РАБОТАЮТ ХИМИЧЕСКИЕ ТОРМОЗА

Окисление, соединение с кислородом - один из самых распространенных химических процессов. Человек давно научился использовать его для своих практических нужд, достаточно вспомнить процесс горения, из которого люди с древнейших времен добывают для себя тепло и свет, а в наши дни еще и производят механическую работу. В то же время окисление приносит нам и много неприятностей. Вспомните коррозию металлов и разнообразные окислительные процессы, из-за которых портятся пищевые продукты, становятся прогорклыми и портятся жиры, гибнут масла и смазки, разрушаются витамины, теряется прочность полимеров, происходят нежелательные изменения лекарственных веществ.

Как правило, окисление углеводородов - жиров, кислот, спиртов - кислородом воздуха представляет собой цепную реакцию. Теория цепных химических реакций создана академиком Н. Н. Семеновым, и эта работа в 1956 году была отмечена присуждением ему Нобелевской премии. Фундаментальные исследования в этой области продолжают и развивают ученые школы академика Н. Н. Семенова, в их числе группа исследователей, сделавших открытие, о котором идет речь.

Цепную химическую реакцию, как любой цепной процесс, в том числе и как цепную ядерную реакцию деления, принято сравнивать с лавиной: где-то высоко в горах сорвался камушек, по пути он зацепил нескольких своих соседей, а те, в свою очередь, сдвинули с места другие камни - от одного .камня образовался нарастающий каменный поток, лавина.

Нечто похожее происходит в химическом сосуде, где идет процесс окисления.

Первое звено цепной реакции окисления - образование свободного радикала. Само слово радикал, от латинского га-dix - корень, имеет несколько самых разных значений - достаточно вспомнить что, например, в экономике или политике радикалами нередко называют сторонников решительных, коренных преобразований. В химии свободным радикалом называют атом или группу атомов в молекуле, которые имеют так называемые неспаренные электроны и в силу этого обладают высокой химической активностью.

В начале нашего века первыми были открыты так называемые долгоживущие радикалы довольно сложного строения. Свободный радикал метил был обнаружен в газообразной фазе в двадцатых годах, и оказалось, что в этих условиях он живет сотые доли секунды. Участие свободных радикалов в реакциях, протекающих в растворе, в жидкой фазе, не пользовалось популярностью вплоть до конца 30-х годов.

Всевозрастающий интерес к химии свободных радикалов начался примерно с середины пятидесятых годов. К этому времени была разработана экспериментальная техника, которая позволила достаточно просто и убедительно обнаруживать даже очень малые концентрации короткоживущих свободных радикалов - это техника ЭПР, электронного парамагнитного резонанса.

Связь между атомами в молекуле образует пара электронов, в случае метана (СН4), например, каждую из четырех связей образуют один электрон от углерода, другой от водорода. Если одну из связей разорвать симметрично, то есть так, чтобы каждый из пары электронов остался при своем атоме, то получатся два радикала - атомарный водород и остаток метана - метил СН3. Точка над символом углерода как раз и обозначает, что у этого атома есть свободная валентность, есть один неспаренный электрон.

Существование неспаренного электрона превращает радикал в парамагнитную частицу, заставляет его ориентироваться во внешнем магнитном поле - вдоль поля или против поля, - переходы между этими энергетически разными состояниями регистрируются на спектрах ЭПР. Явление электронного парамагнитного резонанса было впервые обнаружено в 1945 году советским физиком Е. К. Завойским.

Именно из-за свободной валентности свободные радикалы обладают высокой химической активностью. Нейтральные молекулы нужно как-то энергетически подготовить, чтобы они вступили в химическую реакцию, например, нужно нагреть вещество или направить на него поток света. А свободный радикал - это полуфабрикат, уже готовый к реакции, он сразу же легко вступает в химические взаимодействия.

Оказалось, что очень большое количество самых разнообразных химических реакций проходит с участием свободных радикалов. Вот лишь некоторые: термический крекинг нефти, получение различных полимеров и пластмасс, фотохимические реакции, в том числе фотосинтез в растениях, окисление, дыхание.

Если радикал реагирует с исходным веществом, порождая новый радикал, который, в свою очередь, способен вступать в действие, наблюдают цепную реакцию. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока цепь не оборвется, пока радикал каким-нибудь образом не будет удален из системы.

В цепных реакциях окисления обычно участвует радикал перекиси (соединения, содержащего непосредственно связанные между собой два атома кислорода) - именно с него начинается вся цепь.

Зародившись в системе, эти частицы атакуют молекулу исходного соединения, в результате образуется продукт окисления - гидроперекись, а перекислый радикал возрождается. Он, в свою очередь, вступает в такую же реакцию с новой молекулой исходного продукта и в этой реакции сам опять возрождается - так возникают цепи.

«Простое воспроизводство», когда из одного радикала рождается тоже один радикал, возможно при низких температурах, в этом случае химики говорят о неразветвленной реакции окисления. Продукт реакции - гидроперекись - соединение малоустойчивое, и с повышением температуры оно распадается, образуются новые перекисные радикалы, происходит разветвление цепи.

Лавину цепного окисления, растущий поток перекисных радикалов можно остановить, если вовремя перехватить зародившиеся радикалы, не допустить развитие цепи.

В наши дни химикам известны сотни веществ, которые в самых незначительных концентрациях (до тысячных долей процента) тормозят окисление. Их называют антиоксидантами, стабилизаторами или ингибиторами (от латинского inhibeo - останавливаю, сдерживаю). Ингибиторы резко уменьшают скорость цепной реакции самым верным способом - он входит в соприкосновение с радикалом перекиси и блокирует, обезвреживает его.

В результате гибели перекисного радикала на ингибиторе образуется неактивный радикал ингибитора. Окисление подавляется тем успешнее, чем активнее ингибитор, чем больше вероятность того, что он прореагирует с перекисными радикалами до того, как они успеют размножиться, продолжить и разветвить цепь реакции.

Из такого упрощенного объяснения можно сделать вывод, что, добавив в продукт достаточно большое количество ингибитора, можно закрыть все активные центры окисления, обезвредить все перекисные радикалы, и навсегда остановить окислительный процесс. Однако нельзя забывать, что ингибитор - это химический реагент и введение его в заметных количествах может существенно изменить свойства самого продукта, например, его цвет, растворимость, вкус, наконец, даже сделать продукт токсичным. Пожалуй, основное требование к хорошему ингибитору - он должен активно действовать в малой концентрации.

Что значит действовать активно? Предотвращать лавину цепной реакции, своевременно реагировать с перекисными радикалами, обрывая цепь. Однако ингибитор постепенно срабатывается, взаимодействие с перекисным радикалом переводит его в неактивное состояние, и в процессе торможения цепной реакции количество боеспособных молекул ингибитора уменьшается.

Если, судить о ходе реакции по количеству накопившихся продуктов окисления, то сразу видно, как с уменьшением концентрации ингибитора растет количество гидроперекиси. Сначала продуктов окисления мало, реакция идет очень медленно и только высокочувствительные приборы могут ее зарегистрировать. Но через какое-то время скорость окисления резко увеличивается, концентрация перекиси нарастает лавинообразно. Время после начала реакции, в течение которого накапливаются ощутимые количества перекиси, называют периодом индукции или временем торможения. Действие ингибитора (стабилизатора), как правило, сводится к удлинению периода индукции.

Ингибиторы класса фенолов обычно химически менее активны, чем амины, и для простоты дальше будем называть такие разные ингибиторы «малоактивным» и активным. Конечно же, может показаться странным, что у малоактивного ингибитора время индукции больше, чем у активного, то есть малоактивный ингибитор дольше сдерживает лавину окисления. Дело здесь в том, что активный ингибитор растрачивается не только на нейтрализацию перекисных радикалов. Как правило, ингибиторы этого класса именно в силу своей активности вступают в побочные реакции.

Практикам часто приходится использовать разные смеси ингибиторов по самым разным соображениям: учитывают их растворимость, совместимость с другими продуктами реакции, токсичность, экономику производства. Объединив активный и малоактивный ингибиторы, можно ожидать следующего. Оба ингибитора работают по одному механизму - обезвреживают перекисный радикал. Разница в активности должна привести к конкуренции между ними: активный ингибитор должен захватывать большую долю радикалов (у него больше вероятность прореагировать), значит, сам он быстрее выйдет из строя, быстрее сработается. Таковы были предположения, основанные на правилах химической кинетики.

Ученые Сектора кинетики химических и биологических процессов, изучая тормозящее действие смеси ингибиторов, обнаружили совсем обратное. Активный ингибитор практически не расходовался, а количество малоактивного уменьшалось с заметной скоростью (средняя кривая). На первый взгляд можно было решить, что при действии смеси нарушается закон конкурирующих реакций, что перекисные радикалы захватывают малоактивный ингибитор.

Проведенные исследования позволили объяснить механизм происходящего. Оказалось, что в смеси ингибиторы реагируют не только с перекисными радикалами, но они еще вступают в реакцию друг с другом. Как и полагается, сначала активный ингибитор In1H (амин) захватывает перекисный радикал, обрывает цепь окисления, а сам превращается в радикал In1. Вот тут-то на помощь приходит малоактивный ингибитор In2Н (фенол), он отдает радикалу амина атом водорода и тем самым возвращает ему активность, активный ингибитор регенерируется. Кроме того, в результате взаимодействия ингибиторов устраняются побочные реакции активного ингибитора.

Итак, при использовании смеси ингибиторов их тормозящее действие оказывается намного более эффективным, чем у лучшего из них.

Это загадочное усиление эффектов торможения лавины, возникающее при взаимодействии ингибиторов, относится к классу синергических процессов. Само понятие синергизм было введено 100 лет назад физиологами; при исследовании мышечной системы человека рассматривали две группы мышц, противодействующие - антагонисты, и действующие в одном направлении - синергисты.

Эффективное действие смеси ингибиторов (синергизм) известно в химии уже несколько десятков лет и широко используется практиками. Однако именно открытое в Институте химической физики явление позволило разгадать причины такой эффективности, выяснить тонкие механизмы подавления окислительных реакций, дало возможность целенаправленно подбирать смеси ингибиторов.

Взаимное усиление двух ингибиторов (синергизм) связано с регенерацией наиболее активного ингибитора. Вспомним, что, прореагировав с радикалом перекиси, ингибитор теряет активность. Как раз на этой стадии приходит на помощь малоактивный компонент смеси, например, ингибитор из класса фенолов, именно он возвращает в строй активный ингибитор, регенерирует его. Учитывая, что реакция между ингибиторами проходит по радикальному механизму, теория кинетических процессов показывает условия, при которых эффект усиления будет максимальным. Исследования показали, что явления синергизма характерны для взаимодействия ингибиторов различной химической природы - ароматических, аминов, производных фенола, соединений, содержащих серу.

Изучение механизма химических процессов через их кинетику, через ход реакций во времени оказалось одним из самых перспективных направлений современной химии и биохимии.

Проблемы окислительных процессов и действия антиоксидантов (ингибиторов окисления) в живом организме сейчас занимают не только химиков или биологов, ими уже заняты вплотную фармакологи и медики, например, те, кто связан с онкологией. В последние годы в биологии и медицине проводятся интенсивные исследования роли свободных радикалов в норме и при развитии некоторых патологических состояний. С одной стороны, установлено, что при лучевом поражении, при развитии раковых опухолей, при некоторых вирусных заболеваниях, при стрессовых воздействиях на организм происходят сдвиги в концентрации свободных радикалов в тканях и клетках. С другой стороны, эксперименты показали, что ингибиторы свободнорадикальных процессов могут быть хорошими лекарственными препаратами.

Фундаментальные работы, проводившиеся под руководством академика Н. М. Эмануэля в Секторе кинетики химических и биохимических процессов Института химической физики, привели к созданию противоопухолевого препарата дибунола. Он захватывает химически активные свободные радикалы и в некоторых случаях сильно тормозит рост опухоли.

Препарат этот прошел клинические испытания и уже используется в медицинской практике. В борьбе с раком медики сейчас широко используют метод полихимиотерапии - они комбинируют различные лекарственные препараты. Очевидно, именно кинетический подход к взаимодействию этих препаратов открывает путь к поиску оптимума - использованию минимальных доз препаратов для максимального эффекта.