CC BY
84
УДК 547.51
И. В. Тихонов, Е. М. Плисс, А. И. Русаков
Реакционная способность полифенолов различных классов в процессе ингибированного окисления стирола
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова [email protected]
I. V. Tikhonov, E. M. Pliss, A. I. Rusakov Reactionary ability of polyphenols of various classes during inhibiting
of oxidation of styrene
P. G. Demidov Yaroslavl State University e-mail: [email protected]
Произведен квантово-химический расчет проч-ностей связей О—Н в 20 фенолах различных классов. Установлена линейная зависимость между логарифмом константы скорости взаимодействия антиоксиданта с пероксидным радикалом и прочностью связи в феноле для монофенолов и производных пирокатехина и гидрохинона. Показано, что производные пирогаллола и о-метоксифенолы не описываются данной зависимостью, что объяснено несоблюдением принципа линейности свободных энергий для фенолов этих классов.
Ключевые слова: ингибированное окисление стирола; полифенолы.
Quantum-chemical calculation of durabilities of connections O—H in 20 phenols of various classes is made. Linear dependence between the logarithm of rate constant of interaction of an antioxidant with peroxide radical and durability of connection in phenol for monophenols and derivatives pyrocatechol and hydrochinone is established. It is shown, that derivatives pyrogallic acid and o-methoxyphenols are not described by the given dependence that is explained by non-observance of a principle of linearity free energy for phenols of these classes.
Key words: inhibition oxidation of styrene; polyphenols.
Введение
Фенолы являются важнейшим классом соединений, которые способны ингибировать окисление органических соединений. Феноль-ные антиоксиданты играют важную роль в технологических процессах получения, переработки и хранения топлив, масел, полимеров и пищевых продуктов. Кроме того, природные биоантиоксиданты, регулирующие метаболизм в живых организмах, также относятся к классу замещенных фенолов и их производных. Многие природные антиоксиданты являются по строению полифенолами, т. е. содержат несколько ОН-групп в одном бензольном кольце. Из двухатомных фенолов наибольшее значение имеют производные пирокатехина (флавоноиды, гормональные катехоламины, ароматические гидроксикислоты) и гидрохинона (убихинолы и пластохинолы). Также в природе широко представлены производные трехатомного фенола пирогаллола (флавонои-ды, галловая кислота — составная часть танни-
нов) 1. Кроме того, многие природные анти-ок-сиданты представляют собой метоксифенолы — метилированные производные полифенолов.
Полифенолы (0Н2) тормозят окисление за счет реакции с пероксидным радикалом ИО/:
яо/ + он2 ^ иоон + он (1)
Константа скорости этой реакции к1 является важнейшим параметром, характеризующим антиоксидантную активность полифенолов. Есть различные подходы к определению антиоксидантной активности 2. Из них наиболее адекватным и теоретически обоснованным является использование контролированной цепной реакции окисления модельного субстрата 3. В качестве субстрата окисления наиболее удобен стирол, поскольку он позволяет определить истинную антиоксидантную активность соединений, не осложненную образованием водородных связей или другими взаимодействиями 4. В рамках этого подхода был
Дата поступления 25.11.08
исследован ряд соединении, в частности, мет-оксифенолы 5, производные гидрохинона 6,
7 8
пирокатехина и пирогаллола ' .
Важным вопросом при изучении реакционной способности антиоксидантов является установление ее связи со строением молекул. Одним из основных параметров, определяющих активность антиоксидантов, является прочность ОН-связи в молекулах фенолов 3' 9. Поэтому целью настоящей работы явился анализ зависимости значений k1 для полифенолов и метоксифенолов от величин прочностей связей в молекулах этих соединений.
Методика эксперимента
В работе были использованы антиокси-данты (Sigma): ванильная и феруловая кислоты, n-метоксифенол, бутилгидроксианизол, 6-гидрокси-2,2,5,7,8-пентаметилбензохроман. Стирол и хлорбензол (ОАО «Реактив») очищались пропусканием через оксид алюминия с последующей перегонкой под вакуумом. В качестве инициатора использовали 2,2'-азо-бис-2,4-диметилвалеронитрил (AMVN, Poly-sciences Inc.). Окисление стирола проводили в атмосфере воздуха в режиме инициированного процесса. Кинетику поглощения кислорода при окислении изучали при температуре 37 оС с помощью высокочувствительного капиллярного микроволюмометра, конструкция ячейки которого позволяла вводить тестируемые антиоксиданты (в виде растворов в хлорбензоле) в ходе опыта. Объем окисляемой смеси составлял 0.6—1.0 мл. Каждый эксперимент начинали с определения скорости неингибиро-ванного окисления R0. Микроволюмометр калибровали, отбирая с помощью микрошприца известный объем воздуха. Скорость инициирования Ri определяли методом ингибиторов по времени окончания периода индукции t с помощью соотношения Ri = 2[InH]0/1. В качестве ингибитора при этом использовали 6-гидрокси-2,2,5,7,8-пентаметилбензохроман.
Прочность связи O—H рассчитывалась как изменение энтальпии в реакции PhOH — — PhO^ + H при 298К. Геометрии PhOH и PhO^ оптимизировались методом AM1. Электронные энергии рассчитывались методом B3LYP с использованием базисного набора локальной плотности. ОН-группе фенола сопоставлялся базисный набор 6-311+G(2d,2p), бензольному кольцу — 6-311+G(d), заместителям в бензольном кольце — 6-31G(d). Термический вклад в энтальпию рассчитывался методом AM1, частоты колебаний при этом умно-
жались на 0.973. Подробная методика расчета описана в 9. Расчет проводился в программном комплексе РС GAMESS 10.
Результаты и их обсуждение
Процесс окисления стирола в присутствии полифенолов описывается следующей кинети-
ческой схемой
6, 8:
(0) AMVN + (RH + O2) — RO/ + продукты Ri = ki • [AMVN]
(2) RO/ + RH + (O2) — ROOH + RO/ k2
(3) RO/ + RO/ — продукты k 3
(1) RO/ + QH2 — ROOH + QH k 1
(4) QH + RO/ — ROOH + Q
k 4
(5) он + он ^ ои2 + О к 5
Этой схемой также описывается и ингиби-рованное окисление стирола в присутствии монофенолов, но в этом случае гибель фенок-сильных радикалов в реакциях (4) и (5) происходит путем рекомбинации.
В работах 6' 8 показано, что для полифенолов преимущественным каналом гибели радикалов ОН является реакция (5). В этих случаях получаемое из расчета значение к1 необходимо умножать на 2 (вывод соответствующих уравнений рассмотрен в 6). Для монофенолов более предпочтительно протекание реакции рекомбинации (4).
Для анализа реакционной способности был выбран ряд поли- и монофенолов (рис. 1): производные пирокатехина (1—4, 10, 12), пирогаллола (5, 6, 11, 13), гидрохинона (14, 15), о-метоксифенолы (7—9), монофенолы (16—20). Резвератрол 19 условно отнесен к монофенолам, поскольку у него активной в реакции (1) является ОН-группа в п-положении к мостику —СН=СН—. Для соединений 7, 8, 16, 17, 20 значения к1 были определены в настоящей работе. Данные для остальных соединений были взяты из работ 5-8. В работе 7 для соединения 4 не была учтена возможность протекания реакции (5), поэтому соответствующее значение к1 было удвоено. Данные по величинам к1 для всех соединений приведены в табл.
В литературе имеются данные по экспериментально измеренным прочностям связей лишь для некоторых из исследованных соеди-
нений
11-13
Результаты же квантовохимичес-ких расчетов значительно различаются между собой и отличаются от экспериментальных
он
он
он
я
1 я = н
2 я = соон
3 я = сн=сн-соон
4 я = с(снз)з
оснз
он
я
5 Я = н
6 я = соон
он
он я
он
но
он
7 я = соон
8 я = сн=сн-соон он о
9 я = сн2сн2снз 10 я = н
11 я = он
он
12 я = н
13 я = он
14 я = н
15 я = сн3
он
но
он
он
я
я
оснз
16 я = н
17 я = с(снз)з
ноос
он
18
но
он
я
19
20
Рис. 1. Структуры изученных антиоксидантов
данных 9' 14' 15. Для корреляционного анализа необходимы результаты, полученные в рамках одного метода, чтобы исключить систематические ошибки, возникающие при переходе от одного метода к другому. Нами был выбран метод расчета прочностей связей, описанный в работе 9. К его достоинствам относятся относительная простота, быстрота расчета и достаточно адекватное соответствие экспериментальным результатам.
Строение полифенолов различных классов рассмотрено в работе 9. В пирокатехине и его производных при взаимодействии с ИО2* преимущественно отрывается атом водорода, не связанный внутримолекулярной водородной связью, т. е. фактически активной в реакции (1) является одна ОН-группа. В пирогаллоле наиболее активна также одна центральная ОН-группа. В гидрохиноне есть две несвязанных эквивалентных ОН-группы, отрыв атома водорода может произойти от любой из них. Поэтому значения к1 для симметричных гид-рохинонов 14 и 15, полученные в работе 6, были поделены на 2, чтобы получить реакционную способность в расчете на одну активную
ОН-группу. В метоксифенолах и других монофенолах активной является единственная ОН-группа в молекуле.
Для всех выбранных антиоксидантов был проведен расчет прочностей связей (ДОН) для активных ОН-групп. Результаты расчета приведены в табл. По данным этой таблицы можно проанализировать сходства и различия в строении и реакционной способности для монофенолов и полифенолов различных классов.
Гидрохинон 14 и п-метоксифенол 16 обладают почти одинаковой реакционной способностью и близкими значениями прочностей связей. То же справедливо и для их алкилиро-ванных аналогов 15 и 17. Из этого можно сделать вывод, что достаточно высокая реакционная способность гидрохинонов — следствие исключительно электронодонорного эффекта ОН-группы в п-положении (электронодонор-ные свойства групп ОН и ОСН3 близки между собой).
При переходе к о-изомерам гидрохинона и метоксифенола ситуация резко меняется. Так, алкилированный пирокатехин 4 в 60 раз активнее алкилированного о-метоксифенола 9
и имеет Дон на 5.5 ккал/моль ниже. Аналогичные результаты наблюдаются в парах соединений 2—7 и 3—8. Разная реакционная способность производных пирокатехина и о-ме-токсифенолов является следствием образования внутримолекулярной водородной связи. В результате по сравнению с соответствующими п-изомерами пирокатехины несколько активируется, а о-метоксифенолы заметно дезактивируются 16. Так, пирокатехин 1 имеет в 3.5 раза большую к! и Д0н на 3 ккал/моль ниже, чем изомерный ему гидрохинон 14. Алкилиро-ванный о-метоксифенол 9 имеет на порядок меньшую активность и Д0н на 3 ккал/моль выше, чем алкилированный п-метоксифенол 17. Сравнивая замещенный о-метоксифенол 8 с соответствующим монофенолом 18, можно заметить, что электронодонорный эффект ме-токсигруппы полностью компенсируется образованием внутримолекулярной водородной связи (близкие значения к! и Д0н).
Производные пирогаллола имеют более
высокие значения к! и более низкую Д0н, чем соответствующие производные пирокатехина. Соединения 5, 11 и 13 по активности сравнимы с аналогом а-токоферола 20, имея при этом самые низкие показатели прочности связей.
Неожиданным результатом являются близкие значения Дон для пирокатехина 1 и соответствующих флавоноидов 10 и 12, хотя последние более активны. Возможно, использованный метод расчета плохо передает особенности строения и, как следствие, энергетические характеристики данных флавоноидов.
Известно, что в пределах одной реакционной серии соблюдается принцип линейности свободных энергий (ЛСЭ) 17. Как следствие, между логарифмом значения к! и величиной Юон фенола существует линейная корреляция 3. На рис. 2 приведена такая зависимость для исследованных соединений.
Как можно увидеть, для монофенолов и производных гидрохинона и пирокатехина наблюдается хорошая корреляция. В эту зави-
Таблица
Экспериментальные значения к1 и рассчитанные прочности связей для исследованных соединений
№ Название Оои,
л/(моль • с) ккал/моль
1 Пирокатехин 1.0 • 106 а 78.1
2 Протокатеховая кислота 4.3 • 105 а 79.7
3 Кофейная кислота 1.5 • 106 а 77.1
4 4-трет. -Бутилпирокатехин 1.8 • 106 6 76.6
5 Пирогаллол 2.7 • 106 а 71.4
6 Галловая кислота 1.2 • 106 а 76.4
7 Ванильная кислота 2.9 • 103 а 89.2
8 Феруловая кислота 1.8 • 104 а 85.5
9 2-Метокси-4-пропилфенол 3.1 • 104 е 82.1
10 Кверцетин 1.9 • 106 а 78.0
11 Мирицетин 2.8 • 106 а 72.1
12 Эпикатехин 1.6 • 106 а 78.3
13 Эпигаллокатехин 3.2 • 106 а 70.0
14 Гидрохинон 2.8 • 105 8 81.2
15 2,5-Диметилгидрохинон 6.0 • 105 8 78.9
16 л-Метоксифенол 2.7 • 105 а 80.9
17 Бутилгидроксианизол 7.0 • 105 а 79.0
18 л-Кумаровая кислота 2.5 • 104 а 85.6
19 Резвератрол 1.7 • 105 а 81.2
20 а-Токоферол (модель) 2.8 • 106 а 75.8
а Значения из 8.
б Значение из 7, умноженное на 2. в Значение из 5.
г Значения из 6, поделенные на 2. д Определено в настоящей работе.
lg k
6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5
o<>
70
75
80
Монофенолы
Производные гидрохинона Производные пирокатехина Производные пирогаллола Метоксифенолы Эпикатехин и кверцетин
85 90
DOH, ккал/моль
Рис. 2. Зависимость логарифма величины k от DOH для моно- и полифенолов.
симость не вписываются кверцетин 10 и эпикатехин 12 по причинам, изложенным выше. В то же время точки, соответствующие производным пирогаллола и о-метоксифенолам, лежат заметно ниже этой прямой. Это легко объяснимо, поскольку в производных пирогаллола и о-метоксифенолах атом водорода активной ОН-группы связан внутримолекулярной водородной связью. На разрыв этой связи требуется дополнительные затраты энергии, что должно приводить к повышению энергии активации реакции. В результате нарушается принцип ЛСЭ, что ведет к отсутствию корреляции с фенолами других классов (с несвязанным активным атомом водорода). Таким образом, монофенолы и производные гидрохинона и пирокатехина образуют единую реакционную серию, в которой соблюдается принцип ЛСЭ.
Литература
1. Kandaswami C., Middleton E. Flavonoids as antioxidants / Natural antioxidants. Chemistry, health effects, and applications.— Champaign: AOCS Press, 1997.- P. 174.
2. Roginsky V., Lissi E.A. // Food Chem.- 2005.-V. 92, №. 2.- P. 235.
3. Рогинский В.А. Фенольные антиоксиданты: Реакционная способность и эффективность.- М.: Наука, 1988.- 247 с.
4. Burton G. A. et al. // J. Am. Chem. Soc.-1985.- V. 107, № 24.- P. 7053.
5. Barclay L.R.C., Xi F., Norris J.Q. // J. Wood. Chem. Tech.- 1997.- V. 17, № 1.- P. 73.
6. Loshadkin D., Roginsky V., Pliss E. // Int. J. Chem. Kinet.- 2002.- V. 34, № 3.- P. 162.
7. Xi F., Barclay L.R.C. Can. // J. Chem.- 1998.-V.76, № 2.- P. 171.
8. Tikhonov I., Roginsky V., Pliss E. // Int. J. Chem. Kinet.- Article in press.
9. Wright J.S., Johnson E.R., DiLabio G.A. // J. Am. Chem. Soc.- 2001.- V. 123, № 6.-P. 1173.
10. Granovsky A. A. PC GAMESS version 7.0 http: //classic.chem.msu.su/gran/gamess/ index.html.
11. Suryan M.M., Kafafi S.A., Stein S.E. // J. Am. Chem. Soc.- 1989.- V. 111, № 13.- P. 4594.
12. Mahoney L.R., DaRooge M.A. // J. Am. Chem. Soc.- 1975.- V. 97, № 16.- P. 4722.
13. Lucarini M., Pedulli G.F., Cipollone M. // J. Org. Chem.- 1994.- V. 59, № 17.- P. 5063.
14. Zhang H.-Y., Sun Y.-M., Wang X.-L. // Chem. Eur. J.- 2003.- V. 9, № 2.- P. 502.
15. Thavasi V., Leong L.P., Bettens R.P.A. // J. Phys. Chem. A.- 2006.- V. 110, №14.-P. 4918.
16. Barclay L.R.C., Vinqvist M.R. Phenol as antioxidants / The chemistry of phenols. Part 2.-John Wiley & Sons, 2003.- Ch. 12.- P. 839.
17. Денисов Е.Т., Азатян В.В. Ингибирование цепных реакций.- Черноголовка, 1996.- 268 с.
