ОКСИВОДНО-ОКСЕНОИДНАЯ ТРАКТОВКА МЕХАНИЗМОВ ОКИСЛЕНИЯ БЕНЗИЛПЕНИЦИЛЛИНА И РАЗЛОЖЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЯ В ВОДНО-ГИДРОПЕРОКСИДНОМ РАСТВОРЕ
Аннотация
Исследуется окисление пероксидом водорода бензилпенициллина в водном растворе с целью, во-первых, внесения частного вклада в общую теорию гидропероксидного окисления и, во-вторых, проецирования результатов на фармакокинетику антибиотика при патологическом окислительном стрессе в организме. При растворении натриевой соли бензилпенициллина, имеющего гетерофункциональное строение, в водно-гидропероксидном растворе без добавления катализаторов Фентона и хранении системы в условиях исключения термической и минимизации фотохимической активации наблюдается коллоидизация с последующим выпадением водонерастворимого осадка. Пероксид водорода диспропорционирует с выделением газофазного молекулярного кислорода. По результатам ЯМР-спектроскопии аргументированы S-окисление сульфидного фрагмента, N-окисление атомов азота амидных групп с диссоциацией последних, гидроксилирование и электрофильное карбонилирование ароматического цикла. Осадок является смесью веществ, часть из которых может иметь олигомерное строение в результате связывания соседних молекул по реакциям карбонилирования и O-ацилирования фрагментов гидроксиламина. Кинетика окислительных модификаций органической молекулы и дисмутация пероксида водорода интерпретируются с позиций оксиводно-оксеноидной концепции, согласно которой в водном растворе молекулы HOOH генерируют изомерную форму цвиттериона оксиводы H2O+O−. Последняя гетеролитически диссоциирует с высвобождением молекулы воды и атома синглетного кислорода, или 1D-оксена (2p[↑↓][↑↓][_]), который окисляет атомы серы и азота, гидроксилирует ароматическое кольцо и опосредует разложение самого пероксида водорода. Предполагается, что триплетный молекулярный кислород 3O2, выделяющийся при дисмутации пероксида водорода, образуется в двух спиновых вариантах – антиподах: одна молекула со спином +1, другая молекула со спином −1. Учитывая, что бензилпенициллин является активной лекарственной субстанцией антибактериального действия, можно ожидать, что в условиях биохимического окислительного стресса, сопровождаемого метаболическим накоплением высоких концентраций эндогенного пероксида водорода, молекулы антибиотика будут подвергаться в стрессовых зонах организма выявленным в работе модификациям.
Литература
Sies H. Hydrogen peroxide as a central redox signaling molecule in physiological oxidative stress: oxidative eu-stress. Redox Biol. 2017. V. 11. P. 613−619. DOI: 10.1016/j.redox.2016.12.035.
Jomova K., Valko M. Advances in metal-induced oxida-tive stress and human disease. Toxicology. 2011. V. 283. N 2−3. P. 65−87. DOI: 10.1016/j.tox.2011.03.001.
Valko M., Jomova K., Rhodes C.J., Kuča K., Musílek K. Redox- and non-redox-metal-induced formation of free radicals and their role in human disease. Arch. Toxi-col. 2016. V. 90. N 1. P. 1−37. DOI: 10.1007/s00204-015-1579-5.
Hydrogen peroxide in Register of drugs of Russia: https://www.rlsnet.ru/mnn_index_id_1091.htm (in Rus-sian).
Bokare A.D., Choi W. Review of iron-free Fenton-like systems for activating H2O2 in advanced oxidation processes. J. Hazard. Mater. 2014. V. 275. P. 121−135. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.04.054.
Mansouri L., Tizaoui C., Geissen S.U., Bousselmi L. A comparative study on ozone, hydrogen peroxide and UV based advanced oxidation processes for efficient removal of diethyl phthalate in water. J. Hazard. Mater. 2018. V. 363. P. 401−411. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.003.
Pen R.Z., Karetnikova N.V. The catalyzed delignifica-tion of wood by hydrogen peroxide and peracids (re-view). Khim. Rastit. Syr’ya. 2005. N 3. P. 61−73 (in Rus-sian).
Mamleeva N.A., Kharlanov A.N., Lunin V.V. Delignifi-cation of deciduous wood under the action of hydrogen peroxide and ozone. Russ. J. Phys. Chem. A. 2013. V. 87. N 1. P. 28−34. DOI: 10.1134/S0036024413010123.
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. 2017. V. 243. P. 760−770. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.06.029.
Krivtsov E.B., Golovko A.K. The kinetics of oxidative desulfurization of diesel fraction with a hydrogen perox-ide-formic acid mixture. Petrol. Chem. 2014. V. 54. N 1. P. 51−57. DOI: 10.1134/S0965544114010083.
Rakhmanov E.V., Baranova S.V., Wang Z., Tara-kanova A.V., Kardashev S.V., Akopyan A.V., Naranov E.R., Oshchepkov M.S., Anisimov A.V. Hydrogen per-oxide oxidative desulfurization of model diesel mixtures using azacrown ethers. Petrol. Chem. 2014. V. 54. N 4. P. 316−322. DOI: 10.1134/S0965544114030098.
Chumakov A.A., Minakova T.S., Slizhov Yu.G. Nature of intermediates in Fenton reaction systems. Khim. In-teresakh Ust. Razv. 2017. V. 25. N 5. P. 565−584 (in Russian). DOI: 10.15372/KhUR20170512.
Chumakov A.A. Oxidative functionalization mechanisms in organic synthesis using Fenton reaction systems. Pro-ceedings of XV International Conference of Students and Young Scientists «Prospects of Fundamental Sciences Development». V. 2. Chemistry. Tomsk. 2018. P. 346−348 (in Russian).
Mitra M., Nimir H., Hrovat D.A., Shteinman A.A., Richmond M.G., Costas M., Nordlander E. Catalytic C-H oxidations by nonheme mononuclear Fe(II) complexes of two pentadentate ligands: Evidence for an Fe(IV) oxo intermediate. J. Mol. Catal. A: Chem. 2017. V. 426. Part B. P. 350−356. DOI: 10.1016/j.molcata.2016.10.010.
Silva G.C., Carvalho N.M.F., Horn Jr.A., Lachter E.R., Antunes O.A.C. Oxidation of aromatic compounds by hydrogen peroxide catalyzed by mononuclear iron(III) complexes. J. Mol. Catal. A: Chem. 2017. V. 426. Part B. P. 564−571. DOI: 10.1016/j.molcata.2016.08.037.
Tyablikov I., Romanovsky B. A heterogeneous organo-catalyst for olefin epoxidation. Catal. Today. 2016. V. 278. Part 1. P. 40−44. DOI: 10.1016/j.cattod.2016.05.029.
Zhu Z., Xu H., Jiang J., Liu X., Ding J., Wu P. Postsynthesis of FAU-type stannosilicate as efficient heterogeneous catalyst for Baeyer-Villiger oxidation. Appl. Catal. A: Gen. 2016. V. 519. P. 155−164. DOI: 10.1016/j.apcata.2016.04.001.
Nikbakht F., Heydari A. Organotin–oxotungstate coordi-nation polymer: An efficient catalyst for the selective ox-idation of amines. Comptes Rendus Chimie. 2015. V. 18. N 2. P. 132−136. DOI: 10.1016/j.crci.2014.06.005.
Fraile J.M., Gil C., Mayoral J.A., Muel B., Roldán L., Vispe E., Calderón S., Puente F. Heterogeneous titanium catalysts for oxida-tion of dibenzothiophene in hydrocarbon solutions with hydrogen peroxide: On the road to oxidative desulfurization. Appl. Catal. B: Environ. 2016. V. 180. P. 680−686. DOI: 10.1016/j.apcatb.2015.07.018.
Nardello V., Barbillat J., Marko J., Witte P.T., Alsters P.L., Aubry J.M. Lanthanum(III)-catalyzed dispropor-tionation of hydrogen peroxide: a heterogeneous genera-tor of singlet molecular oxygen – 1O2 (1∆g) – in near-neutral aqueous and organic media for peroxidation of electron-rich substrates. Chem. Eur. J. 2003. V. 9. N 2. P. 435−441. DOI: 10.1002/chem.200390045.
Wahlen J., de Vos D.E., Jacobs P.A., Alsters P.L. Solid materials as sources for synthetically useful singlet oxy-gen. Adv. Synth. Catal. 2004. V. 346. N 2−3. P. 152−164. DOI: 10.1002/adsc.200303224.
Malek B., Fang W., Abramova I., Walalawela N., Ghogare A.A., Greer A. «Ene» reactions of singlet oxy-gen at the air-water interface. J. Org. Chem. 2016. V. 81. N 15. P. 6395−6401. DOI: 10.1021/acs.joc.6b01030.
Barbusiński K. Fenton reaction – controversy concerning the chem-istry. Ecolog. Chem. Eng. S. 2009. V. 16. N 3. P. 347–358.
Freinbichler W., Colivicchi M.A., Stefanini C., Bianchi L., Ballini C., Misini B., Weinberger P., Linert W., Varešlija D., Tipton K.F., Della Corte L. Highly reac-tive oxygen species: detection, formation, and possible functions. Cell. Mol. Life Sci. 2011. V. 68. N 12. P. 2067−2079. DOI: 10.1007/s00018-011-0682-x.
Yamamoto N., Koga N., Nagaoka M. Ferryl–oxo spe-cies produced from Fenton’s reagent via a two-step path-way: minimum free-energy path analysis. J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116. N 48. P. 14178−14182. DOI: 10.1021/jp310008z.
Benzylpenicillin in Register of drugs of Russia: https://www.rlsnet.ru/mnn_index_id_221.htm (in Rus-sian).
Online Spectral Database for Organic Compounds SDBS: https://sdbs.db.aist.go.jp.
Chumakov A.A., Batalova V.N., Slizhov Yu.G., Mina-kova T.S. Verification of non-catalytic hydrogen perox-ide disproportionation mechanism by thermodynamic analysis of one-electron redox reactions. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 6. P. 40−44 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.2017606.5529.
