CC BY
39
УДК541127; 541.124.542.91;547.563.4;547.391
A. А. Володькин, Е. Б. Бурлакова, Г. Е. Заиков,
B. Д. Гаинцева, С. М. Ломакин, С. А. Шевцова
РЕЗУЛЬАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ СТРУКТУР
1-(КАРБОКСИ)-1-(]Ч-МЕТИЛАМИД)-2-(3’,5’-ДИ-ТРЕТ. БУТИЛ-4’-ГИДРОКСИФЕНИЛ)-ПРОПАНОВОЙ
КИСЛОТЫ, 1-(КАРБОКСИ)-1-(]Ч-МЕТИЛАМИД)-2-(3’,5’ ДИ-ТРЕТ. БУТИЛ-4’-ГИДРОКСИФЕНИЛ)-
ПРОПАНАТА НАТРИЯ И КАЛИЯ В ПРИБЛИЖЕНИИ РМ6
Ключевые слова : квантово-химический расчет, морас2009, конформеры, энергия связи , ЯМР и ИК- спектроскопия,
антиоксидант, структура.
Квантово-химическими__ расчетами в приближении РМ6 вычислены энергии образования и термодинамические функции конформеров г(карбокси)-1 -(М-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил) пропановой кислоты(1) 1-(карбокси)-1-(Ы-метиламид)- 2-(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил)пропанатов натрия (2) и калия(3).Обнаружено удвоение сигналов в 1Н ЯМР спектре 1 , которые при нагревании сливаются в
синглеты. Изменение структуры конформеров и донорно-акцепторных комплексов (сольватов) протекает с сохранением координационной связи металла с лигандом. Анализ термодинамических функций. 1-(карбокси)-1-(М-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил)- пропанатов и 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропанатов щелочных металлов позволяет прогнозировать строение и свойства сольватированных структур. Вычислены энергии разрыва связи Н-О (О(ОН) ) установлена линейная зависимость антиокислительной активности (АОА) от й(ОН) структур исследуемых соединений, образование которых связано с термодинамическим равновесием.
Keywords: quantum-chemical calculation, moras2009, conformers, binding energy, NMR- and IR-spectroscopy, antioxidant, structure.
By quantum-chemical calculations in the approximation of RM6 were calculated the energies of formation and thermodynamic functions of conformers 1-(carboxy)-1-(N-methylamid)-2-(3’,5’-ditretbutil-4’-hydroxyphenyl) of propanoic acid (1), 1-(carboxy)-1-(N-methylamid)-2-(3’,5’-ditretbutil-4’-hydroxyphenyl) of sodium propanates (2) and potassium (3). A doubling of signals in the 1H NMR spectrum 1, which are merging into singlets when heated, was detected. Changing of the conformers structure and the donor-acceptor complexes (solvates) proceeds with preservation of the metal coordination bond with the ligand. Analysis of the thermodynamic functions of 1-(carboxy)-1-(N-methylamid)-2-(3’,5’-ditretbutil-4’-hydroxyphenyl) propanates and 3-(3 ’,5 ’-ditretbutil-4 ’-hydroxyphenyl) propanates of alkali metals allows us to predict the structure and properties of solvated structures. The energies of the bond H-0 (D(OH)) were calculated. A linear dependence of antioxidant activity (AOA) from D (OH) structures of the compounds, whose formation is related to thermodynamic equilibrium, is determined.
В 1956 году академик (тогда еще только профессор) Эмануэль Николай Маркович выступил с пленарной лекцией в Институте Здоровья (Бетезда, Мериленд, США), в которой изложил свою новую точку зрения на свободно-радикальные реакции в живом организме. Он впервые показал, что в живом организме проходят многочисленные радикальные и радикально-цепные реакции. Часть из них - это «хорошие реакции», например, реакция окисления липидов (жиров) в организме, а другая часть -«плохие реакции»: это те, которые сопровождаются ростом раковых опухолей, старением организма (геронтология), лучевым поражением и т.д.
А если это так, то можно подобрать стабилизаторы (антиоксиданты), которые «переловят» все радикалы в «плохих реакциях» и остановят эти реакции.
К этому времени ученые и практики знали ряд стабилизаторов, которые успешно применялись не только при стабилизации полимеров (пластиков, каучуков, резин, волокон и т.д.), но и в пищевой (в качестве добавок к жирам и консервам) и в фармацевтической промышленности, предохраняя лекарства от окислительной порчи. Одним из наиболее известных и часто применяемых для этой цели антиоксидантом является пространственно-
затрудненный фенол под торговой маркой «Ионол» (известный в медицине как «Дибунол»). Это 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол. Именно этот
антиоксидант затем прошел у нас в стране (разработка Н.М. Эмануэля с сотрудниками) все необходимые проверки и применяется в настоящее время в клиниках при лечении рака мочевого пузыря, рака легких, саркомы печени и т.д.
Тогда (в 1956 году) Н.М. Эмануэль ввел термин «биоантиоксидант». Теперь этот термин используется всеми, но без ссылки на автора.
Прекрасный биоантиоксидант
(пространственно-затрудненный фенол) изобрела природа. Это витамин Е - один из четырех стереоизомеров токоферола.
К настоящему времени учеными создано большое число подобных стабилизаторов, которые с успехом применяются при стабилизации полимеров (например, IRGANOX-10-10 - Ciba-Geigy, Basel, Switzerland) и могут применяться в качестве лекарств при различных заболеваниях.
Реакционная способность этих соединений определяет эффективность их действия.
Данная статья посвящена изучению структуры и реакционной способности некоторых пространственно-затрудненных фенолов.
Введение
Программное обеспечение квантовохимических расчетов позволяет вычислять энергетические параметры и геометрию структур химических соединений, и этот метод использовался ранее в исследовании процессов сольватации [1, 2]. Методом «(и)В3ЬУР/6-3Ш» [3] вычислены энергии образования таутомеров 2,3,5.6,7-пентагидрокси-7-этилнафтохинона с локальными минимумами энергий 2-5 ккал.моль-1 , вычислены энергии барьеров вращения ротамеров [4-6].'. Актуальность вычислительных технологий очевидна и по значимости сопоставима с рентгеноструктурным анализом.
В настоящей работе определены количественные параметры двух конформеров молекулы 1 -(карбокси)- 1 -(Ы-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет. бутил-4’-гидроксифенил)- пропановой кислоты (1) по двум потенциальным минимумам структур в приближении РМ6 и расщеплению сигналов от мета-протонов в ароматическом цикле и протонов от трет. бутильных групп в1Н ЯМР спектре. Минимумы энергии образования
1 -(карбокси)- 1 -(Ы-метиламид)- 2-(3’,5’-ди-трет.
бутил-4’-гидрокси-фенил) пропаната натрия (2) или калия (3) соответствуют структурам, в которых катион металла образует координационные связи. Установлена зависимость энергии разрыва связи НО (Бон) фенольного гидроксила от структуры молекул, гидратных и донорно-акцепторных комплексов. Обнаружено увеличение антиокислительных свойств липидной фракции печени мышей после инъекции полученных соединений и проведена корреляция между антиокислительной
Результаты 1Н ЯМР спектра 1 указывают на два сигнала от протонов трет-бутильных групп и мета-протонов ароматического кольца, а их интенсивность —1:2. При нагревании дублетные сигналы от мета-протонов и трет.бутильных групп сливаются в синглеты, что характерно для быстрых (в шкале времени ЯМР) обратимых процессов. Энергии образования структур М1 и М2 равны -1198.93 и -1195.59 кДж.мол-1 соответственно. Величина Д( М1 -М2) = 3.34 кДж.мол-1 ( —0.8 ккал.мол-1) соответствует энергии обратимой изомеризации двух конформеров. В равновесии между структурами М1 и М2 энтальпия Д Б° = +341.17 Дж.мол-1, энтропия Д 8° = +8.64 энтр.ед.. Изменение свободной энергии в стандартных условиях Дв° = -2233.55 Дж.мол-1, термодинамическая константа равновесия К = — 2.5. В соединениях 2 и 3 возможны 3 структуры (схема 2), минимумы образования которых рассчитаны в приближении РМ6.
Обсуждение результатов
Синтез биологически активных соединений связан с разработкой малотоксичных и водорастворимых субстанций. Антиоксиданты из класса пространственно-затрудненных фенолов и производных малоновой кислоты представляются перспективными, поскольку сочетание этих двух компонентов в одной структуре позволяет получать
ожидаемые результаты, а современный уровеньрасчетных технологий дает возможность прогнозировать свойства на основе квантовохимических расчетов. В качестве объектов исследования использованы 1-(карбокси).-1-(Ы-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-
гидроксифенил)- пропановая кислота (1) и 1-(карбокси)-1 -(И-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил)-пропанаты натрия (2) и калия (3), в молекулах которых один из атомов углерода образует связи с 4 различными заместителями. В молекуле 1 один из атомов углерода связан с тремя функциональными заместителями, что позволяет исследовать конформационные переходы с учетом их термодинамических функций. Образование конформеров основано на данных 'Н ЯМР спектра 1 и квантово-химических расчетов. Установлено образование двух минимумов потенциальных энергий, соответствующих структурам Мі и М2 (схема 1).
Схема 1
соон
ноос
М1
соон
ШСОСНз
М2
ноосч ЛШСоСНз
Аг -- С^ши^он
/СН2
С^Сокн^/ Соок (Ка)-нооС
Схема 2
Г
:н,
СооК(Ыа);
инсосн3
М4
СооК (Иа) М5
Аг " СбН2(Ши)2он
Энергии образования структур М3 и М4 молекулы
2 соответственно равны -1507.29 и -1499.10 кДж.мол-1 Разность величин энергий М4 - М3 ~ 8.33 кДж.мол-1. . Энергии образования М3 и М4 (молекулы 3) соответственно равны -1461.96 и -1439.75 кДж.мол-1. Разница в энергиях образования М3 и М5 > 8000 кДж.мол-1. В равновесии между структурами М3 и М4 ( 2-Ка) Д Е0 = -1046.58 Дж.мол-1, Д Б0 = -8.93 энтр.ед.( ДС° =1614.56 Дж.мол-1, К= ~ 0.5). Для аналогичных структур соединения 3-К: Д Е0 = +59.73 Дж.мол-1, Д Б0 =-
0.21 энтр. ед.( ДС° = -2.85 Дж.мол-1, К=1.0) Соединения 2 и 3 образуют кристаллогидраты (например, структуры М3Ыа.2Н2О , М4Ыа.2Н2О, М3К.2Н2О и М4К.2Н2О), которые в зависимости от условий образования и выделения содержат до 12 молекул воды. Термодинамические функции соответствующих структур приведены в таблице 1.
В структурах 2 и 3 атомы металла расположены над шестичленным циклом и образуют координационные связи с атомом кислорода карбоксильной группы и атомом
Аг
Аг
Аг
Сн
снхои
Аг
Аг
сн
ноос
кислорода амидной группы (М3), или с атомами кислорода двух карбоксильных групп (М4) На рис.1 указаны нумерации атомов в структурах 1(Мі) и 3М4, а в таблице 2 приведены длины связей между атомами и валентные углы.
Таблица 1 - Энергии образования (Ег) и
термодинамические функции структур соединений 1-3 при 298К
Струк -тура -Е , кДж. мол-1 Энта- льпия Ео, Дж.мол-1 Л Е° энтропия в° , Дж.мол-1 ЛБ°
М1 1198.92 83552.14 835.60
М2 1195.59 83893.31 +0.40 844.24 + 8.64
М3(№) 1507.29 86188.63 835.33
М4(№) 1499.10 85142.06 - 1046.58 826. -8.93
М3(К) 1461.96 85805.22 832.13
М4(К) 1439.75 86060.35 +59.73 831.91 -0.21
М3(№)-
■2Н2О 2008.58 103208.36 963.52
М4(№)-
■2Н2О 2022.75 103661.56 +453.19 975.06 +11.5
М3(К)-
•2Н2О 1982.10 100943.20 941.92
М4(К)-
■2Н2О 1971.80 103039.66 +2096.48 964.55 +22.63
Рис. 1 - Структуры 1(М1) и 3 (М4) по данным мопак-файлов в РМ6
Строение соединений по результатам расчета согласуются с ИК-спектрами , в которых отсутствуют характерные частоты для связи С=О карбоксильной группы, но образуется широкая полоса в области 1600 см-1. Специфичность строения 2 и 3 очевидна в сравнении со строением и свойствами 3-(3’,5’-ди-да/>еда.бутил-4’-
гидроксифенил)- пропанатами калия (4) (рис.2) или натрия (5).
Атом металла в этой структуре образует связь только с атомом кислорода карбоксильной группы и имеет линейную структуру. Соединения
2-5 растворимы в воде, что делает их перспективными в биологических исследованиях. Использование результатов квантово-химических расчетов в исследовании обратимой реакции сольватации изучены и обобщены ранее [1].Сольватация соединений 2 и 3 представлена схемой 3, которая основана на данных энергий образования, энтальпии и энтропии исходных и промежуточных структур. Кристаллогидратам 2 и 3 соответствует структура В. Сольватация в модельной реакции сольволиза приводит к образованию структур С и Сщ^ (табл. 3).
Рис. 2- Структура 4 по данным мопак файла в РМ6
Из величин термодинамических констант равновесия следует, что в условиях сольватации соединений 2 и 3 преимущественно образуется анион С и гидратированный катион металла. Термодинамика гидратированных катионов и их строение изучены ранее [7].
Схема 3
Таблица 2 - Длины связей и углы в молекулах 1-3
Схема 4
1.351
1.022
1.216
1.349
1.011
1.480
1.219
1.249
1.240
молекула Связь А с1/А
структура 1(М,
1(М1 1(М1 1(М1 1(М1 1(М1 1( М1 1( М1
2(Мз 2(Мз 2(Мз 2(Мз 2(Мз 2(Мз 2(Мз 2(Мз 3(Мз 3(Мз з(Мз з(Мз з(Мз з(Мз з(Мз з(Мз з(М4
з(М4
з(М4 з(М4
з(М4 з(М4
з(М4 з(М4
угол
ю/град
1\1(21)-С(17) 1.468 0(23)-С(22) 1.219 0(19)-С(18) 1.204 0(20)-С(18) Н(55)-0(20) 0(26)-С(25) 0(27)-С(25) Н(56)-0(26) Ы(21)-С(17) 0(23)-С(22) 0(19)-С(18) 0(20)-С(18) №(25)-0(19) 2.282 0(27)-С(26) 1.217 0(28)-С(26) 1.369 Н(56)-0(28) 0.997 Ы(21)-С(17) 1.473 0(23)-С(22) 1.225 0(19)-С(18) 1.253 0(20)-С(18) 1.236 К(25)-0(19) 2.626 0(27)-С(26) 1.213 0(28)-С(26) 1.339 Н(56)-0(28) 1.079 Ы(21)-С(17) 1.484 0(23)-С(22) 1.217 0(19)-С(18) 1.246 0(20)-С(18) 1.228 К(25)-0(19) 2.665 0(27)-С(26) 1.213 0(28)-С(26) 1.376 Н(56)-0(28) 0.998
1\1(21)-0(17)-0(16) 111.78 0(23)-0(22)-1\1(21) 115.40 0(19)-0(18)-0(17) 122.74 0(20)-0(18)-0(17) 118.88 Н(55)-0(20)-0(18) 117.25 0(26)-0(25)-0(17) 123.38 0(27)-0(25)-0(17) 118.83 Н(56)-0(26)-0(25) 114.24 Ы(21)-0(17)-0(16) 109.28 0(23)-0(22)-Ы(21) 114.67 0(19)-0(18)-0(17) 118.41 0(20)-0(18)-0(17) 114.22 №(25)-0(19)-0(18) 115.69 0(27)-0(26)-0(17) 126.99 0(28)-0(26)-0(17) 117.91 Н(56)-0(28)-0(26) 114.11 Ы(21)-0(17)-0(16) 109.71 0(23)-0(22)-Ы(21) 114.70 0(19)-0(18)-0(17) 113.35 0(20)-0(18)-0(17) 119.27 К(25)-0(19)-0(18) 118.09 0(27)-0(26)-0(17) 122.88 0(28)-0(26)-0(17) 117.27 Н(56)-0(28)-0(26) 113.68 Ы(21)-0(17)-0(16) 109.12 0(23)-0(22)-Ы(21) 115.52 0(19)-0(18)-0(17) 114.80 0(20)-0(18)-0(17) 114.59 К(25)-0(19)-0(18) 97.09 0(27)-0(26)-0(17) 128.11 0(28)-0(26)-0(17) 117.86 Н(56)-0(28)-0(26) 114.68
° —Н 0--Н
,ву1 /,В“ ,Ву I .Иу
У К=1.2*103 V/
+ 4 Н20 , * +
Исходя из констант равновесия между исходными структурами (А) кристал-логидратами (В) и анионом С можно предположить, что в водном растворе существует равновесие между исходными и сольватированными компонентами. Из квантово-
химических расчетов следует, что исходная структура соединений, в которых атомы металла калия или натрия участвуют в образовании координационных связей, может преобладать в водном растворе. Результаты эксперимента и расчета указывают на нейтральные свойства раствора при переходе от А (рКа=7.1) к аниону С ( рКа =6.88). В процессе кристаллизации 2 из насыщенного водного раствора образуется кристаллогидрат с 12 молекул воды (В12), выделенный в индивидуальном состоянии. Структура В12 соответствует расчету в РМ6 и мопак-файлу (рис.з).
Сольватации соединений 4 и 5 представлена схемой 4. Образование з-(Э,5-ди-да/>еда.бутил-4-
гидроксифенил)-пропановой кислоты (^) является следствием гидролиза солей 4 или 5, водный раствор которых имеет рКа=8.1.
/™2 ____000М
М=К
0-----Н
, ,Ву .,Ву
//0Н2 _
^0------000
А1 \ / В1
0----Н
,Ву I .,Ву
X
/Н2 / - +
000 М
+
4К (Аі)
2^0
0
Рис. 3 - Структура кристаллогидрата 2В12 или 3В12 по данным мопак-файла
В условиях сольватации устанавливается равновесие между исходными соединениями 4 или 5 (структура А1), анионом (B1) и кислотой 6^, термодинамические функции которых представлены в таблице 4. Из термодинамических констант равновесия (К) следует, что соединения 4 и 5 в водном растворе преимущественно должны существовать в виде структур В1 и С1(разделенная ионная пара). Однако по результатам определения антиокислительной активности (АОА) соединения 4 логично предположить, что в биологической среде преобладает контактная ионная пара 4К+(А1).
Энергию связи О(он) вычисляли на основании данных минимумов энергий образования структур (Н) молекул 1-6, их феноксильных радикалов (А1кАгО) в приближении РМ6 (табл. 5).
. йон=Иг (А1кАгО) + Иг (Н) - Иг (А1кАгОН) , где =Hf(AlkArO) - энергия образования
феноксильного радикала, Hf (А1кАгОН) -энергия образования фенола Hf(H) -- энергия атома
водорода = +217.986 кДж.мол-1 (+52.1 ккал.мол-1).
К=6.6*10
+ М0Н *3 Н 20
М *4 Н _ 0
1
Таблица 3- Термодинамические функции сольватации соединений 2 и 3 и константы равновесия (К) исходных и сольватированных структур при 298К
Структура Ео Дж.мол-1 Д Е0 Дж.мол-1 Б0 Дж.мол-1о-1 ДБ0 Дж.мол-1о-1 ДО0 Дж.мол-1
В(К) 10094Э.20 941.92
2Н2О 15з06.24 Э59.15
В(К)+2 ^О 116249.44 1Э01.07
С.2Н2О 98506.26 940.68
К*2^О 2з964.20 з56.з5
С.2Н2О +K*2H20 122470.5 +6221.06 1297.0з -4.04 +7424.98 (1.8ккал/мол)
К!=5.10-2
С.2Н2О +^2^0 122470.5 1297.0з
С+K.4H20 122682.4 +211.90 1з27.96 +з0.9з -9005.24 (~2.2 ккал/мол)
К2=з.8*101
В(№)- 10з208.з7 96з.52
■2Н2О 15з06.24 Э59.15
В^а^^О 118514.61 1з22.67
С.2Н2О 98506.26 940.68
Na*2H20 2з564.71 з49.45
С.2Н2О +№*2^0 122070.9 +з556.з6 1290.1з -з2.54 +1з25з.28 (~з.2ккал/мол)
К3=4.7*10-э
С.2Н2О +Na*2H20 122070.97 1290.1з
С+Na*4H20 122924.89 +85з.92 1Э5Э. 19 +6з.06 -179з7.96 (~4. зккал/мол)
К4=1.4*10з
Таблица 4 - Термодинамические функции сольватации соединений 4 - 6 и константы равновесия (К) исходных и сольватированных структур при 298оК
Структура Ео Дж.мол-1 Д Е0 Дж.мол-1 Б0 Дж.мол-1 ДБ0 Дж.мол-1 ДО0 Дж.мол-1
А1(К) 68з71.86 7з7.з2
4Н2О 295з5.74 з87.00
А1(К)+.4Н2О 97907.60 1124.з2
В1 6з549.14 692.з5
К.4Н2О 406з5.50 512.12
В1+К*4Н2О 104184.64 +6277.04 1204.47 +80.15 -17607.66 (~4.2 ккал/мол)
К5=1.2*10з
С1 64119.50 692.6з
КОН.зН2О з1126.55 4з6. 64
С1+КОН*3Н2О 82791.з0 -21з9з.з4 1129.27 -75.2 +1016.26(~0.7ккал/мол)
Кб=6.6.10-1
А1(Na) 68628.06 7з9.27
4Н2О 295з5.74 з87.00
A1(Na)+4H20 9816з.80 1126.27
В1 6з549.14 692.з5
№*4^0 40877.89 5з7.з5
B1+Na*4H20 104427.0з +626з.2з 1229.7 +10з.4з -з0822.14 (~7.4 ккал/мол)
К=2.6*105
С1 64119.50 692.6з
Na0H*3Н20 зз044.81 4з8. 74
С1+№ОН*3Н2О 97164.з 1 -7262.72 11з1.з7 -98.зз +220з9.62 (~5.з ккал/мол)
1.з*10-4
10з
Таблица 5 - Минимумы энергий образования (Щ)и гомолиза связи О-Н ф^) структур соединений 1-6, кристаллогидратов, анионов и сольватов
Соединение -Н АІкАг0Н -Н АІкАг0 Л О а
и структура ккал.мол- КДж.мол- ккал.мол- КДж.мол- ккал.мол-1 кДж.мол-
1 (Мі) 286.551 1198.93 261.27 1093.16 77.38 323.76
1(М2) 285.75 1195.58 260.75 1090.98 76.90 321.75
1(С)мі 354.90 1484.90 335.08 1401.96 71.92 300.91
1(С.2Н20)мі 484.93 2028.95 466.44 1951.59 70.59 295.35
2 (М3 №) 360.25 1507.28 341.14 1427.33 71.21 297.94
2(М№) 358.29 1499.10 337.77 1413.23 72.62 303.84
2(М3№).2Н20 480.10 2008.74 460.29 1925.88 71.87 300.70
2(М4№).2Н20 483.45 2022.75 458.88 1920.00 76.67 320.79
2(М3№).12Н20 1107.06 4631.93 1087.80 4551.36 71.41 298.74
3 (М3К) 349.42 1461.96 327.93 1372.10 73.59 307.90
3(М4К) 344.11 1439.76 323.35 1352.90 72.86 304.85
3(М3К).2Н20 473.73 1982.10 447.60 1872.77 78.48 328.36
3(М4К).2Н20 471.27 1971.79 443.53 1855.73 79.84 334.05
3(М3К).12Н20 1096.14 4586.25 1075.32 4499.14 74.24 310.62
4.К(Аі) 203.82 852.78 182.30 762.74 73.62 308.03
4К+(Аі) 42.98 179.83 16.60 69.45 78.48 328.36
5.ЩА0 201.69 843.87 179.81 752.33 73.97 309.49
6(Ві) 201.52 843.16 183.43 767.47 70.19 293.67
6(Сі) 169.64 709.77 139.78 584.89 81.96 342.92
Данные таблицы 5 указывают на зависимость Б0н от структуры конформера (М3 или М4) малонатов 2,3 и их кристаллогидратов. В структурах дигидратов по данным расчета образуется водородная связь с атомом водорода гидроксильной группы, что приводит к увеличению энергии разрыва связи Н-О. Природа атома металла (калия или натрия) также влияет на величину Б0н и влияние проявляется в ротамерных структурах и дигидратах.
Антиокислительные свойства полученных соединений определяли путем окисления метилолеата в присутствии липидной фракции (вытяжки) печени мышей линии СзНА, которым за 1 час до забоя вводили инъекцию препарата. Преимущество этого метода связано с возможностью в адекватных условиях тестировать как жиро-, так и водорастворимые соединения. На рис.4 приведены кинетические кривые накопления пероксидов при окислении метилолеата в присутствии липидных вытяжек соединений 1-6. Антиокислительные свойства исследованных соединений определяли по величине АОА [8] как соотношение разности периодов индукции на кривых окисления метилолеата с добавлением липидной вытяжки (Т1) и чистого метилолеата (т0) к концентрации добавленной вытяжки (С): АОА = ((тО - (т0). С-1. ч.ммол.г-1. Периоду индукции соответствовало время, в течение которого концентрация перекисей соответствовала величине 0.02 ммол.г-1. Величины АОА липидов пропорциональны концентрации антиоксиданта в липидной вытяжке.
Реакция пероксидных радикалов с ингибитором обратима, а константа равновесия в
(К)
в соответствии с уравнением Больцмана зависит от величины ДЕ, как разница в энергиях связей О-Н (Б0н ) в гидропероксиде метилолеата и антиоксиданта:
К=е -ДЕ/кТ где к - константа Больцмана.
Б0н в молекуле гидропероксида
метилолеата вычислена и равна 76.62 ккал.мол-1 . Величины Б0н исследуемых структур приведены в таблице 5. Из этих данных следует, что в анионах {структуры 1(С), 6(В^} и производных малоната натрия 2 (структуры 2(Мз)№, 2(M3)Na*2H20) величины Б0н минимальны ('~ 71-72 ккал.мол-1) и, следовательно, в реакции с перокисидом метилолеата равновесие сдвинуто в сторону
образования гидропероксида метилолеата. На
основании этих данных следует предположить, что эти структуры будут определять эффективность полученных соединений в водной и биологической среде. Корреляция экспериментальных данных (АОА) и расчетных Бон приведена на рис.5.
10000 9000 8000 7000 ■ 6000 5000 4000 3000 2000
2(М,Ыа).2Н,0
" 1(С)‘ 2(М^а)12Н,0
3<м<к)з*м*к>‘
2(М4№)2.Н,0
3(М3К)12Н,0
1(М,)
ДК^А,)
6(С,)
ккал.мол
Рис. 5 - Зависимости АОА конформатов,
кристаллогидратов соединений 1-6 и анионов от энергии разрыва связи D(OH)
На рис. 5 - 1 - і -(карбокси)- і -(N-метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет .-бутил-4 ’-гидроксифенил) -
пропановая кислота; 2 и 3 -1 -(карбокси)- і -(N-
метиламид)- 2 -(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-
гидроксифенил)- пропанаты натрия и калия соответственно; 4 - 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-
гидроксифенил)-пропанат калия; 6 - 3-(3’,5’-ди-трет. бутил-4 ’-гидроксифенил)-пропановая кислота
Исследование зависимостей
экспериментальных данных с расчетными показывает, что наблюдается линейная взаимосвязь (r=Q.9774) величин АОА с D(OH) ряда структур исследуемых соединений, которые могут присутствовать в биологической среде и определяют антиокислительные свойства. К таким структурам относятся сольваты типа 2(M3Na).12 Н2О, 3(MзК).i2Н2О, анион 1(С),
контактная ионная пара 4К+(А1), оксиалкил-пропионовая кислота 6 (С1). Оксиалкилпропанат калия 4 показал заниженную активность (АОА=3200
ч.ммол.г-1), что противоречит образованию
соответствующего аниона 6(В1), так как на
основании энергии разрыва связи Н-О в структуре 6(В1) ( D(OH) =7Q.i9 ккал.мол-1 ) величина АОА должна быть не менее 9QQQ ч.ммол.г-1.
Таким образом, использование расчета структур в приближении PM6 молекул 1-3 позволило определить энергии перехода и
термодинамические константы равновесия между двумя конформерами. На основании результатов вычислений термодинамических функций в
обратимой реакции сольватации и
экспериментальных данных активности соединений установлена зависимость между константами АОА и структурами, которые могут существовать в биологической среде.
Экспериментальная часть
Расчет параметров структур полученных соединений проводили в приближении PM6 ( MOPAC2QQ9, Version 8.288W [9]). Спектры 1Н ЯMР записывали на приборе "Bruker WM-4QQ" ( 4QQ MT^ относительно сигнала остаточных протонов дейтерированного растворителя (ацетон d6 или ДMСО d6). ИК-спектры записывали на спектрометре "PERKIN-ELMER 1725-X в твердой фазе (кристаллы) методом диффузного отражения. Антиокислительную активность определяли по методу торможения окисления метилолеата воздухом при 37 оС в присутствии липидной фракции печени мышей линии С3НА, которым за 1 час до забоя внутрь брюшинной полости вводили инъекцию (1QQ мг.кг-1) препарата. Концентрации перекисей в липидной фракции метилолеата определяли по методу[Ш].
1 -(карбокси)- і -(N-метиламид)- 2-(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил)-пропаната натрия (2) получали по методу [11]. Спектр 1Н ЯMР (ДЫСО d6,8, м.д.): 1.2б (с,18 Н, tBu); 1.79 (c, 3 Н, СОСН3); 3.37 (с, 2Н, СН2); 3.4Q-3.48 (с. уш,
НОН);); 6.42-6.46 (c. уш., 1 H, OH); 6.79 (c, H,Ar);7.2Q-7.27 (с. уш, 1 H, NH). ИК-спектр, v /см-1:
з64з (ОН); з550-з 100 уш. НОH); зз21 (^СОСН3); 2957 (CH); 1550-1615 уш. (HNСО СОО--, С=С);
Кристаллогидрат 2*12Н2О.
Приготовленный раствор 4.2 г (~ 0.01 мол) 2 в 50 мл воды поместили в емкость и в условиях медленной кристаллизации при комнатной температуре выдерживали в течение з-4 суток до образования кристаллов. Кристаллы отделяли, и получали 4.1 г (~66%) соединения 2.12Н2О. Спектр 1Н ЯМР (ДМСО а6,5, м.д.): 1.26 (с,18 Н, ‘Вы); 1.79 (с, з Н, СОСН3); з.з7 (с, 2Н, СН2); з.40-з.48 (с. уш, 12
НОН);); 6.42-6.46 (с. уш., 1 К 0H); 6.79 (с,
H,Ar);7.20-7.27 (с. уш, 1 H, NH). ИК-спектр, V /см-1: з64з (ОН); з550-з 100 уш. НОH); зз21 (N1^СОСН3); 2957 (CH); 1550-1615 уш. р-^СО СОО--, С=С); . Найдено (%): С з7.11; К 8.45; N2.16; Na з.66 Сго^г N018Na. Вычислено (%): С, з8.89; H, 8.48; N, 2.28 № з.72. При нагревании 2.12Н2О при105-115 оС образуется соединение 2.2Н2О. Спектр 1Н ЯМР (ДМСО d6,5, м.д.): 1.26 (с,18 Н, ‘Вы); 1.79 (с, з Н, СОСН3); з.з7 (с, 2Н, СН2); з.40-з.48 (с. уш, 2
НОН);); 6.42-6.46 (с. уш., 1 К О^; 6.79 (с,
H,Ar);7.20-7.27 (с. уш, 1 ^ NH). ИК-спектр, V /см-1: з64з (ОН); з550-з 100 уш. НОH); зз21 (N1^СОСН3); 2957 (CH); 1550-1615 уш. (HNСО СОО--, С=С); . Найдено (%): С 55.1з; H, 7.65; N з.16; Na 5.44. C20H32 N0^. Вычислено (%): С, 54.91; К 7.з2; N, з.20 Na 5.26.
1 -(карбокси)- 1 -(М-метиламид)- 2 -
(3 ’,5’-ди-трет.-бутил-4 ’-гидроксифенил)-пропа-нат калия (3) получали аналогично 2 и константы совпали с литературными данными [10]. Спектр 1Н ЯМР (ДМСО d6, 5, м.д. ),: 1.27 (с,18 Н, ‘Вы); 1.80 (с, зК C0CH3); 2.48 (с, 2H, СН2); з.41-з.46 (с, уш. 3H, НОН); 6.42-6.47 (с, уш. 1Н, ОН); 6.79 (с, 2H,Ar); 7.22-7.26 (с, уш, 1 ^ NH ). ИК-спектр, V /см-1: з644 (ОН); з550-з 100 уш.(НОH); зз2з (^МСОСН3); 1550-1620 уш. (HNСО СОО--, С=С) .
1 -(карбокси)- 1 -(М-метиламид)- 2 -
(3’,5’-ди-трет.-бутил-4’-гидроксифенил)- пропановая кислота (1) . К раствору 6.2 г (—0,01 мол) соединения 2В12 в 100 мл воды прибавили 5 мл 10% раствора НС1, выпавший осадок отделяли, сушили при 25-з0 оС и кристаллизовали из толуол-Е‘0н (9:1, объемн.); выход 92-96%, т.пл.194-198оС (из толуола). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО d6, 5, м.д.);1,з26 (с,9 Н, ‘Вы );1.з41 (с,12 Н, ‘Вы); 1.87 (с, з
H, C0CH3); з.22 (с, 2H, СН2); 6.7з7, 6.758 (с,с (2:1) 2H,Ar); 7.69 (с, 1 H, NH). ИК-спектр,
V /см-1: з6з7 (ОН); ззз8 (ЫИСОСН,); 2954, 291з, 2872 (Сн), 1716 (С00Н); 162з (МЧСОСШ; 15з6 (C=C) , 14з5 , 1214, 1155,1121. Найдено (%): С, 6з.24; H, 7.95; N з.86; C20H29 N06. Вычислено (%): ^ 6з.з1; H, 7.70; N, з.69. По данным [11]: т.пл. 198200 оС.
3-(3’,5’-Ди-трет.бутил-4’-гидрокси-фенил)-пропанат калия (4). Смесь 29.2 г (—0,1 мол) метилового эфира з-(з,,5,-ди-да/>еда.бутил-4’-гидроксифенил)пропановой кислоты 5.6 г (0.1 мол) КОН, 25 мл воды и 200 мл диоксана нагревали з ч при кипячении раствора. Далее реакционную смесь
охлаждали, выпавший осадок отделяли и перекристаллизовывали из водного этанола (8 : 2) Получали 24.4 г (~74 %) соединения 4, т.пл.220-225 оС (с разл.) Спектр 1Н ЯМР (ДМСО d6,5, м.д.):
1.26 (с,18 Н, ‘Бы); 2.62 (т, 2Н, СН2СН2СО); 2.89 (т,
2Н, СН2СО); 6.46 (с., 1 Н, 0Н); 6.79 (с, Н,Аг). ИК-спектр, V /см-1: 3649 (ОН); 3324 (НОН); 2952 (СН); 1669 (СОО); 1547 (С-О);1416 (С=С).
3-(3’,5’-Ди-трет.бутил-4 ’-гидрокси-фенил)-пропановая кислота (6). К раствору 33 г (—0,01 мол) соединения 4 в 100 мл воды прибавили 5 мл 10% раствора НСІ, выпавший осадок отделяли, сушили при 25-30 оС и кристаллизовали из толуол-Е‘0Н (9:1, объемн.); выход 2.4 г (83%), т.пл.171-172 оС (из толуола). По данным[12]: т.пл. 171-172оС. Спектр ЯМР 1Н (СйСІз d6, 5, м.д.): 1.44 (с,18 Н, ‘Бы); 2.62 (т, 2Н, СН2СН2СО, и=7.8 Гц)); 2.89 (т, 2Н, СН2СО, и=7.8 Гц)); 5.10(с, 1 Н, 0Н); 6.99 (с, Н,Аг). ИК-спектр, V /см-1: 3643 (ОН); 2957 (СН); 1720
(СО).
3.С.П.Князев, Е.Г.Гордеев, Е.А Чернышев, Изв.РАН, Сер.хим., 2074 (2006)
4. Д.В.Бердышев, В.П.Глазунов, В.Л.Новиков, Изв.РАН, Сер.хим., 400 (2007)
5. Д.В.Бердышев, В.П.Глазунов, В.Л.Новиков, Изв.РАН, Сер.хим., 499 (2008)
6. А.Н.Егорова, М.В.Венер, И.С.Жуков, Г.Д.Козак, В.Е.Цирельсон, Изв. РАН, Сер.хим., 1157 (2008)
7.S.K.Searles, P.Kebarle, Can. J. Chem., 47, 2619 (1969)
8. Е.Б.Бурлакова, А.В.Алекенко,Е.М.Молочкина, «Биоантиоксиданты в лучевом поражении и злокачественном росте», Москва, Наука, Москва, 1975. 214 с.
9. J.J.P.Stewart Computational, J. Mol. Mod. , 13, 1173-1213
(2007)
10. И.В.Березин «Кинетика и химизм жидкофазного окисления кислородом воздуха под давленим», Автореф. дис., Москва, 1953.19 с.
11. А.А.Володькин, С.М. Ломакин, Г.Е.Заиков,
Н.М.Евтеева, Изв.РАН, Сер.хим., 900 (2009)
12. В.В.Ершов, К.Б.Пиотровский, Н.А.Тупикина, Г.А.Никифоров, А.А.Володькин, М.П.Ронина, Изв. АН СССР, Сер.хим., 1174 (1976)
Литература
1. Ю.Я.Фиалков, А.Н.Житомирский, Ю. А.Тарасенко, «Ф^теская xuмuя неводных растворов». Химия, Ленинград, 1973.2QQ с.
2. И.Р.Низамиев, M.К.Кадиров, Е.С.Нефедьев, Вестнш Казанского технологыческого унuвepс■uтeта, 14,12,7-9 (2Q11)
© А. А. Володькин - д-р хим. наук, проф. вед. науч. сотр. Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля; Е. Б. Бурлакова - д-р биол. наук, проф.,зам. дир. по науке, Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, сЬетЪю@8ку.сЬрЬ.га8.га; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, гл. науч. сотр., проф. Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля, сЬетЬю@8ку.сЬркга8.т; В. Д. Гаинцева - сотр. Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; С. М. Ломакин -канд. хим. наук, зав. лаб. химии полимеров Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля; С. А. Шевцова - канд. хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИГУ.
