Гидроксильные группы в м-положениях 5, 7 имеют высокие прочности связей
и малоактивны в реакции с ArCH(CH3)OO• (табл
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКО-ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ І ВУГЛЕХІМІЇ
ім. Л.М. ЛИТВИНЕНКА
БІЛА НАТАЛЯ ІВАНІВНА
УДК 542.943'78:547.565
ФІЗИКО – ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РЕАКЦІЇ ПОЛІФЕНОЛЬНИХ СПОЛУК З ПЕРОКСИЛЬНИМИ І ДИФЕНІЛПІКРИЛГІДРАЗИЛЬНИМ РАДИКАЛАМИ
02.00.04 – фізична хімія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата хімічних наук
Донецьк - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник кандидат хімічних наук, професор
Ніколаєвський Алім Микитович,
Донецький національний університет,
завідувач кафедри фізичної хімії
Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор
Висоцький Юрій Борисович,
Донбаська державна академія будівництва і архітектури ,
завідувач кафедри хімії
доктор хімічних наук, професор
Туровський Анатолій Антонович,
Відділення фізико-хімії і технології горючих копа- лин Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України, завідувач відділу хімії і біотехнології горючих копалин
Провідна установа Харківський національний університет ім. В.Н. Ка- разіна Міністерства освіти і науки України, м. Харків (кафедра фізичної хімії)
Захист відбудеться “27” травня 2003р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.216.01 в Інституті фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 70).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 70).
Автореферат розісланий “18” квітня 2003 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 11.216.01. Шендрік Т.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. В останній час запропоновано велику кількість різних антиоксидантів, але фенольні залишаються найбільш застосованими в практичному відношенні, оскільки мають в порівнянні з іншими рядом суттєвих переваг, головною з яких є висока ефективність. Це обумовлює пошук нових антиоксидантів у ряду цих сполук, а також продовження досліджень властивостей фенольних антиоксидантів.
Найбільш вивченими та поширеними як промислові і лабораторні антиоксиданти є синтетичні алкілзаміщені феноли. Поряд з цим ефективними антиоксидантами є феноли з двома і більше гідроксигрупами в бензольному кільці. До таких фенолів належать природні феноли, які беруть участь в біохімічних процесах живих організмів та регулюють в них процеси перекисного окиснення ліпідів. На відміну від синтетичних просторово-утруднених фенолів, природні фенольні сполуки, за винятком токоферолів, вивчені недостатньо. Для таких фенолів механізм перетворень, що лежить в основі антиоксидантної дії, відрізняється в деяких деталях від неекранованих фенолів. Відсутні систематичні дані щодо взаємозв’язку структура – реакційна здатність природних фенолів в радикальних реакціях окиснення, немає відомостей і про структуру перехідного стану в ключовій реакції інгібування. Це перешкоджує всебічному аналізу факторів, що обумовлюють високу активність фенолів та є однією з причин використання поки що чисто емпіричного підходу до вибору антиоксидантів для практичного застосування. Детальне вивчення антиоксидантних властивостей природних фенольних сполук є шляхом до більш ефективного розв’язання зазначених проблем напівемпіричним та неемпіричним методами.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі фізичної хімії Донецького національного університету під керівництвом к.х.н., проф. Ніколаєвського А.М. у межах науково-дослідницьких тем “Екологічно безпечні антиоксиданти органічних речовин, матеріалів на їх основі та фізико-хімічні дослідження процесів стабілізації ”, шифр 98-1вв/40, № державної реєстрації 0198U005568 та “Кінетика і механізми від’ємного каталізу процесів окиснення органічних речовин та пошук ефективних антиоксидантів (біоантиоксидантів)”, шифр 01-1вв/40, № державної реєстрації 0101U005378.
Мета та завдання роботи. Метою даної роботи було:
1.
Вивчення кінетики та механізму ключових реакцій, які забезпечують антиоксидантну дію природних фенольних сполук у радикально-ланцю-гових процесах окиснення органічних речовин молекулярним киснем.
2.
Виявлення та пояснення закономірностей у змінюванні антиоксидантної активності природних фенолів в залежності від хімічної структури сполуки, електронної будови молекули, природи субстрату, що окисню-ється, умов окиснення, складу продуктів перетворення антиоксидантів та ін.
3.
Встановлення основних факторів, що визначають реакційну здатність поліфенольних сполук у відношенні до вільних радикалів.
4.
Спрямований пошук природних джерел ефективних інгібіторів окиснення.
Відповідно до поставленої мети вирішувались такі основні завдання:
-
оптимізація умов екстрагування природних антиоксидантів з рослинної сировини, вивчення активності отриманих екстрактів у відношенні до вільних радикалів та у взаємозв’язку зі складом фенольних сполук;
-
визначення кінетичних, термодинамічних та активаційних параметрів реак-ції природних фенолів з пероксирадикалами етилбензолу та дифенілпікрилгідразилом;
-
встановлення кореляційних співвідношень між параметрами реакційної здатності фенолів в реакціях радикального окиснення та характеристиками їх електронної будови, визначеними квантовохімічним методом; пошук перехідних станів реакції відриву атома водню від молекул фенолів пероксирадикалом етилбензолу;
-
вивчення закономірностей в змінюванні антиоксидантної активності фенольних сполук в залежності від їх хімічної структури, природи субстрату, що окиснюється, та умов окиснення;
-
дослідження особливостей хемілюмінесценції в процесах інгібованого природними фенолами окиснення вуглеводнів та соняшникової олії;
-
квантовохімічні розрахунки стандартних ентальпій утворення вихідних речовин, інтермедіатів і продуктів реакції між феноксильним та пероксильним радикалами; розрахунок термодинамічних та активаційних параметрів реакції для встановлення емітера хемілюмінесцентного світіння;
-
виявлення найбільш ефективних природних антиоксидантів, пояснення їх високої активності та рекомендації щодо їх практичного отримання і застосування.
Об’єкт дослідження – інгібування фенолами радикально – ланцюгових процесів окиснення етилбензолу та соняшникової олії.
Предмет дослідження – кінетика та механізм антиоксидантної дії фенолів природного походження.
Методи дослідження – газоволюмометричний – вимірювання швидкості поглинання кисню; хемілюмінесцентний – для вимірювання інтенсивності хемілюмінесценції; фотоколориметричний – для визначення концентрації забарвлених речовин; гравіметричний та тітриметричний – для стандартизації рослинних екстрактів та вивчення кінетики накопичення продуктів окиснення; спектральні та хроматографічні – для якісного та кількісного аналізу фенольних сполук екстрактів.
Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проведено систематичне дослідження реакційної здатності широко розповсюджених в рослинах фенолів в реакціях з вільними радикалами. Пояснено причини високої антиоксидантної активності орто-поліфенолів рослинного походження. Вивчено взаємозв’язок реакційної здатності природних фенолів в реакціях радикального окиснення з характеристиками їх електронної будови. Вперше отримано двофакторні кореляційні рівняння, що пов’язують параметри антирадикальної активності фенолів з енергією вищої зайнятої молекулярної орбіталі молекул та міцністю зв’язку реакційного центру. Отримання таких кореляцій може покласти початок розробці елементів концепції напівемпіричної оцінки реакційної здатності молекул та радикалів в реакціях окиснення, а також ефективності сполук як антиоксидантів. В реакції фенолів з пероксирадикалами етилбензолу квантовохімічним методом встановлено існування перехідного стану, стабілізованого переносом заряду від молекули фенолу до пероксирадикалу етилбензолу, що полегшує гомолітичний розрив зв’язку. Визначені напрямки подальших перетворень феноксильних радикалів та кінцеві продукти окиснення фенолів. Вивчені особливості хемілюмінес-ценції, що спостерігаються при інгібованому окисненні етилбензолу та соняшникової олії неутрудненими фенолами. Показано, що реакція між фенок-сильним та пероксильним радикалами може бути джерелом хемілюмінес-центного світіння. Встановлено емітер хемілюмінесценції та шлях його утворення. Квантовохімічними розрахунками термодинамічних та активаційних параметрів реакції підтверджено можливість утворення хінонів в електронно-збудженому стані за реакцією між феноксильним та пероксильним радикалами.
За результатами якісного та кількісного аналізу фенольних сполук рослинних екстрактів та вивчення їх антиоксидантної активності встановлено, що орто-поліфеноли (галова кислота та її ефір, кавова кислота, кверцетин) головним чином визначають антиоксидантні властивості рослинних екстрактів.
Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати сприяють поширенню та поглибленню уявлень щодо особливостей інгібуючої дії фенолів в радикально-ланцюгових процесах окиснення органічних речовин. Вони можуть бути корисні при створенні науково-обгрунтованих підходів до пошуку нових природних антиоксидантів, оскільки, в певній мірі, розв’язують такі важливі проблеми як: вибір джерел сировини для отримання таких антиоксидантів, оптимізація умов екстракційного виділення речовин з антиоксидантними властивостями, розробка методів стандартизації рослинних екстрактів за їх антиоксидантною дією. Отримані кореляційні залежності між параметрами антирадикальної активності природних фенолів та характеристиками електронної будови їх молекул дозволяють проводити первинну оцінку антиоксидантної активності будь-яких сполук в ряду просторово-неутруднених фенолів. Дослідження антиоксидантних властивостей природних фенолів поглиблює уявлення щодо механізму їх фармакологічної та біологічної дії в організмі людини. Вивчені рослинні екстракти та фенольні сполуки, що входять до їх складу, поширюють асортимент речовин, які проявляють водночас біологічну та антиоксидантну активності, використання яких можливе в медицині, біології, харчовій та фармацевтичній промисловостях.
Особистий внесок автора. При виконанні дисертаційної роботи автором проаналізовано значний обсяг літературних джерел для планування і виконання наукових експериментів. Виконано експериментальні дослідження кінетики та механізму інігібування природними фенолами процесів окиснення органічних речовин, вивчено реакційну здатність фенолів в реакціях з радикалами, квантовохімічним методом проведено розрахунки параметрів електронної будови молекул фенолів та пошук перехідного стану реакції фенолів з пероксирадикалами. Аналіз та обговорення результатів дослідження проведено разом з науковим керівником к.х.н., проф. Ніколаєвським А.М. і к.х.н., доц. Філіпенко Т.А. Обговорення результатів квантовохімічних розрахунків – д.х.н., проф. Опейда Й.О., спільне виконання експерименту з отримання рослинних екстрактів – к.х.н., ас. Бовкуненко О.П., спільне виконання експерименту з оптимізації умов екстрагування антиоксидантів з рослинної сировини – к.х.н., доц. Калоєрова В.Г., спільне дослідження антиоксидантних властивостей рослинних екстрактів – Краснікова С.В., Муранцева О.М., Юрченко І.С.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлені на VII науковій конференції “Львівські хімічні читання” (м. Львів, 1999р.); міжнародній конференції “Ломоносов-2000” (м. Москва, 2000р.); міжнародному симпозіумі “Сучасні проблеми каталізу” (м. Донецьк, 2000р.); вузівській конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково-дослідної роботи (м. Донецьк, 2001р.); II Всеукраїнській конференції “Сучасні проблеми хімії” (м. Київ, 2001р.); VI міжнародній конференції “Біоантиоксидант” (м. Москва, 2002р.); міжнародному симпозіумі “Сучасні проблеми фізичної хімії” (м. Донецьк, 2002р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей у наукових журналах, збірниках наукових праць та 7 тез доповідей на конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків і переліку цитованої літератури зі 178 найменувань. Дисертація представлена на 156 сторінках, містить 45 рисунків, 28 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі подано обґрунтування актуальності роботи, сформульовано мету, наукову новизну та практичну значимість виконаних досліджень.
Перший розділ містить огляд літератури, де розглянуто сучасні уявлення щодо механізму дії інгібіторів радикально-ланцюгових процесів окиснення органічних речовин молекулярним киснем. Детально проаналізовано вплив інгібіторів фенольного типу на процеси окиснення вуглеводнів. Систематизовано і критично оцінено існуючі літературні дані щодо антиоксидантної активності фенолів та їх сумішей у складі рослинних екстрактів. Обґрунтовано доцільність проведення досліджень у напрямку вивчення найбільш ефективних екологічно безпечних антиоксидантів класу фенолів, що входять до складу рослин, та їх екстрактів.
Другий розділ присвячено розгляду об’єктів дослідження та експериментальних методів їх вивчення. Природні феноли та рослинні екстракти досліджено в реакції з дифенілпікрилгідразилом (ДФПГ) та в якості інгібіторів окиснення етилбензолу і соняшникової олії. Рослинні екстракти отримані екстракційним методом та стандартизовані за кількістю сухого залишку (з точністю 1-2%) та відновлюючих сахарів (1-2%) методом гравіметрії, за вмістом фенольних сполук (з точністю 2-3%) та флавонолів (з точністю 4-5%) методом перманганатометрії та фотоколориметрії. Аналіз складу рослинних екстрактів проведено методом ІЧ-спектроскопії та високоефективної рідинної хроматографії (з точністю 2-3%). Вивчення кінетики процесів окиснення органічних речовин проводили з використанням газоволюмометричного методу за кількістю поглинутого кисню (з точністю 5-7%), хемілюмінесцентного методу – за інтенсивністю хемі-люмінесцентного світіння (з точністю 5%). Реакцію фенолів та рослинних екстрактів з ДФПГ вивчали фотоколориметричним методом (похибка виміру 4-5%). Експериментальні дані оброблялись з використанням методів математичної статистики. Для квантовохімічних розрахунків обрано напівемпі-ричний метод АМ1 та неемпіричний – ab initio (MOPAC-97).
У третьому розділі “Антиоксидантні властивості рослинних екстрактів” досліджено вплив різних факторів на екстракцію з рослинної сировини природних антиоксидантів (АО), вивчено склад фенольних сполук отриманих екстрактів та їх активність в реакціях з радикалами.
Дослідження впливу різних факторів (температури, часу, подрібненості сировини, її густини завантаження, співвідношення масових часток сировина – розчинник) на екстракцію біологічно-активних речовин у взаємозв’язку з їх антиоксидантними властивостями дало змогу розробити методику вилучення з рослин природних антиоксидантів. Антиоксидантна дія екстрактів вивчалась в умовах ініційованого (ініціатор - азодиізобутиронітрил (АІБН), 343К) окиснення етилбензолу та соняшникової олії. Антиоксидантну активність (АОА) екстрактів характеризували величиною ?/ф0 , де ? – період індукції окиснення в присутності рослинного екстракту, ?0 – у відсутності екстракту. Екстракти рослин стандартизували за рядом параметрів: кількістю сухого залишку (Wс.з.), вмістом фенольних сполук (в перерахунку на танін), сумою флавонолів (в перерахунку на кверцетин) та за кількістю відновлюючих сахарів (в перерахунку на глюкозу). Визначені параметри екстрактів дозволяють стандартизувати їх за антиоксидантною дією. Більш ефективними виявляються етанольні та етанольно-етилацетатні (1:1) екстракти з значним вмістом сухого залишку, фенольних сполук, флавонолів та невеликою кількістю відновлюючих сахарів. Встановлено, що таким вимогам відповідають екстракти з кореня родовика, листя мучниці, кори дубу та плодів калини, які збільшують стабільність субстратів до окиснення в 2-3 рази при вмісті в них екстрактів до 0.1 мас.%.
В реакції з ДФПГ було проведено первинну оцінку антирадикальної дії екстрактів. Кінетика взаємодії рослинних екстрактів з ДФПГ досліджувалась фото-колориметричним методом у розчині етанолу при температурі 293К. Характеристикою активності екстракту в реакції з ДФПГ було обрано час, за який ДФПГ прореагує на 50% (?1/2).
Отримані результати свідчать про те, що вивчені екстракти реагують з ДФПГ з різною швидкістю. Вид кінетичних кривих витрачання ДФПГ свідчить про наявність в екстрактах фенолів різної активності та їх поступовому витрачанню. З табл.1 видно, що ряд зміни активності екстрактів в реакції з ДФПГ співпадає зі зміною антиоксидантної активності екстрактів при окисненні соняшникової олії.
Таблиця 1
Параметри ?1/2 етанольних екстрактів в реакції з ДФПГ (етанол, Ссух.екстр.=0.01 мас. %) та ?/ф0 при ініційованому окисненні (АІБН, 343К, Ссух.екстр.=0.1 мас. %) і автоокисненні (293К, Ссух.екстр.=0.1мас. %) соняшникової олії.
№ | Екстракт | ф1/2, хв.,
293К | ф/ф0, олія, 343К | ф/ф0, олія, 293К | Кіл-ть фен. сполук,% | Сума
флавонолів,%
1. | Родовик (корінь) | 1 | 2.2 | 3.1 | 27.2±0.9 | 1.50±0.08
2. | Мучниця (листя) | 2 | 2.3 | 2.6 | 35.0±0.9 | 2.70±0.10
3. | Дуб (кора) | 37 | 2.2 | 2.7 | 30.8±0.9 | 1.70±0.10
4. | Калина (ягоди) | 50 | 2.5 | 2.4 | 35.7±0.9 | 0.20±0.01
5. | Горіх (листя) | 80 | 2.1 | 2.1 | 31.8±0.9 | 1.90±0.10
6. | Калина (кора) | 95 | 2.1 | 1.5 | 23.4±0.8 | 1.25±0.05
7. | Звіробій (трава) | 260 | 1.9 | 1.2 | 24.9±0.8 | 0.98±0.05
8. | Цмин (квіти) | 350 | 1.9 | 2.1 | 7.8±0.2 | 0.41±0.02
9. | Бузина (квіти) | 420 | 1.8 | 1.9 | 13.8±0.4 | 0.50±0.03
10. | Оман (корінь) | 510 | 1.3 | 1.8 | 8.3±0.2 | -
Отримані результати свідчать на користь того, що АОА екстрактів обумовлена їх здатністю взаємодіяти з вільними радикалами з обривом при цьому ланцюгів окиснення. Реакція екстрактів з ДФПГ може служити тестом для первинної кількісної оцінки їх антирадикальної активності. Найбільш активні в реакції з ДФПГ екстракти з листя мучниці, кореня родовика та кори дубу, які містять велику кількість фенольних сполук, у тому числі флавонолів (табл. 1). Ці екстракти виявляють і найбільшу АОА при окисненні етилбензолу та соняшникової олії. Зрозуміло, що серед фенольних сполук головна роль у забезпеченні антиоксидантної дії екстрактів, належить найбільш активним фенолам. Для встановлення їх складу та подальшого пошуку їх рослинних джерел проведено якісний та кількісний аналіз фенольних сполук в досліджених екстрактах.
ІЧ-спектроскопічне дослідження екстрактів показало наявність в них різних груп фенольних сполук (флавоноїди та їх глікозиди, фенолкарбонові кислоти). Подальше визначення якісного та кількісного складу фенольних сполук екстрактів проведено методом високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ) у взаємозв’язку з результатами вимірювання АОА (ф/ф0) екстрактів при окисненні соняшникової олії. Встановлено, що екстракти з вираженою АОА (листя мучниці, корінь родовика, кора дубу) містять значну кількість орто-поліфенолів (галова, кавова та протокатехова кислоти, кверцетин). Зменшення кількості зазначених фенолів в екстрактах (трава звіробою, корінь оману) обумовлює зниження їх антиоксидантної дії. Визначений склад фенольних сполук екстрактів узгоджується з літературними даними щодо хімічного складу відповідних рослин. Це свідчить про те, що розроблена методика отримання екстрактів дозволяє повно вилучати з рослин речовини з антиоксидантними властивостями. Аналіз складу фенольних сполук екстрактів і результатів їх антиоксидантної дії свідчить про те, що основними носіями цієї дії виявляються орто-поліфеноли. Підтвердженням цього висновку є дані щодо АОА штучно складених сумішей, з вмістом в них приблизно тієї ж кількості фенолів, що і в екстрактах. Показано, що ?/ф0 сумішей близька до ?/ф0 досліджених екстрактів. Таким чином, встановлено, що висока антиоксидантна активність ряду екстрактів обумовлена значним вмістом в них саме орто-поліфенолів. Інші складові екстракту значно не впливають на його АОА.
У четвертому розділі “Кінетика і механізм взаємодії природних фенолів з вільними радикалами” обговорено результати експериментальних досліджень кінетики та механізму взаємодії природних фенолів з дифенілпікрилгідразилом та пероксильним радикалом етилбензолу і доведено високу антирадикальну і антиоксидантну активність орто-поліфенолів.
В реакції з ДФПГ досліджувались фенольні сполуки, що належать до простих фенолів, фенолкарбонових кислот, оксиантрахінонів, флавоноїдів та їх глікозидів. Показано (табл. 2), що незалежно від природи фенолу реакція має перший порядок як за ДФПГ, так і за фенолом. Визначення констант швидкостей (k) досліджуваної реакції при різних температурах дало змогу отримати активаційні параметри реакції. Через дуже високу швидкість витрачання ДФПГ в присутності сполук 1,2,3, навіть при
Таблиця 2
Кінетичні та термодинамічні параметри реакції взаємодії молекул фенолів з радикалом ДФПГ.
№ | Сполуки | k, л·моль-1·с-1
293К | Еа,
кДж·моль-1 | А,
л·моль-1·с-1 | Д?#,
кДж·моль-1 | ДS#,
Дж·моль-1·К-1 | DO-H,
кДж·моль-1 | ДG#293K,
кДж·моль-1 | -ЕВЗМО,
еВ
1 | етиловий ефір галової кислоти | (1.9±0.1)·103 | - | - | - | - | 301 | - | 8.77
2 | галова кислота | (1.50±0.09)·103 | - | - | - | - | 302 | - | 8.88
3 | кавова кислота | (8.3±0.2)·102 | - | - | - | - | 311 | - | 8.94
4 | кверцетин | (4.8±0.2)·101 | 10 ± 1 | (3.0±0.1)·103 | 7 ± 1 | -187 ± 9 | 317 | 62±3 | 8.90
5 | протокатехова кислота | (3.7±0.2)·101 | 15 ± 1 | (1.7±0.1)·104 | 12 ± 1 | -173 ± 9 | 318 | 63±3 | 9.20
6 | бузкова кислота | (2.2±0.1)·101 | 17 ± 1 | (2.0±0.1)·104 | 14 ± 1 | -171 ± 8 | 314 | 64±3 | 9.10
7 | ферулова кислота | (1.9±0.1)·101 | 18 ± 1 | (2.8±0.1)·104 | 15 ± 1 | -168 ± 7 | 317 | 64±3 | 9.20
8 | рутин | 2.8±0.1 | 24 ± 2 | (5.2±0.2)·104 | 22 ± 2 | -163 ± 7 | 320 | 70±4 | 9.28
9 | ванілінова кислота | 0.50±0.03 | 38 ± 2 | (2.5±0.1)·106 | 35 ± 2 | -131 ± 7 | 332 | 73±4 | 9.22
10 | алізарин | 0.50±0.03 | 39 ± 2 | (4.8±0.2)·106 | 37 ± 2 | -126 ± 7 | 324 | 74±4 | 9.29
11 | флороглюцин | 0.20±0.01 | 45 ± 2 | (2.5±0.1)·107 | 43 ± 2 | -112 ± 7 | 337 | 76±4 | 9.50
12 | п-оксибензойна
кислота | - | - | - | - | - | 340 | - | 9.60
кімнатній температурі, активаційні параметри реакції для них не визначалися. Для наведених фенолів (табл. 2) спостері-гається лінійна залежність між ентальпією (?Н#) та ентропією (?S#) активації:
Д?#=(97.40±3.31)+(0.50±0.02)ДS#, r=0.994, R2=0.988, S=1.45, p<0.0001, n=8
Така залежность свідчить про наявність компенсаційного ефекту (ізокінетична температура Тізокін.=500К), котрий обумовлений зміною структури молекул фенолів. Низькі значення ентропії активації вказують на наявність стеричних утруднень в досліджуваній реакції. Як видно з табл.2, більшість вивчених фенолів активно взаємодіють з ДФПГ. Реакційним центром, за яким йде реакція з ДФПГ, є гідроксигрупа молекули фенолу. Найбільш активні в реакції з радикалом орто-поліфеноли: галова кислота та її етиловий ефір, кавова кислота, кверцетин. Практично не реагує з ДФПГ пара-оксибензойна кислота. Реакційна здатність фенолів в досліджуваній реакції прямо не пов’язана з кількістю О-Н груп в молекулі, а визначається активністю гідроксигрупи з найменшою енергією розриву зв’язку. Міцність цього зв’язку залежить від положення гідроксигрупи в ароматичному циклі, а також наявності інших замісників в молекулі, їх природи і положення. В ряду досліджених фенолів спостерігається кореляційна залежність між константами k та міцностями найбільш слабких О-Н зв’язків молекул фенолів, розрахованих квантовохімічним напівемпіричним методом АМ1:
lnk=(90.90±10.40)–(0.30±0.03)DO-H, r=0.950, R2=0.903, S=1.10, p<0.0001, n=11
Наявність такої кореляції свідчить на користь протікання реакції між фенолом і ДФПГ за механізмом гомолітичного розриву О-Н зв’язку, а значить, антиоксидантна дія природних фенолів в радикально-ланцюгових процесах окиснення органічних речовин також повинна залежати від міцності зв’язку гідроксигрупи в молекулі фенолу.
Вивчення антиоксидантних властивостей природних фенолів проводили в модельній реакції ініційованого рідиннофазного окиснення етилбензолу (ЕТБ) при 333-353К. Встановлено, що усі досліджені феноли гальмують процес окиснення етилбензолу внаслідок лінійного обриву ланцюгів окиснення при взаємодії фенолів з пероксирадикалами. Спостерігається лінійна залежність між періодом індукції (?) окиснення вуглеводню та концентраціями введених фенолів. Пряме підтвердження взаємодії фенолів з пероксирадикалами ЕТБ отримано хемі-люмінесцентним (ХЛ) методом. Реакційна здатність фенолів (PhOH) в реакції з пероксирадикалами етилбензолу (ArCH(CH3)OO?) характеризувалась константою швидкості (k7) цієї реакції (табл.3).
Таблиця 3
Кінетичні параметри антирадикальної дії фенолів (k7) при ініційованому(АИБН) окисненні етилбензолу та характеристики електронної будови (DO-H, ЕВЗМО) молекул.
№ | Сполука | f
газов. | f
хем. | k7, л·моль-1·с-1, 333К | DO-H,
кДж·моль-1 | -ЕВЗМО, еВ
1 | етиловий ефір
галової кислоти | 2.1 | 2.4 | (4.8±0.2)·105 | 301 | 8.77
2 | галова кислота | 1.8 | 1.9 | (4.0±0.2)·105 | 302 | 8.88
3 | кавова кислота | 1.6 | 2.0 | (8.9±0.2)·104 | 311 | 8.94
4 | кверцетин | 2.0 | 2.5 | (7.4±0.2)·104 | 317 | 8.90
5 | протокатехова кислота | 1.8 | 2.2 | (5.6±0.2)·104 | 318 | 9.20
6 | бузкова кислота | 1.4 | 1.5 | (4.0±0.2)·104 | 314 | 9.10
7 | ферулова кислота | 1.0 | 1.3 | (1.60±0.09)·104 | 317 | 9.20
8 | рутин | 1.0 | 1.2 | (1.10±0.05)·104 | 320 | 9.28
9 | ванілінова кислота | 0.6 | 0.7 | (1.00±0.05)·104 | 332 | 9.22
10 | алізарин | 0.6 | 0.8 | (8.7±0.2)·103 | 324 | 9.29
11 | флороглюцин | 1.7 | 1.8 | (6.5±0.2)·103 | 337 | 9.50
12 | п-оксибензойна кислота | 0.5 | 0.5 | (2.1±0.1)·103 | 340 | 9.60
13 | б – ?окоферол | - | 4* | (3.10±0.08)·106* | 297 | 8.34
14 | в – ?окоферол | - | 4* | (1.90±0.08)·106* | 299 | 8.37
15 | г – ?окоферол | - | 4* | (1.40±0.08)·106* | 300 | 8.42
16 | д – ?окоферол | - | 4* | (8.50±0.08)·105* | 301 | 8.54
17 | дигідрокверцетин | - | - | 7.26·104* | 318 | 8.91
18 | кемпферол | - | - | 1.04·103* | 341 | 9.65
19 | дигідрокемпферол | - | - | 9.54·102* | 342 | 9.65
20 | іонол | 1.8 | 1.9 | (1.30±0.08)·104 | 303 | 8.62
* - літературні дані
Експериментальні значення стехіометричних коефіцієнтів інгібування f при окисненні етилбензолу в присутності досліджених фенолів, визначені різними методами, не мають істотної різниці і змінюються від 0.5 до ? 2 (табл. 3). Реакційна здатність фенолів в реакції з ArCH(CH3)OO? визначається активністю того ж самого реакційного центру, що і в реакції з ДФПГ, якому відповідає найменша енергія розриву зв’язку (DO-H). З табл. 3 видно, що найбільш високу антирадикальну активність (АРА) (k7) в реакції з ArCH(CH3)OO?, порівняно з іншими фенолами, виявляють токофероли, які мають слабкі О-Н зв’язки в молекулах, що обумовлено наявністю у їх складі декількох електронодонорних метильних груп. Реакційна здатність флавоноїдів, зокрема флавонолів (кверцетин, кемпферол) та флаванонів (дигідрокверцетин, дигідрокемпферол), обумовлена однією з найбільш активних груп в орто-положеннях (3’ та 4’). Активність фенолкарбонових кислот в реакції з ArCH(CH3)OO? визначається впливом на реакційний центр карбоксильної групи в пара-положенні та замісників в орто-положеннях до нього. Взагалі, найбільш активні в реакції з пероксирадикалом ЕТБ, так само як із радикалом ДФПГ, орто-поліфеноли: галова кислота та її етиловий ефір, кавова кислота, кверцетин. Співставлення (табл.2,3) констант швидкостей реакцій фенолів з ArCH(CH3)OO? (k7) та ДФПГ (k) свідчить щодо симбатної зміни цих констант в ряду досліджених фенолів.
Отримані активаційні параметри реакції фенолів з ArCH(CH3)OO? (табл. 4) показали, що, як і в випадку з радикалом ДФПГ, в ряду наведених фенольних сполук спостерігається наявність компенсаційного ефекту (ізокінетична температура Тізокін.=600К), який обумовлений зміною в будові молекул фенолів.
Таблиця 4
Активаційні параметри реакції взаємодії PhOH с ArCH(CH3)OO*.
№ | Сполука | Еа., кДж·моль-1 | А, л·моль-1·с-1 | Д?#,
кДж·
моль-1 | ДS#,
Дж·
моль-1·K-1 | ДG#333K,
кДж·
моль-1
1 | етиловий ефір
галової кислоти | 29 ± 2 | (1.60±0.09)·1010 | 25 ± 2 | -63 ± 3 | 46 ± 2
2 | галова кислота | 29 ± 2 | (1.60±0.09)·1010 | 26 ± 2 | -62 ± 3 | 46 ± 2
3 | кавова кислота | 34 ± 2 | (1.80±0.09)·1010 | 30 ± 2 | -62 ± 3 | 50 ± 2
4 | кверцетин | 35 ± 2 | (2.3±0.1)·1010 | 32 ± 2 | -55 ± 2 | 51 ± 2
5 | протокатехова
кислота | 36 ± 2 | (2.5±0.1)·1010 | 34 ± 2 | -54 ± 2 | 52 ± 2
6 | бузкова кислота | 38 ± 2 | (3.1±0.1)·1010 | 35 ± 2 | -51 ± 2 | 53 ± 2
7 | ферулова кислота | 42 ± 2 | (6.5±0.2)·1010 | 39 ± 2 | -48 ± 2 | 55 ± 2
8 | рутин | 45 ± 2 | (1.20±0.08)·1011 | 42 ± 2 | -42 ± 2 | 56 ± 2
9 | ванілінова кислота | 46 ± 2 | (1.60±0.08)·1011 | 43 ± 2 | -39 ± 2 | 56 ± 2
10 | алізарин | 48 ± 2 | (3.3±0.1)·1011 | 46 ± 2 | -33 ± 2 | 57 ± 2
11 | флороглюцин | 50 ± 2 | (4.5±0.2)·1011 | 47 ± 2 | -32 ± 2 | 58 ± 3
12 | п-оксибензойна
кислота | 54 ± 2 | (6.0±0.2)·1011 | 51 ± 2 | -29 ± 2 | 61 ± 3
13 | б – ?окоферол | 12.5±1.1* | (2.8±0.1)·108 | 10 ± 1 | -93 ± 4 | 41 ± 2
14 | в – ?окоферол | 12.5±1.1* | (1.7±0.1)·108 | 9 ± 1 | -100 ±4 | 42 ± 2
15 | г – ?окоферол | 13.5±1.1* | (2.0±0.1)·108 | 11 ± 1 | -84 ± 4 | 43 ± 2
16 | д – ?окоферол | 15.0±1.1* | (1.90±0.08)·108 | 10 ± 1 | -99 ± 4 | 44 ± 2
*- літературні дані
Для досліджених фенолів спостерігається кореляційна залежність між ln k7 та міцностями найбільш слабких зв’язків О-Н (DO-H) молекул:
lnk7=(60.73±3.28)–(0.16±0.01)DO-H , r=0.960 R2=0.931, S=0.60, p<0.0001, n=19
Однак, недостатньо високий коефіцієнт кореляції отриманої залежності свідчить щодо впливу на реакційну здатність фенолів інших, окрім термодинамічного, факторів (стеричний, полярний). Вплив стеричного фактору на реакційну здатність фенолів, оскільки спостерігаються високі значення ?S# (табл. 4) в порівнянні з тими ж величинами в реакції фенолів з ДФПГ, що відбивається і на значеннях констант k та k7 (табл. 2, 3). Характеристикою полярного фактору є потенціал іонізації (PI) молекули, який, за теоремою Купманса, відповідає енергії вищої зайнятої молекулярної орбіталі (ЕВЗМО). Для вивчених фенолів з ростом реакційної здатності (k7) спостерігається зниження ЕВЗМО (табл. 3). Кореляційне рівняння має наступний вигляд:
lnk7=(63.35±2.62)–(5.81±0.28)EВЗМО, r=0.978 R2=0.960, S=0.50, p<0.0001, n=19
Наявність такої залежності означає, що ЕВЗМО, поряд з DO-H, є тим параметром, що визначає активність фенолів в реакції з ArCH(CH3)OO?. Вплив обох параметрів на величину k7 описується наступним двофакторним кореляційним рівнянням:
ln k7=(63,83±2,08) – (0,06±0,01)DO-H – (3.69±0.67)EВЗМО(ab initio), (1)
r = 0.988, R2 = 0.976, S= 0.41, p<0.0001, n = 19
Співвідношення між логарифмами k7, визначеними експериментально та розрахованими за рівнянням (1), наведено на рис.1.
Експериментальні дані для відомого просторово-утрудненого синтетичного фенолу – іонолу не підлягають наведеним закономірностям (табл. 3), що свідчить про відсутність стеричних утруднень в реакції ArCH(CH3)OO? з молекулами досліджених фенолів та можливість використання кореляційних рівнянь тільки для прогнозування АРА будь-яких просторово - неутруднених фенолів.
Наявність залежності ln k7 від ЕВЗМО з високим коефіцієнтом кореляції дозволило припустити існування структур з переносом заряду в перехідному стані (ПС) реакції фенолів з ArCH(CH3)OO?. Дане припущення підтверджено прямими розрахунками електронної структури ПС, в якому спостерігається перехід заряду від молекули фенолу до пероксирадикалу ЕТБ, що, в свою чергу, полегшує взаємодію між ними. Розраховані напівемпіричним методом АМ1 значення ентальпії активації (?Н#розр.) корелюють з експериментальними величинами енергії активації:
Д?#розр.=(97.90±0.88)+(0.50±0,02)Еа., r=0.995, R2=0.990, S=0.79, p<0.0001, n=7
Це свідчить про те, що результати квантовохімічних розрахунків відображають тенденції в зміні активності реагуючих речовин в залежності від їх будови, що спостерігаються в експерименті.
Таким чином, реакційна здатність природних фенолів в реакції з ArCH(CH3)OO?, у відсутності стеричних ефектів, визначається двома основними факторами: термодинамічним – міцністю О-Н зв’язку, що розривається, та полярним – здатністю молекул віддавати електрони та утворювати з пероксирадикалами в ПС структури з розділенням заряду. Найбільш активні в реакції з ArCH(CH3)OO? орто-поліфеноли, що мають низькі значення ЕВЗМО та DO-H.
У п’ятому розділі “Особливості хемілюмінесценції при інгібованому фенолами окисненні органічних речовин” досліджено особливості хемілюмінесценції (ХЛ) при окисненні етилбензолу та олії в присутності природних фенольних сполук.
При дослідженні хемілюмінесценції в процесах ініційованого (АІБН, 343К) окиснення вуглеводнів (етилбензол, кумол) в присутності природних фенолів без активатора світіння (9,10-дибромантрацен (ДБА)) встановлено наявність ХЛ-світіння в періоді індукції. З рис.2 видно, що в цих умовах початок періоду індукції для більшості фенолів супроводжується підвищенням ХЛ, інтенсивність якої залежить від природи фенолу, і тільки для бузкової кислоти та іонолу кінетичні криві ХЛ мають класичний вигляд: введення цих фенолів викликає падіння ХЛ-світіння.
Враховуючи, що всі досліджені феноли є акцепторами ArCH(CH3)OO?, особливості ХЛ в їх присутності можна було пояснити тільки з точки зору появи в системі нової ХЛ-реакції. Для ідентифікації джерела ХЛ в періоді індукції було вивчено вплив різних факторів на її інтенсивність в максимальній точці (Imax). Було встановлено, що це явище не залежить від природи ініціатору. Ріст ХЛ-світіння при введенні до етилбензолу фенолу не спостерігається у відсутності ініціатора окиснення та при відключенні постачання кисню. Зі збільшенням швидкості ініціювання (при [PhOH]=const) зростає величина Imax. Все це дозволило припустити, що новий емітер ХЛ виникає за участю пероксирадикалів. При постійній концентрації ініціатору (АІБН) значення Imax зростає з концентрацією фенолу і при деякому її значенні досягає постійної величини. Така залежність якісно узгоджується з припущенням про те, що джерелом додаткового світіння в системі є реакція між феноксильним та пероксильним радикалами.
Наявність ХЛ світіння в реакції (2) та його інтенсивність залежать від природи фенолу, пероксильного радикала та впливу субстрату в цілому на перебіг ХЛ-реакції. При окисненні полярного субстрату – метилетилкетону (МЕК) в присутності досліджуваних фенолів спостерігається ще більш різке збільшення Imax в порівнянні з ЕТБ як в присутності активатору ХЛ, так і без нього. Іонол та бузкова кислота і в цьому субстраті не викликають підсилення ХЛ в періоді індукції ні за яких умов. Встановлено, що всі феноли, які обумовлюють ХЛ-світіння, здатні за реакцією між пероксильним та феноксильним радикалами утворювати хінони. Іонол та бузкова кислота такою здатністю не володіють, тому не викликають збільшення ХЛ ні в яких субстратах. Додатковим емітером ХЛ в системі, окрім реакції рекомбінації пероксирадикалів, є хінони в електронно-збудженому стані, що утворюються за реакцією приєднання пероксирадикалу в орто- чи пара-положення феноксила:
Квантовохімічними розрахунками підтверджено можливість утворення продукту в електронно-збудженому стані в реакції, яка протікає через стадію утворення проміжного молекулярного інтермедіату. Показано, що в неполярних субстратах (етилбензол, кумол) енергії, що виділяється при переході хінону зі збудженого в основний стан, недостатньо для збудження люмінесцентних рівней активатору, тому при інгібованому фенолами окисненні вуглеводнів з активатором не спостерігається підсилення ХЛ. В полярному середовищі (МЕК), імовірно, підвищуються енергетичні рівні збудженого продукту, а також зростає імовірність переходу хінону зі збудженого синглетного стану в збуджений триплетний стан. В цьому стані хінон перебуває достатньо довго, тому частка збуджених триплетних молекул встигає передати енергію збудження на активатор. Таким чином в полярному середовищі феноли підсилюють ХЛ і в присутності активатору світіння.
Гідроксибензохінони, що утворюються в реакції між пероксирадикалами і радикалами поліфенолів, не виявляють антиоксидатної активності (АОА), що пояснює величини стехіометричних коефіцієнтів інгібування вихідних поліфенолів, які не перевищують значення 2, та свідчить про участь в інгібуванні однієї О-Н групи. Відсутність АОА у гідроксибензохінонов, при відносно невеликих значеннях DO-H молекул, пояснюється значно більшими ЕВЗМО ( 9.7ч10.5 ?В) молекул в порівнянні з фенолами (табл. 3), дезактивацією О-Н групи в складі гідроксибензохінонів внаслідок утворення внутришньомолекулярного водневого зв’язку за участю атома водню О-Н групи, а також неароматичним характером гідроксибензохінонів, що робить неможливим стабілізацію радикалів, які з них утворюються.
При визначенні кінетичних параметрів антиоксидантної дії (?, ) фенолів в більш складному субстраті – соняшниковій олії хемілюмінесцентним методом встановлено, що при введені в олію досліджуваних фенолів спостерігаються такі ж самі закономірності зміни ХЛ-світіння, як і в метилетилкетоні. Це робить неможливим визначення кінетичних параметрів традіційним методом. Для випадку підсилення ХЛ в періоді індукції інгібованого окиснення величини констант були розраховані спеціальним методом. Отримані для деяких фенолів цим методом значення порівнювалися з аналогічними значеннями в етилбензолі. Співставлення цих величин свідчить про симбатну зміну в обох субстратах в ряду вивчених фенолів та про послаблення антиоксидантної активності фенолів в олії. Найбільш ефективними антиоксидантами в олії виявились орто-поліфеноли, які можна рекомендувати окремо та в складі природних сумішей рослинних екстрактів (листя мучниці, корінь родовика, кора дубу) для гальмування процесів окиснення органічних речовин, зокрема харчових олій та жирів.
Висновки
1.
Вивчена антиоксидантна активність рослинних екстрактів та фенольних сполук, що входять до складу більшості екстрактів рослин, в радикально-ланцюгових процесах окиснення етилбензолу та соняшникової олії. Встановлено, що природні орто-поліфеноли є одними з найбільш ефективних антиоксидантів. Кількість та природа цих поліфенольних сполук в складі біологічно-активних речовин рослин визначає антиоксидантні властивості отриманих з них екстрактів.
2.
Визначені оптимальні умови екстрагування фенольних сполук з рослинної сировини. Досліджена активність отриманих екстрактів у відношенні до радикалу дифенілпікрилгідразилу. Встановлено зв’язок якісного та кількісного складу фенольних сполук екстрактів з їх антиоксидантною дією.
3.
Досліджено реакційна здатність природних фенольних сполук в реакції з радикалами (пероксильними та дифенілпікрилгідразильним). Визначені кінетичні, термодинамічні та активаційні параметри реакції, вивчено механізм взаємодії та зміни реакційної здатності фенолів в залежності від їх будови.
4.
Встановлено, що реакційна здатність природних фенолів в реакції з пероксирадикалами, при відсутності стеричних ефектів, визначається двома основними факторами: термодинамічним – міцністю зв’язку, що розривається, і полярним – здатністю молекул віддавати електрони та утворювати з пероксирадикалами в перехідному стані структури з розділенням заряду. Висока активність орто-поліфенолів в реакції з пероксирадикалами етилбензолу пояснюється низькими значеннями міцностей зв’язків реакційних центрів та енергіями вищих зайнятих молекулярних орбіталей молекул.
5.
Встановлено залежності між кінетичними параметрами антирадикальної активності вивчених рослинних фенолів та їх електронною будовою у вигляді двофакторного кореляційного рівняння, що дозволяє в ряді просторово-неутруднених фенолів прогнозувати їх антиоксидантну активність та планувати синтез нових антиоксидантів.
6.
Квантовохімічними розрахунками встановлено існування перехідного стану з переносом заряду з молекули на радикал в реакції фенолів
