Химики научились определять следы марихуаны в выдыхаемом воздухе

Ученые нашли простой метод определения содержания следов марихуаны в выдыхаемом воздухе. Они предложили использовать электрохимическое окисление бесцветного тетрагидроканнабиола в его хиноновый аналог с фиолетовой окраской. Статья опубликована в журнале Organic Letters.

По оценке ООН, только за последнее десятилетие число людей, употребляющих марихуану, выросло на 60 процентов и достигло отметки в 200 миллионов человек. Исторически марихуана во многих странах вне закона, но на протяжении последних лет власти некоторых стран и регионов (например, Канада, Испания, Чили, Нидерланды, Австралия и 11 штатов США) частично или полностью легализовали употребление марихуаны. При этом в этих странах возникла потребность за контролем безопасного использования — особенно при вождении автомобиля. Недавние исследования показали, что только в США в 2017 году 12 миллионов человек были привлечены за вождение под воздействием марихуаны.

В марихуане присутствует более сотни разных каннабиоидов, хотя наибольшим психоактивным эффектом обладает Δ⁹ — тетрагидроканнабинол (ТГК), содержание которого может колебаться в пределах 5-30 процентов. Именно его наличие проверяют в крови в существующих сегодня дорожных тестах, но методы оценки либо занимают много времени и требуют специальной подготовки для анализа крови или слюны, либо основаны на субъективной оценке поведения водителя полицейским. В последнее время начали активно развиваться химические методы определения — например, ученые уже продемонстрировали, что содержание ТГК в выдыхаемом воздухе коррелирует со временем с момента употребления марихуаны и концентрацией ТГК в крови. Существующие методы включают в себя: длительную масс-спектрометрию, оптическое определение соединения между ТГК и токсичным реагентом, а также неточное электрохимическое определение с использованием углеродных нанотрубок.

Нил Гарг (Neil K. Garg) и Эван Дарзи (Evan R. Darzi) из Калифорнийского университета разработали простой метод определения ТГК в выдыхаемом воздухе, основанный на электрохимическом преобразовании ТГК в соответствующий тетрагидроканнабохинон (ТГК-хинон), который в отличие от ТГК имеет цвет. Они изучили возможные электрохимические реакции этих веществ и подобрали соответствующие условия для этой реакции с необходимым выходом.

Перед проверкой протекания электрохимической реакции окисления ученые провели окисление с помощью распространенных окислителей, так как подобная реакция прежде не была описана. Однако в 1911 году Бим наблюдал фиолетовый окрас в щелочном-спиртовом растворе экстракта гашиша, этот эффект позже ученые описали образованием окрашенных хинонов. С того времени среди синтетических реагентов для окисления фенолов в хиноны обрел популярность бис(трифторацетокси)йодобензол (ФИФА), который открыл каннабиоиды в контексте медицинской химии, исходя из Δ⁸-ТГК. Авторы новой работы применили этот реагент в водной среде к желаемому ТГК и обнаружили, что реакция протекает с достаточным выходом продуктов окисления. Полученный ТГК-хинон поглощал свет с видимой длиной волны в 402 нанометра, что может быть определено визуально или спектроскопически.

Для выяснения причины появления цвета у этого соединения ученые рассчитали орбитальный вклад в электронные переходы, орбитальное распределение и энергии с помощью расчетов из первых принципов. Минимальный переход по энергии в ТГК сопоставляется с электронным переходом между высшей занятой и нижней свободной молекулярными орбиталями, который соответствует длине волны в 282 нанометра. А электроотрицательные карбонильные связи в ТГК-хиноне смещают пик поглощения к красной области, делая возможным поглощение в видимом диапазоне, что и приводит к фиолетовому окрасу.

Чтобы понять, каким образом будет происходить электрохимическое окисление ТГК в отсутствие реактивов, химики провели цикловольтамперометрию для исходного ТГК и ТГК-хинона. Измерение окислительного потенциала показало необратимое окисление при напряжении в 1,02 вольта, а для ТГК-хинона при напряжении 1,71 вольта. При измерении восстановительного потенциала этих веществ в ТГК при напряжениях от 0 до −2,5 вольта не было обнаружено проявлений восстановления, а ТГК-хинон показывал два события восстановления при напряжении в −1,02 вольта и −1,75 вольта, что соответствует образованию полухинона и гидрохинона.

На следующем этапе исследователи попробовали применить уже известные условия электрохимического окисления к модельному 2,5-диалкилфенолу, однако вместо хинона ученые получили нерастворимый полимер на электроде. Варьируя условия синтеза они пришли к оптимальным условиям — углеродные электроды, в качестве электролита тетрафтороборат тетрабутиламмония — при которых выход хинона составил 57 процентов. После чего применили эти условия окисления для ТГК — для которого была подобрана графит-платиновая электродная пара — выход ТГК-хинона составил 67 процентов. Авторы считают этот выход достаточным для определения содержания продуктов марихуаны в выдыхаемом воздухе, однако заявляют, что они лишь начали развивать новый способ аналитического определения и будущие исследования смогут воплотить такую тест-систему в жизнь для обеспечения безопасности на дорогах.

Влияние марихуаны на человеческий организм активно изучается из-за процессов ее легализации во многих странах. Так, три месяца назад ученые выяснили, что ТГК способствует формированию ложных воспоминаний, но при этом не влияет на способность извлекать реальные воспоминания. С другой стороны, год назад американские медики обнаружили корреляцию между умеренным курением марихуаны и показателями качества спермы — количество и качество спермы у людей, куривших марихуану было выше, чем у тех, кто никогда ее не употреблял.