ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРИКИСИ ВОДОРОДА ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ КИСЛОРОДОМ

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРИКИСИ ВОДОРОДА ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ КИСЛОРОДОМ Кислород

Обоснование генерирования цвиттерионов оксиводы и синглетных атомов кислорода из молекул пероксида водорода в водных растворах

DOI: 10.14529/chem180405

SUBSTANTIATION FOR OXYWATER ZWITTERIONS AND SINGLET OXYGEN ATOMS GENERATION FROM HYDROGEN PEROXIDE MOLECULES IN AQUEOUS SOLUTIONS

A.A. Chumakov, anton.doktor.tomsk@mail.ru O.A. Kotelnikov, kot_o_a@mail.ru Yu.G. Slizhov, decan@mail.tsu.ru T.S. Minakova, tminakova@mail.tomsknet.ru

National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation

Hydrogen peroxide is widely used as an oxidant. The results of thermodynamic calculations indicate the impossibility of spontaneous generation of hydroxyl and hydroperoxyl radicals from hydrogen peroxide in aqueous solutions. Hydrogen peroxide spontaneously decomposes in ferrous, ferric, and cupric Fenton reaction systems. Ferric xylenol orange and ferric pyridoxine complexes are oxidized rapidly and spontaneously by this oxidant. Hydrogen peroxide in aqueous solutions spontaneously oxidizes the sulfur atoms of hyposulfite anions and benzylpenicillin molecules. Thus, a hydrogen peroxide molecule generates another intermediate that differs from hydroxyl and hydrope-roxyl radicals. Theoretical modeling shows that hydrogen peroxide can participate in the proton transfer reactions. Its isomerization to oxywater zwitterion with subsequent oxywater intramolecular disproportionation is a process that is very suitable for explaining all events of hydrogen peroxide decomposition and oxidative reactivity in aqueous systems. The oxywater zwitterion is a bipolar ion in which the opposite charges are localized on neighboring oxygen atoms. This determines the displacement of electron density from the negatively charged atom to the positively charged atom. As a result, the interoxygen bond heterolytically dissociates with liberation of a water molecule and formation of an oxygen atom (oxene) in a singlet quantum state. This atom has a vacant atomic orbital. The S-oxidation of benzylpenicillin and hyposulfite occurs via targeting of electron pairs of the sulfur atoms by the vacant atomic orbitals of the singlet oxygen atoms. We substantiate an oxene-mediated pathway of hydrogen peroxide disproportionation. A singlet oxygen atom interacts with a second hydrogen peroxide molecule through targeting the unshared electron pair of the oxygen atom by a vacant atomic orbital. The process may be called O-oxidation of hydrogen peroxide; it results in trioxidane (dihydrogen trioxide) formation. Hydrogen trioxide rapidly decomposes and produces water and singlet dioxygen. We have suggested a mechanism of the electron spin rotation during the singlet dioxygen quenching into the triplet quantum state. We have assumed the formation of a dimeric associate from singlet dioxygen antipodes by orbital parameter. Two simultaneous redox reactions (the electron exchange interaction) result in generation of two triplet dioxygen molecules. The first triplet molecule has 1 total electron spin, and the second one has -1 total electron spin. For Fenton reaction systems, the zwitterionization of hydrogen peroxide in Lewis acid-base complexes with metal ions is followed by intramolecular disproportionation of oxywater. The singlet oxene remains in complex with a metal ion. Ferrous iron ion changes its oxidation state to ferric due to rapid and inevitable one-electron transfer within the iron(II)-oxene complex. The ferric-oxyl complex is known as alpha-oxygen complex. In our opinion, the classic Fenton reaction occurs through alpha-complex formation. We maintain such view that is alternative to widespread conceptions of the hydroxyl radical generation or oxoferryl(IV) formation. We have reproduced electro-Fenton reactions of transition metal ions with electrogenerated hydrogen peroxide and presumably observed voltammetric signals for the singlet oxene atoms and oxyl radical anions (alpha-oxygen particles). The oxywater-oxene concept is successfully applicable to explain the catalytic activity of redox-inactive substances. We have used our oxywater-oxene concept for explanation of hydroperoxide monooxygen and dioxygen oxidative functionali-zation mechanisms in organic synthesis.

Keywords: hydrogen peroxide molecule, oxywater zwitterion, singlet oxene atom, Fenton reaction, oxyl radical anion, ferric-oxyl alpha-complex, electro-Fenton reaction.

Introduction

Hydrogen peroxide HOOH is widely used as an oxidant for medical disinfection, in advanced oxidation processes [1], in delignification processes [2], in organic synthesis for monooxygen and dioxygen

functionalization of substrates [3]. Hydrogen peroxide is a redox-signaling molecule in biological systems [4], and it is a facilitator of pathological oxidative stress via endogenous Fenton reactions [5]. There is a widespread opinion that hydrogen peroxide directly generates free radicals (hydroxyl HO^ and hydroperoxyl HOO^) through one-electron redox reactions [1, 3, 5]:

HOOH e ^ HO’ -OH HOOH ^ HOO’ H e

(1) (2)

Equation (1) is used for explanation of divalent (ferrous) iron and monovalent (cuprous) copper interaction with hydrogen peroxide [1, 3, 5]:

Fe2 HOOH ^ Fe3 HO* — OH (3)

Cu HOOH ^ Cu2 HO* — OH (4)

Equation (2) is used for explanation of trivalent (ferric) iron and divalent (cupric) copper interaction with hydrogen peroxide [1, 3, 5]:

Fe3 HOOH ^ Fe2 HOO* H (5)

Cu2 HOOH ^ Cu HOO* H (6)

Equations (3)-(6) are widespread interpretations of Fenton reactions [1, 3, 5], but these schemes are not proved [3, 6-8]. The summation 1 2 or 3 5 or 4 6 gives Equation (7) of one-electron hydrogen peroxide dismutation with simultaneous generation of hydroxyl and hydroperoxyl radicals:

2HOOH ^ HOO* HO* HOH (7)

Earlier, Chumakov A.A. et al. [9] used Equation (7) as the probable first step of non-catalytic (thermal or photochemical) hydrogen peroxide decomposition. It was shown that one hydrogen atom transfer led to increase in Gibbs free energy 39.9 kJ/mol in the gas phase. There was an assumption for endergonic activation of two hydrogen peroxide molecules associate (Fig. 1).

H

H

о—O

о—O-

HH

V-O

T or hv

H

о- о

H

Fig. 1. Previously proposed thermal or photonic hydrogen peroxide one-electron with one-proton disproportionation within dimeric associate

The purpose of our present study is argumentation against the widespread view that hydrogen peroxide is a direct precursor of hydroxyl and hydroperoxyl radicals, as well as presentation of an oxywa-ter-oxene conception for hydrogen peroxide decomposition kinetics and oxidative reactivity in aqueous systems.

I. Results

We carried out a complex study using thermodynamic calculations, performing reactions such as hydrogen peroxide decomposition in Fenton systems, model substrates oxidation (hyposulfite, benzyl-penicillin, ferric xylenol orange chelates, ferric pyridoxine chelates), and electro-Fenton reactions. Besides, we used theoretical modeling.

I-1. Thermodynamic analysis. We carried out thermodynamic analysis of radical-generating reactions (Equations (3)-(7) for aqueous phase, using reference values [10] of standard thermodynamic functions of reagents (rg) and products (prd) of reactions (Table 1) and the known laws and equations of thermochemistry:

AH298 = S VA fH°298Prd — S VAfH298rg

Л А098 = S vS2098Prd » S VS29*rg Л A =A rH 0o98 — 098ЛА°98 (A)

ArGo098 =SvAfG°098Prd-XvAfGVg (B)

Table 1

Reference values of standard thermodynamic functions of reagents and products of reactions

Rg and Prd Phase A fH °98 kJ/mol S0098 J/(mol-K) Л fG098 kJ/mol

HOOH aqueous -191.0 143.9 -134.0

HOH liquid -085.8 69.9 -037.1

HO^ gaseous 39.0 183.7 34.0

HOO^ gaseous 10.5 009.0 00.6

H aqueous 0 0 0

HO- aqueous -030.0 -10.8 -157.0

Fe° aqueous -89.1 -137.7 -78.9

Fe3 aqueous -48.5 -315.9 -4.7

Cu aqueous 71.7 40.6 50.0

Cu0 aqueous 64.8 -99.6 65.5

The calculated standard thermodynamic functions of reactions 3-7 are presented in Table 2.

Table 2

Calculated standard thermodynamic functions (kJ/mol) of radical-generating reactions

Reaction Л rH 0°98 298ЛrS°098 Л А°98 (A) ЛG0°98 (B)

Fe0 HOOH ^ Fe3 HO* -OH 40.8 -44.5 85.3 85.0

Cu HOOH ^ Cu0 HO* — OH -6.7 -33.0 06.5 06.5

Fe3 HOOH ^ Fe0 HOO* H 161.1 78.5 80.6 80.4

Cu0 HOOH ^ Cu HOO* H 008.6 67.0 141.4 141.1

0HOOH ^ HOO* HO* HOH 146.1 58.1 88.0 87.7

I-2. Hydrogen peroxide decomposition in Fenton systems. We used a digital gas volume and temperature USB-detector for recording molecular dioxygen, produced during hydrogen peroxide decomposition in ferrous, ferric, and cupric Fenton reaction systems (Fig. 2). The reagents used were H2O2, FeSO4-7H2O, FeCl3-6H2O, and CuCfe^O.

Decomposition of hydrogen peroxide was complete because of respective dioxygen volume. In accordance with Equation (8), the dismutation of two mol H2O2 gives one mol O2:

2H2O2 ^ 2H2O O2 Î (8)

At room temperature and standard atmospheric pressure (conditions of our experiments) one mmol H2O2 gives approximately 12 mL O2 by the ideal gas Clapeyron-Mendeleev law calculation. We obtained approximately 42, 53, 64, and 75 mL O2 from, respectively, 3.5, 4.4, 5.3, and 6.2 mmol H2O2 (Fig. 2).

The ferric and cupric systems had no changes in catalyst condition after the completion of hydrogen peroxide decomposition, that is, the ferric system looked like the initial yellow ferric chloride aqueous solution and the cupric system looked like the initial blue-green cupric chloride aqueous solution. In contrast, ferrous catalyst obviously changed its condition. The initial ferrous sulfate aqueous solution was transparent and colorless. Its interaction with hydrogen peroxide resulted in precipitation of iron(III) oxide-hydroxide with rusty color.

I-3. Oxidation of hyposulfite (thiosulfate). We used aqueous solutions of Na2S2O3 1.90 mol/L and H2O2 0.88 mol/L. The mixtures of 1-2 mL hyposulfite with 3-4 mL hydrogen peroxide rapidly and spontaneously heated up to 50-55 Celsius degrees.

70

Е 60

Е 50

О > 40

с

30

О 20

п

10

0

50 -| 45 —

i 40 -of 35 -Л 30 -S 25-

S 20 —

сл

х 15 -5 105 -0 -0

80

70

Е 60

Е 50

1 о > 40

с

-2 30

>

-3 О 20

-4 о 10

-, 0

1000 1500 Time, sec

a)

1000 Time, sec

c)

50

45

Е 40

(1>» 35

Е 3 30

S 25

с 0) 20

15

0 10

5

0

200 300 400 Time, sec

b)

1000 1500 Time, sec

d)

Fig. 2. The kinetics of dioxygen accumulation in Fenton systems (0.025 mol/L Fe2 , 0.025 mol/L Fe3 , 0.25 mol/L Cu2 , 0.77 mol/L H2O2, 1 — 6.2, 2 — 5.3, 3 — 4.4, 4 — 3.5 mmol H2O2): a) Fe2 /H2O2; b) Fe3 /H2O2; c) Cu2 /H2O2 (3.5 mmol H2O2); d) the comparison of ferric, ferrous and cupric systems (3.5 mmol H2O2)

0

0

0

I-4. Oxidation of benzylpenicillin. The benzylpenicillin sodium salt was dissolved in aqueous hydrogen peroxide solution without any Fenton catalyst addition. The system was protected from thermal and photochemical activation. As a result, we observed the colloid solution formation, and hydrogen peroxide disproportionation with the gas-phase molecular oxygen liberation.

The NMR-spectroscopy data (Section I-7) was indicative of S-oxidation of the sulfide fragment.

I-5. Oxidation of ferric xylenol orange chelates. The xylenol orange aqueous solution 5T0″5 mol/L has yellow color and absorbs visible light with ^max=430 nm. When the equimolar amount of iron(III) chloride was added, violet color with ^max=575 nm appeared. The violet color was stable for many months. When hydrogen peroxide was added, the discoloration of solution occured very quickly within a few minutes. The final solution had no absorption maximums in visible region and it looked like pale yellow ferric chloride aqueous solution.

The NMR-spectroscopy data (Section I-7) were an evidence in favor of N-oxidation with subsequent Cope elimination.

When iron(II) sulfate was added into the xylenol orange aqueous solution, the yellow color and absorption maximum on 430 nm were not changed. Further addition of hydrogen peroxide led to violet coloring with maximal absorption at 575 nm.

I-6. Oxidation of ferric pyridoxine chelates. The ferric pyridoxine chelates determine the red color of aqueous solution with absorption maximum of visible light at 449 nm. The hydrogen peroxide adding resulted in solution discoloration. The final solution had no absorption maximums in visible region and it looked like pale yellow ferric chloride aqueous solution.

Based on NMR-spectroscopy results (Section I-7) we concluded that the primary alcohol group at pyridine nucleus 4 carbon atom oxidized into carboxyl group as the main reaction path.

When iron(II) sulfate was added into the pyridoxine aqueous solution, the latter remained colorless. Further addition of hydrogen peroxide led to red coloring with maximal absorption at 449 nm.

I-7. The NMR-spectroscopy. We used a Bruker Avance III HD NMR-spectrometer for determining the products of benzylpenicillin and two chelate complexes oxidation. The initial structures of organic molecules are presented on Fig. 3.

fYWtY»‘ HO~TVi

К^ 0 IW Ънз

он

N= ОН

он

^ I] —I но *—Он

N °

а)

Ь)

с)

Fig. 3. The structures of organic model substrates of oxidation (received from ChemSpider database, www.chemspider.com): a) benzylpenicillin (ChemSpider ID 5693), b) xylenol orange (ChemSpider ID 65838), c) pyridoxine (ChemSpider ID 1025)

I-7-a. Oxidation of benzylpenicillin. For benzylpenicillin sodium salt aqueous solution, two methyl groups gave 1.37 and 1.43 ppm signals in :H-NMR spectrum and 26.42 and 30.61 ppm signals in 13C-NMR spectrum (positive in DEPT-135 spectrum). The neighboring quaternary carbon atom gave 64.33 ppm signal in 13C-NMR spectrum (absent in DEPT-135 spectrum). For the colloid solution (formed soon after benzylpenicillin sodium salt dissolved in aqueous hydrogen peroxide solution), there were six methyl-group signals in the range 1.08-1.47 ppm of 1H-NMR spectrum and in the range 16.83— 26.85 ppm of 13C-NMR spectrum (positive in DEPT-135 spectrum). There were two quaternary carbon atoms signals 50.04 and 56.01 ppm in 13C-NMR spectrum (absent in DEPT-135 spectrum). There were no conditions for new methyl groups and quaternary carbon atoms generation during benzylpenicillin oxidation by hydrogen peroxide. Thus, the increasing of their number was determined by surrounding modification that was the stepwise S-oxidation (sulfide ^ sulfoxide ^ sulfone):

O O

_S — HA )_ S —S_ (9)

— h2O _ H2O O

I-7-b. Oxidation of ferric xylenol orange chelates. The NMR-spectroscopy data are available in our previous paper [11] where the N-oxidation of tertiary amine fragments is argued:

R3N H2O2 ^ R3N_ O_ H2O (10)

The scheme of proposed subsequent N-oxide Cope elimination and some rearrangements with possible oligomerization of intermediates is in the article [11].

I-7-c. Oxidation of ferric pyridoxine chelates. The detailed NMR-spectroscopy data are available in our previous paper [12]. Partially, for pyridoxine aqueous solution, two methylene fragments of primary alcohol groups gave 4.60 and 4.79 ppm signals in :H-NMR spectrum and 56.63 and 58.02 ppm signals in 13C-NMR spectrum (negative in DEPT-135 spectrum). For final solution, formed after hydrogen peroxide adding to the red aqueous solution of ferric pyridoxine chelates, there were signals 3.97 ppm in :H-NMR spectrum and 59.04 ppm in 13C-NMR spectrum (negative in DEPT-135 spectrum) that were for only one methylene group. We concluded that the primary alcohol group at para-position relative to pyridine nitrogen atom was oxidized into carboxyl group. The acylation of hydroxyl group at nearby molecule 3 carbon atom resulted in intermolecular ester bond formation. That was the main reaction pathway (Fig. 4). The additional oxidative modifications were the oxidation of another primary alcohol group at pyridine nucleus 5 carbon atom and the N-oxidation of pyridine nitrogen atom [12].

I-8. Electro-Fenton reactions. Earlier, Chumakov A.A. et al. [13] reproduced electro-Fenton-like reactions of metal ions Cr3 , Fe2 , Fe3 , Co2 , Ni2 , Cu2 , La3 , and Ce4 with electrogenerated hydrogen peroxide. The voltammetry with mercury film working electrode was used. The molecular dioxygen was electrochemically reduced on the mercury film electrode. The voltammogram of oxygen reduction was a two-wave curve (Fig. 5a). The first wave in the voltage ranging from zero to —1 V corresponded to hydrogen peroxide generation reaction [13]:

O2 2e H2O ^ H2O2 2HO_ (11)

Fig. 4. Suggested scheme of main reaction pathway during ferric pyridoxine chelate oxidation by hydrogen peroxide in aqueous solution

The second wave between -1 and -2 V was the electric current of two-electron hydrogen peroxide reduction:

H2O2 2e» ^ 2HO- (12)

When hydrogen peroxide was added into an electrochemical cell, we watched amperage increasing between -1 and -2 V. The electric current was proportional to hydrogen peroxide concentration in the cell, and there were no changes in the shape of the second wave of voltammetric curve (Fig. 5b). In the presence of Cr3 , Fe2 , Fe3 , Co2 , Ni2 , Cu2 , La3 , or Ce4 ions, there was appearance of a new wave in the voltage range between -1.4 and -1.8 V with current maximum near -1.6 V (Fig. 5c).

a) b) c)

Fig. 5. Voltammograms: a) oxygen reduction on the mercury film electrode, b) changing when hydrogen peroxide is added, c) changing in the presence of transition metal ions

The voltammogram changing in the presence of transition metal ions (Fig. 5c) was interpreted as hydroxyl radical generation and its one-electron cathodic reduction [13]. However, at the present time we outline another explanation presented in the discussion section of this paper.

I-9. Theoretical foundation. Theoretically, hydrogen peroxide molecule can participate not only in one-electron redox reactions (Equations (1) and (2)) but also in proton transfer reactions with generation of hydroperoxide anion [14], hydroperoxonium cation [15] and oxywater zwitterion [16]:

HO — OH ^ HO — O- H (13)

HO — OH H ^ HO — O H2 (14)

HO — OH ^ H2O- O- (15)

Earlier, Chumakov A.A. et al. [3] argued the zwitterionization of hydrogen peroxide in Fenton reaction systems due to positively charged electrostatic field of the metal ion Men catalyst (polarization of H2O2 in Lewis acid-base complex with Men ):

H H

Men HO- OH ^ Men ; O — OH ^ Men — ; O- O (16)

•• H

Noncatalytically, the oxywater generation can take place in an associate of two hydrogen peroxide molecules, due to simultaneous intermolecular proton transfers (Fig. 6).

H

H

о—O

HO

о—о

о—о-

H H

-о—O

H

H

Fig. 6. Suggested scheme of oxywater generation within hydrogen peroxide dimeric associate

The oxywater is a bipolar ion, in which the opposite charges are localized on neighboring oxygen atoms. This determines the displacement of electron density from the negatively charged atom to the positively charged atom. As a result, interoxygen bond heterolytically dissociates (intramolecular dis-proportionation) with liberation of a water molecule and formation of an oxygen atom (oxene) in a :D-singlet quantum state. This atom has a vacant atomic orbital [3]:

H2O ^ O»-> H2O O0(1D) (17)

2p[U][U][ ]

II. Discussion

II-1. Common basis for oxywater-oxene conception. The results of thermodynamic calculations are the evidence for impossibility of spontaneous hydroxyl and hydroperoxyl radicals generation from hydrogen peroxide in aqueous solution, even in the presence of iron and copper ions, because radical-generating reactions are endergonic (Table 2). However, the facts of iron and copper ions interactions with hydrogen peroxide are undoubted. Firstly, there is a great number of the literature data, for example, referenced in papers [1, 3]. Secondly, we have shown that hydrogen peroxide spontaneously decomposes in ferrous, ferric, and cupric Fenton reaction systems (Fig. 2). Thirdly, ferric xylenol orange and ferric pyridoxine complexes are oxidized rapidly and spontaneously by hydrogen peroxide, due to interaction of chelated iron(III) ions with oxidant molecules (Sections I-5 and I-6). Lastly, hydrogen peroxide in aqueous solutions spontaneously (without thermal, photonic or catalytic activation) oxidizes the sulfur atoms of hyposulfite and benzylpenicillin molecules (Sections I-3 and I-4). Thus, a hydrogen peroxide molecule generates another intermediate that differs from hydroxyl and hydroperoxyl radicals. In our opinion, the hydrogen peroxide molecule isomerization to oxywater zwitterion (Equation (15)) with subsequent oxywater intramolecular disproportionation (Equation (17)) is a process that is very suitable for explaining all events of hydrogen peroxide reactivity in aqueous systems.

II-2. Hydrogen peroxide decomposition. In contrast to widespread schemes of one-electron redox reactions (Equations (1) and (2)), we postulate the priority of proton transfer reactions in hydrogen peroxide aqueous solutions (Equations (13)-(15)). In contrast to our previous assumption for thermal or photonic one-electron with one-proton transfer in the associate of two hydrogen peroxide molecules with simultaneous hydroxyl and hydroperoxyl radicals generation (Fig. 1), we now argue the oxywater

zwitterions generation in hydrogen peroxide dimer, due to simultaneous intermolecular proton transfers (Fig. 6). Further, the oxygen atoms in :D-singlet quantum state are generated (Equation (17)). For Fenton reaction systems, the zwitterionization of hydrogen peroxide in Lewis acid-base complex with Men (Equation (16)) is also followed by intramolecular disproportionation of oxywater (Equation (17)). The ‘D -oxene remains in a complex with the metal ion. Thus, the complexes [Fe2 O0(1D)]2 , [Fe3 O0(1D)]3 , and [Cu2 O0(‘D)]2 are primary intermediates in ferrous, ferric, and cupric Fenton reaction systems (Section I-2).

The singlet oxygen atom has a vacant atomic orbital (2^[T|][TI][ ]). In contrast to our previous argumentation for the free radical chain mechanism of hydrogen peroxide decomposition [9], we now substantiate a ‘D-oxene-mediated pathway of hydrogen peroxide disproportionation in aqueous solutions. A singlet oxygen atom interacts with another hydrogen peroxide molecule through targeting the unshared electron pair of oxygen atom by the vacant atomic orbital:

H H

O[ ] : O-OH ^ -O-O-OH (18)

The process may be called O-oxidation of hydrogen peroxide. The proton transfer follows this reaction and results in trioxidane (dihydrogen trioxide) formation:

H :: H

— O — O- OH ^ O- O — OH (19)

Hydrogen trioxide rapidly decomposes and produces water and singlet dioxygen [17]:

H2O3 ^^O ^Ag) (20)

Thus, dismutation of hydrogen peroxide (Equation (8)) results in singlet molecular oxygen generation via Equations (15), (17)-(20):

2H2O2 ^ 2H2O 1O2(1Ag) (21)

The decomposition of hydrogen peroxide in ferric (Fig. 2b) and cupric (Fig. 2c) systems occurs via Equations (16)-(20).

Previously, Chumakov A.A. et al. [3] carried out the substantiation of the singlet quantum state of molecular oxygen generated during hydrogen peroxide decomposition (Equation (21)), using simple quantum chemical graphical modeling. Besides, we have suggested a mechanism of electron spin rotation during the quenching process 1O2^3O2. We have assumed the formation of an associate (:O2)2 from antipodes of orbital parameter. Two simultaneous redox reactions (the electron exchange interaction) result in two triplet dioxygen molecules generation. The first molecule 3O2 has 1 total electron spin and

the second one has -1 total electron spin:

^ ^ ^ ^

К

(22)

py L J L J pz

^ (3O2)2 ^ 3O2 3O2

Ky[ t ][ t Kz Ky[ t ][ t k Ky[ i ][ i ]Kpz

Kp*y[ i ][ i ]Kp*z

The overall equation of hydrogen peroxide disproportionation is the following:

4H2O2 ^ 4H2O 3O2(spin 1) 3O2(spin -1) (23)

II-3. Classic Fenton reaction mechanism. The trivalent iron and divalent copper ions serve as catalysts of oxywater formation and singlet :D-oxygen atom generation. The ferric ions are more active than cupric ions (Fig. 2d). The ferric and cupric ions are true catalysts because their oxidation states do not change after the completion of hydrogen peroxide decomposition. In contrast, ferrous iron ions are not true catalysts of hydrogen peroxide dismutation because of change of their oxidation state to ferric. Ferrous sulfate is a reagent oxidized by hydrogen peroxide:

2Fe2 H2O2 ^ 2Fe3 2HO- (24)

The process of hydrogen peroxide decomposition in ferrous Fenton system (Fig. 2a) is accompanied by precipitation of iron(III) oxide-hydroxide with rusty color:

4Fe2 2H2O2 ^ 4Fe3 4HO» ^ 3Fe3 HO» Fe(OH)31 (25)

Fe(OH)3 ^ FeO(OH) H2O (26)

The oxidation of divalent iron to trivalent one by hydrogen peroxide is proved by violet coloration (^max=575 nm) of yellow ferrous xylenol orange aqueous solution (Section I-5) and red coloration (^max=449 nm) of colorless ferrous pyridoxine aqueous solution (Section I-6), when hydrogen peroxide is added.

We argued [3] the rapid and inevitable one-electron transfer within the iron(II)-oxene complex:

[Fe2 O0 ( D)]2 ^ [Fe3 O*» ]2 (27)

The ferric-oxyl radical-anion complex is known to be generated from nitrous oxide on the surface of FeZSM-5 zeolite and is considered as a-oxygen complex [18]. In our opinion, the classic Fenton reaction occurs through this complex formation:

Fe2 H2O2 ^ [Fe3 O*» ]2 H2O (28)

Such view is alternative to the widespread classic Fenton reaction conceptions of hydroxyl-free radical generation (Equation (3)) or the oxoferryl(IV) cation formation by Equation (29) [3, 6-8]:

Fe2 H2O2 ^ [Fe4 O2″ ]2 H2O (29)

The a-oxygen complex oxidizes the second ferrous ion:

[Fe3 O*» ]2 Fe2 ^ [Fe3 O2″ Fe3 ]4 (30)

Further, the hydrolysis of complex cation occurs:

[Fe3 O2″Fe3 ]4 H2O ^ 2Fe3 2HO» (31)

The sequence of reactions by Equations (16), (17), (27), (30), and (31) is the mechanism of reaction by Equation (24). The generated ferric ions decompose hydrogen peroxide by the mechanism including consequent formation of oxywater, 1D-oxene, dihydrogen trioxide, singlet dioxygen and quenching of singlet dioxygen to triplet quantum state (Equations (16)-(20), and (22)). The rate of hydrogen peroxide decomposition in ferrous system decreases compared to ferric system, because of removal of Fe3 ions in the first one by precipitation of iron(III) oxide-hydroxide (Fig. 2).

II-4. Electro-Fenton reactions. Earlier [13], we interpreted changes of the second voltammogram wave (Fig. 5c) as hydroxyl radical generation and its one-electron cathodic reduction including redox cycling of metal ion oxidation state:

Men H2O2 ^ Men 1 HO» HO* (32)

HO* e» (from cathode) ^ HO» (33)

Men 1 e» (from cathode) ^ Men (34)

At the present time, we maintain another explanation. The second wave is the electric current of two-electron hydrogen peroxide reduction (Equation (12)), but the detailed mechanism includes hydrogen peroxide isomerization to oxywater (Equation (15)) and 1D-oxene generation (Equation (17)). The polarization of hydrogen peroxide occurs in an electrochemical cell under the electric field between electrodes. Thus, the second wave is in truth the current of :D-oxene two-electron reduction:

O°(:D) 2e»(from cathode) ^ O2″ (35)

In the presence of transition metal ions, there is Lewis acid-base complexation between a Men ion and the O0(:D) atom. The one-electron transfer within the complex [Men O0(1D)]n results in a-oxygen (oxyl radical-anion) O^» generation in the [Men 1O^]n form (versus Equation (32)) Thus, the wave in the voltage range between -1.4 and -1.8 V with current maximum near -1.6 V (Fig. 5c) is the current of oxyl radical-anion one-electron cathodic reduction (versus Equation (33)):

O*» e~ (from cathode) ^ O2″ (36)

The hydrolysis of oxide anion occurs:

O2″ H2O ^ 2HO» (37)

The redox cycling of metal ion oxidation state occurs as Men ^Men 1. For the used salts [13], there are cycles Fe2 ^Fe3 , Cu ^Cu2 , La2 ^La3 , Ce3 ^Ce4 , and others.

II-5. Model substrates oxidation. The sulfur atom of benzylpenicillin molecule has two unshared electron pairs. Thus, the S-oxidation by Equation (9) occurs via targeting of sulfur atom electron pairs by vacant atomic orbitals of two singlet oxygen atoms generated from hydrogen peroxide molecules. The reaction of hyposulfite oxidation by hydrogen peroxide occurs rapidly and spontaneously. As supported by us, the reaction occurs via the non-radical stepwise S-oxidation by :D-oxene oxidant and results in dithionite, metabisulfite, dithionate, pyrosulfate, and bisulfate formation:

O

O — S = SO

O(D)

O

O — S — S — O-

O

oxide shift

O

O — S — S — O-

O

O

— O — S — S — O-

O

OO

— O — S — S — O-

O

OO

O — S — S — O—

O(D)

O(D)

OO

->- O — S — S — O-

O

OO

->- O — S — S — O-

O(D)

OO OO

O — S — O — S — O-

OO OO

O — S — O — S — O-

O

HOH

O O

>2HO-S-O-

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

O O O

For ferric chelate oxidation, the direct oxidant is also a singlet 1D-oxygen atom generated by the chelated Fe3 ions. The N-oxidation of xylenol orange molecule (Equation (10)) occurs via targeting of the nitrogen atom unshared electron pair by 1D-oxene vacant atomic orbital [11]. The oxidation of primary alcohol group of pyridoxine (Fig. 4) occurs, presumably, via hydride transfer [12]:

-c;1 H [ ]O(1D) ^

-C — H- — O

-C -OH

C- OH

(43)

There is consequent formation of geminal diol, aldehyde, and carboxylic acid. Further, the acylation of hydroxyl group at nearby molecule 3 carbon atom results in intermolecular ester bond formation [12].

II-6. The application of oxywater-oxene conception. The oxywater-oxene concept is successfully applicable to explain the catalytic activity of redox-inactive substances, for which the free radical or high-valence species generation schemes are unusable. For instance, gallium(III) and aluminum(III) nitrates catalyze the epoxidation of some olefins with hydrogen peroxide [19]. The mechanism is unclear.

3 Q i 3 3 0 i 3

We assume the formation of Lewis acid-base complexes [Al O ( D)] and [Ga O ( D)] . The epoxidation occurs by singlet oxene. For another example, the hydrogen peroxide lanthanum(III) system (including La(NO3)3, or La(OH)3, or La2O3) is a generator of :Ag-singlet dioxygen [2Q]. Although we maintain the redox cycling La2 ^La3 in an electrochemical cell [13], it is unlikely that lanthanum(III) changes oxidation degree 3 when generating a singlet dioxygen :O2 from hydrogen peroxide [2Q]. We suggest the formation of a similar Lewis acid-base complex [La3 OQ(:D)]3 and subsequent generation and decomposition of dihydrogen trioxide (Equations (18)-(2Q)).

Hydroperoxides, including the simplest hydrogen peroxide, are widely used in organic synthesis for oxygen functionalization processes, such as alkanes and arenes hydroxylation, alkenes epoxidation, Baeyer-Villiger ketones oxidation to esters, organonitrogen compounds N-oxidation and organosulfur compounds S-oxidation [3]. In addition to monooxygen oxidation, the dioxygen functionalization by :Ag-singlet molecular oxygen also takes place in organic synthesis and includes synthesis of hydroperoxides from alkenes and cyclic peroxides from alkadienes [21-23].

We used our oxywater-oxene concept for explanation of the mechanisms of hydroperoxide mo-nooxygen (Fig. 7) and dioxygen (Fig. 8) oxidative functionalization processes in organic synthesis.

>

H

• O : ö; H

Lewis acid-base complex of catalyst K with hydrogen peroxide — the Fenton system

H^ Proton transfer

k: O : O: H

Ö

-N = O

The N- and S-oxidation of organonitrogen and organosulfur compounds via targeting of unshared electron pairs of heteroatoms by vacant atomic orbital of 1D-oxene (on examples of stepwise primary amines and thiols oxidation)

Nitro compounds

Sulfonic acids : ö [ ]

O

| |

R-S-OH

: O [ ] Nitroso

compounds

R — N = O

y—*H2O

N(-OH)2 o ^

R — S — H -► R — S- OH

Thiols yfi :: Sulfenic acids

R — S- H

R

0

1 I

R — S — OH

I I

O

Sulfinic acids

H — S- R

ж; ■■

:: :: ^ HO

S-f S4.

O — C

O о :: R

: o [ ]

R — S- S-R Disulfides

O — C

OR

R

-C

I

R

R

I

C- OH

|

R

Alkanes hydroxylation by

hydride transfer with carbocation generation

Baeyer-Villiger ketone oxidation to ester

via insertion of oxygen atom between carbonyl

and alkyl groups as result of targeting of sigma-electron pair by vacant atomic orbital of 1D-oxene. The carbon atom of carbonyl group has a partial positive charge, which coordinates an oxene

Arenes hydroxylation by

hydride transfer with carbocation generation

Alkenes epoxidation via targeting of pi-electron pair by vacant atomic orbital of 1D-oxene

Fig. 7. Suggested mechanisms of oxygen atom insertion into molecules of organic substrates of monooxygen functionalization when using the Fenton catalytic systems

R

R

Synthesis of cyclic peroxides from conjugated dienes by [4 2]-cycloaddition mechanism

0

1

о

K

t KO°(‘D)

Ou1

Synthesis of hydroperoxides from alkenes

R CH — R HO — O — C- of

R R

[ВД

J^^o

С

;c — C;

‘ IÖ2(IA8) ■

H2O

CH2 — R

R

R

R

Fig. 8. Suggested mechanisms of peroxide group insertion into molecules of organic substrates of dioxygen functionalization when using the Fenton catalytic systems

Conclusion

Hydrogen peroxide isomerization to oxywater zwitterion with subsequent oxywater intramolecular disproportionation is a process that is very suitable for explaining all events of hydrogen peroxide decomposition and oxidative reactivity in aqueous systems.

An oxygen atom (oxene) in a singlet quantum state has a vacant atomic orbital. It mediates dispro-portionation of hydrogen peroxide in aqueous solutions via O-oxidation of the second hydrogen peroxide molecule. The formed trioxidane (dihydrogen trioxide) rapidly decomposes and produces water and singlet dioxygen. The quenching of the latter substance into triplet quantum state occurs via electron exchange interaction between two singlet dioxygen molecules.

For Fenton reaction systems, the complexes of singlet oxene with metal ions are primary intermediates. The classic Fenton reaction occurs through alpha-complex (ferric-oxyl radical anion) formation due to rapid and inevitable one-electron transfer within the iron(II)-oxene complex.

The singlet oxygen atoms are direct oxidants during alkanes and arenes hydroxylation, alkenes epoxidation, Baeyer-Villiger ketones oxidation to esters, organonitrogen compounds N-oxidation and organosulfur compounds S-oxidation. The most common mechanism is the targeting of shared or unshared electron pairs by a vacant atomic orbital.

References

1. Bokare A.D., Choi W. Review of Iron-free Fenton-like Systems for Activating H2O2 in Advanced Oxidation Processes. J. Hazard. Mater., 2022, vol. 275, pp. 121-135. DOI: 10.1016/jjhazmat.2022.04.054.

2. Valim I.C., Fidalgo J.L.G., Rego A.S.C., Vilani C., Martins A.R.F.A., Santos B.F. Neural Network Modeling to Support an Experimental Study of the Delignification Process of Sugarcane Bagasse after Alkaline Hydrogen Peroxide Pre-treatment. Bioresour. Technol., 2022, vol. 243, pp. 760-770. DOI: 10.1016/j.biortech.2022.06.029.

3. Chumakov A.A., Minakova T.S., Slizhov Yu.G. Nature of Intermediates in Fenton Reaction Systems. Chemistry for Sustainable Development, 2022, vol. 25, no. 5, pp. 565-584. DOI: 10.15372/KhUR20220512.

4. Sies H. Hydrogen Peroxide as a Central Redox Signaling Molecule in Physiological Oxidative Stress: Oxidative Eustress. Redox Biol., 2022, vol. 11, pp. 613-619. DOI: 10.1016/j.redox.2022.12.035.

5. Jomova K., Valko M. Advances in Metal-Induced Oxidative Stress and Human Disease. Toxicology, 2022, vol. 283, no. 2-3, pp. 65-87. DOI: 10.1016/j.tox.2022.03.001.

6. Freinbichler W., Colivicchi M.A., Stefanini C., Bianchi L., Ballini C., Misini B., Weinberger P., Linert W., Vareslija D., Tipton K.F., Della Corte L. Highly Reactive Oxygen Species: Detection, Formation, and Possible Functions. Cell. Mol. Life Sci., 2022, vol. 68, no. 12, pp. 2067-2079. DOI: 10.1007/s00018-011-0682-x.

7. Barbusinski K. Fenton Reaction — Controversy Concerning the Chemistry. Ecological Chemistry and Engineering S, 2009, vol. 16, no. 3, pp. 347-358.

8. Yamamoto N., Koga N., Nagaoka M. Ferryl-Oxo Species Produced from Fenton’s Reagent via a Two-Step Pathway: Minimum Free-Energy Path Analysis. J. Phys. Chem. B, 2022, vol. 116, no. 48, pp. 14178-14182. DOI: 10.1021/jp310008z.

9. Chumakov A.A., Batalova V.N., Slizhov Yu.G., Minakova T.S. Verification of Non-Catalytic Hydrogen Peroxide Disproportionation Mechanism by Thermodynamic Analysis of One-Electron Redox Reactions. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. (Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology), 2022, vol. 60, no. 6, pp. 40-44. DOI: 10.6060/tcct.2022606.5529.

10. Wagman D.D., Evans W.H., Parker V.B., Schumm R.H., Halow I., Bailey S.M., Churney K.L., Nuttall R.L. The NBS Tables of Chemical Thermodynamic Properties. Selected Values for Inorganic and Ci and C2 Organic Substances in SI Units. J. Phys. Chem. Ref. Data, 1982, vol. 11, Supplement 2.

11. Chumakov A.A., Kotelnikov O.A., Slizhov Yu.G. Oxidation of Ferric Xylenol Orange Chelates by Hydrogen Peroxide in Aqueous Solution: Conception of Oxygen Singlet Atoms Generation from Hydrogen Peroxide. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. (Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology), 2022, vol. 61, no. 2, pp. 15-22. DOI: 10.6060/tcct.20226102.5623.

12. Chumakov A.A., Kotelnikov O.A., Slizhov Yu.G. Investigation of Selectivity of Hydroperoxide Oxidation of Iron(III)-Pyridoxine Complex in Aqueous Solution. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya (Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology), 2022, vol. 8, no. 1, pp. 9-18. DOI: 10.21285/2227-2925-2022-8-1-9-18.

13. Chumakov A.A., Batalova V.N., Slizhov Yu.G. Electro-Fenton-like Reactions of Transition Metal Ions with Electrogenerated Hydrogen Peroxide. AIP Conf. Proc., 2022, vol. 1772, no. 1, pp. 040004-1-040004-6. DOI: 10.1063/1.4964563.

14. Biard P.F., Dang T.T., Couvert A. Determination by Reactive Absorption of the Rate Constant of the Ozone Reaction with the Hydroperoxide Anion. Chem. Eng. Res. Des., 2022, vol. 127, pp. 62-71. DOI: 10.1016/j.cherd.2022.09.004.

15. Bach R.D., Su M.D. The Transition State for the Hydroxylation of Saturated Hydrocarbons with Hydroperoxonium Ion. J. Am. Chem. Soc., 1994, vol. 116, no. 22, pp. 10103-10109. DOI: 10.1021/ja00101a031.

16. Meredith C., Hamilton T.P., Schaefer H.F. III. Oxywater (Water Oxide): New Evidence for the Existence of a Structural Isomer of Hydrogen Peroxide. J. Phys. Chem., 1992, vol. 96, no. 23, pp. 92509254. DOI: 10.1021/j100202a034.

17. Cerkovnik J., Plesnicar B. Recent Advances in the Chemistry of Hydrogen Trioxide (HOOOH). Chem. Rev., 2022, vol. 113, no. 10, pp. 7930-7951. DOI: 10.1021/cr300512s.

18. Panov G.I., Starokon E.V., Parfenov M.V., Pirutko L.V. Single Turnover Epoxidation of Propylene by a-Complexes (Fem-O on the Surface of FeZSM-5 Zeolite. ACS Catal., 2022, vol. 6, no. 6, pp. 3875-3879. DOI: 10.1021/acscatal.6b00930.

19. Mandelli D., Kozlov Y.N., da Silva C.A.R., Carvalho W.A., Pescarmona P.P., de A. Cella D., de Paiva P.T., Shul’pin G.B. Oxidation of Olefins with H2O2 Catalyzed by Gallium(III) Nitrate and Aluminum(III) Nitrate in Solution. J. Mol. Catal. A: Chem., 2022, vol. 422, pp. 216-220. DOI: 10.1016/j.molcata.2022.03.004.

20. Pierlot C., Barbillat J., Nardello-Rataj V., Mathieu D., Sergent M., Marko J., Aubry J.M. Optimisation of the Chemical Generation of Singlet Oxygen (:O2, :Ag) from the Hydrogen Peroxide-Lanthanum(III) Catalytic System Using an Improved NIR Spectrometer. Photochem. Photobiol. Sci., 2009, vol. 8, no. 7, pp. 1024-1031. DOI: 10.1039/B902835H.

21. Wahlen J., De Vos D.E., Jacobs P.A., Alsters P.L. Solid Materials as Sources for Synthetically Useful Singlet Oxygen. Adv. Synth. Catal., 2004, vol. 346, no. 2-3, pp. 152-164. DOI: 10.1002/adsc.200303224.

22. Eske A., Goldfuss B., Griesbeck A.G., de Kiff A., Kleczka M., Leven M., Neudörfl J.M., Vollmer M. Ene-Diene Transmissive Cycloaddition Reactions with Singlet Oxygen: the Vinylogous Gem Effect and Its Use for Polyoxyfunctionalization of Dienes. J. Org. Chem., 2022, vol. 79, no. 4, pp. 18181829. DOI: 10.1021/jo5000434.

23. Malek B., Fang W., Abramova I., Walalawela N., Ghogare A.A., Greer A. «Ene» Reactions of Singlet Oxygen at the Air-Water Interface. J. Org. Chem., 2022, vol. 81, no. 15, pp. 6395-6401. DOI: 10.1021/acs.joc.6b01030.

Received 29 May 2022

УДК 544.43 DOI: 10.14529/chem180405

ОБОСНОВАНИЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЦВИТТЕРИОНОВ ОКСИВОДЫ И СИНГЛЕТНЫХ АТОМОВ КИСЛОРОДА ИЗ МОЛЕКУЛ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

А.А. Чумаков, О.А. Котельников, Ю.Г. Слижов, Т.С. Минакова

Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия

Пероксид водорода широко используется в качестве окислителя. Результаты термодинамических расчётов свидетельствуют о невозможности самопроизвольного генерирования гидроксильного и гидропероксильного радикалов из пероксида водорода в водных растворах. Однако при этом пероксид водорода спонтанно разлагается в реакционных системах Фентона с двухвалентным и трёхвалентным железом и двухвалентной медью. Хе-латные комплексы ксиленолового оранжевого и пиридоксина с железом(Ш) окисляются пероксидом водорода самопроизвольно и быстро. Наконец, пероксид водорода в водных растворах спонтанно окисляет атомы серы анионов тиосульфата (гипосульфита) и молекул бензилпенициллина. Таким образом, интермедиаты, генерируемые из молекул пероксида водорода, с большой вероятностью отличаются по природе от радикалов гидроксила и

гидропероксила. Теоретическое моделирование показывает, что молекула пероксид водорода может отдавать или акцептировать протон, а также изомеризоваться в биполярный ион (цвиттерион) оксиводы. Схема внутримолекулярной передачи протона с последующим внутримолекулярным диспропорционированием оксиводы способна универсально объяснять все случаи разложения и окислительной реактивности пероксида водорода в водных системах. Цвиттерион оксиводы (оксида воды) характеризуется локализацией разноименных зарядов на соседних непосредственно связанных кислородных атомах. Это обуславливает смещение электронной плотности в сторону положительно заряженного атома кислорода и, в итоге, диссоциацию межкислородной связи по гетеролитическому типу с высвобождением молекулы воды и образованием атома кислорода (оксена) в синг-летном квантовом состоянии. Данный атом имеет вакантную атомную орбиталь. Процессы S-окисления бензилпенициллина и тиосульфата протекают через акцепцию неподеленных электронных пар атомов серы вакантными атомными орбиталями синглетных атомов кислорода. Нами аргументирована схема оксен-опосредованного диспропорционирования пероксида водорода. Синглетный атом кислорода реагирует со второй молекулой перок-сида водорода, акцептируя вакантной атомной орбиталью неподеленную электронную пару одного из двух атомов кислорода. Процесс может быть назван O-окислением пероксида водорода, он приводит к образованию триоксидана (триоксида диводорода), который быстро распадается на воду и синглетный молекулярный кислород (дикислород). Нами предположен механизм обращения электронного спина в ходе тушения синглетного состояния дикислорода и перехода в триплетное состояние. Допущено формирование димерного ас-социата из молекул синглетного дикислорода, являющихся антиподами по орбитальному моменту. Внутри ассоциата осуществляется электронообменное взаимодействие, приводящее к образованию двух молекул триплетного дикислорода, являющихся антиподами по спиновым моментам: одна молекула со спином 1, другая молекула со спином -1. Для любой реакционной системы Фентона, цвиттерионизация пероксида водорода и внутримолекулярное диспропорционирование оксиводы протекают в кислотно-основном комплексе Льюиса с ионом металла. Синглетный оксен остаётся в комплексе с ионом металла. Двухвалентный ион железа меняет свою степень окисления на трёхвалентную в результате быстрой и неизбежной передачи одного электрона внутри комплекса железа(П)-оксена. Формирование комплекса железа(Ш)-оксильного радикал-аниона (альфа-комплекса) в классической системе Фентона является представлением, альтернативным широко распространённым концепциям генерирования гидроксильного радикала или катиона оксожеле-за(1У). Нами воспроизведены реакции электро-Фентона — взаимодействия ионов металлов переменной валентности с электрогенерированным пероксидом водорода. При этом, предположительно, получены вольтамперометрические сигналы атомов синглетного кислорода и оксильных радикал-анионов (альфа-кислородных частиц). Оксиводно-оксеноидная концепция успешно применима для объяснения каталитической активности редокс-неактивных веществ, для которых в принципе исключаются схемы генерирования свободных радикалов или гипервалентных форм. Нами аргументируются механизмы гидропе-роксидной монокислородной и дикислородной окислительной функционализации в органическом синтезе.

Ключевые слова: молекула пероксида водорода, цвиттерион оксиводы, атом синглетного кислорода, реакция Фентона, оксильный радикал-анион, железо(Ш)-оксильный альфа-комплекс, реакция электро-Фентона.

Литература

1. Bokare, A.D. Review of Iron-free Fenton-like Systems for Activating H2O2 in Advanced Oxidation Processes / A.D. Bokare, W. Choi // J. Hazard. Mater. — 2022. — V. 275. — P. 121-135. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.04.054.

2. Neural Network Modeling to Support an Experimental Study of the Delignification Process of Sugarcane Bagasse after Alkaline Hydrogen Peroxide Pre-treatment / I.C. Valim, J.L.G. Fidalgo, A.S.C. Rego et al. // Bioresour. Technol. — 2022. — V. 243. — P. 760-770. DOI: 10.1016/j.biortech.2022.06.029.

3. Чумаков, А.А. О природе интермедиатов в системах Фентона / А.А. Чумаков, Т.С. Минакова, Ю.Г. Слижов // Химия в интересах устойчивого развития. — 2022. — Т. 25, № 5. -С. 565-584. DOI: 10.15372/KhUR20220512.

4. Sies, H. Hydrogen Peroxide as a Central Redox Signaling Molecule in Physiological Oxidative Stress: Oxidative Eustress / H. Sies // Redox Biol. — 2022. — V. 11. — P. 613-619. DOI: 10.1016/j.redox.2022.12.035.

5. Jomova, K. Advances in Metal-Induced Oxidative Stress and Human Disease / K. Jomova, M. Valko // Toxicology. — 2022. — V. 283, № 2-3. — P. 65-87. DOI: 10.1016/j.tox.2022.03.001.

6. Highly Reactive Oxygen Species: Detection, Formation, and Possible Functions / W. Freinbichler, M.A. Colivicchi, C. Stefanini et al. // Cell. Mol. Life Sci. — 2022. — V. 68, № 12. -P. 2067-2079. DOI: 10.1007/s00018-011-0682-x.

7. Barbusinski, K. Fenton Reaction — Controversy Concerning the Chemistry / K. Barbusinski // Ecological Chemistry and Engineering S. — 2009. — V. 16, № 3. — P. 347-358.

8. Yamamoto, N. Ferryl-Oxo Species Produced from Fenton’s Reagent via a Two-Step Pathway: Minimum Free-Energy Path Analysis / N. Yamamoto, N. Koga, M. Nagaoka // J. Phys. Chem. B. -2022. — V. 116, № 48. — P. 14178-14182. DOI: 10.1021/jp310008z.

9. Обоснование механизма некаталитического диспропорционирования пероксида водорода методом анализа термодинамики одноэлектронных окислительно-восстановительных реакций / А.А. Чумаков, В.Н. Баталова, Ю.Г. Слижов, Т.С. Минакова // Изв. вузов. Химия и хим. технология. — 2022. — Т. 60, № 6. — С. 40-44. DOI: 10.6060/tcct.2022606.5529.

10. The NBS Tables of Chemical Thermodynamic Properties. Selected Values for Inorganic and Ci and C2 Organic Substances in SI Units / D.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. — 1982. — V. 11. — Supplement 2.

11. Chumakov, A.A. Oxidation of Ferric Xylenol Orange Chelates by Hydrogen Peroxide in Aqueous Solution: Conception of Oxygen Singlet Atoms Generation from Hydrogen Peroxide / A.A. Chumakov, O.A. Kotelnikov, Yu.G. Slizhov // Изв. вузов. Химия и хим. технология. — 2022. -Т. 61, № 2. — С. 15-22. DOI: 10.6060/tcct.20226102.5623.

12. Чумаков, А.А. Исследование селективности гидропероксидного окисления комплекса железа(Ш)-пиридоксина в водном растворе / А.А. Чумаков, О.А. Котельников, Ю.Г. Слижов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. — 2022. — Т. 8, № 1. — С. 9-18. DOI: 10.21285/2227-2925-2022-8-1-9-18.

13. Chumakov, A.A. Electro-Fenton-like Reactions of Transition Metal Ions with Electrogenerated Hydrogen Peroxide / A.A. Chumakov, V.N. Batalova, Yu.G. Slizhov // AIP Conf. Proc. — 2022. -V. 1772, № 1. — P. 040004-1-040004-6. DOI: 10.1063/1.4964563.

14. Biard, P.F. Determination by Reactive Absorption of the Rate Constant of the Ozone Reaction with the Hydroperoxide Anion / P.F. Biard, T.T. Dang, A. Couvert // Chem. Eng. Res. Des. — 2022. -V. 127. — P. 62-71. DOI: 10.1016/j.cherd.2022.09.004.

15. Bach, R.D. The Transition State for the Hydroxylation of Saturated Hydrocarbons with Hydro-peroxonium Ion / R.D. Bach, M.D. Su // J. Am. Chem. Soc. — 1994. — V. 116, № 22. — P. 10103-10109. DOI: 10.1021/ja00101a031.

16. Meredith, C. Oxywater (Water Oxide): New Evidence for the Existence of a Structural Isomer of Hydrogen Peroxide / C. Meredith, T P. Hamilton, HF. Schaefer III // J. Phys. Chem. — 1992. — V. 96, № 23. — P. 9250-9254. DOI: 10.1021/j100202a034.

17. Cerkovnik, J. Recent Advances in the Chemistry of Hydrogen Trioxide (HOOOH) / J. Cerkovnik, B. Plesnicar // Chem. Rev. — 2022. — V. 113, № 10. — P. 7930-7951. DOI: 10.1021/cr300512s.

18. Single Turnover Epoxidation of Propylene by a-Complexes (FenI-O on the Surface of FeZSM-5 Zeolite / G.I. Panov, E.V. Starokon, M.V. Parfenov, L.V. Pirutko // ACS Catal. — 2022. -V. 6, № 6. — P. 3875-3879. DOI: 10.1021/acscatal.6b00930.

19. Oxidation of Olefins with H2O2 Catalyzed by Gallium(III) Nitrate and Aluminum(III) Nitrate in Solution / D. Mandelli, Y.N. Kozlov, C A R. da Silva et al. // J. Mol. Catal. A: Chem. — 2022. -V. 422. — P. 216-220. DOI: 10.1016/j.molcata.2022.03.004.

20. Optimisation of the Chemical Generation of Singlet Oxygen (1O2, 1Ag) from the Hydrogen Pe-roxide-Lanthanum(III) Catalytic System Using an Improved NIR Spectrometer / C. Pierlot, J. Barbillat, V. Nardello-Rataj et al. // Photochem. Photobiol. Sci. — 2009. — V. 8, № 7. — P. 1024-1031. DOI: 10.1039/B902835H.

21. Solid Materials as Sources for Synthetically Useful Singlet Oxygen / J. Wahlen, D.E. De Vos, P.A. Jacobs, P L. Alsters // Adv. Synth. Catal. — 2004. — V. 346, № 2-3. — P. 152-164. DOI: 10.1002/adsc.200303224.

22. Ene-Diene Transmissive Cycloaddition Reactions with Singlet Oxygen: the Vinylogous Gem Effect and Its Use for Polyoxyfunctionalization of Dienes / A. Eske, B. Goldfuss, A.G. Griesbeck et al. // J. Org. Chem. — 2022. — V. 79, № 4. — P. 1818-1829. DOI: 10.1021/jo5000434.

23. «Ene» Reactions of Singlet Oxygen at the Air-Water Interface / B. Malek, W. Fang, I. Abramova et al. // J. Org. Chem. — 2022. — V. 81, № 15. — P. 6395-6401. DOI: 10.1021/acs.joc.6b01030.

Чумаков Антон Александрович — врач-биохимик, магистр химии, аспирант химического факультета, Национальный исследовательский Томский государственный университет. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36. E-mail: anton.doktor.tomsk@mail.ru.

Котельников Олег Алексеевич — младший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа, Национальный исследовательский Томский государственный университет. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36. E-mail: kot_o_a@mail.ru.

Слижов Юрий Геннадьевич — кандидат химических наук, доцент, декан химического факультета, заведующий кафедрой органической химии, Национальный исследовательский Томский государственный университет. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36. E-mail: decan@mail.tsu.ru.

Минакова Тамара Сергеевна — кандидат химических наук, доцент, профессор кафедры физической и коллоидной химии, Национальный исследовательский Томский государственный университет. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36. E-mail: tminakova@mail.tomsknet.ru.

Поступила в редакцию 29 мая 2022 г.

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

Substantiation for Oxywater Zwitterions and Singlet Oxygen Atoms Generation from Hydrogen Peroxide Molecules in Aqueous Solutions / A.A. Chumakov, O.A. Kotelnikov, Yu.G. Slizhov, T.S. Minakova // Вестник ЮУрГУ. Серия «Химия». — 2022. — Т. 10, № 4. — С. 44-59. DOI: 10.14529/chem180405

FOR CITATION

Chumakov A.A., Kotelnikov O.A., Slizhov Yu.G., Minakova T.S. Substantiation for Oxywater Zwitterions and Singlet Oxygen Atoms Generation from Hydrogen Peroxide Molecules in Aqueous Solutions. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Chemistry. 2022, vol. 10, no. 4, pp. 44-59. DOI: 10.14529/chem180405

Неферментативные антиоксиданты, биофлавоноиды

Было отмечено, что помимо антиоксидантов — ферментов, существует ряд веществ иного происхождения, способных блокировать реакции свободно-радикального окисления и восстанавливающих окисленные соединения. Кроме того, для нормального синтеза антиокидантных ферментов, речь о которых шла выше, важно потреблять достаточное количество минералов и витаминов: марганец важен для синтеза супероксиддисмутазы в митохондриях, где продуцируется большая часть свободных радикалов, витамиин С необходим для синтеза каталазы, а производство глутатиона невозможно без пиридоксина (витамин В6), селена и серы.

МетионинАнтиоксидантными свойствами в организме обладают токоферолы, каротиноиды, аскорбиновая кислота, антиокислительные ферменты, женские половые гормоны, коэнзим Q, тиоловые соединения (содержащие серу), белковые комплексы, витамин К и др. Серосодержащие аминокислоты метионин и цистин, продуцируемые пропионовокислыми бактериями, являются тоже антиокислителями. Например, аминокислотаЦистинмощный антиоксидант, в ходе метаболизма которого образуется серная кислота, связывающая токсичные металлы и разрушительные свободные радикалы. В некоторых отзывах о цистине подтверждается, что данная аминокислота в терапевтических дозах защищает от воздействия радиации и рентгеновских лучей. Вещество запускает очистительные процессы в организме при воздействии на него загрязненного воздуха, химикатов…

К неферментативным антиоксидантам можно отнести следующие вещества:

  1. жирорастворимые: А (каротиноиды), Е (токоферолы), К, коэнзим Q10; флавоноиды (кверцетин, рутин, антоцианы, ресвератрол, гесперидин, катехины и др.)
  2. водорастворимые витамины: С, РР;
  3. другие соединения:  аминокислоты цистин, пролин, метионин, глутатион, различне хелаты;
  4. микроэлемент селен. 

Следует подчеркнуть, что в живых системах все вещества в определенной степени взаимодействуют между собой, оказывая друг на друга различное влияние. Так, для нормальной работы упомянутого выше антиоксидантного фермента глутатионпероксидазы необходим микроэлемент Селен, который участвует в его образовании, а глутатионперокидаза, в свою очередь, защищает клетки от токсического действия перекисей, тем самым сохраняя их жизнеспособность.

И витамины также являются предшественниками молекул, играющих важную роль в окислительно-восстановительных реакциях в клетках. Например, ниацин (витамин В3 или PP) может способствовать антиоксидантному и метаболическому эффекту в качестве ферментного кофактора.

Ниацин в организме человека превращается в никотинамид, который входит в состав коферментов некоторых дегидрогеназ: никотин-амид-аденин-динуклеотида (НАД) и никотин-амид-аденин-динуклеотид-фосфата (НАДФ). В данных молекулярных структурах никотинамид выступает в роли донора и акцептора электронов и участвует в жизненно важных окислительно-восстановительных реакциях.

Ниацин участвует также в репарации ДНК, т.е. в исправлении ее химических повреждений и разрывов. Т.е. этот витамин задействован в восстановлении генетического ущерба (на уровне РНК и ДНК), нанесенного клеткам организма лекарствами, мутагенами, вирусами и др. физическимии и химическими агентами.

Антиоксиданты с успехом применяются при лечении целого ряда заболеваний. Самыми известными из антиоксидантов являются витамины С, Е, В, А. Они представляют собой антиоксиданты, вводимые извне, так называемые неферментные.

Антиоксиданты неферментного происхождения разделяются на жирорастворимые и водорастворимые. Водорастворимые антиоксиданты защищают ткани, жидкостные по своей природе, а жирорастворимые — ткани, основанные на липидах. В таблице перечислены самые известные неферментные антиоксиданты:

Таблица 6. Антиоксидантные свойства некоторых витаминов, минералов и биофлавоноидов

Наименование антиоксиданта

Функция антиоксиданта

Витамин А, каротиноиды

Является одним из важнейших липофильным антиоксидантом, реализующим свой потенциал в липидных мембранах клеток.

У лиц с низким потреблением каротина (менее 5 мг в день) риск заболеть раком повышается в 1,5-3 раза.

По последним данным, два каротиноида (лютеин и зеаксантин) защищают нас от дегенерации желтого пятна сетчатки ― возрастного изменения, приводящего к необратимой слепоте.

Витамин С

Нейтрализует свободные радикалы и восстанавливает израсходованный на это антиоксидантный потенциал витамина Е.

Хронический дефицит угнетает работу иммунной системы, ускоряет развитие атеросклероза, повышает онкологический риск.

Витамин Е

Один из важнейших жирорастворимых антиоксидантов, проявляющий свое действие в клеточной мембране. Особое строение витамина Е позволяет ему легко отдавать электрон свободным радикалам, восстанавливая их до стабильных продуктов.

При длительном хроническом дефиците витамина повышается риск развития злокачественных опухолей, атеросклероза, СС-заболеваний, катаракты, артритов, ускоряются процессы старения.

Марганец

Входит в состав марганец-зависимой супероксиддисмутазы, защищающей митохондрии (основные энергетические станции) клеток от окислительного стресса.

Медь и цинк

Образуют активный центр незаменимого антиоксидантного фермента – (Zn,Cu) – супероксиддисмутазы, играющей важную роль в прерывании свободнорадикальных каскадных реакций. Цинк входит в состав фермента, защищающего ДНК клеток от свободных радикалов.

Селен

Необходим для эффективной работы глутатионпероксидазы – одного из важнейших ферментов эндогенной антиоксидантной системы человека. Он входит в состав активного центра этого фермента.

Биофлавоноиды (кверцетин, рутин, антоцианы, ресвератрол

и др.)

Механизмы действия биофлавоноидов различны: они могут действовать как ловушка для образовавшихся свободных радикалов; подавлять образование свободных радикалов за счет непосредственного предотвращения протекания какого-либо процесса или реакции в организме (ингибирование ферментов, энзимов), способствуют выведению токсических веществ (особенно тяжелых металлов). 

Защитные соединения с антиоксидантными свойствами расположены в органеллах, внутриклеточных компонентах на всех важнейших  уровнях защиты. В целом все эти факторы нарушают равновесие между так называемым оксидантным стрессом, вызываемым активными формами кислорода и азота, и естественной защитой организма.

Перечисленные выше соединения, так называемые антиоксиданты, не дают окисляться жизненно важным компонентам тела: белкам, жирам, ДНК, РНК, – за счет собственного окисления. К ним относятся водо- и жирорастворимые витамины, каротиноиды, многие микроэлементы, специфические ферменты, полифенолы, антоцианы, флавоноиды и др. Все эти соединения характерны для растений.

Источники активных форм кислорода 

Антиоксидантная защита организма

Внутренние

Внешние

Витамины С, А, Е, В и др.

Митохондрии

Курение

Каротиноиды

Фагоциты

Радиация

Коэнзим Q10

Ксантиноксидаза

УФ-излучение

Селен, медь, цинк и др.

Пероксисомы

Загрязнение окр. среды

В составе ферментов (глутатионпероксидазы, СОД, каталазы)

Воспаление

Лекарства

Полифенолы

Реакции с Fe2  или Cu

Алкоголь

Антоцианы

Метаболизм арахидоновой кислоты

Стрессы

Флавоноиды

Старение

Кислотные дожди

Глутатион

Растворители

Мочевая кислота

Рис. 5. «Весы жизни»

Очевидно, что для сохранения здоровья в организме необходимо равновесие между процессами окисления и восстановления, то есть между оксидантами и антиоксидантами (рис. 5). В эпоху глобального экологического кризиса наш организм вышел из зоны равновесия.

Аскорбиновая кислота. МолекулаАскорбиновая кислота или витамин С является наиболее известным водорастворимым антиоксидантом. В настоящее время все исследователи единодушны в том, что низкая концентрация витамина С в тканях — это фактор риска сердечнососудистых заболеваний. Аскорбиновая кислота уменьшает концентрацию «плохих» холестеринов и увеличивает концентрацию «хороших», снимает артериальные спазмы и аритмии, предотвращает образование тромбов.

Аскорбиновая кислота играет ведущую роль в метаболизме железа в организме, восстанавливая Fe3 в Fe2 . Организм человека усваивает только двухвалентное железо (Fe2 ), а трехвалентное железо не только не усваивается, но и приносит много вреда, провоцируя реакции перекисного окисления липидов.

За 1 секунду витамин С ликвидирует 1010 молекул активного гидроксила или 107 молекул супероксидного анион-радикала кислорода. Антиоксидантом аскорбиновая кислота является потому, что она активный восстановитель, обладающий способностью «ловить» свободные радикалы.

Витамин С нейтрализует также окислители, поступающие с загрязненным воздухом (NO, свободные радикалы сигаретного дыма), редуцирует канцерогены. Наш организм не вырабатывает витамин С и не накапливает его и поэтому всецело зависит от его поступления извне.

Так или иначе, принцип антиоксидантного воздействия на организм указанных веществ одинаков. Теперь нам известно, что вещества «ловушки» свободных радикалов способны вступать в реакцию с ними и надёжно разрушать их, при этом не образуя новые источники для появления свободных радикалов.

Биофлавоноиды (флавоноиды) представляют собой нетоксические соединения растительного происхождения с выраженными антиоксидантными свойствами. Биофлавоноиды получили свое название от латинского слова flavus — желтый, так как первые флавоноиды, которые были выделены из растений, имели желтый цвет.

Спрашивается только: откуда взялись эти антиоксиданты в растениях? И ответ станет сразу ясен, если мы вспомним, в каких непростых природных условиях многим растениям приходилось существовать. За миллионы лет, смогли выжить и приспособиться только те из них, которые выработали собственную защиту от неблагоприятных условиях среды и прокисания.

Не случайно, максимальное количество природных натуральных антиоксидантов наблюдается обычно в кожуре (!) и коре (!) растений и деревьев, а также в косточках (!), где хранится генетическая информация. Так что всё исключительно логично: растения защищаются от прокисания с помощью выработки антиоксидантов, а мы, употребляя эти растения в пищу, насыщаем антиокислителями свой организм и защищаем себя от «прокисания», старения и болезней.

Считается, что наиболее эффективные соединения — биофлавоноиды, которые лучше всего препятствуют разрушению и старению организма, находятся в тех составах, которые придают растениям их выраженную пигментацию или окраску. Именно по этой причине наиболее полезными оказываются те продукты, которые имеют наиболее тёмную окраску (черника, тёмный виноград, свёкла, фиолетовые капуста и баклажаны и т.п.).

Флавоноиды способны снижать даже уровень холестерина в организме, а также тенденцию красных кровяных телец слипаться и образовывать тромбы, как впрочем и многое другое. Например доказано, что биофлавоноиды эффективно помогают снижать гипертонию и устранять разного рода аллергии.

чернослив и абрикосыДанные вещества антиоксиданты настолько важны, что получили название — витамин Р. Т.е., кроме мощного антиоксидантного действия, биофлавоноиды обладают еще и так называемой P-витаминной активностью — они способны уменьшать проницаемость стенок кровеносных сосудов. Поэтому их раньше называли витамином P (от слова permeability — проницаемость). Это их свойство обусловлено способностью стимулировать выработку коллагена — основного компонента соединительной ткани. Именно этот витамин и содержится во многих растениях в очень приличных количествах. Несколько сотен граммов (100 — 500) некоторых продуктов могут содержать дозировку витамина Р, которым можно серьёзно лечить даже ряд заболеваний сердца, сосудов, глаз и т.п.

Следует подчеркнуть, что некоторые биофлавоноиды обладают антибактериальными и фунгицидными (противогрибковыми) качествами. В ходе лабораторных и эпидемиологических исследований было доказано, что флавоноиды обладают ценными химическими, биологическими и биохимическими свойствами, важными для защиты здоровья и предупреждения заболеваний.

Отметим, что содержание биофлавоноидов в белой кожуре цитрусовых помогает уберечь витамин С от окислительного разрушения. В природе цитрусовые флавоноиды встречаются в основном в комплексе с витамином С, среди них наиболее известны: рутин, гесперидин, кверцетин (прежде назывался витамином Р).

красное вино содержит в большом количестве флавоноидыФлавоноиды в последнее время все чаще упоминаются в связи с «французским парадоксом». Так называют аномально низкий уровень сердечнососудистых заболеваний во Франции по сравнению с ее соседями — Англией и Германией. Хотя большинство французов придерживаются довольно своеобразной «диеты», почетные места в которой занимают хороший жирный кусок мяса, гусиный паштет и другие продукты с высоким содержанием холестерина, хотя французы едят в два раза больше сливочного масла и в три раза больше свиного сала, чем американцы, во Франции удивительно низкий уровень сердечнососудистых заболеваний. Причину этого феномена ученые нашли в вине. Причем в красном. Как выяснилось, красное вино содержит в большом количестве флавоноиды, которые значительно снижают вероятность образования тромбов, увеличивают содержание в крови «хорошего» холестерина — липопротеинов высокой плотности, снижают содержание в крови триглицеридов, а также «плохого» холестерина — липопротеинов низкой плотности.

Биофлавоноидный комплекс укрепляет капилляры и стенки сосудов и улучшает кровообращение, способствует заживлению ран и предотвращает образование синяков. В белых винах и крепких алкогольных напитках флавоноидов почти нет. Они содержатся в основном в кожице, мякоти и косточках красного винограда.

Причем именно во Франции имеются специальные «флавоноидные» районы, в которых производят вино, в котором особенно многих этих врагов свободных радикалов. Флавоноиды являются активными антиоксидантами, которые нейтрализуют свободные радикалы, отдавая им свои электроны.

См. дополнительно:

Катехины — органические вещества из группы флавоноидов. Антиоксидантные свойства многих растительных продуктов в значительной мере обусловлены именно содержанием катехинов. Особенно эффективно действуют катехины против свободных радикалов – пероксинитрита и радикала гидроксила, которые обуславливают повышенное кровяное давление и в настоящее время считаются одной из главных причин гипертонии.

Полезные защитные свойства катехинов могут быть показаны на примере чая. Чай содержит четыре основных компонента катехина: EC, ECg, EGC и EGCg. Эпигаллокатехин (EGC) — самый сильный антиоксидант из четырех основных чайных катехинов. Например, он в 25 сильнее, чем витамин Е и в 100 раз сильнее, чем витамин C.

Кверцетин также относится к группе флавоноидов и витаминам группы Р. Он содержится в яблоках, цитрусовых, брокколи, луке, красном сорте винограда, малине, смородине, вишне. В Германии даже производится антиоксидантный сорт пива — Anti­ Aging Bier, в рецептуру которого специально введены кверцетины.

Кверцетин применяют для профилактики и лечения нарушений мозгового кровообращения, заболеваний сердца и сосудов. Этот первоклассный чистильщик сосудов улучшает кровоток, тормозит процесс старения клеток роговицы глаза. Кверцетин препятствует развитию атеросклероза и гипертонии, обладает антиканцерогенными свойствами.

См. также:

Применение перикиси водорода для насыщения венозной крови кислородом

Аннотация.

В условиях гипоксии, вызванной геморрагическим шоком, предложено переливать пострадавшим донорскую кровь, насыщенную кислородом. Показано, что получить насыщенную кислородом донорскую венозную кровь можно с помощью инъекций в нее водного изотонического щелочного буферного раствора, состоящего из 0,85% натрия хлорида, 0,10% натрия гидрокарбоната и 0,05 – 0,29% перекиси водорода. Изменение темно-вишневого цвета венозной крови на ярко красный цвет, аналогичный цвету артериальной крови, является критерием эффективности и адекватности средства.

Ключевые слова: консервированная кровь, геморрагический шок, гипоксия, кислород, перекись водорода. Введение.

Истинной причиной смерти большинства людей, наступающей независимо от первопричины угнетения кровообращения, является гипоксическое повреждение клеток головного мозга [11]. Бытует мнение, что препараты, относящиеся к группе антигипоксантов, способны повышать устойчивость к гипоксии и защищать клетки коры головного мозга от гипоксического повреждения. Однако это ложь, поскольку ни один современный антигипоксант не способен заменить собой кислород [1, 2]. Несомненно, что лучшими антигипоксантами являются кислород и … холод [3, 4, 10]. Однако, современные технологии оживления с помощью кислорода не всегда эффективны при гипоксии [5, 6, 7, 8, 9]. Дело в том, что вводимый в дыхательные пути пациента газ кислород не всегда транспортируется в головной мозг. Также невозможно его прямое введение в венозную кровь или головной мозг из-за немедленного развития газовой эмболии [5].

В последнее время показано, что раствор перекиси водорода, произведенный в лекарственной форме

«Раствор для инъекций», способен заменить газ кислорода, поскольку способен превращать венозную кровь в артериальную кровь без участия легких [5]. Способность перекиси водорода заменять кислород была доказана ранее в опытах с аквариумными рыбками породы «гуппи» и «неоны» [2], а также в клинических исследованиях с кровоподтеками [12].

Цель исследования – исследование возможности обогащения стандартной донорской крови кислородом без применения газа кислорода и традиционного оксигенирования крови.

Материалы и методы исследования. Исследования проведены в лабораторных условиях при температуре  25°С. Эксперименты были проведены in vitro c порциями стандартной донорской венозной крови человека, в которые путем инъекций вводились растворы исследуемых средств в соотношении 8:1. [3]. Динамика насыщения крови кислородом и внутритканевое кипение, возникающее за счет образования пузырьков газа кислорода, исследовалась по изменению лучевых свойств крови на глаз в видимом диапазоне спектра излучения и в ультразвуковом диапазоне спектра излучения с помощью ультразвукового прибора экспертного класса ALOKA SSD – ALPHA 10.

Осмотическая активность растворов была определена с помощью осмометра марки VAPRO 5600 (USA). В качестве контроля был использован изотонический раствор 0,9% натрия хлорида.

Параллельно проводилась биологическая оценка антигипоксического действия изобретенного средства на 100 живых аквариумных рыбках породы гуппи и голубые неоны. Рыбок помещали в герметичные шприцы объемом по 5 мл, внутрь которых вводили исследуемый раствор. Динамика двигательной активности рыб снималась на камеру вплоть до их полного обездвиживания и смерти [3].

Статистическая обработка результатов проведена с помощью программы BIOSTAT  по общепринятой методике.

Результаты исследования.

С целью выявления «нужных» доз перекиси водорода и гидрокарбоната натрия нами в модельных условиях были проведены многочисленные скрининговые исследования с донорской кровью и с водными растворами, содержащими натрия хлорид в концентрациях менее 0,9%, гидрокарбонат натрия в концентрациях менее 1,7% и перекись водорода в концентрациях менее 0,3%. Моделями служили прозрачные полиэтиленовые пакеты объемом по 100 мл с двумя нижними отверстиями каждый. В каждый из пакетов первоначально вводилось по 40 мл стандартной консервированной венозной донорской крови. Затем с помощью штативов, установленных на лабораторном столе, пакеты подвешивались вертикально в положении отверстиями вниз и с вставленными в них инъекционными иглами, одна из которых была соединена с устройством для переливания крови, другая – со шприцем, заполненным одним из выбранных растворов при комнатной температуре. Затем в каждую емкость, содержащую по 40 мл крови, вводилось с помощью шприца по 5 мл определенного раствора. Всего нами было поставлено 140 опытов.

Полученные результаты показали правильность сделанного предположения: перекись водорода позволяет в считанные секунды насыщать кислородом консервированную венозную кровь без газа кислорода и без образования кровавой пены. Сегодня мы можем заявить, что нам удалось изобрести новое лекарственное средство, превращающее венозную кровь в артериальную.

Первоначально были проведены опыты с высокими концентрациями ингредиентов. При этом была установлена принципиальная возможность трансформировать с помощью перекиси водорода венозную кровь темно-вишневого цвета в кровь, насыщенную кислородом и имеющую ярко алый цвет. Однако оказалось, что высокая концентрация перекиси водорода вспенивает кровь и увеличивает ее объем почти в 2 раза, что не позволяет вводить такую кровь в вену пострадавших из-за угрозы газовой эмболии сосудов. При этом кровавая пена и пузыри сохраняются при комнатной температуре 16,3 ± 0,1 минут (Р ≤ 0,05, n = 5), после чего порция крови сохраняет алый цвет и напоминает собой артериальную кровь на протяжении всего периода наблюдения.

Затем наши исследования были направлены на выяснение диапазона концентрации ингредиентов и общие их дозы, обеспечивающие, с одной стороны, высокую эффективность и скорость насыщения венозной крови кислородом, а с другой стороны – высокую безопасность обработанной донорской крови за счет отсутствия в ней пузырьков газа.

Результаты проведенных исследований показали, что введение в пакеты с донорской кровью растворов, содержащих 0,85% натрия хлорида, 0,10% натрия гидрокарбоната и 0,29 – 0,05% перекись водорода, вызывало умеренное образования газа в среднем через 4,5 ± 0,15 — 9,7 ± 0,4 секунд (Р ≤ 0,05, n = 5). При этом темно- вишневый цвет крови менялся на алый цвет через 14,3 ± 0,7 — 61 ± 2,2 секунд (Р ≤ 0,05, n = 5). Пузырьки газа имели мелкие размеры, медленно перемещались кверху, размещались в верхнем слое крови и через несколько секунд лопались практически без образования кровавой пены. Установлено, что кровь внутри пакета сохраняла алый цвет на протяжении всего последующего периода наблюдения. Кроме этого, установлено, что уже через 3 минуты после начала взаимодействия введенного средства с донорской кровью реакция сатурации крови кислородом практически завершалась и из пакета выливалась жидкая кровь алого цвета без пузырьков газа.

В свою очередь, результаты опытов показали, что раствор 0,85% натрия хлорида, 0,10% натрия гидрокарбоната, содержащий перекись водорода в концентрации 0,04% и менее, не годится для насыщения венозной крови кислородом, поскольку после введения его в порцию донорской крови этот раствор медленно всплывает вверх без образования пузырьков газа в крови. А после этого бесцветный прозрачный раствор размещается над кровью. При этом цвет основной массы крови остается темно-вишневым, но через 15 минут верхний слой крови толщиной около 1,5 см приобретает алый цвет. В последующие 60 минут наблюдения состояние взаимодействующих масс изменяется незначительно.

Следовательно, раствор 0,85% натрия хлорида, 0,1% натрия гидрокарбоната и 0,05 – 0,29% перекиси водорода может вводиться в плазму венозной крови с целью насыщения ее эритроцитов кислородом и превращения венозной крови в артериальную кровь без введения в нее газа кислорода. Разработанное нами лекарственное средство защищено патентом РФ на изобретение № 2538662 [4].

Выводы.

1.     Изобретено жидкое лекарственное средство, способное без оксигенирования ее газом кислородом и вентилирования легких пациента дыхательным газом насыщать кислородом консервированную венозную кровь.

2.    Новое средство представляет собой изотонический субщелочной водный раствор перекиси водорода. Средство предназначено для инъекционного введения в донорскую кровь, хранящуюся внутри емкости, вплоть до придания ей ярко красного цвета.

Выражаю благодарность научному руководителю, профессору РАЕ Александру Ливиевичу Уракову за помощь в написании статьи и за помощь в проведении научных исследований.

Список литературы

1.      Ураков А.Л., Уракова Н.А., Чернова Л.В. Cпособ скрининга антигипоксантов// Успехи современного естествознания. — 2022. № 9 (1). С. 24 – 27.

2.      Ураков А.Л., Уракова Н.А., Чернова Л.В. Раствор перекиси водорода может стать конкурентом газа кислорода во время реанимации// Успехи современного естествознания. — 2022. № 12. С.198–203.

3.      Ураков А.Л. Холод в защиту сердца. Наука в СССР. 1987. № 2. С. 63.

4.      Ураков А.Л., Уракова Н.А., Решетников А.П., Сойхер М.Г., Сойхер Е.М., Копылов М.В., Чернова Л.В. Гипероксигенированное средство Е.М. Сойхер для насыщения венозной крови кислородом. Патент на изобретение (RUS № 2538662).

5.      Чернова Л.В. Новые технологии применения «старых» лекарств для насыщения венозной крови кислородом // Здоровье и образование в XXI веке. 2022. Т. 17. №3. С. 39-44.

6.      Urakov A., Urakova N., Kasatkin A., Chernova L. Physical-chemical аggressiveness of solutions of medicines as a factor in the rheology of the blood inside veins and catheters // Journal of Chemistry and Chemical Engineering. — 2022.Vol. 8. N.01. P. 61 – 65.

7.      Urakov A.L., Kasatkin A.A., Urakova N.A., Ammer K. Infrared thermographic investigation of fingers and palmsduring and after application of cuff occlusion test in patients with hemorrhagic shock. Thermology International. 2022. Т. 24. № 1. С. 5-10.

8.      Urakov A.L., Urakova N.A., Chernova L.V., Fischer E.L., Nasyrov M.R. Infrared thermography forearm skin in places intradermal injections of blood or solutions of drugs before and after the appearance of the bruise // Thermology International. — 2022. Vol. 25. No 2. P. 66-67.

9.      Urakov A.L. The change of physical-chemical factors of the local interaction with the human body as the basis for the creation of materials with new properties // Epitőanyag – Journal of Silicate Based and Composite Materials. — 2022. Vol. 67. No. 1. P. 2–6.

10.   Urakov A., Nasyrov M., Chernova L. How fingers became warm after cooling // Thermology International. 2022.Vol. 25. No 3. P. 123.

11.   Urakov A.L., Nikityuk D.B., Urakova N.A., Kasankin A.A., Chernova L.V., Dementiev V.B. New operational technology of intrauterine ventilation the fetus lungs by breathing gas. AIP Conference Proceedings. 2022. V. 1688. 070001.

12.   Urakov A.L., Ammer K., Urakova N.A., Chernova L.V., Fisher E.L. Infrared thermography can discriminate the cause of skin discolourations. Thermology international. 2022. Vol. 25. N. 4. P. 209 — 215.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий