CC BY
66
УДК 543.552
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОРИНА
© Н. Ф. Апрелкова1, Д. А. Матвеев1, Е.А. Арбузова1, Т.В. Карачун2, П.Б. Крайкивский1
1 Иркутский государственный университет, ул. К. Маркса, 1, Иркутск, 664003 (Россия) e-mail: [email protected]
2ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», Иркутская область, Ангарск,
665830 (Россия)
Исследованы некоторые особенности электрохимического окисления и восстановления морина на стеклоуглеродном и ртутном капающем электродах методами классической и переменно-токовой вольтамперометрии. Обсуждается стехиометрия данных процессов.
Ключевые слова: морин, флавоноиды, вольтамперометрия.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» (гос. контракт П302 от 06.05.2010 г.)
Введение
Важнейшими представителями полифенолов, занимающих ведущее место среди биологически активных веществ, являются флавоноиды, получившие широкое распространение в разных областях промышленности, в том числе пищевой и фармацевтической. Флавоноиды - это активные антиоксиданты, способные нейтрализовать свободные радикалы, образующиеся в организме под влиянием активных форм кислорода. Один из таких флавоноидов - морин (3,5,7,2',4'-пентагидроксифлавон). Морин относится к той группе био-флавоноидов, которые проявляют высокую антиоксидантную активность [1]. Между тем недостаточно исследовано электрохимическое поведение морина в анодной области потенциалов, отсутствуют данные по его электровосстановлению.
Цель работы - изучение особенностей электрохимического поведения морина и выяснение возможности использования методов вольтамперометрии при количественных определениях его содержания, а также при установлении его антиоксидантной активности.
Экспериментальная часть
Вольтамперометрические исследования проводили на полярографах LP-7 и ПУ-1. Для измерений использовали двух- и трехэлектродную ячейки. При работе в анодной области потенциалов на полярографе LP-7 в качестве электрода сравнения применяли насыщенный каломельный электрод. Рабочим являлся стеклоуглеродный электрод. В катодной области (полярограф ПУ-1) электрод сравнения - насыщенный хлорсеребряный электрод, вспомогательный - платиновый электрод, рабочий - ртутный капающий (РКЭ). Ртутный капающий электрод представляет собой стеклянный капилляр с внешним диаметром 5 мм. Капилляр характеризуется двумя величинами: скоростью вытекания m = 0,92 мг/с (количество ртути, вытекающей за 1 с); периодом капания т = 5,5 с (время, которое проходит от начала образования капли до момента ее отрыва). Произведение m 2/3т1/6 = 1,26 мг2/3/с1/6 (при отсутствии поляризации) - постоянная величина, характерная для каждого капилляра, входящая в уравнение Ильковича, связывающее величину силы среднего диффузионного тока с концентрацией деполяризатора в растворе.
В качестве фоновых электролитов использовали фосфатный и ацетатный буферные растворы (рН = 3,0-8,0). Исходный 10-2 М раствор морина готовили путем растворения точной навески в изопропаноле либо диме-тилформамиде (ДМФА). Исследуемые растворы морина готовили разбавлением исходного. Объемное соот-
* Автор, с которым следует вести переписку.
ношение буферный раствор : органический растворитель = 9 : 1. Величину рН буферных растворов контролировали на рН-метре рН-410 стеклянным электродом.
Обсуждение результатов
В режиме классической вольтамперометрии на фоне фосфатного буферного раствора (pH = 7,0) в смеси с ДМФА на стеклоуглеродном электроде для морина зарегистрирован пик окисления при потенциале, равном +0,24 В.
Процесс окисления морина зависит от рН буферного раствора, при увеличении которого потенциал пика окисления смещается к менее положительным значениям. Полученная зависимость прямолинейна в интервале рН = 3,0-7,0 с тангенсом угла наклона, равным 55 мВ/ед. рН, что характерно для электрохимического процесса с участием двух электронов и двух протонов [2]. Количество электронов, участвующих при электрохимическом окислении морина, также определяли с использованием метода полярографической кулоно-метрии. В потенциостатическом режиме при Е = + 0,5 В проводился электролиз в течение 1 ч [3]. Рассчитанное таким образом число электронов составило также 2.
В работе [4] изучали окисление кверцетина, изомера морина, на вращающемся графитовом электроде. Потенциал пика окисления кверцетина составил +0,125 В. В нашем случае на фоне фосфатного буферного раствора (рН = 7,0) в смеси с ДМФА на стеклоуглеродном электроде кверцетин, аналогично морину, окисляется, образуя вольтамперную кривую с потенциалом пика, равным +0,22 В.
ОН
морин кверцетин
В молекуле кверцетина гидроксильные группы кольца В располагаются в орто-положении друг к другу, представляя собой пирокатехиновую группировку. В индивидуальном виде пирокатехин окисляется на стеклоуглеродном электроде на указанном выше фоне с участием двух электронов и двух протонов, превращаясь в орто-бензохинон. Потенциал пика его окисления составляет +0,22 В, что свидетельствует об участии в окислении кверцетина именно кольца В. Полученные данные находят подтверждение в работах [5, 6].
На основании близости значений потенциалов пиков окисления морина и кверцетина можно сделать вывод о том, что в процессе окисления этих флавоноидов электрохимическую активность проявляет кольцо В. При этом в молекуле морина кольцо В превращается в мета-бензахиноновую группу. Однако при изучении окисления резорцина на фоне фосфатного буферного раствора (рН = 7,0) в смеси с ДМФА на стеклоуглеродном электроде оказалось, что резорцин на вольтамперной кривой образует пик с потенциалом в максимуме, равным +0,60 В. Существенное отличие в значениях потенциалов пиков окисления морина и резорцина (+0,24 и +0,60 В) и, в противоположность, близость значений тех же величин для морина и кверцетина (+0,24 и +0,22 В) не дают полной уверенности в том, что в процессе окисления данных флавоноидов участвует именно кольцо В. В работе [7] авторы предлагают схему окисления морина в условиях цикловольтам-перометрии на стеклоуглеродном электроде с участием двух электронов и двух протонов, сопровождающегося превращением кольца В в бирадикал. Потенциал в максимуме циклической вольтамперной кривой составляет +0,3 В на ацетатном буферном растворе при рН = 5,6.
Исходя из полученных результатов, возможно, окисление затрагивает систему колец В и С молекулы морина с образованием продукта, описанного в [8], где показана возможность окисления кверцетина в присутствии ионов Си2+ и кислорода воздуха с образованием следующего хиноида:
ОН
ОН
О
В свою очередь процесс электрохимического окисления морина на стеклоуглеродном электроде можно представить так:
Между величиной тока окисления морина (аналитический сигнал) и его концентрацией в растворе существует прямая пропорциональная зависимость в интервале концентраций 1-10-4 + 1 • 10-3 М, что может быть использовано для количественного определения морина. Определению мешают кверцетин и дигидрокверце-тин вследствие наложения аналитических сигналов. Так, для модельных растворов воспроизводимость составляла 8Г = 0,1.
Кроме способности окисляться на стеклоуглеродном электроде, морин проявляет электрохимическую активность в процессах восстановления на РКЭ, что исследовалось методом полярографии переменного тока с синусоидальной формой переменного напряжения. В качестве растворителя использовали изопропанол. Процесс восстановления морина протекает с участием ионов водорода, о чем свидетельствует зависимость значений потенциалов пиков полярограмм переменного тока от рН буферного раствора (ацетатного и фосфатного). Зависимость имеет прямолинейный характер в диапазоне рН = 3,0-5,0. Тангенс угла наклона составляет 29 мВ/ ед. рН, что говорит об участии в электрохимическом процессе двух электронов и одного протона. Вероятнее всего, для данного процесса свойственно наличие предшествующей протонизации карбонильной группы кольца С, о чем свидетельствует тот факт, что при увеличении рН буферного раствора наблюдается снижение величины тока восстановления, что характерно именно для такого типа процессов [9]. Таким образом, процесс электрохимического восстановления морина на РКЭ можно представить следующим образом:
При рН > 5,0 наблюдаются уширение и сдвиг потенциалов пиков к более отрицательным значениям. Исходя из величины с > 88/п мВ (ширина пика на полувысоте), характеризующей степень обратимости электрохимического процесса в полярографии переменного тока, данный процесс является малообратимым [10]. С увеличением рН буферного раствора от 3,0 до 4,5 необратимость процесса уменьшается, после чего фиксируется резкое ее увеличение. Наибольшая обратимость отмечается при рН=4,5 (с = 90 мВ).
Как и в случае процесса окисления, между величиной тока восстановления морина (аналитический сигнал) при амплитуде синусоидального напряжения 10 мВ и его концентрацией в растворе существует прямая пропорциональная зависимость в интервале концентраций 2-10-5 + 1-10-3 М, что может быть использовано для количественного определения морина. Так, для модельных растворов воспроизводимость составляла 8Г = 0,02.
С целью изучения антиоксидантной активности морина было исследовано его влияние на волну электровосстановления кислорода в условиях классической полярографии. На полярограмме фонового электролита зафиксирована волна в интервале потенциалов от -0,8 до -1,4 В с Е1/2 = -1,07 В. Данная волна обусловлена восстановлением кислорода, так как после продувки инертным газом (аргон) в течение 10 мин она исчезала. При введении морина волна восстановления кислорода в недегазированном растворе уменьшалась, вплоть до полного исчезновения, что связано со взаимодействием флавоноида с анион-радикалами, генерируемыми в ходе электровосстановления кислорода:
02 + ё ^ 02 _
02 “ + Н+ + ё ~Н02 _
Зависимость высоты волны восстановления кислорода от концентрации морина представлена на рисунке.
концентрация морина, моль/л
Зависимость высоты волны кислорода от концентрации морина
В работе определяли коэффициент суммарной антиоксидантной активности морина К в мл/г, показывающий степень уменьшения тока электровосстановления кислорода относительно концентрации антиоксиданта в растворе:
1
AC
где I - значение тока электровосстановления кислорода в присутствии морина, мкА; I0 - значение тока электровосстановления кислорода при отсутствии морина, мкА; С - концентрация морина в растворе, г/мл.
Аналогичные исследования проводились в работах [11, 12], где были изучены экстракты различных растений, а также некоторых веществ. Коэффициент суммарной антиоксидантной активности морина К составил 279,6 мл/г, что превышает аналогичные значения для веществ, изученных в упомянутых выше работах. Преимуществом данного метода является отсутствие необходимости использования стандартного антиоксиданта.
Выводы
Предложен альтернативный взгляд на процесс электрохимического окисления морина на стеклоуглеродном электроде, протекающего с участием двух электронов и двух протонов.
Предложена схема электрохимического восстановления морина на ртутном капающем электроде в условиях полярографии переменного тока. Исходя из полученных данных, процессу восстановления морина на электроде предшествует протонизация карбонильной группы. Сам процесс восстановления протекает с участием двух электронов и одного протона и является малообратимым.
Вольтамперометрический метод может быть использован для количественного определения морина в модельных растворах. При этом воспроизводимость результатов анализа при применении ртутного капающего электрода выше, чем стеклоуглеродного.
Показана принципиальная возможность по уменьшению высоты волны восстановления кислорода в зависимости от концентрации морина определять его антиоксидантную активность.
Список литературы
1. Hanaski Y. The correlation between active oxygen scavenging and antioxidative effects of flavonoids // Free Radic. Biol. Med. 1994. V. 16, N6. Pp. 845-850.
2. Майрановский С.Г., Страдынь Я.П., Безуглый В.Д. Полярография в органической химии. Л., 1975. 352 с.
3. Гейровский Я., Кута Я. Основы полярографии: пер. с чеш. М., 1965. 559 с.
4. Fahrat F., Kallel М., Caiola A., Cantin D., Alary J. Determination polarograohique de facteurs vitaminiques P (rutine et ses derives) // Talanta. 1984. V. 31, N8. Pp. 615-618.
5. Zhu Z., Li N-Q. Electrochemical studies of quercetin interacting with DNA // Microchemical J. 2002. V. 71. Pp. 57-63.
6. Brett A.M.O., Ghica M-E. Electrochemical oxidation of quercetin // Electroanalysis. 2003. V. 15, N22. Pp. 1745-1750.
7. Liu W., Guo R. Effects of triton X-100 nanoaggregates on dimerization and antioxidant activity of morin // Molecular Pharmaceutics. 2008. V. 5? N4. Pp. 588-597.
8. Brown J.E., Khodr H., Hider R.C., Rice-Evans C.A. Structural dependence of flavonoid interactions with Cu2+ ions: implications for their antioxidant properties // Biochem. J. 1998. V. 330. Pp. 1173-1178.
9. Майрановский С.Г. Каталитические и кинетические волны в полярографии. М., 1966. 288 с.
10. Каплан Б.Я., Пац Р.Г., Салихджанова Р.М.-Ф. Вольтамперометрия переменного тока. М., 1985. 264 с.
11. Короткова Е.И., Аврамчик О.А., Каморзина И.Г., Карбаинов Ю.А., Лукина А.Н. Новый вольтамперометрический метод определения антиоксидантной активности косметической продукции // Заводская лаборатория. 2004. Т. 70, №8. С. 13-17.
12. Аврамчик О.А. Закономерности процесса электровосстановления кислорода в присутствии антиоксидантов и их применение в аналитической практике: автореф. дис. ... канд. хим. наук. Томск, 2006. 21 с.
Поступило в редакцию 16 марта 2010 г.
После переработки 29 сентября 2010 г.
