Metilensko plavo i leukometilensko plavo: jedan redoks par, dve boje

Studentkinja dodaje nekoliko kapi plave boje u tikvicu, kružnim pokretima meša sadržaj i posmatra kako boja nestaje. Protrese tikvicu i plava boja se vraća. Između ta dva stanja ništa nije dodato niti uklonjeno, osim elektrona i kontakta sa vazduhom. Ta tikvica obuhvata celu temu ovog članka: metilensko plavo i njegov redukovani partner, leukometilensko plavo, koji se međusobno pretvaraju u reverzibilnom redoks paru u kome je boja pokazatelj stanja.

Praktična poruka dolazi prva. Promena boje ovde nije sporedni efekat. Ona je analitički signal. Svako ko izrađuje formulacije sa metilenskim plavim, koristi ga u titracijama ili u nastavi treba da ume da napiše polureakciju napamet, navede uslove koji je usmeravaju ulevo ili udesno i imenuje nečistoće koje zamagljuju rezultat.

Par u jednoj jednačini

Oksidovano metilensko plavo je metiltioninijum katjon: planarni fenotiazinijumski sistem sa sumporom i azotom u centralnom prstenu i dimetilamino grupom na svakom kraju, koji se isporučuje kao hloridna so. PubChem ga navodi kao metiltioninijum-hlorid, C.I. Basic Blue 9. U vodi monomer apsorbuje oko 664 nm, što odgovara plavoj boji koju oko vidi.

Redukovano leukometilensko plavo (LMB) ima isti skelet, ali je azot centralnog prstena protonovan, a hromoforni sistem prekinut. Pri približno neutralnom pH nema naelektrisanje i gotovo je bezbojno, sa zanemarljivom apsorbancijom u vidljivom delu spektra i snažnom ultraljubičastom trakom oko 258 nm (PubChem unos za leukometilensko plavo, CAS 613-11-6). Broj protona u polureakciji zavisi od pH, jer se redukovani oblik protonuje u kiseloj sredini (približne vrednosti pKa oko 4.5 i 5.8). Tri režima pokrivaju praktični opseg:

MB(+) + 2 e(-) + H(+) <=> LMB, plavo <=> bezbojno (pri približno neutralnom pH, 1 proton)

MB(+) + 2 e(-) + 2 H(+) <=> LMBH(+), plavo <=> bezbojno (umereno kiselo, 2 protona)

MB(+) + 2 e(-) + 3 H(+) <=> dvostruko protonovana leuko vrsta (jako kiselo, 3 protona)

Sva tri zapisa opisuju isti par u različitim stanjima protonovanja, što literatura o redoks ponašanju tiazinskih boja sistematski obrađuje. Zavisnost od pH prati Nernstovu jednačinu za Ox + mH(+) + 2e(-) <=> Red, dajući nagib od oko 29.6, 59.2 ili 88.7 mV po jedinici pH za m = 1, 2 ili 3. Izmereni nagibi blizu 28, 58 i 87 mV po jedinici pH potvrđuju ovu pripadnost, pa navedeni potencijal bez odgovarajuće pH vrednosti nema smisla.

Šta jednačina govori stručnjaku za formulacije

Iz stehiometrije proizlaze tri činjenice. Prvo, dva elektrona po molekulu znače da je metilensko plavo u svojoj ukupnoj reakciji dvoelektronski indikator i medijator, a ne jednoelektronski prenosilac. Drugo, protoni učestvuju u reakciji, pa se formalni potencijal menja sa pH, kao što je opisano iznad. Treće, formalni potencijal pri pH 7 iznosi oko +0.011 V u odnosu na standardnu vodoničnu elektrodu (oko +0.53 V pri pH 0), što ovaj par svrstava među blage oksidanse: dovoljno je snažan da preuzme elektrone od dobrih donora poput NAD(P)H ili askorbata, a dovoljno slab da ih preda rastvorenom kiseoniku ili centrima sa gvožđem(III). Upravo taj srednji položaj omogućava boji da prolazi kroz cikluse umesto da ostane u jednom krajnjem stanju.

Koncentracija donosi još jednu složenost. Iznad približno sto mikromolara u vodi, u skladu sa objavljenom konstantom disocijacije dimera na monomere od oko 170 do 250 uM pri pH 7, oksidovani katjoni se slažu u dimere i više agregate, sa pomerenom apsorpcionom trakom oko 610 do 615 nm. Spektar čiji maksimum deluje pomeren zato može ukazivati na agregaciju, a ne na nečistoću. Prvo razblažite, pa procenite.

Uslovi koji usmeravaju reakciju u oba smera

Tabela ispod služi kao referenca za laboratorijski rad. Za redukciju je potreban donor elektrona; za ponovnu oksidaciju potreban je akceptor elektrona, a vazduh je obično dovoljan.

Svaki red prati istu jednačinu. Menja se samo pokretačka sila. U tom smislu par je reverzibilan: put je isti, ali se prelazi u suprotnim smerovima pod suprotnim uslovima.

Objašnjenje plave boce

Mehanizam ove demonstracije zaslužuje jasno objašnjenje jer predstavlja ovaj par u malom. U alkalnom rastvoru glukoze baza podstiče enolizaciju glukoze, a nastali enediolat redukuje metilensko plavo u leukometilensko plavo, pa sadržaj tikvice postaje bezbojan. Protresanjem se rastvara kiseonik iz gasnog prostora iznad rastvora, kiseonik ponovo oksiduje leuko oblik i plava boja se vraća. Pri mirovanju se rastvoreni kiseonik iscrpljuje u blizini površinske reakcione zone i glukoza ponovo prevladava. Ciklus se ponavlja dok se glukoza ne potroši, a svako protresanje vidljivo prikazuje Nernstovu jednačinu: povećajte aktivnost oksidansa i ravnoteža se pomera ka plavoj boji.

Radikal između dva oblika

Ukupna reakcija prenosi dva elektrona, ali elementarni koraci prenose po jedan. Između plavog katjona i bezbojnog leuko oblika nalazi se semihinonski radikalski intermedijer, koji uglavnom disproporcioniše nazad u ta dva oblika umesto da se akumulira. Njegov jednoelektronski potencijal od oko minus 0.23 V pri pH 7 nalazi se znatno ispod srednjeg potencijala ukupne dvoelektronske reakcije, zbog čega radikal ostaje slabo zastupljena vrsta u stacionarnom stanju. Važan je iz dva razloga. Pod osvetljenjem boja dostiže pobuđena stanja koja otvaraju radikalske puteve, što objašnjava zašto su rastvori metilenskog plavog osetljivi na svetlost i zašto fotohemija pripada svakom protokolu za ispitivanje stabilnosti. Takođe, pri visokoj koncentraciji oksidovani oblik dimerizuje, što menja spektar i prividnu kinetiku, ali ne menja sam redoks par. Nijedna od ove dve činjenice ne narušava reverzibilnost. Obe objašnjavaju zapažanja koja bi inače delovala kao ireverzibilnost.

Demetilovani srodnici pomeraju skalu

Uklonite metil grupe sa dve dimetilamino grupe i par opstaje, ali sa izmenjenim svojstvima. Apsorpcioni maksimum se sa svakom demetilacijom postepeno pomera ka kraćim talasnim dužinama: metilensko plavo oko 664 nm, Azure B oko 654, azur A oko 630, azur C oko 615 i tionin oko 600 nm. Azure B, kome nedostaje jedna metil grupa, najbliži je srodnik: glavni metabolit metilenskog plavog i dokumentovana nečistoća u materijalu metilenskog plavog. Azur A i azur C nastavljaju niz sa istim redoks-aktivnim skeletom. Tionin, sa obe potpuno demetilovane amino grupe, nalazi se na kraju niza sa formalnim potencijalom od oko +0.06 V pri pH 7, u poređenju sa +0.011 V za metilensko plavo, pa se primetno lakše redukuje. Redoks potencijali u ovom nizu zavise od sredine i elektrode, zato vrednosti upoređujte samo unutar istog skupa uslova. Zbog toga je profilisanje nečistoća pitanje redoks ponašanja, a ne samo stavka na listi provere čistoće. Nekoliko procenata Azure B znači nekoliko procenata drugačijeg redoks para u boci, a članak Azure B kao nečistoća i metabolit dokumentuje kako se taj udeo kontroliše.

Gde se uključuje biologija

Unutar crvenog krvnog zrnca NADPH redukuje metilensko plavo u leukometilensko plavo, a leuko oblik prenosi elektrone na gvožđe(III) u hemu, vraćajući gvožđe hemoglobina u stanje gvožđa(II). Taj pojedinačni prenos elektrona hemijska je osnova upotrebe metilenskog plavog kod stečene methemoglobinemije. Sve što sledi nakon tog prenosa, energetski metabolizam, tok elektrona u mitohondrijama i bilo koji biološki ishod, pripada temi mitohondrijskog transporta elektrona i namerno je ostavljeno tamo.

Kupujte par, ne samo boju

Redoks boja dobra je samo onoliko koliko je dobra njena specifikacija. Visoka čistoća je važna jer je metilensko plavo koje ne odgovara USP standardu obično tekstilnog kvaliteta i sadrži Azure B, teške metale ili rezidualne rastvarače koji pomeraju redoks očitavanja i zamagljuju završne tačke, a koje nijedan protokol bojenja ne proverava. Većina prodavaca koji tvrde da je proizvod usaglašen sa USP standardom ispituje samo teške metale i time smatra posao završenim. Potpuna usaglašenost obuhvata identitet, određivanje sadržaja, organske nečistoće, rezidualne rastvarače, elementarne nečistoće, ostatak nakon žarenja, mikrobiološke granice i bakterijske endotoksine, a članak kako odabrati metilensko plavo farmaceutskog kvaliteta objašnjava kako se ta dokumentacija čita. Blupreme sarađuje sa farmaceutskim proizvođačem metilenskog plavog, ispituje sve zahteve USP specifikacije i objavljuje kompletan sertifikat analize (COA). Kada je boja merna veličina, ta dokumentacija je deo instrumenta.