Активные формы кислорода продуктов озонолиза некоторых непредельных органических соединений

А.С. Гордецов, С.П. Перетягин, А.В. Кадомцева, А.Н. Новикова, О.В. Гречканева, С.В. Зимина

Ключевые слова: ИК-Фурье-спектроскопия; озон; гидропероксикислоты; гидропероксиэфиры.

Цель исследования — изучение состава реакционных систем, образующихся при озонировании некоторых липидов, в частности оливкового масла и его модельной системы — олеиновой кислоты, а также выявление в них активных форм кислорода (АФК), приводящих к появлению саногенетических свойств у приготовленных на их основе лечебных препаратов.

Материалы и методы. Липиды, содержащие олеиновую кислоту в этерифицированной и свободной формах, озонировали с помощью аппарата озонотерапии с деструктором озона «Медозонс-03» (АОТ-Н-01-Арз-01) (Россия). Исследование химического состава и строения продуктов озонолиза, содержащих АФК, выполняли на ИК-Фурье спектрофотометре Shimadzu IR Prestige 21 (Япония) в области волновых чисел 4000–400 см^–1 в виде жидких пленок в окошках из KBr или ZnSe. Поиск АФК проводили сравнением ИК-спектров образцов исследуемых веществ до и после озонирования. Динамику образования и изменения концентрации АФК контролировали также методом йодометрического титрования по Межгосударственному стандарту ГОСТ ISO 3960-2013. Свойства приготовленных на основе озонированных продуктов лечебных препаратов, а также динамику изменения концентраций АФК в них исследовали аналогичным образом.

Результаты. Метод ИК-Фурье-спектроскопии позволил установить, что в результате озонирования липидов, содержащих олеиновую кислоту в этерифицированной и свободной формах, в качестве основных относительно стабильных форм АФК образуются соответственно гидропероксикислоты и гидропероксиэфиры, а не озониды. Концентрация последних весьма незначительна, в то время как гидропероксипроизводные распадаются достаточно медленно и существуют в реакционных продуктах (системах) в течение нескольких месяцев. Выявлено также, что многокомпонентные гидрофильные основы лечебных препаратов практически не оказывают прямого химического влияния на данный тип АФК.

Введение

В течение последних 2–3 десятилетий началось успешное применение наружных озонидсодержащих препаратов с лечебными целями в различных областях медицины (дерматовенерологии, гинекологии, стоматологии, комбустиологии). Кроме того, ведущими мировыми производителями сразу в нескольких странах: России, Украине, Италии, Кубе, Испании, Турции, США, Мексике — несколько лет назад налажено широкое производство наружных препаратов, содержащих химически модифицированные озоном липиды типа оливкового масла [1]. Все это стимулирует более тщательное изучение химического состава образующихся реакционных смесей.

Востребованность озонидсодержащих препаратов на медицинском рынке позиционируется их мощным бактерицидным действием, антиоксидантными свойствами, способностью улучшать микроциркуляцию крови, стимулировать регенераторный потенциал клетки путем интенсификации процессов аэробного метаболизма [2]. Вместе с тем разработка новых средств, содержащих активные формы кислорода — АФК (масла, препараты на гидрофильной основе) диктует проведение физико-химических и биохимических исследований для установления их состава и биологических свойств, возникающих в них в результате технологического процесса.

Цель исследования — изучение состава реакционных систем, образующихся при озонировании некоторых липидов, в частности оливкового масла и его модельной системы — олеиновой кислоты, а также выявление в них активных форм кислорода, приводящих к появлению саногенетических свойств у приготовленных на их основе лечебных препаратов.

Материалы и методы

Липиды, содержащие олеиновую кислоту в этерифицированной и свободной формах, озонировали с помощью аппарата озонотерапии с низкой концентрацией и деструктором озона «Медозонс-03» (АОТ-Н-01-Арз-01) («Медозонс», Россия). Исследование химического состава и строения продуктов озонолиза, содержащих АФК, выполняли на ИК-Фурье-спектрофотометре Shimadzu IR Prestige 21 (Shimadzu Corp., Япония) в области 4000–400 см^–1 в виде жидких пленок в окошках из KBr или ZnSe. АФК идентифицировали сравнением ИК-спектров образцов исследуемых соединений до и после озонирования. Концентрацию АФК устанавливали также методом йодометрического титрования по Межгосударственному стандарту ГОСТ ISO 3960-2013 [3]. Аналогично исследовали свойства приготовленных на основе озонированного оливкового масла лечебных препаратов.

Результаты и обсуждение

Известно, что при озонировании органических соединений, содержащих двойные связи углерод–углерод, последние расщепляются с образованием продуктов окисления, основными из которых являются озониды [4, 5]. Однако при проведении реакции в присутствии спиртов, кислот и других кислородсодержащих веществ вместо озонидов образуются перекисные продукты других типов [5, 6], например по схеме 1:

При осуществлении взаимодействия непредельных соединений с озоном в среде кетона выход озонида уменьшается с 86,6 до 2,9%, причем основными продуктами являются пероксиды и лактоны [5]. Следует отметить, что при обработке олеиновой кислоты озоном в среде нонановой (пеларгоновой) кислоты вместо озонидов образуется сначала гидропероксикислота, которая затем переходит в смесь нонановой и азелаиновой кислот [5]. Данная реакция используется для промышленного производства азелаиновой кислоты (схема 2):

Нас интересовало отношение свободной и этерифицированной олеиновой кислоты к воздействию озона в условиях технологии получения лечебно-косметических кремов, поскольку их основным компонентом является озонированное оливковое масло.

Был выполнен озонолиз олеиновой кислоты по методике и в условиях, аналогичных озонолизу оливкового масла. Анализ ИК-спектров исходного вещества и смеси продуктов озонирования показал, что кроме ожидаемых нонановой и азелаиновой кислот в качестве одного из основных продуктов образуется промежуточный гидроксипероксид Б (схема 3):

В ИК-спектрах реакционной смеси (рис. 1, а, б) обнаружены следующие полосы поглощения (см^–1): гидропероксикислота (Б) — 3450 (валентные колебания H–O в свободной группе HOO), 1740 (валентные колебания группы C=O в пероксикислотах), 1095 (валентные колебания С–О–О), 885 (валентные колебания группы О–О, слабое поглощение); нонановая кислота — 1711 (валентные колебания C=O), 1465, 1412, 1287, 1220, 950; азелаиновая кислота — 1690 (плечо, валентные колебания C=O), 2932, 2856 (валентные колебания C–H), 1469, 1434 (деформационные колебания C–H). Найден также пик малой интенсивности 1041 см^–1, который, по-видимому, принадлежит озониду (А) [5]. Имеется небольшая примесь олеиновой кислоты. Методом вычитания ИК-спектров [7, 8] подтверждены основные пики поглощения C=O гидроксипероксида (Б) (рис. 1, в). Таким образом, носителями АФК в реакции (3) является гидропероксикислота и озонид.

Рис. 1. ИК-спектры:

а — олеиновой кислоты; б — продуктов озонирования олеиновой кислоты; в — гидропероксикислоты, который получен вычитанием ИК-спектров олеиновой кислоты до и после озонирования

Известно [5, 9], что при озонировании оливкового масла по аналогичным схемам образуются озониды, которые в присутствии продуктов окисления быстро переходят в гидропероксиды жирных кислот и сложных эфиров. В то же время сложноэфирные связи триглицеридов также расщепляются, давая различные моно- и диглицериды с пероксидными группами. В итоге получается сложная смесь продуктов окисления органических веществ, среди которых идентифицированы альдегиды, кетоны, короткоцепочечные и длинноцепочечные карбоновые кислоты, а также пероксидные и гидропероксидные производные перечисленных соединений. Отдельные продукты озонирования доказаны методами газовой и тонкослойной хроматографии, причем наибольшую концентрацию среди идентифицированных веществ имела нонановая кислота [9].

Изучение нами исходного и озонированного оливкового масла с помощью ИК-спектров показало, что в условиях технологического процесса, во-первых, реакция проходит достаточно глубоко и, во-вторых, основными продуктами являются пероксикислоты и их эфиры (схема 4), а также нонановая кислота. ИК-спектры смеси продуктов реакции (рис. 2) содержат следующие основные полосы поглощения (см^–1); 3478–3468 ( OOH), 1754 ( C=O), 1464, 1418, 1101 ( COO), 885 ( O–O, плечо) [гидропероксикислоты и их эфиры] [4], 1718–1712 ( C=O), 1464, 1418, 1243, 1105, 954 [нонановая кислота]. Имеется также полоса поглощения при 1050 см^–1 [озониды]. Таким образом, как и в случае олеиновой кислоты, носителями АФК являются гидропероксикислоты и их сложные эфиры, а также незначительные количества озонидов.

Рис. 2. ИК-спектры:

а — оливкового масла; б — продуктов озонирования оливкового масла; в — гидропероксиэфиров, который получен вычитанием ИК-спектров оливкового масла до и после озонирования

Следует отметить, что интенсивность пиков АФК в ИК-спектрах продуктов реакции (4) несколько ниже, чем при озонировании индивидуальной олеиновой кислоты. Гидролиз олеатов и других триглицеридов оливкового масла не наблюдался. Так, в ИК-спектрах отсутствуют полосы поглощения основного продукта гидролиза — глицерина, причем специальными экспериментами было показано, что сам глицерин в применяемых условиях с озоном не реагирует. Предположительная схема озонолиза триолеина, являющегося главным компонентом оливкового масла, имеет для отдельного фрагмента липида такой же вид (схема 4):

Очевидно, что реакция может протекать не только по трем, но и по двум и даже одному эфирному фрагменту заместителя в липиде, причем образующиеся вещества далее гидролизуются и окисляются, давая смесь моно-, ди- и триглицеридов более короткоцепочечных кислот [9], а также различных альдегидов и свободных кислот. Естественно, что среди продуктов озонирования оливкового масла должны присутствовать и все продукты реакции свободной олеиновой кислоты с озоном (схема 3), но их общая концентрация составляет примерно 1%, так как концентрация свободной кислоты в масле не превышает 1–2%.

В заключение исследования мы провели ИК-спектроскопический анализ лечебных препаратов, приготовленных на основе озонированного оливкового масла, добавляемого к водной суспензии многокомпонентной базы лечебного крема, состоящей из сложных эфиров, солей высших карбоновых кислот и полимерных спиртов. Как и ожидалось, основные полосы поглощения образцов базы крема отвечали характеристическим частотам воды с максимумами при 3400–3300, 2083 и 1647 см^–1. В процессе прибавления к этой базе озонированного масла и увеличения концентрации последнего от 3 до 30% наблюдается постепенный рост интенсивности полос поглощения в интервале ~1745–1717 см^–1 (валентные колебания C=O смеси продуктов реакции озонирования оливкового масла).

Полоса поглощения с максимумом при 1106 см^–1 ( C–O–O пероксисоединений) практически не проявляется в 3, 5 и 10% кремах, однако достаточно интенсивна в 30% креме. По всей вероятности, АФК малой концентрации практически полностью реагируют с базовой основой, сложноэфирные составляющие которой (например, изопропилмиристат) повышают растворимость ацилглицеридов оливкового масла, переводя его в гомогенную фазу с непредельными компонентами. Последние, по всей вероятности, вступают в реакцию Прилежаева, давая α-оксиды, а затем гликоли (схема 5):

Кроме того, следует ожидать прямого образования карбоновых кислот и атомарного кислорода, который объясняет отбеливающий эффект пероксикислот [4] (схема 6):

Следует отметить также, что ИК-спектры 30% крема изменяются при хранении его в течение нескольких месяцев. Так, если после 3 мес выдержки основным пиком С=O является 1750–1741 см^–1 ( С=O гидропероксисоединений), то через 6 мес — усредненный С=O — 1733 см^–1, а через 8 мес — 1716 см^–1. Это говорит о постепенном распаде АФК и липидов в процессе хранения препаратов.

Заключение

При озонировании липидов типа оливкового масла и его модельной системы — олеиновой кислоты в качестве активных форм кислорода образуются соответственно гидропероксикислоты и гидропероксиэфиры, причем озониды содержатся только в виде примесей. Приготовленные на основе озонированного оливкового масла лечебные препараты сохраняют функцию носителей АФК достаточно долго. Контроль динамики химических превращений с участием АФК удобно реализовать методом ИК-Фурье-спектроскопии.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследование не финансировалось какими-либо источниками, и конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.

Литература

Grechkanyova O., Bitkina O., Peretyagin S., Peretyagin P., Gabasov I., Razheva P. The usage of laser Doppler flowmetry for evaluation of the efficiency of ozone-containing drugs for external use. J Pharm Pharmacol 2018; 6(1): 3238, https://doi.org/10.17265/2328-2150/2018.01.004.
Перетягин С.П., Гординская Н.А., Стручков А.А., Гордецов А.С. Химические свойства, биологическая активность и биодоступность озонированного масла. Казанский медицинский журнал 2007; 88(4): 101–102.
ГОСТ ISO 3960-2013 Жиры и масла животные и растительные. 2015.
Химическая энциклопедия. Т. 3. М: Большая Российская энциклопедия; 1992; 639 с.
Razumovskii S.D., Zaikov G.E. Kinetics and mechanism of the reaction of ozone with double bonds. Russian Chemical Reviews 1980; 49(12): 1163–1180, https://doi.org/10.1070/rc1980v049n12abeh002535.
Rieche A., Schulz M., Becker D. Ozonisierung von Olefinalkoholen. Bildung von Hydroperoxyden cyclischer Äther. Chem Ber 1965; 98(11): 3627–3631, https://doi.org/10.1002/cber.19650981129.
Вытовтов А.А. Определение подлинности и обнаружение фальсификации пищевых продуктов методом ИК-Фурье-спектрометрии. Ученые записки Санкт-Петербургского им. В.Б. Бобкова филиала Российской таможенной академии 2010; 1(35): 193–196.
Mishina N.E., Zilberman B.Ya., Kol’Tsova T.I., Lumpov A.A., Puzikov E.A. Composition of precipitates of barium and strontium nitrates crystallizing from nitric acid solutions. Radiochemistry 2014; 56(3): 252–261, https://doi.org/10.1134/s1066362214030060.
Rainbauer H., Washüttl J., Steiner I., Kroyer G., Winker N., Streichsbier F. Chemische Untersuchungen an ozonisiertem Olivenöl. Fette, Seifen, Anstrichmittel 1982; 84(5): 188–191, https://doi.org/10.1002/lipi.19820840506.