Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроокисление глицина и -аланина на платине

Введенский Александр Викторович, Карташова Татьяна Викторовна, Бобринская Елена Валерьевна

Кафедра физической химии. Воронежский государственный университет.

Университетская пл., 1. г. Воронеж, 394006. Россия. Тел.: (0732) 208-546. E-mail: alvved@chem.vsu.ru

Аннотация

Методами циклической линейной вольтамперометрии, кулонометрии и модулированной по потенциалу in situ отражательной ИК-спектроскопии исследованы процессы анодного окисления анионов глицина и альфа-аланина на платине. Определены области потенциалов электрохимического превращения аминокислот. Показано, что окисление как Gly-, так и -Ala- является “мягким” и идет с отщеплением четырех электронов, при этом выход по току близок к 100%. Основными продуктами анодного окисления анионов аминокислот являются НСОО-, СО2, NH3, возникают также CO, CN-, и частицы типа СНх (х = 1; 2 или 3). Установлено, что анодное окисление глицина и -аланина осуществляется из адсорбированного состояния, а лимитирующей является первая одноэлектронная стадия ионизации.

Ключевые слова: глицин, -аланин, электроокисление, вольтамперометрия, ИК спектроскопия.

окисление глицин аланин платина

Введение

Кинетика и механизм взаимодействия белков с электродной поверхностью - один из наиболее важных вопросов биоэлектрокатализа [1]. Поскольку белок представляет сложно-организованную полипептидную цепь, построенную из аминокислот, то на первом этапе необходимо исследовать электрохимическое поведение самих аминокислот, в первую очередь простейших. Результаты таких исследований достаточно противоречивы. Так, аминоуксусная (глицин), аминопропионовая (альфа-аланин) и ряд других аминокислот признаны электрохимии-чески устойчивыми на электродах из Pt и Au [2, 3]. Напротив, в [4] установлена достаточно высокая электрохимическая активность глицина на платине в водной щелочной среде, где он преимущественно присутствует в форме Gly- [5] и предложена схема его электроокисления в “мягком” режиме:

Pt + Gly- Pt-Gly-(адс) (1)

Pt-Gly-(адс) Pt-NH2СН2(адс) + CO2 + e- (2)

Pt-NH2СН2(адс) + 4OH- Pt + NH3 + HCOO- + 2H2O + 3e- (3)

Предполагается, что электроокисление аниона глицина осуществляется из адсорбированного состояния и идет с участием четырех электронов; природа лимитирующей стадии не была надежно выяснена. Данные об анодном поведении на Pt в щелочном растворе б-аланина (в форме -Ala- [5]), являющегося ближайшим гомологом глицина вообще отсутствуют. Резонно предположить, что схема его электрохимического превращения должна быть схожей.

Ранее нами установлено [6-8], что анионы Gly- и б-Ala- адсорбируются на поверхности Pt-электрода в достаточно широком интервале потенциалов двойнослойной области. При этом их адсорбция не сопровождается диссоциацией с отщеплением Н [9], а равновесное заполнение поверхности в равной мере может быть описано изотермами Темкина и Фрумкина. Результаты предварительных кинетических исследований подтвердили анодную деструкцию Gly- и б-Ala- на платине, однако при гораздо более положительных потенциалах. Соответственно возникает вопрос, действительно ли окисление Gly- (а также, вероятно, и б-Ala-) осуществляется из адсорбированного состояния, как то предполагается в [4], и какую роль при этом играет возможная адсорбция продуктов анодной реакции, природа которых нуждается в уточнении.

Задача исследования: установить кинетическую схему и природу лимитирующей стадии процесса анодного окисления анионов простейших аминокарбоновых кислот на платине.

Методика эксперимента

Основные измерения проведены при комнатной температуре в атмосфере х.ч. аргона методами линейной вольтамперометрии (ЛВА) (компьютеризированный комплекс IPC-Compact) и кулонометрии (кулонометр ИПТ-1), а также модулированной по потенциалу отражательной in situ ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием (FTIR спектрометр «Vertex-70»). В последнем случае использована тонкослойная спектроэлектрохимическая ячейка с оптическим окном из CaF2, угол падения луча 20o. В отдельных опытах по вольтамперометрии и кулонометрии рабочим электродом служила Pt(Pt) сетка, остальные исследования выполнены на гладком стационарном и вращающемся дисковом Pt-электродах. Стеклянная ячейка, используемая в стационарных i,E - измерениях, при необходимости позволяла осуществлять слив рабочего раствора с его заменой на фоновый (0.1 М NaOH) без контакта с атмосферой. Это обеспечивало возможность изучения кинетики электроокисления непосредственно из адсорбированного слоя на Pt(Pt); соответствующие опыты выполнены только с Gly-.

Исходную степень заполнения поверхности платинированной платины ИGly - варьировали в достаточно широких пределах, меняя время адсорбционного накопления фадс при фиксированном потенциале адсорбции Еадс = 0.04 В, расположенном в двойнослойной области и отвечающем макси-муму ИGly-,Е - зависимости Детали экспериментов по изучению кинетики адсорбционного накопления на Pt(Pt)-электроде изложены в [6-8]..

Хлоридсеребряный электрод сравнения отделялся от рабочего пространства ячейки капилляром Луггина. Вспомогательный электрод - платиновая проволока. Все потенциалы в работе приведены относительно ст.в.э.

Перед измерениями рабочий электрод подвергали анодно-катодной активации в фоновом растворе при потенциалах E = 0.8 и -1.0 В соответственно. Плотности тока рассчитаны на истинную площадь поверхности соответствующего рабочего электрода, определенную по заряду десорбции атомарного водорода [10]. Результаты вольтамперометрических измерений корректировали на ток заряжения ДЭС idl = Cdlv, где v - скорость сканирования потенциала. Значение Cdl определяли по данным электрохимической импедансной спектроскопии (FRA-1); средняя величина емкости составляет 30 мкФ/см2.

Растворы аминокислот (5.010-31.510-1 моль/дм3) готовили растворением навески глицина или -аланина (препараты “Merck”) в фоновом растворе гидроксида натрия на бидистилляте. Концентра-цию аминокислот до и после электроокисления определяли фотоколориметрически по методике [11].

Результаты и их обсуждение

Циклические вольтамперограммы, полученные на Pt(Pt)-электроде в фоновом растворе и в присутствии глицина и альфа-аланина, существенно разняться (рис. 1). Введение добавки глицина приводит к заметному росту тока на анодной ветви циклограммы и появлению максимума при Е = 0.55 В, обусловленного окислением аминокислоты (рис. 1). Анодное поведение альфа-аланина отличается, прежде всего, тем, что на анодной ветви фиксируются уже два максимума тока: при E = -0.09 B и 0.44 B; второй более выражен. Наблюдаемое на кривых обратного хода уменьшение высоты пика десорбции кислорода связано, по всей видимости, с адсорбцией аминокислот и (или) продуктов их окисления на электроде. В целом токи окисления для аниона глицина выше, чем для -аланина, взятого в той же концентрации, а эффект адсорбционного вытеснения кислорода выражен сильнее. На сугубо качественном уровне эти результаты объяснимы, если принять, что наличие разветвления в боковой цепи -аланина приводит к снижению его адсорбируемости, а оба аниона окисляются именно из адсорбированного состояния.

Рис. 1. Циклические волтамперограммы, полученные при v = 0.002 B/c на Pt(Pt)-электроде в 0.1 M NaOH (1) и с добавками 0.03 M -аланина (2) и 0.03 M глицина. а - участок анодной вольтамперограммы, полученной при v = 0.01 B/c в ходе окисления Gly (0/05 M) из адсорбированного состояния на Pt(Pt).

Аналогичные, в целом, закономерности изменения формы циклических вольтамперо-грамм типичны и для электрода из гладкой платины, на котором проведено более детальное изучение кинетики электроокисления анионов обоих аминокислот методом ЛВА.

В [12], применительно к условиям данного метода, осуществлен теоретический анализ одноэлектронного анодного Red,Ox - процесса, осложненного преимущественной недиссоциативной адсорбцией Red- или Ox-формы и не являющегося диффузионно-лимитируемым. Показано, что при кинетически необратимой стадии ионизации основные параметры вольтамперограммы связаны критериальными соотношениями: ; dEm/dlgv = 0.118 В и Коэффициент переноса заряда в здесь принимается равным Ѕ., где - плотность фарадеевского тока реакции в пике iF,Е - зависимости, расположенном при Еm, а v - скорость сканирования потенциала. Принципиально, что данные соотношения выполняются при любом, обычно apriori неизвестном типе адсорбционной изотермы. Природа адсорбата может быть установлена по характеру концентрационной зависимости пикового тока: в случае доминирующей адсорбции Red 0, тогда как при доминирующей адсорбции Ох этот параметр должен быть равен нулю. При квазиравновесном течении анодной Red,Ox - реакции dEm/dlgv = 0.059 В, , а влияние СRed на будет отсутствовать.

Обсудим условия применимости найденных в [12] диагностических критериев, учитывая, что в качестве Red-формы выступают анионы аминокислот. Их адсорбция на платине, как отмечалось выше, является недиссоциативной, а значение плотности тока в пике анодной кривой и его положение не зависят от скорости вращения Pt-ВДЭ (рис. 2). Последний результат, к тому же полученный в широком интервале скоростей сканирования потенциала, принципиально важен. Он означает, что само появление максимума тока на i,E(t)-зависимости не связано с жидкофазной диффузией реагентов или продуктов, а отражает особенности их адсорбционного накопления на электроде в полном соответствии с моделью процесса электроокисления, рассматриваемой в [12].

Рис. 2. Зависимость максимума тока электроокисления в растворе, содержащем Gly и -Ala от числа оборотов Pt-ВДЭ; v = 0/08 B/c.

По величине заряда, пропущенного через систему при постоянном потенциале и данных об исходном и конечном содержании аминокислоты в среде, рассчитан выход по току процесса электроокисления. Оказалось, что как в опытах с глицином при Е = 0.55 В, так и -аланином при Е=0.44 В, выход по току весьма близок к 100%, что позволяет отождествить измеряемый ток с iF, игнорируя побочные электродные процессы. Однако данный результат справедлив только при реализации “мягкого” режима окисления, протекающего, как и пред-полагалось в [4], с участием четырех электронов и сопровождаемого образованием СО2, NH3 и HCOO-. Наличие аммиака в щелочных растворах (естественно в форме катиона аммония) после завершения процесса окисления глицина зафиксировано нами путем качественной реакции с реактивом Несслера по методике [13]. Для уточнения природы иных продуктов электроокисления глицина и -аланина в щелочной среде были получены in-situ ИК спектры отражения на гладком, отполированном Pt-электроде в широкой области потенциалов (рис. 3); в опытах с -аланином ИК спектры в целом аналогичны.

До тех пор, пока потенциал электрода не достигает 0.25 В, отвечающему началу электроокисления глицина или 0.09В - в случае -аланина, в ИК спектрах фиксируются полосы поглощения воды (1650 и 3300 см-1), депротонированной карбоксильной группы (1370 см-1), а также полосы, характеристические для аминокислот (1480, 1520 и 1740 см-1) и СО2 (2360 см-1). Показательно, что относительные интенсивности перечисленных выше линий практически не зависят от потенциала электрода, а сами ИК спектры полностью идентичны со спектром, снятом при потенциале разомкнутой цепи Е(0). Когда значение Е достигает и превышает указанный выше уровень начала анодной деструкции аниона аминокислоты, в спектрах возникают новые линии, скорее всего связанные с образующимися в ходе электроокисления продуктами: формиат-ионами (1690 см-1), а также адсорбированными CN- (2150 см-1) и СО (1830 см-1). Подчеркнем, что относительная интенсивность этих линий теперь уже заметно увеличивается с ростом потенциала рабочего электрода, хотя и в разной степени (рис. 4); во всех случаях такие изменения вполне значимы. В то же время интенсивность линий, характеристичных для Gly-, Ala-, H2O и СО2 меняется крайне незначительно Скорее всего, общее количество данных веществ в относительно тонком слое раствора, примыкающем к электроду, мало изменяется за счет электроокисления и снижения поверхностной концентрации, поскольку толщина адсорбционного слоя очень мала, а все эти соединения изначально присутствовали в среде в заметных количествах. Как пример, на рис.4 приведены данные для СО2.

Рис. 3. ИК спектры отражения, полученные в растворе 0.1 М NaOH + 0/05 М Gly на гладкой Pt при различных потенциалах

Рис. 4. Изменение относительной интенсивности характеристичных линий продуктов электроокисления Gly- (a) -Ala- (б) в ИК спектрах с потенциалом

Наличие в ИК спектре линии, отвечающей НСОО-, принципиально, ибо доказывает корректность проведенной оценки выхода по току процессов анодной деструкции анионов аминокислот. В более широком плане этот результат подтверждает, на наш взгляд, справедливость предложенной в [4] четырехэлектронной схемы “мягкого” электроокисления аниона глицина и возможность ее применения к окислению аниона -аланина. В тоже время запись стадий (2) и (3) несомненно требует уточнения. На это указывает появление в ИК спектрах для Gly- и -Ala-, полученных при потенциалах их анодного окисления, характерной полосы с 2750 см-1, связанной с накоплением на поверхности Pt каких-то адсорбированных частиц типа СНх (х = 1; 2 или 3) [14], отсутствующих в общей схеме процесса; то же относится и к CN--иону.

Таким образом, совокупность представленных выше опытных данных позволяет считать, что исходные допущения модели, используемой в [12] и лежащие в основе теории метода ЛВА, в целом соблюдены.

Зависимости , построенные по результатам опытов на стационарном Pt-электроде, линейны; за редким исключением они экстраполируются в начало координат при всех изучаемых концентрациях анионов глицина и -аланина (рис. 5а). Соответственно среднее значение параметра близко к единице (табл.), что уже служит веским свидетельством в пользу кинетической схемы процесса электроокисления, включающей адсорбционные стадии.

Рис. 5. Влияние скорости сканирования потенциала на величину пикового тока (a) и потенциал максимума анодной i,E(t)-зависимости (б)

Таблица. Критериальные параметры процесса электроокисления Gly- (числ.) и б-Ala- (знам.), полученные методом ЛВА при концентрациях анионов: (1) - 0.005; (2) - 0.01;

(3) - 0.015; (4) - 0.03 и (5) - 0.07M

Полученные данные позволяют полагать, что именно стадия (2) переноса первого электрона лимитирует процесс электроокисления обоих анионов. На это указывает практически полное совпадение наклонов теоретических и экспериментально полученных линейных Em,lgv-зависимостей (рис. 5б): среднее значение dEm/dlgv составило 0.1190.015В для глицина и 0.123 0.010В для б-аланина. Выполняется и второй диагностический критерий необратимости стадии перехода заряда: опытные зависимости Em от также оказались линейны в широкой области концентраций аминокислот. Их наклоны (табл. 1) в пределах погрешности опыта неплохо совпадают с теоретическим, равным 0.118 В, отвечающем замедленной стадии ионизации с n=1 и =0.5, составляя в среднем 0.1250.015 В и 0.1150.010 В для Gly- и Ala- соответственно. Ясно, что все последующие электрохимические стадии электроокисления анионов обеих аминокислот являются квазиравновесными, что позволяет формально объединить их в одну трехэлектронную стадию (3); детализация ее структуры требует иных подходов и экспериментальных методов.

Веским свидетельством в пользу заключения об участии в процессе электроокисления анионов аминокислот, находящихся в адсорбированном состоянии, т.е. реализации т.н. «поверхностной» электрохимической реакции [15], служат результаты, полученные методом ЛВА на Pt(Pt)-электроде после адсорбции на нем глицина с последующим сливом раствора и тщательной отмывкой поверхности. В серии этих экспериментов поддерживали Еадс = 0.04 В, а адс изменяли таким образом, чтобы обеспечить различное исходное заполнение поверхности платины анионом глицина. Оказалось, что форма анодной i,E-зависимости, снятой при окислении Gly- из адсорбированного состояния, сохраняется неизменной (рис. 1а). Значения и Еm, полученные при условии Gly- = const, увеличиваются с v в полном соответствии с теоретическими критериями обсуждаемой модели процесса (рис. 6), при этом , а dEm/dlgv = 0.1350.007 В. Видно, что при фиксированной скорости сканирования потенциала величина увеличивается с ростом Gly-. Особо следует отметить, что не зависит от изменений в сGly- и адс на предварительной стадии адсорбционного накопления амино-кислоты, если сочетание этих параметров обеспечивает получение одной и той же степени заполнения поверхности электрода анионами глицина. Последнее еще раз указывает, что скорость анодной деструкции Gly- определяется именно его поверхностным, а не объемным содержанием.

Рис. 6. Влияние скорости сканирования потенциала на величину тока (а) и потенциала (б) в максимуме вольтамперограммы при анодном окислении Gly из адсорбированного слоя на Pt(Pt)

Показательны данные о характере влияния концентрации анионов глицина и -аланина на значение тока в максимуме вольтамперограммы, полученные в широком интервале значений v (рис. 7). С ростом концентрации (а также токи, полученные при иных потен-циалах электроокисления, предшествующих достижению Еm) увеличиваются. Соответственно средняя, по интервалу v, величина параметра dlg/dlgCАК- 0, составляя 0.280.08 (Gly-) и 0.270.08 (-Ala-). Данный результат, как показано в [12], может наблюдаться только в случае, когда доминирующей адсорбированной формой является Red, т.е. анион глицина или -аланина, причем их окисление осуществляется кинетически необратимо, как то и установлено нами выше. Одновременно полученные данные указывают, что осложняющее влияние адсорбции продуктов “мягкого” электроокисления Gly- и -Ala- на кинетику процесса фактически отсутствует, а значит поверхностная концентрация таких продуктов скорее всего мала.

В [12] теоретически получена зависимость от мольной доли адсорбата Х для случая, когда его адсорбция осуществляется в рамках темкинской модели, а стадия перехода заряда является кинетически необратимой:

. (4)

Используя (4) и данные, представленные на рис. 7, численно рассчитаны Фактор энергетической неоднородности поверхности платины f принимали равным 22.5 и 15.0 для Gly- и Ala- соответственно [8]. значения константы адсорбционного равновесия Ка(0), отвечающие условию 0, а также заряда qmon, затрачиваемого на образование монослоя Gly- и -Ala-. Средние значения этих параметров таковы: lnKa(0)Gly- = 10.480.40; lnKa(0)Ala- = 9.710.34 и qmon (Gly-) = 0.460 мКл/см2 qmon (Ala-) = 0.285 мКл/см2.

Рис. 7. Влияние концентрации аниона аминокислоты на пиковый ток электроокисления при v = 0/02 (1) и 0.10 B/c (2)

Следует отметить, что заряд qmon, найденный для анионов обеих аминокислот, близок к значениям qmon(Н) = 0.210 мКл/см2 и qmon (О) = 0.420 мКл/см2. На наш взгляд, это может косвенно свидетельствовать об одноцентровом характере адсорбции анионов глицина и -аланина на платине, сопровождаемой, по всей видимости, вытеснением одной молекулы воды. При этом адсорбция аниона Gly- более выражена, т.к. значение Ka(0) для него вдвое выше, чем у -Ala.

Выводы

1. Процесс электроокисления аниона -аланина на Pt-электроде в щелочной среде начинается уже в двойнослойной области потенциалов, в то время как анодное окисление аниона глицина происходит главным образом в области потенциалов адсорбции кислорода. Вплоть до начала выделения молекулярного кислорода окисление как глицина, так и -аланина является “мягким” и идет с отщеплением четырех электронов, при этом выход по току близок к 100%. Хотя основными продуктами анодного окисления анионов обоих аминокислот являются: НСОО-, NH3 и СО2, зафиксировано появление также СО, CN и частиц типа СНх (х = 1; 2 или 3).

2. Электроокисление анионов глицина и -аланина на платине осуществляется из адсорбированного состояния и лимитируется первой одноэлектронной стадией. В щелочном растворе не происходит адсорбционного накопления продуктов реакции в количествах, способных повлиять на кинетику процесса. Анодное окисление глицина в сравнении с -аланином протекает с более высокой скоростью.

Литература

[1] Богдановская В.А. Электрохимия. 1993. Т.29. №4. С.441.

[2] Баканина Ю.Н. Журнал общей химии. 2000. Т.70. С.897.

[3] Туманова Е.А., Сафронов А.Ю. Электрохимия. 1998. Т.34. №2. С.170.

[4] K. Ogura, М. Kabayashi, M. Nakayama, Y. Miho. J. Electroanal. Chem. 1998. Vol.449. P.101.

[5] R.M.C. Dawson. Data for Biochemical Research. 3rd Ed. Clarendon Press. Oxford. 1986.

[6] Карташова Т.В., Введенский А.В., Бобринская Е.В. Конденсированные среды и межфазные границы. 2005. Т.7. №3. С.255.

[7] Карташова Т.В., Петренко Е.В., Бобринская Е.В., Введенский А.В. Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6. Вып.4. С.1399.

[8] Карташова Т.В. Дис. ... канд. хим. наук. Воронеж. 2007. 203с.

[9] Бобринская Е.В., Введенский А.В., Карташова Т.В., Кирилова Л.А. Вестник ВГУ. 2007. Т.1. №1. С.7.

[10] Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Наука. 2001. 263с.

[11] Рошаль Е.Р., Демина Н.Г., Шолин А.Ф., Румянцев Н.Ф. Химико-фармацевтический журнал. 1988. №6. С.42.

[12] Введенский А.В., Карташова Т.В., Бобринская Е.В. Электрохимия. 2008. Т.44. №12. С.1373.

[13] Cтепанов Г.Р. Качественный химический полумикроанализ неорганических веществ. Минск: Высшая школа. 1971.

[14] L.J. Bellami. The Infrared Spectra of Complex Molecules. 2nd ed. New York: Chapman and Hall. 1980.

[15] E.A. Laviron. J. Electroanal. Chem. 1975. Vol.63. P.245.

Размещено на Allbest.ru