Сотниченко А. И., Оханов В.В. /20.01.2016/

Все химические вещества описываются рядом параметров, которые отличают их от других веществ. К таким параметрам относятся состав вещества, молекулярный вес, плотность, температура плавления и т. д. Для органических веществ ещё одним важным параметром является полярность. Необходимо рассмотреть такие понятия как «полярный» или «неполярный», применительно к химическим молекулам органической природы, поскольку предмет нашего интереса микотоксины (МКТ), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и стойкие органические загрязнители (СОЗ) должны рассматриваться прежде всего с этой точки зрения. Для понятия «полярный» существуют синонимы «гидрофильный» и «липофобный» — любящий воду и боящийся жиров (греч.), а для «неполярный» — «липофильный» и «гидрофобный» — любящий жиры и боящийся воды (греч.). Все эти термины отражают сродство веществ к воде или к неполярным средам.

До некоторого времени полярность органических веществ оценивали лишь качественно по их способности растворяться в воде. Полярные вещества легко растворяются в воде, а неполярные — нет. Очевидно, что такой подход не позволяет провести количественную оценку полярности.

Возможность количественной оценки степени полярности химических соединений появилась в 1951 году после опубликования фундаментальной статьи шведского (финского) ботаника и химика Рунара Колландера о способности органических соединений распределяться между двумя несмешивающимися жидкостями, взятыми в определённом соотношении. Автор использовал в качестве полярной фазы, естественно, воду, а в качестве неполярных — диэтиловый эфир, бутиловый (С4), олеиловый (С18) и октиловый (С8) спирты. Два растворителя смешивались при фиксированной температуре, добавлялось испытуемое вещество и после интенсивного перемешивания и последующего расслоения органической и водной фаз в них по отдельности определяли концентрацию этого вещества. Понятие «коэффициент распределения» выражался отношением концентраций вещества в органической фазе к его концентрации в водной.

Через некоторое время система октанол/вода была признана научным сообществом и принята в качестве стандартной для количественной оценки коэффициента распределения, а для удобства использования вместо соотношения концентраций вещества в органической и водной фазах, которое могло достигать значений с многими нулями, стали применять десятичный логарифм этого соотношения.
Если раньше формула для вычисления коэффициента распределения выглядела так:

, где
Co – концентрация вещества в органической фазе (o – octanol);
Сw – концентрация вещества в водной фазе (w – water).

То позже после замены Kow на Log Kow, или Log Pow, где Pow означает «Partition octanol/water", что в переводе означает - «распределение октанол/вода» эта формула стала выглядеть следующим образом:

Следует отметить, что обозначения Log Kow, и Log Pow равнозначны и их применение зависит скорее от предпочтения автора. Мы предпочитаем Log Pow. Органические соединения по степени полярности можно для удобства восприятия условно разделить на три категории. Полярные, у которых значения Log Pow < 1, умеренно полярные, у которых Log Pow может принимать значения от 1 до 3, и неполярные вещества, у которых значения Log Pow > 3. Значение Log Pow = 3 означает, что данное вещество в 10³, или в 1000 раз лучше растворяется в октиловом спирте, или в липидном окружении, которое он имитирует, чем в воде.

Установлено, что все вещества со значениями Log Pow > 3 проявляют способность к биоаккумуляции, т. е. к постепенному накоплению в жировой ткани.

Применительно к МКТ всё вышесказанное можно проиллюстрировать следующим графиком:

Рисунок 1. Распределение некоторых МКТ по полярности в системе октанол/вода.

На рисунке представлена гистограмма распределения МКТ (n = 204) по их справочным значениям коэффициента распределения в системе октанол/вода. Можно видеть, что на долю полярных МКТ (-2 < Log Pow <+1) приходится до 20% данной выборки, около 40% приходится на долю умеренно полярных соединений (1 < Log Pow < 3) и около 40% — на долю неполярных МКТ (Log Pow > 3). Среди них явно выделяется отдельная группа (ок. 10%) высоко гидрофобных токсинов (Log Pow > 5), которые представлены в основном «новыми - emerging" т. н. «канальными» токсинами типа валиномицина, циклоспоринов или энниатинов.

Из этого следует, что эффективный адсорбент для сорбции МКТ в кормах должен быть способен прочно сорбировать и выводить из кишечника не только полярные микотоксины, которых всего около 20%. К сожалению, как показывает практика (и теория), современные алюмосиликатные сорбенты способны выводить только 15 — 25% от общего числа из данной выборки МКТ.

Далее необходимо рассмотреть, как обстоят дела с полярностью у других членов из нашего списка. На рисунке 2 представлены данные о распределении по степени полярности некоторых ПАУ.

Рисунок 2. Распределение некоторых ПАУ по полярности в системе октанол/вода.

Можно видеть, что члены данной выборки представителей ПАУ (n = 42), ограниченной от нафталина ( Log Pow = 3,35) до 7-ядерных ПАУ, обладают намного более высокой липофильностью по сравнению с МКТ (рис. 1), причём, большая часть из них (около 75%) приходится на диапазон 4,5 < Log Pow < 8,5 с центром распределения около значения Log Pow = 6. Здесь уместно напомнить, что около 80% выше упомянутых МКТ располагаются в диапазоне -2 < Log Pow < 5.

На основании представленных данных можно сделать однозначный вывод о том, что все без исключения ПАУ могут подвергаться биоаккумуляции, а при высоком уровне загрязнения и биомагнификации в пищевых цепях.

И в завершение данного раздела рассмотрим распределение по степени полярности типичных представителей стойких органических загрязнителей (СОЗ).

Рисунок 3. Распределение некоторых СОЗ по полярности в системе октанол/вода.

Можно видеть, что члены данной выборки представителей СОЗ (n = 48) по значениям коэффициента распределения мало отличаются от упомянутой выборки представителей ПАУ. У них также около 75% приходится на диапазон 4,5 < Log Pow < 8,5 с центром распределения около значения Log Pow = 6,5. Эти соединения также, как и ПАУ могут подвергаться биоаккумуляции и биомагнификации. Следует иметь в виду, что это же относится и неполярным МКТ со значениями Log Pow > 3.

Известно, что коэффициент распределения является аддитивным параметром. Изменение его значения часто используют при конструировании «новых» молекул из уже известных. При создании новых пестицидов большое внимание уделяют такому свойству, как биоаккумуляция. Эффективный инсектицид просто обязан аккумулироваться в теле жертвы для постепенного увеличения действующей дозы. Как этого можно добиться?

Можно заместить одни атомы в молекуле на другие. Например, водород можно заменить на метильный радикал СН3- или атом хлора. Это «автоматически» приведёт к снижению полярности молекулы. Молекула повысит свою способность к биоаккумуляции. Для иллюстрации ниже приведены данные о влиянии замещения водорода на хлор в молекулах типичных СОЗ — хлорнафталинов на полярность этих соединений.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента распределения у хлорнафталинов от количества атомов хлора в молекуле.

Очевидно, что высокая гидрофобность СОЗ обеспечивается заменой атомов водорода на атомы хлора. С одной стороны это увеличивает полезные свойства молекул как пестицидов, но с другой стороны повышает их значение как загрязнителей окружающей среды. Хотелось бы как лучше, а получилось как всегда...
Как может повлиять замена атомов водорода на атомы хлора в некоторых молекулах описано в разделе нашего сайта, посвящённого 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксину (ТХДД).

Это относится практически ко всем СОЗ. Замена водорода на хлор в их молекулах снижает полярность молекул и увеличивает их химическую устойчивость. Если бы только химическую...

Одновременно с повышением химической устойчивости, что определённо полезно в случае, например, трансформаторного масла, повышается и биологическая устойчивость молекул, т. е. резко снижается их способность к утилизации в системе метаболизма ксенобиотиков цитохрома Р-450. Как уже упоминалось в разделе, посвящённом СОЗ, этой системе в процессе её эволюции у позвоночных не приходилось сталкиваться с такими «защищёнными» молекулами и она оказывается бессильной в попытках снизить полярность СОЗ и способствовать их выведению из организма. Метаболизм СОЗ в системе цитохрома Р-450 конечно идёт, но с очень низкой скоростью. Это приводит к тому, что большая часть молекул СОЗ оседает в жировых депо и длительное время отравляет организм.

В заключение данного раздела можно сделать вывод, что:
1. Коэффициент распределения вещества в системе октанол/вода является такой же неотъемлемой характеристикой химического соединения, как его состав, молекулярный вес, строение, температура плавления и т. д. Этот параметр аддитивен.
2. МКТ представляют собой более разнородную группу соединений в терминах коэффициента распределения в системе октанол/вода по сравнению с ПАУ или СОЗ.
3. Представители ПАУ и СОЗ очень близки по своей полярности и существенно менее полярны, чем основная масса МКТ.
4. Все ПАУ, СОЗ и более 40% МКТ, у которых значения Log Pow > 3, при попадании в корм животным способны к биоаккумуляции. И если не будут приняты соответствующие меры, то все они могут оказаться в животноводческой продукции.
5. При разработке и применении сорбентов для МКТ следует учитывать, что только 15-20% из них можно отнести к полярным соединениям.
6. ПАУ и СОЗ, присутствующие в кормах, могут эффективно удаляться только сорбентами, имеющими высокое сродство к гидрофобным соединениям.
7. Такие же сорбенты следует применять для удаления из кормов неполярных МКТ ( > 80%).

Рекомендуемая литература
1. R. Collander // The partition of organic compounds between higher alcohols and water // Acta Chemica Scandinavica (1951) 5, 774-780.
2. T. Fujita, J. Iwasa and C. Hansch // A New Substituent Constant, P, Derived from Partition Coefficients // J. Amer. Chem. Soc. (1964) 86, 5175 – 5180.
3. J.E. Garst // Accurate, wide-range, automated high-performance liquid chromatographic method for the estimation of octanol/water partition coefficients. II. Equilibrium in partition coefficient measurements, additivity of substituent constants and correlation of biological data // J.Pharm.Sci. (1984) 73(11), 1623-1629.
4. Donald Mackay, Wan Ying Shiu, Kuo-Ching Ma, Sum Chi Lee // Handbook of Physical-Chemical Properties and Environmental Fate for Organic Chemicals // Second Ed. (2006) CRC, Taylor & Francis Group, LLC
5. Phenomenex Inc., Technical Application TN-1119
6. Phenomenex Inc., Application No. 20027 Food - Multi-Class Screening of 243 Mycotoxins by LC/MS/MS