Структура и антиокислительные свойства трет. Бутилового эфира 3-(3’,5’-ДИ- трет. Бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК541127; 541.124.542.91;547.563.4;547.391

А. А. Володькин, Г. Е. Заиков, Н. М. Евтеева, С. М. Ломакин,

Н. Н. Мадюскин, О. Н. Кузнецова, С. Н. Русанова

СТРУКТУРА И АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕТ.БУТИЛОВОГО ЭФИРА

3-(3’,5’-ДИ-ТРЕТ.БУТИЛ-4’-ГИДРОКСИФЕНИЛ)ПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ

Ключевые слова: трет.бутиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты, структура,

приближение РМ6, антиоксидант, ЯМР и ИК- спектры.

трет.Бутиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)-пропионовой кислоты обладает аномально высокой антиокислительной эффективностью в радикальной реакции в условиях инициированного окисления изо-пропилбензола с константой ингибирования к7 = 3.106 л-моль'1-с'1 и числом обрыва цепи f = 5. На основании результатов квантово-химических расчетов вычислены энергии образования (Е^), энтальпии (Hf), энтропии (Sf0) и энергии гомолиза связей О-Н структур трет.бутилового и метилового эфиров 3-(3,5-ди-трет.бутил-4-гидроксифенил)-пропионовых кислот .

Keywords: antioxidant, tert.butyl ester 3 (3 ’, 5 '-di-tert.butyl-4 '-hydroxyphenyl) propanoic acid, approach РМ6, , NMR and IR-

spectrums.

The tert.butyl ester 3-(3 ’, 5 '-di-tert.butyl-4 '- hydroxyphenyl)-propanoic acid possesses anomalously high antioxidative efficacy in radical reaction in the conditions of the initiated oxidation of isopropyl benzene with an inhibition constant к7 = 3.106 l-moVI-s'1 and number of stopping of chain f = 5. On the basis of results of quanum-chemical calculations enthalpies (Hf), entropies (Sf) and energy of a homolytic cleavage of communications HO-of frames tert.butyl and methyl esters 3-(3,5-di-tert.butyl-4 '-hydroxyphenyl) propanoic acid are calculated energy of formation (Е/).

Введение

В условиях инициированного окисления изо-пропилбензола (АгН) образуется пероксиль-ный радикал АгОО' , который участвует в продолжении цепи радикально-цепного окисле-ния [1-3]. Константы скорости реакции пероксиль-ных радикалов с фенольными антиоксидантами (к7) находятся в пределах 103 - 105 л-моль-1-с-1, а величины энергии разрыва связи О-Н зависят от энергии активации этой реакции [3-5]. Установлена линейная зависимость величин энергии гомолиза связей О - Н (0ОН) от констант к7 [6], что позволило использовать рассчетные процедуры для прогнозирования эффективности анти-оксидантов от их структур [7-8]. Однако по данным [9] реакции ряда производных полиоксинафтохино-нов с

гидропероксильным радикалом обратимы и равновесие смещено в сторону исходных компонентов. Эти данные не согласуются с теорией ингибированного окисления, по которой реакция радикала ЯО2" с ингибитором (1пОН) необратима

[3]. Анализ данных по исследованию

ингибированного окисления не позволяет однозначно характеризовать эффективность антиоксиданта по совокупности параметров: к7 и числу обрыва цепи (Г). Возникла необходимость учета структурных факторов, вытекающих из

геометрических и энергетических параметров антиоксиданта.

В настоящей работе синтезирован трет.бутиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты. В реакции ингибированного окисления изо-пропилбензола (кумола) указанный антиоксидант взаимодейст-вует с АгОО' с к7 = 3-106 л-моль-1-с-1 и Г = 5. Из квантовохимических расчетов в приближении РМ6 вычислены геометрические и энергетические

параметры структур трет.бутилового и метилового эфиров 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидрокси-фенил)-пропионовых кислот и проведены

результаты, учитывающие трансформации

промежуточных структур при взаимодействии субстрата с пероксильным радикалом.

Экспериментальная часть

ЯМР 1Н спектры исходных и полученных соединений регистрировали на приборе «Bruker WM-400» относительно сигнала остаточных протонов. ИК-спектры записывали на спектрометре «PERKIN-ELMER 1725-X» в кристаллах методом диффузного отражения.

Расчет параметров структур полученных соединений проводили по методу Хартри-Фока (UHF), , используя программу MOPAC 2009 [10] ; математическую обработку результатов выполняли в программе Origin 6.1.

Метиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты (1) получали по методу [11], т.пл.66-67 оС (ср.лит. [11] 66 оС).

трет.Бутиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты (2). К раствору 11.2 г (0.1 моль) ‘BuOK в 200 мл ‘BuOH прибавили 29.7 г (~ 0.1 моль) хлорангидрида 3 -(3 ’ ,5 ’-ди-трет. бутил-4 ’-

гидроксифенил)-пропионовой кислоты,

реакционную смесь выдерживали при температуре кипения ~2.5 ч , растворитель отгоняли, остаток экстрагировали эфиром. Из маточного раствора выделяли 29 г (87%) соединения 2, т.пл.70-71 оС (из гексана). Спектр ЯМР 1Н (CDCl3, 5, м.д.): 1.44 (с, 18

Н, ‘Bu); 1.56 (c, 9 H, COO‘Bu); 2.62 (т, 2 H, CH2CH2CO); 2.89 (т, 2 Н, CH2CO); 5.1 (c, 1 H, OH);

7.1 (c, 2 H, Ar). ИК-спектр, v/см'1: 3643 (ОН); 2957 (CH); 1717 (СОО); 1433; 1366; 1135 (C-O-C);

Найдено (%): С, 75.38; Н, 10.43. С21Н34О3.

Вычислено (%): С, 75.40; Н, 10.25.

Бис[2,2’-(метилкарбоксиметил)-2,6-ди-трет.бутилметиленхинон] (1Ь). Смесь 0.9 г (~ 3.0 ммоль) соединения 1 и 4 г (~17 ммоль) Ag2O в 30 мл гексана выдерживали ~1 ч при 20оС. После отделения Ag2O растворитель отгоняли в вакууме. Из остатка дробной кристаллизацией с последующим хроматографированием на А12О3 выделили 0.42 г (49%) 1Ь; т.пл.161 оС (ср.лит.[12] 159-161 оС). Спектр ЯМР 'Н (СБС13, б м.д.): 1.24 (с, 18 Н, ‘Би, Аг); 1.32 (с, 18 Н, ‘Би, Аг); 1.84 (с, 6 Н, СООСН3); 4.19 ( д, 2 Н, СН=СНСО, J = 9.1 Гц); 5.88 (д, 2 Н, СН=СНСО, J = 9.1 Гц); 6.73 (с, 2 Н, Аг); 7.29 (с, 2 Н, Аг).

Бис [2,2’-(трет. бутилкарбоксиметил)-2,6-ди-трет.бутилметиленхинон] (2Ь) получали

аналогично из 1 г (~ 3.0 ммоль) соединения 2 и 4 г (~17 ммоль) Ag2O. Выход 2Ь 0.13 г (~14%); т.пл. 193-194 оС ( из гексана). Спектр ЯМР :Н (СБС13, б, м.д.): 1.25 (с, 18 Н, ‘Би, Аг); 1.33 (с, 18 Н, ‘Би, Аг);

1.43 (с, 18 Н, СОО‘Би); 4.20 ( д, 2 Н, СН=СНСО, J =

9.2 Гц); 5.90 (д, 2 Н, СН=СНСО, J = 9.2 Гц); 6.75 (с, 2 Н, Аг); 7.31(с, 2 Н, Аг). УФ-спектр (Я тах, нм, гексан) 292 (^ £=4.02) и 315 (^ £=4.34) ; ИК-спектр, V /см-1 : 1735 (СОО‘Би) , 1655 (С=О), 1640(С=С). Найдено (%): С, 75.98; Н, 9.53. С42Н62О6. Вычислено (%): С, 76.13; Н, 9.39.

Инициированное окисление изо-пропил-бензола (ДгИ)кислородом

А. В реакционный сосуд газометрической установки помещали 20 мл раствора 2.6 - 3• 10-5 моль-л-1 соединения 1 (или 2), 5 • 10-3 моль-л-1 азодиизобутиронитрила (АОБМ) в изо-

пропилбензоле (АгН), термостатировали при 50 оС и наполняли О2 до давления 101325 Па. Кинетические измерения проводили по методу 2.

Б. В ёмкость на 100 мл помещали 50 мл раствора, содержащего 2-10-2 моль-л-1 соединения 2, 2-10-2 моль-л-1 АББМ в АгН, и при 50 оС выдерживали в О2 при атмосферном давлении в течение 50 мин. Растворитель вакуумировали, к остатку прибавили 10 мл гексана, нагревали до 50 оС, далее охлаждали до 0-3 оС, фильтровали, остаток растворяли в СБС13 и анализировали методом ЯМР 1Н. Спектр ЯМР 1Н (СБС13, б, м.д.): 0.92 (с, 6 Н, СН3); 1.39 (с, 18 Н, ‘Би, Аг); 1.51 (с, 18 Н, СОО‘Би); 2.74 ( т, 1 Н, СН2-СН-Аг, J = 7.4 Гц); 2.93 (д, 2 Н, СН2-СНСО, J = 7.4 Гц); 5.22 (с, 1 Н, ОН); 7.1 (м, 7 Н, Аг) соответствует структуре трет.бутилового эфира 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)-3-(2-‘перокси - 2’,2’-

диметилбензил)пропионовой кислоты. При

хроматографировании на А12О3 происходит разложение.

Обсуждение результатов

Механизм радикально-цепного окисления углеводородов известен и основан на кинетике элементарных стадий [2]. В практике исследования закономерностей используют инициированное окисление с постоянной скоростью образования алкильных радикалов. При инициированном

окислении изо-пропилбензола (АгН) в присутствии азодиизобутиронитрила , кислорода и антиоксиданта реакции протекают в соответ-ствии со схемой 1.

Схема 1

|Н-(СН3 '2 р-(сн3) 2

| + ЛББК -----► |^|

АгН Аг

(1)

і'2 О-О—МСН3) 2

\ + 02 *■ [|| (2)

АгОО

Аг00 + АгН —/.г + АгООН (3)

. к7 .

АгОО + In0H In0 + Ar00H (4)

ADBN азодиизобутиронитрил; In0H - антиоксидант (1, 2)

Радикал изо-пропилбензола (Лг ) образуется в реакции азодиизобутиронитрила (ЛББМ) с АгН, из которого в присутствии кислорода образуется пероксильный радикал АгОО' (2) . Продолжение радикально-цепного окисления протекает в реакции АгОО' с АгН (3) с константой реакции к2 (по данным [4] к2 = 1.75 л-моль-1- с-1); ингибиро-вание - в реакции АгОО' с антиоксидантом ІпОН (4) с константой реакции к7. Величину константы скорости реакции (к7) определяли из зависимости Д[О2]/[АгН] = -к2/к7-1п(1- Ьт -1), где , [АгН] -

концентрация АгН (7.18 моль-л-1), Д[О2] -

количество кислорода, вступившего в реакцию с АгН. Период торможения окисления АгН кислородом с участием антиоксиданта (т ) и коэффициент обрыва цепи (і} при постоянной скорости инициировании (IV ¡= 1.5-10-8 моль л-1-с-1) определяли газометрическим методом (рис.1).

Г"

) » м :< к

: .

Рис. 1 - Кинетические зависимости расхода кислорода в реакции инициированного окисления АгН при 50 оС в присутствии антиоксидантов 1 и 2 и их анаморфозы. [1]0 =3\10-5; [2]0 =2.6*10-5 моль-л-1. Для 2 величина Д[02]/[КН] -106(по оси У)

Метиловый эфир 3-(3,,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)-пропионовой кислоты (1) известен в качестве антиоксиданта [12] и характеризуется величинами к7 = 2.3 • 104 л'моль-1-с-1 , f = 2, и эти данные подтверждены настоящей работой. Однако в результате ингибированного окисления в присутствии трет.бутилового эфира 3-(3’,5’-ди-трет. бутил-4 ’-гидроксифенил)-про-пионовой кислоты (2) реакция протекает с кон-стантой скорости реакции к7 = 3.0-106 л.моль-1^-1,

коэффициент обрыва цепи f = 5.

трет.Бутильные группы в орто положениях молекулы фенола экранируют гидроксильную группу, а перекрывание атомных орбиталей атомов водорода соседних групп характеризуется энергией пространственного взаимодействия (steric energy). Аналогичное влияние оказывает трет.бутильный заместитель при кислороде карбоксильной группы, экранируя соседний атом углерода. Именно этим можно объяснить различия в реакционной

способности двух гомологов - производных 3-(3’,5’-ди-трет .-бутил-4 ’-гидроксифенил)пропионо-вой кислоты, отличающихся между собой алкильными заместителями: метильной или

трет.бутильной при атоме кислорода карбоксильной группы. Известно [1], что в ингибированном окислении в присутствии

антиоксиданта из класса фенолов образуются феноксильные радикалы, свойства которых могут оказывать влияние на процесс ингибированного

окисления. Также известно [13], что при

одноэлектронном окислении соединения 1 реакция протекает в соответствии со схемой 2.

Схема 2.

в^ А .ви

1, R=CH3

2, R= Bu

C H22

COO-R 1a , 2a

O

и

и

C H

C H

CH

■ Ch COO-R

1b, 2b

С учетом этих данных, констатирующих факт образования феноксильных радикалов и продуктов их трансформаций по схеме 2, проведено окисление соединений 1 и 2 в сравнительных условиях. При окислении антиоксиданта 1 Ag2O при 20 оС в течение 1 ч образуется соединение 1Ь (Я=Ые) с выходом 49%, при окислении 2 в аналогичных условиях _ выход 2Ь 14%. Последний результат интерпре-тирован как следствие влияния трет.бутильного заместителя при кислороде карбоксильной группы, что приводит к снижению выхода метиленхинона 2Ь по сравнению с 1Ь (14% против 49%). В работе рассмотрена возможность рекомбинации феноксильного радикала 1а с радикалом АгОО'. Образование перекиси 3а подтверждено данными ЯМР 1 Н спектра по наличию сигналов от протонов СН2 (2.93 м.д.) и СН (2.74 м.д.) групп в реакционной массе после инициированного окисления АгН в присутствии соединения 2 (схема 3). Примеры реакций феноксильных радикалов с пероксильными радикалами

известны, а продукты их рекомбинаций распадаются с выделением кислорода [14.15].

Схема 3

t-Bu

O-H

CH .

I— C—O--O

t-B

CH 2

CH 2 t

COO- But

h,

:-Bu

,-CH o-o—C H

C H 2

I

CH,

COO- Bu

2а 3а

Структура перекиси 3а основана на данных расчетов квантово-химическим методом в приближении РМ6, исходя из энергий образования структур 3а — 3^ Минимуму энергии образования ( И° = -804.9 кДжмоль-1) соответствует структура 3а. Для структур: И° -692.9, 3Ь; -710.7, 3с; -717.1, 3а кДж-моль-1.

3а

3b

3с за

Рис. 2 - Структуры продуктов рекомбинации феноксильного радикала 2а с АгОО

Структуры 3а и 3Ь - являются аналогами фенола, структуры 3с и 3а - аналоги циклогексадиенонов. Из расчета структур 3а и 3Ь в программе ММ2 следует, что энергия стерического взаимодействия (Нъ) в 3а равна 76.9 кДж-моль-1, в 3Ь > 1000 кДж-.моль-1, что, по-видимому, является следствием влияния стерического фактора на направление рекомбинации радикалов из антиоксиданта 2.

Обратимость реакции (4) следует из полу-эмперических квантово-химических расчетов в приближении РМ6 пакета программ мопак 2009. Для соединений 1 и 2 вычислили энергии образования (ЕГ°), энтальпии (Но), энтропии (,%°), а

энергию гомолиза связи О - Н (Дэн) в антиоксидантах 1 и 2 (табл. 1) определили из формулы [16]: Д(0Н) = -£№•■) + Н°(Н) -(-£г°1пН); Н°(Н) = 218.0 кДж.моль-1

Таблица 1 - Энергии образования, энтальпии , энтропии и энергии О-Н связей фенольного гидроксила в соединениях 1 и 2 и их феноксильных радикалах 1а и 2а, 298 К

Соеди- нение -Е{ Hfo Sfo DOH

кДж-моль-1 Дж-К-моль"1 кДж-моль-1

1 667.4 16.2 170.4 310.5

1а 569.4 16.1 174.2

2 769.9 19.1 191.5 313.4

2а 674.0 19.0 198.1

Исходя из расчетных данных энтальпии и энтропии соединений, участвующих в реакции антиоксидантов 1 и 2 с ЛгОО' , по уравнению Гиббса вычислили константы термодинамического равновесия (К) (табл. 2).

Таблица 2 - Изменение термодинамических функций и энергии Гиббса в реакции соединений 1 и 2 (1пН) с ЛгОО' , 298 К

Соеди- нение А Н? Дж-моль-1 А Sfo Дж-К-моль 1 А Gfo Дж-моль- 1 Кх

1 +200.03 +0.94 -80.68 1.03

2 +283.14 +3.79 -846.28 1.41

х Энергия образования ArOO', Е? = -46.4 кДж-моль-1; ArOOH, Е{° = -50.3 кДж-моль-1.

Из этих данных следует, что в изолированных условиях константа равновесия близка к 1, что подтверждает возможность равновесия в реакции

(4). В неполярном растворителе равновесие смещается в сторону образования ЛгООН и 1п0' [17].

Таким образом, экспериментальные и

расчетные данные ингибированного окисления ЛгН

в присутствии антиоксидантов 1 и 2 позволяют интерпретировать результаты с учетом влияния структуры антиоксиданта. В данном случае,

образующийся феноксильный радикал (In-) взаимодействует с ArOO', что приводит к увеличению скорости ингибирования и увеличению времени индукционного периода окисления ArH кислородом.

Литература

1. Е. Т. Денисов, Окисление и деструкция карбоциклических полимеров, Химия, Ленинград, 192, (1990).

2. Н. М. Эмануэль,Е. Т. Денисов, З К. Майзус, Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе, Наука, Москва, 375, (1965).

3. В.А. Рогинский, Фенольные антиоксиданты: Реакционная способность и эффективность, Наука, Москва, 247, (1988).

4. О. И. Дюбченко, В .В. Никулина, Е. И. Терах, А .Е. Просенко, И. А .Григорьев, Изв. АН, Сер.хим. ,1107 , (2007).

5. В. А. Рогинский, Кинетика и катализ, 546, (1990).

6. В. А. Беляков, Е. Л. Шанина, В. А.Рогинский, В. Б.Миллер, Изв.АН СССР, Сер.хим., 2685, (1975).

7. Е. Т. Денисов ,Ж.физ.хим ., 69, 623, (1995).

8. С. Л. Хурсан, Сборник лекций на V111 международной конференции «Биоантиокси-дант», Москва, 195 (2010).

9. Д. В. Бердышев, В. П. Глазунов, В. Л. Новиков, Изв. АН, Сер.хим., 400 , (2007).

10. J. J. P. Stewart, J. Mol. Mod, 13, 1173, (2007).

11. А. А. Володькин, Г. Е. Заиков, Изв. АН, Сер. хим., 2031, (2002).

12. Н. М. Сторожок, М. Г. Перевозкина, Г. А. Никифоров, Изв АН, Сер.хим, 323, (2005).

13. Л. И. Кудинова, А. А .Володькин, В. В.

14. Ершов, Изв.АН СССР, Сер.хим, 2797, (1978).

15. В. В. Ершов, Г. А. Никифоров, А. А. Володькин, Пространственно-затрудненные фенолы, Химия, Москва, 151, (1972).

16. J. Kovarova-Lerchova, J. Pospisil, Eur.Polymer, 3, 975, (1977).

17. Е. Т Денисов, Методы определения энергии диссоциации О-Н связи в фенолах, Сборник лекций на V111 международной конференции

«Биоантиоксидант», Москва, 50, (2010).

18. V. B. Luzhkov, Chem.Phys, 314, 211, (2005).

© А. А. Володькин - д-р хим. наук, проф. вед. науч. сотр. Ин-та биохимической физики им. НМ.Эмануэля РАН; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, гл.науч. сотр., проф. Института биохимической физики им. НМ.Эмануэля РАН . chembio@skyxhph.ras.ru; Н. М. Евтеева - канд.хим.наук, ст. науч. сотр. Института биохимической физики им. НМ.Эмануэля РАН; С. М. Ломакин - канд.хим.наук, зав.лаб. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; О. Н. Кузнецова - к.х.н., доц. каф. ТПМ КНИТУ, С. Н. Русанова - к.т.н., доц. каф. ТПМ КНИТУ.