Кинетика и катализ, 2019, T. 60, № 1, стр. 33-43

Спектрокинетические исследования продуктов превращения природных фенолов в радикальных реакциях

Н. И. Белая  1*, А. В. Белый 1, О. М. Заречная 2, И. Н. Щербаков 3, А. И. Помещенко 2, О. А. Горбань 4

1 ГОУ ВПО Донецкий национальный университет
283001 Донецк, ул. Университетская, 24, Украина

2 ГУ Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко
83114 Донецк, ул. Розы Люксембург, 70, Украина

3 ФГАОУ ВПО Южный федеральный университет
344006 Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42, Россия

4 Донецкий физико-технический институт им. О.О. Галкина НАНУ
Киев, Украина

* E-mail: nat.iv.belaya@gmail.com

Поступила в редакцию 05.06.2018
После доработки 30.08.2018
Принята к публикации 10.08.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методами ИК-Фурье и ЯМР-спектроскопии показано, что в реакции с радикалом 2,2'-дифенил-1-пикрилгидразилом вторичными продуктами превращения природных фенолов являются димерные соединения, формирующиеся в результате рекомбинации феноксильных радикалов. Согласно данным о термодинамических параметрах реакции, рассчитанных методом DFT, в изученной системе наиболее стабильные структуры – это СС-димеры. Образующиеся димерные фенолы проявляют пониженную антирадикальную активность по сравнению с исходным фенолом, обеспечивая пролонгированное действие исходного антиоксиданта и усиливая его общую антиоксидантную активность в реакциях радикального окисления.

Ключевые слова: природные фенолы, димеры, механизм реакции, 2,2'-дифенил-1-пикрилгидразил

ВВЕДЕНИЕ

Антирадикальные свойства природных фенолов как биологически активных веществ определяются не только их способностью реагировать с радикалами, но и активностью получающихся из них продуктов [1]. Первичными продуктами превращения фенольных антиоксидантов являются феноксильные радикалы, вторичными – хиноны, димерные соединения, хинолидные пероксиды и аддукты различной структуры [2, 3]. Их состав и строение во многом зависят от соотношения концентраций активных и феноксильных радикалов, природы активного радикала, структуры феноксила, полярности среды и наличия кислорода в системе [4, 5]. Реакционная способность и токсичность образующихся вторичных продуктов превращения природных фенолов во многом определяет их биологическую активность и возможность применения в качестве биологически активных добавок и пищевых антиоксидантов.

Целью настоящей работы было спектрокинетическое исследование вторичных продуктов превращения различных групп растительных фенольных соединений (PhOH) в реакции с 2,2'-дифенил-1-пикрилгидразилом (DPPH) в апротонном растворителе при температуре 293 ± 2 К.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реактивы

Объектами исследования были гидроксибензолы, гидроксибензойные и гидроксикоричные кислоты, а также флавоноиды, относящиеся к группе простых растительных фенолов с общими формулами

I – пирокатехин R2 = ОH, R3 = H, R4 = H, R5 = H, R6 = H;
II – резорцин R2 = H, R3 = OH, R4 = H, R5 = H, R6 = H;
III – гидрохинон R2 = H, R3 = H, R4 = OH, R5 = H, R6 = H;
IV – пирогаллол R2 = OH, R3 = OH, R4 = H, R5 = H, R6 = H;
V – флороглюцин R2 = H, R3 = OH, R4 = H, R5 = OH, R6 = H;
VI – оксигидрохинон R2 = H, R3 = OH, R4 = OH, R5 = H, R6 = H;
VIIпара-гидроксибензойная R2 = H, R3 = H, R4 = COOH, R5 = H, R6 = H;
кислота
VIII – протокатеховая кислота R2 = OH, R3 = H, R4 = COOH, R5 = H, R6 = H;
IX – ванилиновая кислота R2 = OCH3, R3 = H, R4 = COOH, R5 = H, R6 = H;
X – галловая кислота R 2 = OH, R3 = H, R4 = COOH, R5 = H, R6 = OH;
XI – сиреневая кислота R2 = OCH3, R3 = H, R4 = COOH, R5 = H, R6 = OCH3;
XIIпара-кумаровая кислота R2 = H, R3 = H, R4 = –CH=CH–COOH, R5 = H, R6 = H;
XIII – кофейная кислота R2 = OH, R3 = H, R4 = –CH=CH–COOH, R5 = H, R6 = H;
XIV– феруловая кислота R2 = OCH3, R3 = H, R4 = –CH=CH–COOH, R5 = H, R6 = H;
XV– синаповая кислота R2 = OCH3, R3 = H, R4 = –CH=CH–COOH, R5 = H, R6 = OCH3;
XVI – кемпферол R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = H;
XVII – кверцетин R1 = H, R2 = OH, R3 = H, R4 = H;
XVIII – морин R1 = OH, R2 = OH, R3 = H, R4 = H;
XIX – мирицетин R1 = H, R2 = OH, R3 = OH, R4 = H;
XX – рутин R1 = H, R2 = OH, R3 = H, R4 = рутиноза

Гидроксибензолы IV квалификации х. ч. многократно перекристаллизовывали из этилового спирта, сушили при 40°С в атмосфере азота, после чего сублимировали в вакууме. Оксигидрохинон VI был синтезирован по методике [6]. Гидроксибензойные (VIIXI) и гидроксикоричные (XIIXV) кислоты и флавоноиды XVIXX (“Fluka”, “Merck”) использовали без предварительной очистки. Диметилсульфоксид (ДМСО) очищали по методике [7]. Раствор радикала DPPH (“Merck”) в апротонных растворителях имеет интенсивный фиолетовый цвет с максимумом поглощения при длине волны 520 нм. В условиях его хранении в темноте интенсивность спектра в максимуме поглощения остается неизменной на протяжении 72 ч.

Кинетические исследования

Реакцию PhOH с DPPH проводили в среде ДМСО, из которого предварительно был удален кислород путем барботирования аргоном в течение 15–20 мин, что позволяло исключить возможность взаимодействия фенолов и продуктов их превращения с кислородом. Кинетику реакции изучали методом УФ-спектроскопии на приборе Specord S300 UV-VIS (“Carl Zeiss Jena”, ГДР) при 293 ± 2 K в интервале начальных концентраций реагирующих веществ 10–4–10–5 моль/л [810]. Концентрацию DPPH рассчитывали на основании данных об оптической плотности, используя молярный коэффициент экстинкции εDMSO = = 1.2 × 104 л моль–1 см–1.

Спектральные исследования

ИК-Фурье-спектры фенольных соединений и их смесей с радикалом DPPH (1 : 1) регистрировали в диапазоне 1000–4000 см–1 при температуре 293 ± 2 К с разрешением 4 см–1 на ИК-Фурье-спектрометре Bruker Tensor 27 (“Bruker”, Германия). Рабочие растворы готовили в смеси бензол : ацетон = 5 : 1, а затем высушивали под вакуумом при комнатной температуре до порошкообразного состояния, смешивали с KBr и формировали таблетки. Спектры ЯМР 1Н регистрировали в ДМСО-d6 при 298 K ([PhOH] = 0.11 моль/л, [DPPH] = 0.025 моль/л) на спектрометре Bruker Avance-II-400 (“Bruker”, Германия) с рабочей частотой 400 МГц.

Квантово-химические расчеты

Термохимические характеристики реагентов и продуктов реакции DPPH с PhOH рассчитывали в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием гибридного функционала B3LYP в программе Gaussian 09 [11]. Выбор функционала B3LYP был обусловлен данными [12, 13] о его успешном применении для соединений фенольного типа. Поиск основных конформеров предварительно осуществляли в рамках полуэмпирического метода PM6. При проведении расчетов на уровне B3LYP/6-311++G(d,p) (для систем с закрытыми оболочками) и UB3LYP/6-311++G(d,p) (для систем с открытыми оболочками) для начального приближения использовали структуры с самой низкой электронной энергией. Геометрия всех структур была оптимизирована по всем независимым переменным и без ограничений по симметрии. Все полученные результаты относятся к основному состоянию и стандартным условиям (T = 298 K, Р = 1 атм.). Первоначально расчеты производили применительно к условиям в газовой фазе и далее использовали в качестве основы для полной оптимизации геометрии реагентов и продуктов реакции с учетом влияния растворителя (ДМСО), используя подход поляризуемого континуума (РСМ) [14]. Для построения полости растворенного вещества задавали радиусы атомных сфер, исходя из модели силового поля UFF [15]. Для всех равновесных структур был проведен гармонический колебательный анализ с целью тестирования на соответствие минимуму.

Расчеты методом QSPR

Прогнозирование спектров ЯМР 1Н фенольных соединений производили по программе Marvin 16.1.11 (“СhemAxon”). Модуль для расчета химических сдвигов ЯМР “Predictor”, интегрированный в “MarvinSketch”, позволяет предсказывать спектры ЯМР 13C и 1H органических молекул, смоделированных в “MarvinSketch”. Химические сдвиги оценивали путем моделирования методом QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship) [16] и относили к химическому сдвигу тетраметилсилана (δTMS = 0 м.д.). Экспериментальные химические сдвиги 13C и 1H, необходимые для прогнозирования спектров веществ, программа импортирует из базы данных NMRShift.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кинетика расходования радикала DPPH в реакции с растительными фенолами I–XX свидетельствует, что реакция протекает в две стадии. Первой стадии, в которой образуется феноксильный радикал PhO,

(I)
${\text{PhOН }} + {\text{DPP}}{{{\text{H}}}^{\centerdot }} \to {\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{DPPH}}--{\text{H}},$
соответствует начальный резко убывающий линейный участок кривых на рис. 1а.

Рис. 1.

Определение псевдопорядка реакции по пирогаллолу методом изоляции Оствальда на основе данных о начальных скоростях реакции (б), рассчитанных из кинетических кривых расходования DPPH в ДМСО при T = 293 ± 2 К (а). Начальная концентрация пирогаллола, моль/л: 1 – 2.7 × 10–7, 2 – 5.3 × 10–7, 3 – 1.1 × 10–6.

Затем следует второй участок – медленное расходование радикала (в течение часа), обусловленное, по-видимому, участием в реакции малоактивных вторичных продуктов превращения PhOH. Подтвердить их влияние на стехиометрию исследуемого процесса можно путем определения частного и общего порядка реакции на разных участках кинетических кривых. Для этого кинетику реакции изучали в условиях большого недостатка фенола. На линейных участках кривых определяли начальные скорости w0 исследуемой реакции. Затем, пользуясь методом изолирования Оствальда [17], на основании зависимости, построенной в координатах уравнения

$\lg {{w}_{0}} = \lg k + {{n}_{{{\text{PhOH}}}}}{\text{lg[PhOH}}{{{\text{]}}}_{{\text{0}}}},$
мы установили, что псевдопорядок реакции по PhOH ${{n}_{{{\text{PhOH}}}}}$ = 1 (рис. 1б). Аналогичным способом было найдено, что и по DPPH реакция также имеет первый порядок. Тогда общий порядок реакции ${{n}_{{{{w}_{0}}}}},$ как сумма частных порядков по веществам, будет равен 2, что подтверждается линеаризацией кинетических кривых, полученных при эквивалентном соотношении фенола и радикала в координатах 1/[PhOH]–t уравнения реакции 2-го порядка. На основании найденных анаморфоз были рассчитаны константы скорости k реакции (I), численные значения которых характеризуют антирадикальную активность (АРА) изученных веществ I–XX (табл. 1). Величины ${{n}_{{{{w}_{0}}}}},$ найденные по начальным скоростям, соответствуют элементарной стадии (I).

Таблица 1.

Экспериментальные значения стехиометрических и кинетических параметров реакций природных фенолов PhOH с радикалом DPPH в среде ДМСО, а также валентные и деформационные колебания и химические сдвиги 1H фенольных О–Н-групп PhOH до и после реакции при Т = 293 ± 2 К

Соеди-нение ${{n}_{{{{w}_{0}}}}}$ ${{n}_{{{\text{1/2}}}}}$ k, л моль–1 с–1 Частота колебаний в ИК-спектре*, см–1 Спектр ЯМР 1Н
δ, м.д.
PhOH PhOH + + DPPH PhOH PhOH + + DPPH**
Гидроксибензолы
I 2.01 3.52 (3.71 ± 0.14) × 102 3630 (1350) 3520 (1350) 8.75, 8.41 9.15, 8.12,
II 1.97 2.75 2.34 ± 0.09 3650 (1380) 3550 (1380) 8.89 9.05, 8.45
III 1.97 3.22 (5.52 ± 0.15) × 102 3640 (1340) 3520 (1341) 8.61 8.88, 8.19, 8.17
IV 2.02 3.55 (9.8 ± 0.4) × 102 3630 (1350) 3500 (1350) 8.75, 8.60, 6.18 8.92, 8.85, 5.63
V 1.99 2.82 1.42 ± 0.05 3650 (1380) 3510 (1382) 8.83 9.10, 6.92
VI 2.08 3.71 (7.3 ± 0.3) × 102 3620 (1350) 3500 (1350) 8.85, 8.70, 8.51 9.15, 8.91, 8.14
Гидроксибензойные кислоты
VII 1.98 2.78 2.7 ± 0.1 3600 (1410) 3510 (1412) 8.62 8.89
VIII 2.02 3.23 (5.11 ± 0.15) × 102 3595 (1420) 3500 (1420) 8.85, 8.52 9.17, 7.84
IX 1.97 2.82 2.52 ± 0.09 3610 (1400) 3490 (1400) 8.12 9.83
X 2.05 3.92 (8.5 ± 0.4) × 102 3595 (1410) 3480 (1411) 8.76, 8.41, 6.48 6.70–6.93, 5.32
XI 2.01 2.27 (7.5 ± 0.3) × 102 3620 (1400) 3615 (1400) 8.73
Гидроксикоричные кислоты
XII 1.96 2.79 8.3 ± 0.4 3595 (1380) 3480 (1381) 7.12 9.57
XIII 2.06 4.01 (4.84 ± 0.15) × 102 3590 (1390) 3470 (1390) 8.95, 8.59 9.20, 8.44
XIV 1.99 3.58 (4.03 ± 0.15) × 102 3595 (1400) 3470 (1400) 8.74 9.12
XV 1.98 2.16 (3.15 ± 0.14) × 102 3595 (1380) 3590 (1382) 8.68
Флавоноиды и их гликозиды
XVI 1.98 2.74 54.3 ± 1.6 3590 (1310) 3460 (1311) 12.1, 10.32, 9.15, 7.14 8.25
XVII 2.03 3.81 (1.32 ± 0.05) × 102 3585 (1320) 3450 (1320) 12.0, 10.28, 9.11, 7.24, 7.06 8.14, 8.42, 5.27
XVIII 2.04 3.96 (2.45 ± 0.07) × 102 3590 (1330) 3460 (1331) 11.98, 10.18, 9.15, 7.54, 7.11 8.35, 5.36
XIX 2.06 3.84 (1.41 ± 0.05) × 102 3585 (1320) 3450 (1320) 12.08, 10.25, 9.22, 7.64, 7.51, 6.31 8.68, 5.24
XX 2.03 3.46 (1.15 ± 0.04) × 102 3585 (1310) 3455 (1311) 11.96, 10.08, 7.24, 7.06 8.44, 5.23

 * В скобках приведены деформационные колебания. ** Химические сдвиги 1H, возникающие после реакции PhOH с радикалом DPPH. Прочерки означают, что отсутствуют новые сигналы, характерные для фенольных групп.

Если определять общий порядок реакции на втором участке кинетической кривой (рис. 2а) по величине периода полупревращения вещества ${{\tau }_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ [17] из зависимости, построенной в координатах уравнения

${\text{lg}}{{{\tau }}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}} = \lg \frac{{{{2}^{{n - 1}}} - 1}}{{k(n - 1)}} - (n - 1)\lg {{[{\text{DPP}}{{{\text{H}}}^{\centerdot }}]}_{0}},$
то окажется, что порядок ${{n}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ (рис. 2б) будет явно больше ${{n}_{{{{w}_{0}}}}}$ и составит от 3 до 4 (табл. 1). Это может указывать на участие в реакции с радикалом не только PhOH, но и продуктов его превращения, способных дезактивировать DPPH и, соответственно, влиять на порядок реакции. Исключение составляют сиреневая (XI) и синаповая (XV) кислоты, общий порядок реакций с участием которых приблизительно одинаков независимо от способа его определения.

Рис. 2.

Определение общего порядка реакции по периоду полупревращения DPPH1/2) (б), выполненное на основании кинетических кривых расходования радикала в присутствии пирогаллола (а). Растворитель – ДМСО, T = 293 ± 2 К, соотношение [DPPH]0 : [PhOH]0 = 1 : 1.

Учитывая отсутствие кислорода в исследуемой системе, вторичные продукты превращения PhOH могут образовываться по реакциям

(II)
${\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{DPPH}}--{\text{H}} \to {\text{п р о д у к т ы }},$
(III)
${\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{DPP}}{{{\text{H}}}^{\centerdot }} \to {\text{п р о д у к т ы }},$
(IV)
${\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} \to {\text{п р о д у к т ы }}.$

Протекание реакции (II) радикала PhO с продуктом восстановления радикала – дифенилпикрилгидразином (DPPH–H) – маловероятно, поскольку DPPH–H достаточно устойчивое соединение, не обладающее антирадикальными свойствами. Остается два конкурирующих процесса – (III) и (IV), причем доминировать, вероятнее всего, должна реакция (IV), поскольку с целью упрощения идентификации продуктов превращения опыты проводили при большом избытке фенола, а значит [DPPH] $ \ll $ [PhO].

Реакция (IV) может протекать в направлениях либо диспропорционирования с образованием хинонов (IVа), либо рекомбинации PhO c образованием димерных соединений (IVб):

При этом надо иметь в виду, что в случае феноксильных радикалов без заместителей с подвижными атомомами Н в орто- и пара-положениях (соединение VII) или с О–Н группами в мета-положении (соединения II, V) рекомбинация (IVб) является единственным путем образования стабильных продуктов превращения PhO, иначе с процессом (IVб) будет конкурировать диспропорционирование [2].

Согласно литературным данным [1], рекомбинация PhO происходит в две стадии: на первой, обратимой, стадии образуется кетодимер, а затем на второй стадии, если в ароматическом кольце при атоме С, по которому происходит димеризация, нет заместителя, возможна быстрая енолизация (диенон-фенольная перегруппировка) кетодимера с образованием димерного фенольного соединения (реакция (IVб)).

Возможность реализации такого процесса была показана нами на примере гидроксибензолов IVI, которые являются структурными фрагментами практически всех групп растительных фенольных соединений. С этой целью в рамках теории DFT был выполнен расчет термодинамических параметров реакции димеризации PhO. На основе данных, полученных в среде ДМСО, мы определили, как изменяются энтальпия (ΔrH298), свободная энергия Гиббса (ΔrG298) и энтропия (ΔrS298) реакции (IVб):

$\begin{gathered} {{\Delta }_{{\text{r}}}}{{H}_{{298}}} = {{H}_{{{\text{dimer}}}}}--2{{H}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}},\,\,\,\,{{\Delta }_{{\text{r}}}}{{G}_{{298}}} = {{G}_{{{\text{dimer}}}}}--2{{G}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}} \\ \Delta {{S}_{{298}}} = \quad\,{{S}_{{{\text{dimer}}}}}--2{{S}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}}, \\ \end{gathered} $
где ${{H}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}},$ ${{G}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}}$ и ${{S}_{{{\text{Ph}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}}}}$ – полная энтальпия, свободная энергия Гиббса и энтропия феноксильного радикала соответственно, а Hdimer, Gdimer и Sdimer – полная энтальпия, свободная энергия Гиббса и энтропия фенольного димера соответственно.

Оценивая указанные термодинамические параметры, мы учитывали энергии нулевых колебаний участников реакции и вводили соответствующие температурные поправки.

Как следует из табл. 2, процесс димеризации является самопроизвольным и экзотермичным. Анализ величин ΔrH298, ΔrG298 и ΔrS298 позволил установить, что наиболее стабильными структурами являются орто,орто-, пара,пара- и орто,пара-СС-димеры. Менее устойчивы СО-димеры, величины ΔrH298 и ΔrG298 которых возрастают у всех изученных гидроксибензолов IVI. Полученные выводы согласуются с рядом литературных данных [13], касающихся продуктов превращения фенольных антиоксидантов. Образование OO-димеров не рассматривалось, поскольку было доказано, что такие структуры крайне неустойчивы и быстро распадаются на исходные феноксилы [2].

Таблица 2.  

Термодинамические параметры реакций образования фенольных димеров из феноксилов ди- и тригидроксибензолов в среде ДМСО, рассчитанные методом DFT B3LYP/6-311++G(d,p)

Соединение Димер ΔrH298, кДж/моль ΔrG298, кДж/моль ΔrS298, Дж моль–1 K–1
I о,о-СС– –150 –96 –180
п,п-СС– –146 –92 –182
о,п-СС– –146 –92 –181
п-СО– –97 –47 –168
о-СО– –97 –45 –175
II о,о-СС– –203 –146 –192
п,п-СС– –194 –139 –186
о-С(2)О– –152 –97 –184
о-С(6)О– –146 –89 –190
п-СО– –151 –97 –182
III о,о-СС– –158 –98 –201
о-СО– –111 –60 –171
IV о,о-СС– –156 –101 –183
о-СО– –102 –49 –176
V о,о-СС– –211 –153 –197
о-СО– –152 –95 –188
VI о,о-СС– –104 –52 –177
о-СО– –50 4 –180

Указанные выше димерные соединения идентифицировали методами ИК-Фурье- и ЯМР-спектроскопии. В ИК-спектре радикала DPPH присутствуют выраженные характерные пики при 3090 и 1600–1580 см–1. Анализ ИК-Фурье-спектров индивидуальных фенолов – гидроксибензолов (рис. 3а), флавоноидов, фенолкарбоновых, гидроксикоричных кислот и их смесей с DPPH (табл. 1) – вначале проводили в области валентных колебаний функциональных фенольных (О–Н) и кетонных (С=О) групп. Было установлено (табл. 1), что в области от 1600 до 1900 см–1 в спектрах всех исследованных смесей фенолов с радикалом новые пики, относящиеся к группе С=О хинонов, отсутствуют. В то же время широкая полоса при 3650–3590 см–1, принадлежащая валентным колебания фенольных групп индивидуальных фенолов, в спектрах их смесей с радикалом смещается в область меньших частот 3550–3450 см–1 (рис. 3б), что характерно для димерных фенольных соединений [16]. Исключение составляют соединения XI и XV (табл. 1). Обнаружение группы О–Н в области функциональных частот подтверждается наличием соответствующих деформационных колебаний при 1410–1310 см–1. При этом деформационные колебания фенольных групп, в отличие от валентных колебаний, не чувствительны к присутствию димерных фенолов [18].

Рис. 3.

ИК-Фурье-спектры пирогаллола (0.05 моль/л) (а) и его смеси с DPPH (1 : 1) (б). Растворитель – смесь бензола с ацетоном (5 : 1), таблетки с KBr, T = = 293 ± 2 К.

Аналогичные исследования были проведены методом спектроскопии ЯМР 1Н [19] при избытке PhOН в реакционной смеси. На всех полученных спектрах реакционных смесей присутствовал сигнал в области 10.59–11.04 м.д., отвечающий группе N–H дифенилпикрилгидразина – продукта превращения DPPH. На примере спектра галловой кислоты (соединение X) (рис. 4) можно оценить основные закономерности смещения химического сдвига 1Н после реакции с радикалом, характерные для всех изученных групп фенолов. Для синглетов протонов фенольных групп, участвующих в образовании водородной связи, свойственны низкие показатели экранирования [20], вследствие чего они сильнее сдвигаются в слабое поле (8.76 и 8.41 м.д.). В области низких частот находится синглет 6.48 м. д., соответствующий протону свободной ОН-группы (рис. 4а), которая в дальнейшем и участвует в процессе димеризации.

Рис. 4.

Спектры ЯМР 1Н: а – галловая кислота (0.11 моль/л), б – смесь галловой кислоты (0.11 моль/л) с DPPH (0.025 моль/л) через 3 мин после начала реакции. T = 293 ± 2 К, ДМСО-d6.

После реакции с DPPH появляются два дополнительных сигнала – дублет (6.70, 6.72 м.д.) и мультиплет (6.89, 6.91, 6.93 м.д.) – в области более сильного химического сдвига относительно протона О–Н группы галловой кислоты при 6.48 м.д. (рис. 4б). Они могут относиться к продуктам превращения X – фенольным димерам – и соответствовать гидроксигруппам в орто-положениях по отношению к ароматическим циклам. У таких ОН-групп протон 1Н менее экранирован благодаря дополнительному сопряжению электронной плотности ядра с π-облаком второго бензольного кольца. В общем, количество электронодонорных групп в димере больше, чем в исходном PhOH, что приводит к увеличению константы экранирования и появлению нового синглета при 5.32 м.д., смещенного в область сильного поля и соответствующего фенольным группам, которые не принимают непосредственного участия в формировании димера по типу орто,орто-СС.

Аналогичные закономерности обнаружены и для соединений группы гидроксибензолов (IVI), гидроксибензойных (VIIX), гидроксикоричных (XIIXIV) кислот и флавоноидов (XVIXX) (табл. 1). Исключение составляют спектры ЯМР 1Н смесей XI и XV с радикалом, где не отмечено появление после реакции новых сигналов, характерных для фенольных групп. Причиной этого может быть образование из соединений XI и XV в реакции с DPPH 2,4,6-замещенных феноксилов, которые димеризуются, но не подвергаются последующей енолизации до фенольного димера или диспропорционированию до хинона [21]. Такие феноксилы образуют неактивные в отношении DPPH кетодимеры, с которыми они могут продолжительное время находиться в равновесии [22]. Именно поэтому общие порядки реакции n1/2 для сиреневой и синаповой кислот, определенные на более глубокой стадии реакции, не превышают 2. Все остальные изученные соединения способны образовывать фенольные димеры, реагирующие с радикалом. При этом, как видно из табл. 1, чем больше константа k для исходного антиоксиданта, тем, по-видимому, выше антирадикальная активность соответствующего димера и порядок n1/2.

Подтвердить правильность наших выводов можно было бы путем спектрального исследования индивидуальных молекул фенольных димеров. Но для этого необходимо либо выделять их из реакционной смеси [5], либо синтезировать, что крайне затруднительно ввиду значительного разнообразия образующихся структур. На наш взгляд, гораздо доступнее прогнозирование спектров ЯМР 1Н тех структур димеров, которые, согласно квантово-химическим расчетам, наиболее термодинамически выгодны (табл. 2). Моделирование спектров ЯМР путем анализа экспериментальных спектральных данных методом QSPR с использованием современных компьютерных программ позволяет значительно сократить время исследования и повысить надежность результатов.

Прогнозирование спектров ЯМР 1Н наиболее вероятных орто,орто-СС–димеров, образующихся из соединений IVI, проводили, пользуясь программой Marvin 16.1.11. Как видно из табл. 3, в прогнозируемых спектрах димеров, как и в эксперименте с использованием смеси PhOH с DPPH (табл. 1), присутствуют пики О–Н-групп в области больших химических сдвигов. Именно эти группы участвуют в димеризации в орто-положении. Сигналы от остальных фенольных групп находятся при меньших δ, чем гидроксигруппы в исходном PhOH. При этом степень соответствия рассчитанных и экспериментальных данных в среднем составляет 83–95%.

Таблица 3.  

Химические сдвиги 1H фенольных О–Н-групп ди- и тригидроксибензолов и соответствующих орто,орто-СС-димеров в среде ДМСО, смоделированные в программе Marvin 16.1.11

Фенол Группа δ, м.д. о,о-СС-димер Группа δ, м.д.
I – пирокатехин
1–OH
2–OH
8.26
8.26
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
7.67
10.72
7.67
10.72
II – резорцин
1–OH
2–OH
9.54
9.54
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
10.07
8.12
10.07
8.12
III – гидрохинон
1–OH
2–OH
8.12
8.12
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
10.07
7.08
10.07
7.08
IV – пирогаллол
1–OH
2–OH
3–OH
5.54
5.02
5.54
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
5–OH
6–OH
10.72
7.07
5.54
5.54
7.07
10.72
V – флороглюцин
1–OH
2–OH
3–OH
9.01
9.01
9.01
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
5–OH
6–OH
10.07
10.30
10.07
10.07
10.30
10.07
VI – оксигидрохинон
1–OH
2–OH
3–OH
9.54
7.67
8.26
1–OH
2–OH
3–OH
4–OH
5–OH
6–OH
8.18
7.67
10.72
8.18
7.67
10.72

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, изучение путей гибели феноксилов PhO растительных фенольных соединений позволило установить состав продуктов их вторичного превращения, принимающих участие в дальнейших окислительных реакциях. Это во многом определяет эффективность фенолов как антиоксидантов и их токсичность как биологически активных веществ. Димерные фенольные соединения, образующиеся из 2-, 4- или 6-незамещенных природных фенолов, способны проявлять антирадикальные свойства, обеспечивая пролонгированное действие исходного антиоксиданта и усиливая его общую антиоксидантную активность в реакциях радикального окисления.

Список литературы

  1. Денисов Е.Т. Ингибирование цепных реакций. Черноголовка: ИПХФ РАН, 1997. 267с.

  2. Рогинский В.А. Фенольные антиоксиданты. Реакционная способность и эффективность. М.: Наука, 1988. 247 с.

  3. Tikhonov I., Roginsky V., Pliss E. // Internat. J. Chem. Kinet. 2008. V. 41. № 2. P. 92.

  4. Mamedov K.F. // Europ. Res. 2014. V. 78. № 7–1. P. 1216.

  5. Yoshida T., Mori K., Hatano T., Okumura T., Uhiiara I., Komagoe K., Fujita Y., Okuda T. // Chem. Pharm. Bull. 1989. V. 37. № 7. P. 1919.

  6. Препаративная органическая химия / Ред. Вульфсон Н.С. М.: ГХИ, 1959. 889 с.

  7. Armarego W.L.F., Chai C.L.L. Purification of Laboratory Chemicals. Burlington: Elsevier Science, 2003. 608 p.

  8. Mendoza-Wilson A.M., Santacruz-Ortega H., Balandrán-Quintana R.R. // J. Mol. Struct. 2011. V. 995. P. 134.

  9. Chen Y., Xiao H., Zheng J., Liang G. // PLoS ONE. 2015. V. 10. № 3. P. 1/20.

  10. Petrović Z.D., Đorović J., Simijonović D., Petrović V.P., Marković Z. // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 24094.

  11. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision B.01 Gaussian Inc. Wallingford CT, 2010.

  12. Weinberg D.R., Gagliardi C.J., Hull J.F., Murphy C.F., Kent C.A., Westlake B., Paul A., Ess D.H., McCafferty G.D., Meyer T.J. // Chem. Rev. 2007. V. 107. № 11. P. 5004.

  13. Белая Н.И., Белый А.В., Заречная О.М., Щербаков И.Н., Михальчук В.М., Дорошкевич В.С. // Журн. общей химии. 2017. Т. 87. № 4. P. 556.

  14. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. // Chem. Rev. 2005. V. 105. № 8. P. 2999.

  15. Rappe A.K., Casewit C.J., Colwell K.S., Goddard W.A., Skiff W.M. // J. Am. Chem. Soc. 1992. V. 114. № 25. P. 10024.

  16. Elyashberg M., Williams A., Blinov K. Contemporary Computer-Assisted Approaches to Molecular Structure Elucidation. Cambridge: RSCPublishing, 2012. 469 p.

  17. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций. М.: Высшая школа, 1978. 366 с.

  18. Казицына Л.А. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии. М.: МГУ, 1979. 230 с.

  19. Жунке A. Ядерный магнитный резонанс в органической химии. М.: Мир, 1974. 175 с.

  20. Moon J.-H., Sawai Y. // J. Agricult. Food Chem. 2005. V. 53. P. 3598.

  21. Нонхибел Д., Уолтон Д. Химия свободных радикалов. М.: Мир, 1977. 606 с.

  22. Худяков И. В. // Успехи химии. 1980. Т. 49. № 10. С. 1990.

Дополнительные материалы отсутствуют.