Метиленско сино и леукометиленско сино: еден редокс-пар, две бои

Студентка додава неколку капки сина боја во колба, ја завртува и гледа како бојата исчезнува. Ја протресува колбата и сината боја се враќа. Меѓу двете состојби ништо не е додадено или отстрането, освен електрони и контакт со воздух. Таа колба ја содржи целата тема на овој напис: метиленското сино и неговиот редуциран партнер, леукометиленското сино, кои преминуваат едно во друго како реверзибилен редокс-пар, при што бојата е показателот.

Практичната поента е на прво место. Промената на бојата тука не е спореден ефект. Таа е аналитичкиот сигнал. Секој што подготвува формулации со метиленско сино, титрира со него или го користи во наставата треба да може напамет да ја напише полуреакцијата, да ги наведе условите што ја насочуваат налево или надесно и да ги именува нечистотиите што го замаглуваат резултатот.

Парот во една равенка

Оксидираното метиленско сино е метилтионинскиот катјон: рамнински фенотиазински систем со сулфур и азот во централниот прстен и диметиламино-група на секој крај, кој се испорачува како хлоридна сол. PubChem го евидентира како метилтионин хлорид, C.I. Basic Blue 9. Во вода, мономерот апсорбира околу 664 nm, што ја дава сината боја што ја гледа окото.

Редуцираното леукометиленско сино (LMB) го има истиот скелет, но азотот во централниот прстен е протониран, а хромофорот е нарушен. При речиси неутрална pH-вредност е без полнеж и речиси безбојно, со занемарлива апсорбанца во видливото подрачје и силна ултравиолетова лента околу 258 nm (запис во PubChem за леукометиленско сино, CAS 613-11-6). Бројот на протони во полуреакцијата зависи од pH, бидејќи редуцираната форма се протонира во кисела средина (приближни pKa-вредности околу 4.5 и 5.8). Три режими го покриваат практичниот опсег:

MB(+) + 2 e(-) + H(+) <=> LMB, сино <=> безбојно (при речиси неутрална pH-вредност, 1 протон)

MB(+) + 2 e(-) + 2 H(+) <=> LMBH(+), сино <=> безбојно (умерено кисела средина, 2 протони)

MB(+) + 2 e(-) + 3 H(+) <=> двојно протониран леуко-вид (силно кисела средина, 3 протони)

Сите три записи го опишуваат истиот пар при различни состојби на протонирање, што литературата за редокс-однесувањето на тиазинските бои систематски го обработува. Зависноста од pH ја следи Нернстовата равенка за Ox + mH(+) + 2e(-) <=> Red, давајќи наклон од околу 29.6, 59.2 или 88.7 mV по pH-единица за m = 1, 2 или 3. Измерените наклони од околу 28, 58 и 87 mV по pH-единица го потврдуваат ова припишување, па наведен потенцијал без неговата pH-вредност е бесмислен.

Што му кажува равенката на формулаторот

Од стехиометријата произлегуваат три факти. Прво, два електрони по молекула значат дека во својата вкупна реакција метиленското сино е двоелектронски индикатор и медијатор, а не едноелектронски преносник. Второ, учествуваат протони, па формалниот потенцијал се менува со pH како што е опишано погоре. Трето, формалниот потенцијал при pH 7 е околу +0.011 V во однос на стандардната водородна електрода (околу +0.53 V при pH 0), што го сместува парот меѓу благите оксиданси: доволно силен да преземе електрони од добри донори како NAD(P)H или аскорбат, а доволно слаб да ги предаде на растворен кислород или на центри со железо(III). Токму таа средишна положба е причината зошто бојата циклично преминува меѓу двете форми наместо да остане во едната крајна состојба.

Концентрацијата додава уште една сложеност. Над приближно сто микромоларно во вода, во согласност со пријавена константа на дисоцијација мономер–димер од околу 170 до 250 uM при pH 7, оксидираниот катјон се реди во димери и поголеми агрегати со поместена апсорпциска лента околу 610 до 615 nm. Затоа спектар чиј пик изгледа поместен може да укажува на агрегација, а не на нечистотија. Прво разредете, па потоа проценете.

Услови што ја поттикнуваат секоја насока

Табелата подолу е референца за лабораториска работа. За редукција е потребен донор на електрони; за реоксидација е потребен акцептор на електрони, а воздухот обично е доволен.

Секој ред ја следи истата равенка. Се менува само движечката сила. Во таа смисла парот е реверзибилен: патот е ист, но се поминува во спротивни насоки под спротивни услови.

Објаснување на синото шише

Механизмот на оваа демонстрација заслужува јасно објаснување, бидејќи таа го прикажува парот во минијатура. Во алкален раствор на гликоза, базата ја поттикнува енолизацијата на гликозата, а добиениот енедиолат го редуцира метиленското сино во леукометиленско сино, па растворот во колбата станува безбоен. Со протресување се раствора кислород од гасниот простор над растворот, кислородот ја реоксидира леуко-формата и сината боја се враќа. При мирување, растворениот кислород се исцрпува во близина на површинската реакциска зона и гликозата повторно преовладува. Циклусот се повторува додека не се потроши гликозата, а секое протресување е видлив приказ на Нернстовата равенка: зголемете ја активноста на оксидансот и рамнотежата се поместува кон сината форма.

Радикалот во средината

Вкупната реакција пренесува два електрони, но елементарните чекори пренесуваат по еден. Меѓу синиот катјон и безбојната леуко-форма се наоѓа семихинонски радикален интермедиер, кој главно диспропорционира назад во двете форми од парот наместо да се акумулира. Неговиот едноелектронски потенцијал од околу минус 0.23 V при pH 7 е далеку под средишниот потенцијал на вкупната двоелектронска реакција, поради што радикалот останува вид со мала застапеност во стационарната состојба. Тој е важен од две причини. При осветлување, бојата достигнува возбудени состојби што отвораат радикални патишта, поради што растворите на метиленско сино се чувствителни на светлина и фотохемијата треба да биде дел од секој протокол за стабилност. А при висока концентрација, оксидираната форма димеризира, со што се менуваат спектарот и привидната кинетика, но не и основниот пар. Ниту еден од овие факти не ја нарушува реверзибилноста. Двата објаснуваат набљудувања што инаку изгледаат како иреверзибилност.

Деметилираните сродни соединенија ја поместуваат скалата

Отстранете ги метил-групите од двете диметиламино-групи и парот се задржува, но со изменети својства. Апсорпцискиот максимум со секоја деметилација монотоно се поместува кон синиот дел од спектарот: метиленско сино околу 664 nm, Azure B околу 654, Azure A околу 630, Azure C околу 615 и тионин околу 600 nm. Azure B, на кој му недостига една метил-група, е најблиското сродно соединение: главен метаболит на метиленското сино и документирана нечистотија во материјалот од метиленско сино. Azure A и Azure C ја продолжуваат серијата со истиот редокс-активен скелет. Тионинот, со целосно деметилирани двете амино-групи, се наоѓа на крајот, со формален потенцијал од околу +0.06 V при pH 7, наспроти +0.011 V за метиленското сино, и значително полесно се редуцира. Редокс-потенцијалите низ серијата зависат од средината и електродата, па споредувајте ги вредностите само во рамките на ист сет услови. Затоа профилирањето на нечистотиите е редокс-прашање, а не само ставка за проверка на чистотата. Неколку проценти Azure B значат неколку проценти од друг редокс-пар во шишето, а Azure B како нечистотија и метаболит документира како се контролира тој удел.

Каде се вклучува биологијата

Во црвената крвна клетка, NADPH го редуцира метиленското сино во леукометиленско сино, а леуко-формата ги предава електроните на хемското железо(III), враќајќи го железото во хемоглобинот во состојба на железо(II). Тој единствен пренос на електрони е хемиската основа за употребата на метиленското сино при стекната метхемоглобинемија. Сè што следува по тој пренос — енергетскиот метаболизам, митохондрискиот тек на електрони и секој биолошки исход — припаѓа во митохондрискиот транспорт на електрони и намерно е оставено таму.

Купете го парот, не само бојата

Редокс-бојата е добра само онолку колку што е добра нејзината спецификација. Високата чистота е важна бидејќи метиленското сино што не е според USP обично е со квалитет за текстилна употреба и содржи Azure B, тешки метали или резидуални растворувачи што ги поместуваат редокс-отчитувањата и ги замаглуваат крајните точки — нешта за кои ниту еден протокол за боење не проверува. Повеќето продавачи што тврдат усогласеност со USP ги тестираат само тешките метали и прогласуваат успех. Целосната усогласеност ги опфаќа идентитетот, определувањето на содржината, органските нечистотии, резидуалните растворувачи, елементните нечистотии, остатокот по жарење, микробиолошките граници и бактериските ендотоксини, а како да изберете метиленско сино со фармацевтски квалитет објаснува како да ја прочитате таа документација. Blupreme соработува со фармацевтски производител на метиленско сино, ја тестира целосната спецификација на USP и го објавува целосниот сертификат за анализа (COA). Кога бојата е мерењето, таа документација е дел од инструментот.