Влияние кинетики процесса, протекающего в системе Fе(III) – органический реагент-восстановитель органической природы на величину антиокси

 

Относительная чувствительность к разным антиоксидантам при времени выдерживания 10 минут снижается в ряду кверцетин > галловая кислота > аскорбиновая кислота > катехол > протокатеховая кислота > феруловая кислота; при времени выдерживания 150 минут – кверцетин > галловая кислота > протокатеховая кислота > катехол > рутин > аскорбиновая кислота > феруловая кислота.

Объяснить этот ряд активности можно, если учесть стехиометрию окисления  антиоксидантов. Так восстановители типа кверцетина и галловой кислоты  при окислительно-восстановительном  взаимодействии с избытком Fe(III) отдают большое число электронов и образуется больше ионов Fe(II), что и объясняет их большую чувствительность фотометрического определения по сравнению с аскорбиновой кислотой. Как видно, с разной чувствительностью могут определяться и антиоксиданты, имеющие одинаковое количество ОН-групп, например, аскорбиновая и протокатеховая кислоты. Чувствительность определения последней в 1,5 раза выше. Подобные эффекты могут быть объяснены разной скоростью взаимодействия с окислителем.

Для всех антиоксидантов в широком временном интервале были сняты кинетические кривые. Кинетические кривые, полученные для разных начальных концентраций одного и того же антиоксиданта однотипны (рисунок 3). Однотипны и кривые, полученные при одинаковой начальной концентрации разных антиоксидантов (рисунок 4).

Рисунок 3 – Кинетические кривые для разных начальных концентраций кверцетина

Рисунок 4 – Кинетические кривые для разных антиоксидантов при  концентрации 2 мкМ

По полученным кинетическим кривым (при времени выдерживания 180 минут была рассчитана степень протекания реакции (таблица 4)

Таблица 4 – Степень  протекания реакции при разных временах  выдерживания реакционной смеси

Антиоксидант	АС(сред.)		Степень протекания реакции %
	t = 10 мин	t = 60 мин	t = 10 мин	t = 60 мин
Кверцетин	0,198	0,338	47	80
Галловая кислота	0,216	0,315	56	81
Рутин	0,103	0,180	40	70
Катехол	0,108	0,146	54	73
Феруловая кислота	0,078	0,102	70	90
Аскорбиновая кислота	0,114	0,164	51	73
Протокатеховая кислота	0,096	0,178	38	69

 

Полученные кинетические кривые по своей форме не соответствуют  типичным кинетическим кривым нулевого, первого или второго порядка, что указывает на сложный механизм взаимодействия индивидуальных антиоксидантов с окислителем. По-видимому, процесс включает в себя 3 стадии:

1 Быстрый и постепенно  замедляющийся рост оптической  плотности в первые минуты  после смешивания растворов. За  первые 10 минут процесс проходит  на 40-70% в зависимости от природы  антиоксиданта и его концентрации.

2 Медленный рост оптической  плотности в последующие 5 часов.  Через 60 минут после смешивания  процесс протекает на 70-90% от максимально  достигаемого значения

3 Приблизительное постоянство  оптической плотности в течение  последующих 24 часов. К концу третьего этапа для некоторых АО (кверцетин) наблюдается небольшое снижение оптической плотности.

Рассмотрим подробней  стадии процесса. На первом этапе кинетические кривые приближаются к линейным (рисунок 5). Данные для построения кинетических кривых даны в приложении А. О скорости процесса на первом этапе можно судить по значению аналитического сигнала при фиксированном времени, например, 10 минут (рисунок 6). На этом этапе скорость окисления любого антиоксиданта линейно зависит от начальной концентрации (таблица 5). При нулевой концентрации антиоксиданта скорость мала.

Рисунок 5 – Кинетические кривые на первом этапе реакции для различных антиоксидантов при концентрации 3 мкМ

Рисунок 6 – Зависимость  скорости окисления антиоксидантов от их концентрации

Таблица 5 – Характеристики зависимости скорости реакции на первом этапе от концентрации антиоксиданта.

Антиоксидант	Уравнение регрессии	R2
Кверцетин	y = 89,5x + 2,16	0,9973
Галловая кислота	y = 55,75x + 8,75	0,9985
Рутин	y = 39,25x + 8,25	0,9798
Протокатеховая кислота	y = 37,00x + 7,33	0,9998
Феруловая кислота	y = 34,25x + 14,25	0,996
Аскорбиновая кислота	y = 43,00x + 6,00	0,9964
Катехол	y = 45,25x + 1,58	0,9863

 

О скорости окисления  каждого антиоксиданта надо судить с учетом стехиометрии реакции, то есть следует  вносить поправку на число отдаваемых электронов. Обычно оно равно числу ОН-групп в молекуле АО. Соответствующие характеристики приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Характеристики скорости процесса на первом этапе при концентрации 3мкМ

АО	А10	Число ОН-групп	А10 / n
КТ	0,109	2	0,0545
ФК	0,098	2	0,049
АК	0,134	2	0,067
ПКК	0,115	2	0,0575
КВ	0,259	5	0,0518
ГК	0,195	3	0,0650
РТ	0,111	4	0,0278

 

На втором этапе в  интервале времени 10-300 мин после смешения реагентов кинетические кривые нелинейны (рисунок 7). Скорость нарастания  оптической плотности раствора снижается. Кинетические кривые спрямляются в билогарифмических координатах (рисунок 8) и скорость реакции оценивается как угловой коэффициент кинетической кривой в билогарифмических координатах.

Рисунок 7 – Кинетические кривые на втором этапе реакции для  разных антиоксидантов при концентрации 3 мкМ

Рисунок 8 – Кинетические кривые на втором этапе реакции для разных антиоксдантов в билогарифмических координатах

 

На третьем этапе  наблюдается очень медленное  возрастание сигнала для всех восстановителей и с аналитической  точки зрения они не представляют интерес.

Таким образом, суммируя полученные результаты кинетического окислительно-восстановительного процесса в системе Fe(III)/органический реагент-антиоксидант, можно заключить, что разные антиоксиданты окисляются с разной скоростью. На первом этапе процесса скорость снижается в ряду кверцетин > галловая кислота > катехол > аскорбиновая кислота > рутин > протокаховая кислота > феруловая кислота и скорость окисления антиоксидантов прямо пропорциональна их начальной концентрации. На второй стадии напротив скорость процесса тем выше, чем меньше начальная концентрация антиоксиданта, т.е. чем больше осталось непрореагировавших антиоксидантов после первой стадии (рисунок 9).

 

Рисунок 9 - Зависимость  скорости реакции от концентрации на втором этапе реакции для некоторых антиоксидантов

 На втором этапе скорость снижается в ряду кверцетин > галловая кислота > протокаховая кислота > рутин > катехол > аскорбиновая кислота > феруловая кислота.

Было установлено влияние  ряда факторов на кинетику процесса. Введение посторонних электролитов не оказывает влияния на скорость окисления антиоксидантов.

Избыток окислителя по-разному  влияет на скорость окисления антиоксидантов, так например, уменьшение количества Fe(III) в 2 раза практически не влияет на скорость окисления аскорбиновой кислоты, слабо влияет на скорость окисления рутина, и довольно сильно на скорость окисления кверцетина (рисунок 10,11). Природа антиоксиданта существенно влияет на скорость их окисления.

 

Рисунок 10 – Влияние избытка окислителя на скорость реакции на первом этапе

Рисунок 11 – Влияние  избытка окислителя на скорость реакции  на втором этапе реакции

 Оценивая влияние  температуры на процесс окисления  антиоксидантов, кинетические кривые  получали при термостатировании реакционной смеси.  Были получены кинетические кривые для кверцетина, аскорбиновой кислоты, рутина и катехола при различных 25 ⁰С и 35⁰С (рисунок 12)

Рисунок 12 – Влияние  температуры на скорость реакции  на примере кверцетина

. На примере аскорбиновой  кислоты и кверцетина можно  проследить закономерное увеличение  скорости реакции в 1,5 – 2 раза  при увеличении температуры на 10⁰С (таблица 7)

Таблица 7 – Скорости реакции при разных температурах и концентрациях антиоксидантов на примере кверцетина и аскорбиновой кислоты

Антиоксидант	А10
	Т = 250С			Т = 350С
	1 мкМ	3 мкМ	5мкМ	1мкМ	3мкМ	5мкМ
Аскорбиновая кислота	0,034	0,110	0,187	0,060	0,203	0,401
Кверцетин	0,093	0,270	0,382	0,143	0,364	0,523

 

Были исследованы кинетические кривые модельных смесей разного состава. При совместном присутствии разных антиоксидантов их окисление чаще всего замедляется. Наблюдается отрицательное отклонение от аддитивности практически для всех бинарных систем. Отклонения от аддитивности нарастают в системе в течение 2 этапа процесса.

Для проверки на аддитивности АС смеси  находили сумму оптических плотностей индивидуальных антиоксидантов и сравнивали ее с экспериментально полученными данными для смесей, рассчитывали отклонения от аддитивности, сопоставляли с 3S-критерием и определяли статистическую значимость этого отклонения[31]. Полученные данные сводили в таблицы 8,9,10.

Аддитивность смеси по 3S-критерию оценивали по формулам 1,2. Если условие (1) выполнялось, то смесь считали аддитивной.

 

| АС_теор – АС _прак | ≤ 3S  (1);

 

где : АС_теор – сумма аналитических сигналов восстановителей, входящих в состав смеси, полученных в день анализа смеси (ΣАС);

АС_прак – аналитический сигнал смеси восстановителей (АС_Σ);

S – среднее квадратическое  отклонение результатов трёх измерений аналитического сигнала смеси, рассчитанное по следующей формуле

 (2);

 Таблица 8 – Пример расчёта аддитивности АС по 3S-критерию для смесей при времени выдерживания 10 минут

Смесь Катехол + Протокатеховая кислота = 2 + 2 мкМ
время	АС КТ	Аср	АС ПКК	Аср	АСсмеси	АСΣ	ΣАС	S	∆A	3S
10	0,094	0,095	0,113	0,116	0,206	0,208	0,211	0,002	-0,003	0,006
	0,095		0,115		0,208
	0,095		0,119		0,210
8	0,092	0,093	0,110	0,113	0,200	0,203	0,206	0,0025	-0,003	0,007
	0,093		0,112		0,205
	0,093		0,116		0,203
6	0,088	0,090	0,103	0,106	0,190	0,191	0,196	0,0015	-0,004	0,005
	0,090		0,105		0,193
	0,091		0,110		0,191
4	0,086	0,087	0,089	0,092	0,176	0,174	0,179	0,002	-0,006	0,006
	0,087		0,093		0,172
	0,089		0,095		0,174
2	0,063	0,066	0,072	0,075	0,152	0,149	0,141	0,0031	0,008	0,009
	0,066		0,075		0,148
	0,068		0,078		0,146