. А. // Кинетика и катализ. 2012. Т.53, №3. С. 309.

13. Долгоплоск Б. А., Тинякова Е. И. Окислительно-восстановительные системы как источники свободных радикалов. М.: Наука, 1972. 240 с.

14. Пикаев А. К., Кабакчи С. А. Реакционная способность первичных продуктов радиолиза воды. Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1982. 201 с.

Поступила в редакцию 10.12.2013 г.