Окислительновосстановительные индикаторы. Задача 12 Команда: Мастера Беспорядка

В демонстрационной химии часто можно встретить опыты, связанные с обратимым изменением цвета реакционной смеси при её встряхивании на воздухе. Например, опыт «химический светофор» основан на использовании индигокармина и в нем наблюдаются переходы «желтый-красныйзеленый». Опыт «синяя бутылка» использует в качестве основного вещества краситель метиленовый синий. Однако оба этих опыта требуют использования крепких растворов щелочей и глюкозы. Можно ли заменить данные красители на другие? Предложите обратимо изменяющие цвет системы без крепких растворов щелочей, превращения которых основаны на тех же химических явлениях, что протекают в ходе описанных выше опытов.
Условие задачи

Цель
1.Предложить возможные варианты замены данных красителей.
2.Предложить обратимо изменяющие цвет системы без крепких растворов щелочей, превращения которых основаны на тех же химических явлениях, что протекают в ходе описанных в условии опытов.

Анализ литературы
Summerlin, Lee R. (1988). Chemical demonstrations (2nd ed.). Washington, DC: American Chem. Society. p. 127.
Dutton, F. B. (1960). "Methylene Blue - Reduction and Oxidation". Journal of Chemical Education.
Zhang, Yifei; Tsitkov, Stanislav; Hess, Henry (2018). "Complex dynamics in a two-enzyme reaction network with substrate competition". Nature Catalysis.

Наше решение
Суть реакции «Светофор»: в начале, окрашенный индигокармином раствор (синий), при добавлении щёлочи окисляется кислородом воздуха до зелёного цвета — так окрашена его окисленная форма.
Рис. 1. Окрашенный индигокармином раствор
http://zadachi-po-khimii.ru/wp-content/uploads/2015/08/sfetofor1-300x300.jpg
Рис. 2. Окисленная форма
http://zadachi-po-khimii.ru/wp-content/uploads/2015/08/sfetofor4-300x300.jpg

При стоянии зелёного раствора глюкоза начинает восстанавливать индигокармин сначала до красного цвета, а потом и до жёлтого. Если раствор встряхнуть или перелить, то он перемешается с воздухом, и кислород его снова окислит до зелёного цвета.
Рис. 3. Частично восстановленный индигокармин
Рис. 4. Восстановленный индигокармин
http://zadachi-po-khimii.ru/wp-content/uploads/2015/08/sfetofor3-300x300.jpg
http://zadachi-po-khimii.ru/wp-content/uploads/2015/08/sfetofor2-300x300.jpg

Рис. 5. Превращения индигокармина

Рис. 6. Синий и бесцветный раствор
http://www.ntfactory.ru/shop/image/catalog/experiment%20photo/blue-transparent.jpg
Рис. 7. Метиленовый синий

Первоначальный цвет раствора-синий, но после стояния в течение короткого промежутка времени он спонтанно исчезает до бесцветного, поскольку щелочной раствор глюкозы восстанавливает метиленовый синий до бесцветного лейко-метиленового синего. Встряхивание колбы приводит к тому, что кислород, присутствующий в воздухе, растворяется в растворе и окисляет лейко-метиленовый синий обратно в свою окрашенную форму.[1]
Рис. 8. Схема реакции
https://www.google.com/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Fvital.lib.tsu.ru%2Fvital%2Faccess%2Fservices%2FDownload%2Fvital%3A3120%2FSOURCE01&psig=AOvVaw12M0V6MLlO2ViOQcqUSar-&ust=1583319253749000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCLjE-aCS_ucCFQAAAAAdAAAAABAQ

Возможные варианты замены индикатора для опыта «синяя бутылка»:
-блестящий синий FCF(Е133)
-резазурин
-тионин[2]
Рис. 10. Блестящий синий FCF
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/48/Acid_Blue_9.svg/1280px-Acid_Blue_9.svg.png
Рис. 9. Опыт с блестящим синим FCF
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.5b00190

Рис. 12. Неокисленный резазурин
Рис. 11. Резазурин
Рис. 13. Окисленный резазурин
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/43/Vanishing_valentine_before_shook.JPG/800px-Vanishing_valentine_before_shook.JPG
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1f/Vanishing_valentine_after_shook.JPG/800px-Vanishing_valentine_after_shook.JPG
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Resazurin.PNG

Рис. 14. Восстановление резазурина до резоруфина и обратимое восстановление резоруфина до дигидрорезоруфина.
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Resazurin_resorufin_dihydroresorufin.svg

Рис. 15. Тионин
Рис. 16. Суть реакции

Аналоги меняющей цвет системы
Эксперимент проводится в прозрачном стеклянном сосуде, содержащем два общих фермента (глюкозооксидаза и пероксидаза хрена), глюкозу, и 2,2 '-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-сульфокислота) (сокращенно ABTS) в буфере PBS(натрий-фосфатный буфер). Тонкий слой масла используется для блокирования раствора от воздуха. Раствор вначале становится зеленым, а затем бесцветным с истощением растворенного кислорода. Встряхивание раствора вводит свежий кислород и окрашивает раствор снова зеленым цветом, пока кислород не будет израсходован.[3]
Рис. 17. ABTS
https://cdn.imgbin.com/3/21/18/imgbin-horseradish-peroxidase-enzyme-substrate-hydrogen-peroxide-others-2HML10dLrwpL8swqeWPc0mY6w.jpg

Рис. 18. Окисление ABTS до ABTS+
https://www.researchgate.net/profile/Yun_Ji2/publication/269734059/figure/fig6/AS:272756231110675@1442041561590/Oxidation-of-ABTS-in-presence-of-laccase.png

Спиртовый раствор тионина добавляют к раствору аскорбиновой кислоты в ацетатном буфере(pH=4,5) в присутствии железного и медного катализаторов.

Преимущества и недостатки решения
+ Приведены несколько примеров замены индикаторов из опытов в условии.
-

Вывод
1.Предложены возможные варианты замены данных красителей.
2.Предложена обратимо изменяющяя цвет система без крепких растворов щелочей, превращения которой основаны на тех же химических явлениях, что протекают в ходе описанных в условии опытов.

Источники информации
[1] Summerlin, Lee R. (1988). Chemical demonstrations (2nd ed.). Washington, DC: American Chem. Society. p. 127.
Dutton, F. B. (1960). "Methylene Blue - Reduction and Oxidation". Journal of Chemical Education.
[2]http://www.flinnsci.com/documents/demopdfs/chemistry/cf0667.00.pdf
[3] Zhang, Yifei; Tsitkov, Stanislav; Hess, Henry (2018). "Complex dynamics in a two-enzyme reaction network with substrate competition". Nature Catalysis.