ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Изучено окисление ряда лекарственных веществ
пероксидом водорода в присутствии ионов железа (II).
Определены оптимальные соотношения концентраций
окислительных реагентов. Рассчитаны начальные скорости
процессов и степени деструкции веществ. Выделены группы
легко- и трудноокисляемых лекарств.
Введение
В
последнее время наблюдается существенный
рост содержания различных
лекарственных веществ в сточных
водах. Многие фармацевтические вещества
не подвергаются метаболизму в организме
человека и, покидая его, находятся в биологически
активной форме, практически не
теряя своих свойств. В результате крупномасштабного
фармацевтического производства
органические фрагменты лекарственных
веществ сбрасываются в сточные воды в
качестве отходов. Неиспользуемые лекарства
с истекшим сроком годности не утилизируются,
а выбрасываются на свалки, где под
воздействием естественных факторов попадают
в природные воды, влияя на живые
организмы, среду их обитания и на экосистему
в целом. Фармацевтические препараты
становятся распространенными загрязнителями
[1, 2].
Несмотря на то, что в литературе в настоящее
время описывается множество способов
деструкции органических соединенийзагрязнителей,
пока еще нет универсального,
эффективного применительно к веществам
любого строения, метода их окислительного
разложения и, соответственно, способа обезвреживания
загрязнителей в природных
объектах [3-5].
Окислительно-деструктивные процессы с
участием высокоактивных радикальных частиц
рассматривают как перспективное
направление детоксикации устойчивых органических
загрязнителей, что дает возможность
создания технологий очистки воды, в
том числе и от лекарственных препаратов.
Пероксид водорода занимает особое место
среди современных окислителей. Он являетÌ.Í.
Немченко*,
аспирант биологохимического
факультета,
Белгородский
государственный
национальный
исследовательский
университет
(НИУ
БелГУ)
О.Е. Лебедева,
доктор химических
наук, профессор,
декан биологохимического
факультета,
Белгородский
государственный
национальный
исследовательский
университет
(НИУ
БелГУ)
ся одним из наиболее распространенных реагентов
при разработке так называемых
Передовых Окислительных Процессов.
Способам активации пероксида водорода
посвящены многочисленные исследования.
Однако до настоящего времени наиболее
эффективный способ повышения окислительной
способности пероксида водорода –
его радикальный распад в присутствии
ионов железа.
Радикально-цепной механизм, предложенный
Габером и Вейсом, позволяет понять все
основные особенности реакций разложения
H2О2 и образования в этих системах
радикалов·OH и НО2, участвующих в окислении
различных субстратов [6, 7].
Fe2+ + H2О2 → Fe3+ + ·OH + OH-,
Fe2+ + ·OH → Fe3+ + OH-,
·ОН + Н2О2 → НО2· + Н2О,
Fe3+ + О2·- → Fe2+ + О2,
Fe3+ + HO2· → Fe2+ + H+ + O2,
Fe2+ + HO2· → Fe3+ + HO2-.
В данной работе изучался процесс минерализации
действующего вещества в лекарственных
препаратах различного назначения
реактивом Фентона – смесью пероксида
водорода и двухзарядных ионов железа.
* Адрес для корреспонденции: nemchenko@bsu.edu.ru
30
М.Н. Немченко и др. // ВОДА: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ №6, июнь 2011 г. с. 30-34
Стр.1
Ранее было показано, что данный подход
применим для окислительной деструкции
загрязнителей различных классов [8, 9].
Целью настоящего исследования являлась
проверка применимости подхода для инактивации
фармацевтических средств различного
строения.
Материалы и методы исследования
В
работе изучались окислительно-деструктивные
превращения 12 ле карств
(табл. 1). Окисление всех лекарственных
веществ осуществляли в водных растворах
с концентрацией действующего вещества
0,25 ммоль/л. Далее будем называть изученные
субстраты по названиям соответствующих
лекарств, принимая во внимание, что
речь идет только об изменении концентрации
действующего вещества. Превра ще ния, которые
могут претерпевать вспомогательные
вещества, в работе не рассматривались.
Во всех экспериментах изучали протекание
окисления лекарственных веществ при комнатной
температуре в водном растворе объемом
25 мл. В исследуемый раствор добавляли
рассчитанное количество раствора
пероксида водорода и сульфата железа (II).
Концентрация пероксида водорода варьировалась
от 4 до 16 ммоль/л, концентра -
ция ионов Fe2+ – в диапазоне 0,125–0,500
ммоль/л. Во всех экспериментах реакционную
смесь выдерживали длительное время
Таблица 1
Перечень исследованных лекарств
№ Название лекарства
1 Анальгин
2 Дибазол
3 Диклофенак
4 Димедрол
5 Карбамазепин
6 Левомицетин
7 Метилурацил
8 Но-шпа
9 Парацетамол
Химическое название действующего вещества
1-фенил-2,3-диметил-4-метиламинопиразолон
-5-N-метансульфонат натрия
2–фенилметилен–1Н бензимидазол
Брутто-формула
действующего вещества
С13Н16N3O4SNa
С14Н12N2
2–(2,6–дихлорфенил)амино бензолуксусная кислота С14Н11Cl2NO2
2–(дифенилметокси)–N,N–диметилэтанамин
5H-дибенз(b,f)азепин-5-карбоксамид
2,2-дихлор–2–гидрокси–1–гидроксиметилен–2–
(4 – нитрофенил)этилацетамид
1-(3,4–диэтоксифенилметилен)-6,7–диэтокси –1,2,3,4–
тетрагидроизохинолин
С17Н21NO
C15H12N2O
C11H12Cl2N2O5
2,4-диокси-6-метил-1,2,3,4-тетрагидро-пиримидин С5Н6N2O2
С24Н31NO4
С8Н9NO2
N-(4-гидроксифенил) ацетамид
10 Эффералган УПСА N-(4-гидроксифенил) ацетамид
11 Фурацилин
12 Фуросемид
С8Н9NO2
2-(5–нитро–2-фуранилметилен)гидразин карбоксамид C6H6N4O4
5-аминосульфонил-4-хлор-2-(2-фуранилметил) аминобензойная
кислота
С12H11ClN2O5S
Ключевые слова:
окисление,
пероксид водорода,
фармацевтические
компоненты,
реактив Фентона
(6-8 сут.), чтобы исключить влияние случайных
факторов.
Оптические спектры растворов лекарственных
веществ и реакционных смесей регистрировали
на приборе SPEСORD-50 в диапазоне
волн от 190 до 450 нм с шагом 1 нм. За
снижением концентрации реагентов следили
по изменению оптического поглощения растворов
при длине волны, соответствующей
для каждого соединения максимуму поглощения.
Концентрацию реагентов определяли
по калибровочным графикам в их линейной
области.
Исходное значение рН является одним из
определяющих параметров при оптимизации
процессов в системе Н2О2–Fe2+-субстрат.
Согласно [10], окисление большинства органических
соединений под действием реагента
Фентона наиболее эффективно протекает
при исходных значениях рН 2,7-3,5. В связи
с этим начальное значение рН среды поддерживалось
в указанном диапазоне во всех
экспериментах.
Результаты и их обсуждение
Д
ля исследования были выбраны лекарственные
вещества из категории потенциальных
трудноразлагаемых загрязнителей
различ ного строения – структурными
элементами большинства из них служат ароматические
кольца, конденсированные ароматические
фрагменты либо гетероциклы.
Технологии промышленной и бытовой очистки вод 31
Стр.2
Поскольку окисление реактивом Фентона –
цепная реакция, установление простых стехиометрических
соотношений между окисляемым
субстратом и окислительными
реагентами в ней невозможно. Тем не менее,
известно, что на эффективность деструкции
влияют как концентрация пероксида водорода,
так и концентрация ионов железа, причем
неблагоприятное воздействие могут оказывать
и слишком низкие, и слишком высокие
концентрации компонентов реактива
Фентона. В связи с этим проводили варьирование
концентраций окислительных реагентов
– выполняли окислительную деструкцию
с различными концентрациями
перо ксида водорода при одинаковой концентрации
ионов железа, затем сохраняли концентрацию
пероксида водорода постоянной,
а содержание ионов железа меняли.
Примеры кинетических кривых для одного
из сочетаний концентраций окислительных
реагентов представлены на рис. 1. Из полученных
данных рассчитаны степени деструкции
лекарственных веществ для различных
соотношений концентраций пероксида водорода
и соли железа (табл. 2).
Можно видеть, что среди исследованных
препаратов выделяется группа лекарств с
высокой степенью деструкции, практически
не зависящей от концентрации окислительных
реагентов – фурацилин, левомицетин,
карбамазепин. К ним примыкают еще два
препарата с несколько меньшей, но все еще
значительной степенью превращения –
метилурацил и фуросемид. Все эти препараты
были отнесены нами к группе легкоокисРис.
1. Кинетические кривые разложения лекарственных веществ
при [Fe2+] = 0,25ммоль/л, [Н2О2] = 8,0 ммоль/л: 1 – анальгин,
2 – дибазол, 3 – диклофенак, 4 – димедрол, 5 – карбамазепин, 6 –
левомицетин, 7 – метилурацил, 8 – но-шпа, 9 – парацетамол,10 –
эффе рал ган УПСА, 11 – фура цилин, 12 – фуросемид.
ляемых. Степень деструкции остальных
субстратов в гораздо большей степени зависит
от концентрации окислительных реагентов;
добиться более глубокой деструкции
можно, повышая как концентрацию
пероксида водорода, так и ионов железа.
Однозначной зависимости между содержанием
в молекуле атомов углерода и необходимым
количеством окислителей не наблюдается
– в группу трудноокисляемых
лекарств вошел и парацетамол (С8), и ношпа
(С24).
На начальном этапе окислительной деструкции
изученные препараты различаются
наиболее значительно. Это хорошо заметно
на рисунке. По начальной скорости окисли32
М.Н.
Немченко и др. // ВОДА: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ №6, июнь 2011 г. с. 30-34
Стр.3