Metüleensinine ja leukometüleensinine: üks redokspaar, kaks värvust

Üliõpilane lisab kolbi mõne tilga sinist värvainet, keerutab kolbi ja jälgib värvuse kadumist. Ta raputab kolbi ning sinine värvus taastub. Kahe oleku vahel ei lisatud ega eemaldatud midagi peale elektronide ja kokkupuute õhuga. Selles kolvis peitub kogu artikli teema: metüleensinine ja selle redutseeritud paariline leukometüleensinine, mis muunduvad teineteiseks pöörduva redokspaarina, mille olekut näitab värvus.

Kõigepealt praktiline järeldus. Värvimuutus ei ole siin kõrvalnähtus. See on analüütiline signaal. Igaüks, kes töötab välja metüleensinist sisaldavaid koostisi, kasutab seda tiitrimisel või õpetamisel, peaks suutma poolreaktsiooni peast kirja panna, nimetada tasakaalu vasakule või paremale nihutavad tingimused ning tulemusi hägustavad lisandid.

Redokspaar ühes võrrandis

Oksüdeeritud metüleensinine on metüültioniiniumkatioon: tasapinnaline fenotiasiiniumsüsteem, mille keskmises ringis on väävel ja lämmastik ning kummaski otsas dimetüülaminorühm; seda tarnitakse kloriidsoolana. PubChemis on see registreeritud metüültioniiniumkloriidina, C.I. Basic Blue 9. Vees neelab monomeer valgust ligikaudu 664 nm juures, mis annab silmaga nähtava sinise värvuse.

Redutseeritud leukometüleensinisel (LMB) on sama molekuliskelett, kuid keskmise ringi lämmastik on protoneeritud ja kromofoori terviklikkus katkenud. Neutraalse pH lähedal on see laenguta ja peaaegu värvitu, nähtavas piirkonnas on neeldumine tühine ning ultraviolettpiirkonnas on tugev neeldumisriba ligikaudu 258 nm juures (PubChemi kirje leukometüleensinise kohta, CAS 613-11-6). Poolreaktsiooni prootonite arv sõltub pH-st, sest redutseeritud vorm protoneerub happelises keskkonnas (ligikaudsed pKa väärtused on 4.5 ja 5.8). Praktilise vahemiku katavad kolm režiimi:

MB(+) + 2 e(-) + H(+) <=> LMB, sinine <=> värvitu (neutraalse pH lähedal, 1 prooton)

MB(+) + 2 e(-) + 2 H(+) <=> LMBH(+), sinine <=> värvitu (mõõdukalt happeline, 2 prootonit)

MB(+) + 2 e(-) + 3 H(+) <=> kahekordselt protoneeritud leukoühend (tugevalt happeline, 3 prootonit)

Kõik kolm esitusviisi kirjeldavad sama redokspaari eri protoneerimisolekutes; seda käsitleb süstemaatiliselt tiasiinvärvainete redokskäitumist puudutav kirjandus. pH-sõltuvus tuleneb Nernsti võrrandist reaktsioonile Ox + mH(+) + 2e(-) <=> Red, mille järgi on tõus ligikaudu 29.6, 59.2 või 88.7 mV pH-ühiku kohta, kui m = 1, 2 või 3. Mõõdetud tõusud ligikaudu 28, 58 ja 87 mV pH-ühiku kohta kinnitavad seda jaotust, seega on ilma pH-ta esitatud potentsiaal sisutu.

Mida võrrand ütleb koostise väljatöötajale

Stöhhiomeetriast tuleneb kolm asjaolu. Esiteks tähendab kaks elektroni molekuli kohta, et metüleensinine on summaarses reaktsioonis kaheelektroniline indikaator ja vahendaja, mitte ühe elektroni ülekandja. Teiseks osalevad reaktsioonis prootonid, mistõttu formaalpotentsiaal muutub koos pH-ga eespool kirjeldatud viisil. Kolmandaks on formaalpotentsiaal pH 7 juures standardvesinikelektroodi suhtes ligikaudu +0.011 V (pH 0 juures ligikaudu +0.53 V), mis paigutab redokspaari nõrkade oksüdeerijate hulka: piisavalt tugev, et võtta elektrone headelt doonoritelt, nagu NAD(P)H või askorbaat, ning piisavalt nõrk, et anda need edasi lahustunud hapnikule või kolmevalentse rauaga tsentritele. Just see vahepealne asend võimaldab värvainel tsükliliselt muunduda, mitte jääda ühte olekusse pidama.

Kontsentratsioon lisab veel ühe nüansi. Kui kontsentratsioon vees ületab ligikaudu saja mikromolaari piiri, moodustab oksüdeeritud katioon virnastudes dimeere ja suuremaid agregaate, mille neeldumisriba on nihkunud ligikaudu 610 kuni 615 nm juurde. See on kooskõlas monomeeri-dimeeri tasakaalu teatatud dissotsiatsioonikonstandiga ligikaudu 170 kuni 250 uM pH 7 juures. Oodatust erineva maksimumiga spekter võib seega viidata agregatsioonile, mitte lisandile. Kõigepealt lahjendage, seejärel hinnake.

Tingimused, mis suunavad reaktsiooni kummalegi poole

Allolev tabel on laboritöö abimaterjal. Redutseerimine vajab elektronidoonorit; taasoksüdeerimine vajab elektroniaktseptorit ning tavaliselt piisab õhust.

Kõik tabeli read järgivad sama võrrandit. Muutub ainult reaktsiooni liikumapanev jõud. Selles mõttes on redokspaar pöörduv: reaktsioonirada on sama, kuid vastupidistes tingimustes läbitakse seda vastassuundades.

Sinise pudeli katse selgitus

Selle demonstratsiooni mehhanism väärib selget kirjeldust, sest see näitab redokspaari toimimist väikeses mastaabis. Leeliselises glükoosilahuses soodustab alus glükoosi enoliseerumist ning tekkiv enedioolaat redutseerib metüleensinise leukometüleensiniseks, mistõttu kolvi sisu muutub värvituks. Raputamisel lahustub vedeliku kohal olevast gaasiruumist hapnik, mis taasoksüdeerib leukovormi, ning sinine värvus taastub. Paigal seistes ammendub lahustunud hapnik pinnalähedases reaktsioonitsoonis ning glükoosi mõju jääb taas peale. Tsükkel kordub kuni glükoosi äratarbimiseni ning iga raputus teeb Nernsti võrrandi nähtavaks: oksüdeerija aktiivsuse suurendamisel nihkub tasakaal sinise vormi suunas.

Vahepealne radikaal

Summaarses reaktsioonis liigub kaks elektroni, kuid elementaaretappides liiguvad need ühekaupa. Sinise katiooni ja värvitu leukovormi vahel tekib semikinoonradikaalne vaheühend, mis enamasti disproportsioneerub tagasi redokspaari mõlemaks liikmeks, mitte ei kogune. Selle üheelektroniline potentsiaal pH 7 juures, ligikaudu miinus 0.23 V, jääb summaarse kaheelektronilise reaktsiooni keskpunktipotentsiaalist palju madalamale, mistõttu püsib radikaal statsionaarses olekus väikese osakaaluga liigina. See on oluline kahel põhjusel. Valgustamisel jõuab värvaine ergastatud olekutesse, mis avavad radikaalsed reaktsioonirajad; seetõttu on metüleensinise lahused valgusetundlikud ja fotokeemia peab kuuluma igasse stabiilsuse hindamise protokolli. Suurel kontsentratsioonil oksüdeeritud vorm dimeriseerub, mis muudab spektrit ja näivat kineetikat, kuid mitte redokspaari ennast. Kumbki asjaolu ei muuda reaktsiooni pöördumatuks. Mõlemad selgitavad tähelepanekuid, mis muidu võiksid paista pöördumatusena.

Demetüülitud sugulasühendid nihutavad skaalat

Kui eemaldada kahelt dimetüülaminorühmalt metüülrühmi, säilib redokspaar, kuid selle omadused muutuvad. Iga demetüülimisega nihkub neeldumismaksimum monotoonselt sinise spektriosa poole: metüleensinisel ligikaudu 664 nm, Azure B-l ligikaudu 654, Azure A-l ligikaudu 630, Azure C-l ligikaudu 615 ja tioniinil ligikaudu 600 nm. Azure B, millel puudub üks metüülrühm, on lähim sugulasühend: metüleensinise peamine metaboliit ja dokumenteeritud lisand metüleensinises. Azure A ja Azure C jätkavad sama redoksaktiivse molekuliskeletiga sarja. Tioniin, mille mõlemad aminorühmad on täielikult demetüülitud, paikneb sarja lõpus formaalpotentsiaaliga ligikaudu +0.06 V pH 7 juures, võrreldes metüleensinise väärtusega +0.011 V, ning redutseerub märgatavalt kergemini. Sarja redokspotentsiaalid sõltuvad keskkonnast ja elektroodist, seega tuleb väärtusi võrrelda ainult samades tingimustes. Seetõttu on lisandiprofiili määramine redokskeemia küsimus, mitte lihtsalt puhtuse kontrollpunkt. Mõni protsent Azure B-d tähendab pudelis mõneprotsendilist teise redokspaari osakaalu ning Azure B käsitlus lisandi ja metaboliidina kirjeldab, kuidas seda osakaalu kontrollitakse.

Kus bioloogia seostub

Erütrotsüüdis redutseerib NADPH metüleensinise leukometüleensiniseks ning leukovorm annab elektronid edasi heemi kolmevalentsele rauale, taastades hemoglobiini raua kahevalentse oleku. See üks elektronide ülekandeahel on metüleensinise kasutamise keemiline alus omandatud methemoglobineemia korral. Kõik selle ülekandeahela järgsed protsessid — energiaainevahetus, mitokondriaalne elektronide liikumine ja mis tahes bioloogiline tulemus — kuuluvad mitokondriaalse elektrontranspordi käsitlusse ning jäetakse sihilikult sinna.

Ostke redokspaari, mitte ainult värvust

Redoksvärvaine kvaliteedi määrab selle spetsifikatsioon. Kõrge puhtus on oluline, sest USP nõuetele mittevastav metüleensinine on tavaliselt tekstiilitööstuse kvaliteediklassist ning sisaldab Azure B-d, raskmetalle või lahustijääke, mis nihutavad redoksnäite ja hägustavad lõpp-punkte; ükski värvimisprotokoll neid ei kontrolli. Enamik müüjaid, kes väidavad vastavust USP nõuetele, kontrollib ainult raskmetalle ja peab seda piisavaks. Täielik vastavus hõlmab identsust, toimeaine sisaldust, orgaanilisi lisandeid, lahustijääke, elementlisandeid, kuumutusjääki, mikroobide piirnorme ja bakteriaalseid endotoksiine ning ravimikvaliteediga metüleensinise valimise juhend selgitab, kuidas neid dokumente lugeda. Blupreme teeb koostööd metüleensinise ravimitootjaga, kontrollib kogu USP spetsifikatsiooni ja avaldab täieliku analüüsisertifikaadi (COA). Kui mõõdetav suurus on värvus, on see dokumentatsioon osa mõõteriistast.