CC BY
96
УДК 541.515 : 547.56
АНТИРАДИКАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ВАНИЛИНОВ В РЕАКЦИЯХ С ДФПГ С.Л.Хилько, Р.А.Макарова, Р.Г.Семенова ANTIRADICAL ACTIVITY OF VANILLINS IN REACTIONS WITH DPPH
S.L.Khil'ko, R.A.Makarova, R.G.Semenova
Институт физико-органической химии иуглехимии им. Л.М.Литвиненко, Донецк, [email protected]
Получены антирадикальные характеристики ванилина, изованилина, орто-ванилина и протокатехового альдегида в реакции их взаимодействия со стабильным свободным радикалом 2,2'-дифенил-1-пикрилгидразилом (ДФПГ). Установлено, что наиболее выраженными антирадикальными свойствами обладает протокатеховый альдегид, высокая антирадикальная активность которого связана с наличием двух гидроксильных групп с различной реакционной способностью. Ключевые слова: ванилин, изованилин, орто-ванилин, протокатеховый альдегид, ДФПГ, атирадикальная активность, метод спектрофотометрии
The antiradical characteristics of vanillin, isovanilin, ortho-vanillin, and protocatechualdehyde were obtained in the reaction of their interaction with the stable free radical 2,2'-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH). It has been established that protocatechualdehyde possesses the most pronounced antiradical properties; the high antiradical activity of this compound is associated with the presence of two hydroxyl groups with different reactivity.
Keywords: vanillin, isovanillin, ortho-vanillin, protocatechualdehyde, DPPH, atirradical activity, spectrophotometry
Введение
Проблема выявления антиоксидантной активности природных соединений и оценка их эффективности является актуальной задачей для разработки новых антиоксидантных систем на их основе. Одним из методологических подходов в рамках этой задачи является изучение антирадикальных свойств природных соединений как одной из составляющих антиок-сидантной активности.
Способность некоторых индивидуальных соединений снижать интенсивность окислительных процессов находит широкое применение в различных отраслях промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Вещества, обладающие этим свойством, являются антиоксидантами (АО), или ингибиторами окислительных процессов. В настоящее время АО широко используются на практике с целью защиты от окисления органических веществ, смесей и изделий, в том числе углеводородное топливо, смазочные масла, технические и пищевые жиры, органические раство-
рители, пластификаторы, продукты парфюмерной промышленности, медикаменты и химические реактивы [1,2]. Включение АО в состав технических и пищевых продуктов, медицинских препаратов позволяет увеличить срок их хранения, а в случае промышленных изделий также улучшить их эксплуатационные свойства. Особую значимость ингибиторы окислительных процессов приобретают при регулировании окислительных процессов, протекающих в организме животных и человека, что обусловлено их способностью инактивировать разрушительное действие промежуточных продуктов окислительных процессов — перекисных соединений и радикалов. Антирадикальная активность проявляется как способность вещества взаимодействовать со свободными радикалами. Соединения, проявляющие антирадикальную активность, являются потенциальными антио-ксидантами.
Наиболее распространенным и многочисленным классом природных соединений, которые проявляют биологическую и антиоксидантную активность,
O
X
Y
Z
Соединение Х У Z
Ванилин (3 -метокси-4-оксибензальдегид) Н ОСНз ОН
Изованилин (3 -окси-4-метоксибензальдегид) Н ОН ОСНз
Орто-ванилин (2-окси-3 -метоксибензальдегид) ОН ОСНз Н
Протокатеховый альдегид (3,4-дигидроксибензальдегид) Н ОН ОН
Рис.1. Химические структуры изученных соединений
являются производные фенолов [3-12]. Некоторые полифенолы имеют сложное строение, их свойства определяются не только составом, но и структурой. Из литературы известно, что антиоксидантная активность зависит от числа и положения гидроксильных групп в молекулах фенолов и полифенолов, а также от наличия других заместителей в их молекулах [3,4, 6-12].
Ванилин (4-гидрокси-3 -метоксибензальдегид) и его производные хорошо известны как вещества, использующиеся в пищевой, косметической, парфюмерной и фармацевтической промышленности. Поскольку в их состав входят альдегидная и фенольная группы, эти соединения представляют интерес как эффективные ингибиторы некоторых ферментов и удобные реагенты для органического синтеза [13].
Целью данной работы было определение антирадикальной активности ванилина и его аналогов (см. рис.1), оценка влияния на нее структуры исследуемых соединений.
Экспериментальная часть
В литературе описаны различные способы определения антирадикальной активности потенциальных антиоксидантов [14,15]. В этой работе для количественной оценки был применен один из наиболее популярных методов, основанный на реакции стабильного свободного радикала ДФПГ (2,2'-дифенил-1-пикрилгидразил), растворенного в этаноле, с образцом антиоксиданта (АО = АН) по схеме: ДФПГ* + АН ^ ДФПГ-Н + А*
За ходом реакции следили по изменению величины оптической плотности растворов методом спек-трофотометрии. В результате восстановления ДФПГ антиоксидантом снижается интенсивно-фиолетовая окраска раствора ДФПГ в этаноле при X = 517 нм в видимой области спектра. При этом радикал ДФПГ, взаимодействуя с молекулой антиоксиданта, переходит в нерадикальную форму. Этанол в качестве растворителя был выбран на основании данных работы [14], в которой установлено, что воспроизводимость получаемых результатов в среде этанола в два раза выше, чем в среде метанола.
Исследования были проведены на спектрофотометре Specord UV VIS в кюветах l = 1,0 см при t = 20°С. Готовили растворы (С = 1,0 х 10-4 М) ДФПГ фирмы «Aldrich» (œ = 97%) и серию растворов производных ванилина разной концентрации. Для изучения кинетики реакции в кювете толщиной 1 см смешивали 2,0 мл раствора ДФПГ и 0,5 мл каждого из растворов полученной серии субстратов; сразу же после смешивания регистрировали значения оптической плотности.
Результаты и их обсуждение
На рисунках приведены кинетические кривые расходования ДФПГ в реакциях с изученными субстратами (рис.2) и характерные кинетические кривые расходования ДФПГ при взаимодействии с ванили-нами при постоянном соотношении концентраций АО/ДФПГ (рис.3). Для оценки антирадикальной активности исследуемых соединений были построены зависимости остаточного содержания ДФПГ (%ДФПГ) от концентрации субстрата.
% ДФПГ = D -100%,
D0
где Dt — оптическая плотность реакционной смеси в момент времени t; D0 — оптическая плотность раствора в начальный момент времени.
Графики описываются линейными уравнениями (см. табл.), позволяющими определить величины ЕС50 («Effective Concentration») — концентраций субстратов, необходимых для уменьшения концентрации ДФПГ на 50% за 25 минут. Чем меньше значение параметра EC50, тем большей антирадикальной активностью обладает вещество. Недостатком величины ЕС50 в качестве теста на антиоксидантную активность является отсутствие связи со временем реакции. Авторами работ [16,17] для характеристики подобных реакций предложено использовать время, необходимое для достижения равновесия при исходной концентрации антиоксиданта, равной ЕС50 (Тес50). Однако эта величина мало пригодна для анализа антиоксидантной активности из-за больших ошибок. Поэтому предложено [18] использовать в качестве характеристик таких реакций время полупревращения ДФПГ в конкретных условиях реакции
0,8
0,6
0,4
0,2
100 t, мин 200 300
100 t, мин 200
300
1
0,8
£ 0,6 о
а
Q 0,4 0,2 0
100 t, ,
200
300
г 1
0,8 0,6
© Q
О 0,4 0,2
0
t, мин
10 20 30 40 50
Рис.2. Кинетические кривые расходования ДФПГ в реакциях с субстратами: а) ванилин. С, М: 1 — 0,0028; 2 — 0,0060;
3 — 0,0121; 4 — 0,0242; 5 — 0,0303; б) орто-ванилин. С, М: 1 — 0,0058; 2 — 0,0122; 3 — 0,0174; 4 — 0,0232; 5 — 0,0290; в) изо-ванилин. С, М: 1 — 0,0056; 2 — 0,0169; 3 — 0,0225; 4 — 0,0281; г) протокатеховый альдегид. С, ^М: 1 — 4,3; 2 — 6,4; 3 — 9,8;
4 — 12,9; 5 — 14,9; 6 — 18,7
a
в
1
0
0
б
0
0
Характеристики антирадикальной активности
Соединение ЕС50, моль/л сек АЕ, л/(моль-с) Уравнение линии r
Изованилин 0,026 2415 0,016 % = -1411,9C + 87,3 0,95
Ванилин 0,026 2125 0,018 % = -1884,1С + 99,6 0,99
Орто-ванилин 0,016 1421 0,044 % = -1343,3C + 71,7 0,98
Протокахетовый альдегид 0,000011 45 2020 % = -4,5387 106С + 97,5 0,98
(Т1/2ДФ1М), а также величину, обратную произведению ЕС50 и Т1/2ДФПГ, как «антирадикальную эффективность», АЕ (АЕ = 1/(ЕС50хТ1/2ДФПГ). Эта величина симбатна антирадикальной активности (табл.).
Рис.3. Кинетические кривые гибели радикала ДФПГ в реакции с антиоксидантами: 1 — изованилин, 2 — ванилин, 3 — орто-ванилин. (САО = 0,012 М; СДФПГ = 77,0 мМ)
В таблице приведены вычисленные характеристики антирадикальной активности изученных соединений. Как видно, наиболее выраженными антирадикальными свойствами обладает протокатеховый альдегид. Высокая антирадикальная активность этого соединения, очевидно, связана с наличием двух гидро-ксильных групп [19] с разной реакционной способностью за счет наличия альдегидной группы как элек-троноакцепторного заместителя в бензольном кольце.
1. Breese K.D., Lemethe J.-F., De Armitt C. Improving synthetic highered phenols antioxidants: learning from vitamin E // Polymer Degradation and Stability. 2000. Vol.70. P.89-96.
2. Денисов E.T., Азатян B.B. Ингибирование цепных реакций. Черноголовка: ИФХЧ РАН, 1997. 268 с.
3. Rice-Evans C.A., Miller N.J., Paganga G. Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic acids // Free Rad. Biol. Med. 1996. Vol.20. P.933-956.
4. Heim K.E., Tagliaferro A.R., Bobilya D.J. Flavonoid anti-
oxidants: chemistry, metabolism and structure-activity rela-
tionships // J. Nutr. Biochem. 2002. Vol.13. P.572-584.
5. Lien E.J., Ren S.J., Bui H.Y.H., Wang R.B. Quantitative structure-activity relationship analysis of phenolic antioxidants // Free Rad. Biol. Med. 1999. Vol.26. P.285-297.
6. Amic D., Davidovic-Amic D., Beslo D., Trinajstic N. Structure-radical scavenging activity relationships of flavonoids // Croat. Chem. Act. 2003. Vol.76. P.55-61.
7. Burda S., Oleszok W. Antioxidant and antiradical activities of flavonoids // J. Agric. Food Chem. 2001. V.49. P.2774-2779.
8. Harborne J.B., Williams C.A. Advances in flavonoid research since 1992 // Phytochem. 2000. Vol.55. P.481-504.
9. Yang B., Kotani A., Arai K., Kusu F. Estimation of the antioxidant activities of flavonoids from their oxidation potentials // Analytical Sciences. 2001. Vol.17. P.599-604.
10. Farkas O., Jakus J., Heberger K. Quantitative structure - an-tioxidant activity relationships of flavonoids compounds // Molecules. 2004. Vol.9. P.1079-1088.
11. Yang J.-G., Liu B.-G., Liang G.-Zh., Ning Zh.-X. Structure -Activity relationship of flavonoids active against hard oil oxidation based on quantum chemical analysis // Molecules.
2009. Vol.14. P.46-52.
12. Seyoum A., Asres K., El-Fiky F.K. Struture-radical scavenging activity relationships of flavonoids // Phytochemistry. 2006. Vol.67. P.2058-2070.
13. Дикусар Е.А., Поткин В.И., Козлов Н.Г. Бензальдегиды ванилинового ряда. Синтез производных, применение и биологическая активность // LAP LAMBERT Academic Publishing. 2012. 604 с.
14. Marinova G., Batchvarov V. Evaluation of the methods for determination of the free radical scavenging activity by DPPH // Bulg. J. Agric. Sci. 2011. Vol.17. P.11-24.
15. Brand-Williams W., Cuvelier M.E., Berset C. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity // Lebensm.-Wiss. u.-Technol. 1995. Vol.28. P.25-30.
16. Lebeau J., Furman C., Bernier J.-L., et а! Antioxidant properties of di-fref-butilhydroxylated flavonoids // Free Radical Biol. Med. 2000. Vol.29. №9. P.900-912.
17. Quan H., Ninorimbere V. Antioxidant power of phytochemi-cals from Psidium guajava leaf // Zhejiang Univ. SCI. 2004. Vol.5. №6. P.676-683.
18. Илькевич Н.С., Рыбаченко В.И., Шредер Г. и др. Изучение реакции госсипола и его имно-производных с 2,2'-дифенил-1-пикрилгидразилом // Журн. общей химии.
2010. Т.80. №2. С.276-282.
19. Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Кандалинцева Н.В. Фе-нольные антиоксиданты в биологии и медицине. Строение, свойства, механизмы действия // LAP LAMBERT Academic Publishing. 2012. 496 с.
1.
References
Breese K.D., Lemethe J.-F., De Armitt C. Improving synthetic highered phenols antioxidants: learning from vitamin E. Polymer Degradation and Stability, 2000, vol. 70, pp. 8996.
2. Denisov E.T., Azatian B.B. Ingibirovanie tsepnykh reaktsii [Inhibition of chain reactions]. Chernogolovka, IFKhCh RAS, 1997. 268 p.
3. Rice-Evans C.A., Miller N.J., Paganga G. Structure-antioxidant activity relationships of flavonoids and phenolic acids. Free Radical Biology & Medicine, 1996, v.20, p.933-956.
4. Heim K.E., Tagliaferro A.R., Bobilya D.J. Flavonoid antioxidants: chemistry, metabolism and structure-activity relationships. Journal of Nutritional Biochemistry, 2002, vol. 13, pp. 572-584.
5. Lien E.J., Ren S.J., Bui H.Y.H., Wang R.B. Quantitative structure-activity relationship analysis of phenolic antioxi-dants. Free Radical Biology & Medicine, 1999, vol. 26, pp. 285-297.
6. Amic D., Davidovic-Amic D., Beslo D., Trinajstic N. Structure-radical scavenging activity relationships of flavonoids. Croatica Chemica Acta, 2003, vol. 76, pp. 55-61.
7. Burda S., Oleszok W. Antioxidant and antiradical activities of flavonoids. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, vol. 49, pp. 2774-2779.
8. Harborne J.B., Williams C.A. Advances in flavonoid research since 1992. Phytochemistry, 2000, vol. 55, pp. 481-504.
9. Yang B., Kotani A., Arai K., Kusu F. Estimation of the anti-oxidant activities of flavonoids from their oxidation potentials. Analytical Sciences, 2001, vol. 17, pp. 599-604.
10. Farkas O., Jakus J., Heberger K. Quantitative structure - an-tioxidant activity relationships of flavonoids compounds. Molecules, 2004, vol. 9, pp. 1079-1088.
11. Yang J.-G., Liu B.-G., Liang G.-Zh., Ning Zh.-X. Structure -Activity relationship of flavonoids active against hard oil oxidation based on quantum chemical analysis. Molecules, 2009, vol. 14, pp. 46-52.
12. Seyoum A., Asres K., El-Fiky F.K. Struture-radical scavenging activity relationships of flavonoids. Phytochemistry, 2006, vol. 67, pp. 2058-2070.
13. Dikusar E.A., Potkin V.I., Kozlov N.G. Benzal'degidy vanili-novogo riada. Sintez proizvodnykh, primenenie i biologicheskaia aktivnost' [Vanillic benzaldehydes: Synthesis of derivatives, application, and biological activity]. Saarbrücken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 604 p.
14. Marinova G., Batchvarov V. Evaluation of the methods for determination of the free radical scavenging activity by DPPH. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2011, vol. 17, pp. 11-24.
15. Brand-Williams W., Cuvelier M.E., Berset C. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LebensmittelWissenschaft & Technologie, 1995, vol. 28, pp. 25-30.
16. Lebeau J., Furman C., Bernier J.-L., Duriez P., Teisser E., Cotelle N. Antioxidant properties of di-tret-butilhydroxylated flavonoids. Free Radical Biology & Medicine, 2000, vol. 29, no. 9, pp. 900-912.
17. Quan H., Ninorimbere V. Antioxidant power of phytochemi-cals from Psidium guajava leaf. Journal of Zhejiang University SCIENCE, 2004, vol. 5, no. 6, pp. 676-683.
18. Il'kevich N.S., Rybachenko V.I., Shreder G., Dmitruk A.F., Chotii K.Iu. Izuchenie reaktsii gossipola i ego imno-proizvodnykh s 2,2'-difenil-1-pikrilgidrazilom [Study of reaction of gossypol and its imino derivatives with 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl]. Zhurnal obshchei khimii - Russian Journal of General Chemistry, 2010, vol. 80, no. 2, pp. 301-307.
19. Men'shchikova E.B., Lankin V.Z., Kandalintseva N.V. Fenol'nye antioksidanty v biologii i meditsine. Stroenie, svoistva, mekhanizmy deistviia [Phenolic antioxidants in biology and medicine: Structure, properties, and mechanisms]. Saarbrücken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 496 p.
