Содержание к диссертации
Введение
ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ГЕТЕРОФАЗШХ СИСТЕМАХ (Обзор литературы) 7
1.1. Влияние целлообразования на кинетику химических реакций в растворах поверхностно-активных веществ 7
1.1.1. Свойства мицелл и молекулярных растворов поверхностно-активных веществ 7
1.1.2. Особенности химических реакций в молекулярных растворах поверхностно-активных веществ Ю
1.2. Физико-химические процессы в искусственных модельных мембранах 14
1.2.1. Искусственные модельные мембраны и их свойства 14
1.2.2. Кинетика химических реакций в искусственных мембранах 21
1.3. Реакции в замороженных растворах 24
1.3.1. Замороженные растворы и их свойства 25
1.3.2. Влияние понижения температуры и замораживания на кинетику
химических реакций 27
1.3.3. Низкие температуры и проблемы консервирования пищевых продуктов 31
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 34
2.1. Исходные вещества и растворы 34
2.2. Приготовление и определение состава реакционной смеси при исследовании катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-нафтохинол-1-диметил- фосфата перекисью водорода 40
2.3. Приготовление искусственных фосфолипидных мембран 43
2.3.1. Плоские мембраны 44
2.3.2. Липидные везикулы 44
2.4. Спектрофотометрические методики изучения
физико-химических процессов в искусственных мембранах 45
2.4.1. Оценка проницаемости мембран для компонентов раствора 45
2.4.2. Определение п -нитрофенилпальмитата в суспензии фосфолипидных везикул 51
КИНЕТИКА КАТАЛИЗИРУЕМОГО ПЕРОКСИДАЗОЙ ОКИСЛЕНИЯ 2,3-ДИМЕТИЛ-1,4-НАФТОХИНОЛ--I-ДИМЕТИЛФОСФАТА ПЕРЕКИСЬЮ ВОДОРОДА 56
3.1. Кинетика катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-нафтохинол--I-диметилфосфата перекисью водорода в жидкой фазе в присутствии добавок поверхностно-активных веществ 58
3.2. Зависимость скорости катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-наф-тохішол-1-диметилфосфата перекисью водорода от состава замороженного раствора 69
3.3. Изменение активности пероксидазы и скорости окисления при замораживании и понижении температуры 71
КИНЕТИКА ГИДРОЛИЗА П -НИТРОФЕНШПШШЛИТАТА, ВКЛЮЧЕННОГО В ФОСФОЛИПИДШЕ ВЕЗИКУЛЫ 81
4.1. Зависимость проницаемости искусственных фосфолипидных мембран для воды от температуры и состава раствора - 82
4.2. Влияние температуры на кинетику гидролиза -нитрофенилпальмитата, включенного в фосфолипидные везикулы 87
4.2.1. Температурные зависимости приведенной начальной скорости и глубины гидролиза 87
4.2.2. Влияние циклического изменения температуры на предельную глубину гидролиза.. 97
4.3. Кинетика гидролиза включенного в фосфолипидные везикулы in -нитрофенилпальмитата при замораживании и в присутствии добавок 101
4.3.1. Влияние замораживания на кинетику гидролиза 101
4.3.2. Гидролиз включенного в везикулы И -нитрофенилпальмитата в присутствии добавок 106
5. КИНЕТИКА. Б'ЩРОЖЗА її ОКИСЛЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭсЖРОВ В ГЕТЕРОФАЗШХ СИСТЕМАХ (Обсуждение результатов) 117
5.1. Влияние физико-химических свойств мицелляр-ной и липидной фаз на начальные скорости и глубины превращений исследуемых реакций 117
5.2. Зависимость физико-химических процессов в исследуемых системах от температуры 127
5.3. Влияние замораживания растворов на кинетику изучаемых реакций 134
5.4. Глубина гидролиза yj -нитрофенилпальмитата, включенного в фосфолипидные везикулы, как тест на структурно-фазовые изменения в системе 142
ВЬІВОЛЬІ 150
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153
- Влияние целлообразования на кинетику химических реакций в растворах поверхностно-активных веществ
- Приготовление и определение состава реакционной смеси при исследовании катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-нафтохинол-1-диметил- фосфата перекисью водорода
- Кинетика катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-нафтохинол--I-диметилфосфата перекисью водорода в жидкой фазе в присутствии добавок поверхностно-активных веществ
- Зависимость проницаемости искусственных фосфолипидных мембран для воды от температуры и состава раствора
- Влияние физико-химических свойств мицелляр-ной и липидной фаз на начальные скорости и глубины превращений исследуемых реакций
Введение к работе
Многие химические и в особенности биохимические процессы в природе происходят в гетерофазных системах при участии веществ, входящих в состав двух или большего числа сосуществующих фаз. Влияние таких упорядоченных систем на скорости и направления протекающих в них ракций особенно ярко проявляется в биохимических процессах, где реакционная способность молекул является функцией химического строения, фазового состояния и физико-химических свойств среды, наличия естественных барьеров - биолигических мембран. Подобная зависимость необходима для нормального функционирования живого организма и его адаптации к изменяющимся внешним условиям. Очевидно, поиски закономерностей, связывающих кинетику химических реакций со структурно-фазовыми свойствами реагирующей системы, имеют принципиальное значение, выходящее далеко за пределы химической кинетики, и актуальны для других разделов химии и ряда смежных с ней областей.
Температура является одним из наиболее мощных факторов, определяющих состояние системы и ее компонентов. Зависящие от температуры физико-химические свойства среды влияют на скорость и механизм химических реакций. В связи с этим химическая кинетика может представлять собой чувствительный метод оценки изменений физико-химических свойств исследуемой системы, ее структурно-фазового состояния. Возможность обнаруживать качественные изменения состояния системы на основе данных по кинетике осуществляющихся в ней реакций представляет большой практический интерес и гложет быть использована при оптимизации режима технологических процессов, связанных с изготовлением, переработкой и хранением медико-биологических препаратов и пищевых продуктов в условиях воздействия низких температур.
Цель настоящей работы состояла в изучении зависимости кинетических особенностей ряда модельных реакций от фазового состояния среды. По нашему мнению, такие исследования позволяют сделать химическую кинетику удобным методом оценки происходящих в системе структурно-химических изменений. В качестве модельных реакций мы выбрали хорошо изученные в жидкой фазе на кафедре химической кинетики в лаборатории химии низких температур реакции окисления и гидролиза сложных эфиров. Б работе исследовано катализируемое пероксидазой окисление 2,3-диметил-1,4-нафтохинол-1-диметилфосфата перекисью водорода в жидких и замороженных водных растворах в присутствии катионных, анионных и нейтральных поверхностно-активных веществ, а также в отсутствие ПАВ, и гидролиз ft -нитрофенил-пальмитата, включенного в фосфолипидные везикулы, моделирующие ряд свойств природных биологических мембран. Кинетику выбранных реакций при разных температурах исследовали в условиях, когда фазовое состояние системы может меняться в результате присутствия способных к агрегации синтетических или природных поверхностно-активных веществ и в результате термотропных структурно-фазовых переходов в искусственных мембранах или при замораживании растворов.
Влияние целлообразования на кинетику химических реакций в растворах поверхностно-активных веществ
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - вещества с асимметричной структурой, их молекулы содержат одну или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофобных радикалов [і]. Такая дифильная природа является фундаментальной характеристикой ПАВ и обусловливает их способность адсорбироваться на границе раздела вода-воздух или вода-масло, а также обеспечивает образование структур типа мыльных пленок І2І.
По типу диссоциации все ПАВ делятся на анионные, катион-ные, неионогенные и амфолитные. Анионные и катионные ПАВ содержат функциональные грушш, в результате ионизации которых в растворе образуются органические анионы или катионы соответственно. Неионогенные ПАВ, растворимость которых в воде связана с наличием в молекуле нескольких полярных, весьма гидрофильных групп [2J, практически не образуют в водном растворе ионов. Амфолитные ПАВ в зависимости от величины рН и природы растворителя представляют собой анионоактивные либо катионоактивные вещества ІІ, 3 .
Приготовление и определение состава реакционной смеси при исследовании катализируемого пероксидазой окисления 2,3-диметил-1,4-нафтохинол-1-диметил- фосфата перекисью водорода
Спектры поглощения и кинетические кривые регистрировали на спектрофотометрах n& v-I5" (США) и "SP-800" (Англия) в интервале изменения оптической плотности (0-0,1) или (0-1,0). Измерения проводили в термостатируемой кювете. Термостатиро-вание осуществляли с помощью термостата " #-10" (ГДР) с точностью ±0,1.
В типичном опыте при Т 274 К скорость реакции измеряли следующим образом. В оптическую кювету объемом 3 мл последовательно вводили 0,03 мл 1,32» 10 " моль «л раствора ИЯР , 0,03 мл 1,0 10 моль «л раствора И А , 0,05 мл раствора ПАВ заданной концентрации и 2,82 мл буферного раствора. Затем кювету помещали в термостатируемый кюветодержателъ и выдерживали в течение 10 мин, после чего в реакционную смесьо тдобавляли 0,07 мл 3,4-10 моль-л ""-1- метанольного раствора ДНХФ, тщательно перемешивали раствор и начинали регистрацию кинетической кривой.
В типичном эксперименте за протеканием реакции следили вплоть до 20 % превращения. Катализируемое пероксидазой окисление ДНХФ перекисью водорода в условиях опыта проходит до конца, о чем свидетельствует спектрофотометрический анализ реакционной смеси после ее длительного выдерживания.
Значения начальных скоростей рассчитывали по тангенсу наклона касательной к начальному участку кинетической кривой.
Реакционная смесь для повышения растворимости субстрата и продукта реакции содержала 2,3 об.% (0,38 М) метанола. Время между добавлением субстрата и началом регистрации составляло в среднем 10 с. Раствор сравнения содержал 0,07 мл 3,4«10 моль Л""х метанольного раствора ДНХФ и 2,93 мл буферного раствора.
Зависимость проницаемости искусственных фосфолипидных мембран для воды от температуры и состава раствора
В качестве типичных представителей различных классов поверхностно-активных веществ в работе использовали бромистый цетилтриметиламмоний (ЦТАБ) - катионное ПАВ; додецилсульфат натрия (ДСН) - анионное ПАВ и Твин-80 - нейтральное ПАВ.
Для выбора условий проведения пероксидазного окисления. ДЖФ перекисью водорода изучили зависимость начальной скорости реакции от рН среды, концентрации фосфатного буферного раствора и концентрации метанола, добавляемого в систему для улучшения растворимости ДЖФ. Результаты этих исследований приведены в табл. 3, 4, 5 и на рис. 9.
Из табл. 3 и рис. 9 видно, что скорость катализируемого пероксидазой окисления ДЖФ перекисью водорода зависит от рН среды и имеет колоколообразный характер с максимумом вблизи рН 9. Основываясь на этих результатах, в дальнейших исследованиях при изучении влияния рН на кинетику изучаемой реакции использовали фосфатные буферные растворы с рН в области 7-9.
Зависимость проницаемости искусственных фосфолипидных мембран для воды от температуры и состава раствора
Поскольку кинетика химических реакций, протекающих в фосфожпидных мембранах, прямо или косвенно связана с явлениями переноса веществ, в частности, воды через мембрану, нам представлялось необходимым изучить зависимость мембранной проницаемости для воды от температуры и состава раствора. В качестве моделей мембраны выбраны фосфолипидные везикулы и пленки, образованные при нанесении липида на пористую подложку.
Исследована проницаемость модельных мембран для воды в присутствии фталофоса, являющегося представителем пестицидов, веществ, обладающих биологической активностью. Растворимость фталофоса в воде (25 мг л"1 [143]) давала возможность использовать спектрофотометрический метод анализа.
Влияние добавок фталофоса на проницаемость фосфолшшд-ных везикул при различных температурах исследовали, измеряя начальную скорость уменьшения оптической плотности суспензіш везикул в воде и в растворах с различными концентрациями добавок. Исходную суспензию фосфолипидных везикул готовили в моль.л растворе хлористого калия. Полученные результаты приведены в табл. 16 и на рис. 19.
Полученные результаты показывают, что, как видно из рис. 19, зависимость начальной скорости изменения оптической плотности суспензіш фосфолипидных везикул в воде имеет максимум при температуре 293 К (кривая I). Присутствие фталофоса сдвигает максимум в сторону более высоких температур (кривая 2).
Влияние физико-химических свойств мицелляр-ной и липидной фаз на начальные скорости и глубины превращений исследуемых реакций
Введение в гомогенные растворы поверхностно-активных веществ различной природы в концентрациях, превышающих ККМ, приводит к мщеллообразованию, то есть к возникновению новой фазы. Происходящее при этом распределение реагентов между разлжчаїсщимися по физико-химическим свойствам фазагж должно отражаться в кинетике протекающих в системе реакций.
В обзоре литературы было показано, что ПАВ могут как замедлять, так и ускорять реакции. Именно распределение субстратов между мицеллами и водным раствором, а не влияние мицел-лообразования на свойства водной фазы приводит к ускорению или замедлению реакций [з].
В настоящей работе показано, что катионные (ЦТАБ) и неионогенные (Твин-80) поверхностно-активные вещества замедляют пероксидазное окисление ДТШ перекисью водорода по сравнению с реакцией, протекающей в отсутствие ПАВ, причем величина эффекта зависит от концентрации ПАВ и рН среды (см. табл. 6 и 8 и рис. 10). Так, при концентрации ЦТАБ 1,7 КГ4 моль «л-1 скорость реакции уменьшается в 5 раз при рН 7,0 (табл. 6а и рис. 10, кривая I) и в 2 раза при рН 9,5 (табл. 66 и рис. 10, кривая 2). Твин-80 в концентрации 0,15 г л замедляет реакцию в 3 раза (табл. 8). Для ДСН обнаружен эффект обращения каталитического влияния на реакцию. Так,при рН 7,0 ДСН в концентрации 8 10 моль л ускоряет пероксидазное окисление ДНХФ ПО сравнению с реакцией, протекающей в отсутствие ПАВ, приблизительно в 4 раза (табл. 7, рис. II), в то же время при рН 9,0 те же добавки ДСН замедляют реакцию приблизительно в 3 раза (табл. 7, рис. 12).
Результаты исследования зависимости скорости реакции от концентрации поверхностно-активных веществ показывают, что практически во всех случаях эффект добавок ПАВ начинает проявляться в области концентраций, существенно меньших, чем соответствующие значения ККМ, определенные в воде и равные для ЦТАБ 9,2-КГ4 моль-л"1 [3], для ДСН 8,1-Ю"3 моль-л""1 [з], для Твина-80 6-Ю""2 г.л""1 [і] (см. табл. 6-8 и рис. 10-12).
