1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Кинетика и катализ
  4. T. 61, № 3, 2020

Кинетика и катализ, 2020, T. 61, № 3, стр. 343-348

Синергизм смеси 3-бутил-5-амино-6-метилурацила и бутилгидрокситолуола при ингибировании окисления стирола

А. В. Антипин a, *, С. А. Грабовский a, Ю. С. Грабовская a, Н. Н. Кабальнова a

a Уфимский институт химии УФИЦ РАН
450054 Уфа, просп. Октября, 71, Россия

* E-mail: rincewind@anrb.ru

Поступила в редакцию 31.07.2019
После доработки 15.11.2019
Принята к публикации 06.12.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучено антиоксидантное действие смеси 3-бутил-5-амино-6-метилурацила и бутилгидрокситолуола (ионола) в модельной системе инициированного радикально-цепного окисления стирола в хлорбензоле при 310 К. Максимальный синергетический эффект наблюдался при соотношении концентраций производного урацилa к ионолу ≈ 0.75. Обсужден механизм синергетического действия.

Ключевые слова: окисление, стирол, антиоксиданты, 3-бутил-5-амино-6-метилурацил, бутилгидрокситолуол (ионол), синергизм

Многие лекарственные препараты, являющиеся синтетическими модификациями природных соединений, обладают как биологической, так и антиоксидантной активностью и используются в моно- и комплексной терапии для профилактики и лечения различных заболеваний [1–3]. Интерес к антиоксидантным свойствам производных урацила обусловлен широким спектром их фармакологической активности и относительно высокими константами скорости реакции с пероксильными радикалами [4]. Алкилирование атомов азота урацильного кольца увеличивает растворимость в органических неполярных растворителях [5, 6], что позволяет сравнивать эти производные урацила с традиционными фенольными ингибиторами, а также изучать их совместное действие в присутствии других ингибиторов радикально-цепного окисления.

Одним из приемов повышения эффективности ингибитора является использование его в смеси с другими компонентами [7]. Считается, что для достижения фактической защиты биологических и технических материалов от окисления желательно использовать синергетическое действие различных антиоксидантов [7, 8]. Проявление синергизма в действии антиоксидантов выявляется, как правило, эмпирическим путем. В связи с этим экспериментальное подтверждение гипотез, связывающих эффективность и химическое строение антиоксидантов с целью прогнозирования возможности синергизма или антагонизма в их совместном действии, представляется важным и актуальным [9].

В данной работе было изучено антиоксидантное действие смеси 3-бутил-5-амино-6-метилурацила и бутилгидрокситолуола (ионола) – одного из нетоксичных, официально разрешенных к использованию антиоксидантов в модельной системе инициированного радикально-цепного окисления стирола.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы

2,2'-Азо-бис-изобутиронитрил (AIBN) очищали двукратной перекристаллизацией из 96%-ного этилового спирта. Стирол (St) освобождали от ингибитора на колонке с окисью алюминия с последующей вакуумной перегонкой при 40°С (15 мм рт. ст.). Бутилгидрокситолуол (ионол, “Merck”) очищали сублимацией в вакууме. Растворители хлорбензол, ацетон (“ч. д. а.”) и этилацетат перегоняли непосредственно перед использованием. Этанол обезвоживали над гидридом кальция.

Физико-химические методы

Спектры ЯМР 1Н, 13С и 15N регистрировали на импульсном спектрометре Bruker Avance-III (“Bruker”, Германия) с рабочей частотой 500.13 МГц (1H), 125.47 МГц (13C) и 50.58 МГц (15N) с использованием 5-мм датчика PABBO с Z-градиентом при постоянной температуре образца 298 К. Химические сдвиги в спектрах ЯМР 1Н и 13С приведены (в м. д.) относительно сигнала внутреннего стандарта – тетраметилсилана, а в спектрах ЯМР 15N – относительно сигнала внешнего стандарта (жидкого аммиака). Отнесение сигналов в спектрах ЯМР проводили с использованием одномерных и двумерных спектров: DEPT-90, DEPT-135, {1H, 1H} gsCOSY, {1H, 13C} gsHSQC, {1H, 13C} gsHMBC, {1H, 15N} gsHMBC и {1H, 15N} gsHSQC.

Электронные спектры поглощения записывали на спектрометре SPECORD M40 VEB (“Carl Zeiss JENA”, Германия).

Данные элементного анализа получали на приборе Perkin Elmer Ser. II CHNS/0 2400 (США).

Температуру плавления определяли с помощью автоматизированной системы Optimelt MPA100 (“Stanford Research Systems”, Англия) в открытых капиллярах без корректировки.

Структура ингибитора I

3-Бутил-5-амино-6-метилурацил (I) получали восстановлением соответствующего нитропроизводного 10% Pd/C в этилацетате [5] и перекристаллизовывали из этанола. Исходный 3-бутил-5-нитро-6-метилурацил получали по методике [10].

3-Бутил-5-нитро-6-метилурацил: выход 47%. ЯМР 1H (DMSO-d6), δ, м. д.: 0.894 (т, J = 7.4 Hz, 3H, CH2CH3), 1.286 (сик., J = 7.4 Hz, 2H, CH2CH3), 1.507 (п, J = 7.4 Hz, 2H, N(3)CH2CH2), 2.300 (с, 3H, C(6)CH3), 3.766 (т, J = 7.4 Hz, 2H, N(3)CH2), 12.106 (HN(1)). ЯМР 13C (DMSO-d6), δ, м. д.: 13.54 (CH2CH3), 16.30 (C(6)CH3), 19.51 (CH2CH3), 28.93 (N(3)CH2CH2), 40.13 (N(3)CH2), 126.99 (С5), 149.00 (С2), 152.02 (С6), 155.50 (С4). Рассчитано для C9H13N3O4, %: C 47.57, H 5.77, N 18.49. Найдено, %: C 47.55, H 5.79, N 18.45.

3-Бутил-5-амино-6-метилурацил (I): выход 94%. ЯМР 1H (DMSO-d6), δ, м. д.: 0.887 (т, J = 7.4 Hz, 3H, CH2CH3), 1.263 (сик., J = 7.4 Hz, 2H, CH2CH3), 1.484 (п, J = 7.4 Hz, 2H, N(3)CH2CH2), 1.978 (с, 3H, C(6)CH3), 3.777 (т, J = 7.5 Hz, 2H, N(3)CH2), 3.792 (с, 2H, NH2). ЯМР 13C (DMSO-d6), δ, м. д.: 13.62 (CH2CH3), 13.78 (C(6)CH3), 19.57 (CH2CH3), 29.35 (N(3)CH2CH2), 39.55 (N(3)CH2), 117.36 (C5), 126.40 (C6), 149.17 (C2), 160.22 (C4). ЯМР 15N (ДМСО-d6), δ, м. д.: 32.5 (NH2), 126.5 (N1), 160.3 (N3). Рассчитано для C9H15N3O2, %: C 54.81, H 7.67, N 21.30. Найдено, %: C 54.85, H 7.63, N 21.33.

Инициированное окисление стирола

Антиоксидантную активность изучали в модельной системе инициированного AIBN окисления стирола (St) в хлорбензоле при 310 К в атмосфере воздуха (P0 = 1 атм), объем жидкой и газовой фаз 4 и 19.5 мл, соответственно [5]. В предварительных экспериментах с использованием УФ-спектрофотометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) было установлено, что соединения не расходуются в насыщенных кислородом растворах как в отсутствие AIBN, так и в его присутствии без кислорода. Количество поглощенного кислорода определяли с помощью манометрической дифференциальной установки с датчиком перепада давления в кинетическом режиме, коэффициент Генри равен 0.198 для смеси хлорбензол–стирол при 310 К, как описано ранее [5]. Скорость инициирования wi предварительно определяли в серии экспериментов из значений периода индукции (tind), используя α-токоферол (α-TP) в качестве эталонного антиоксиданта: wi = 2[α-TP]0/tind [11]. Константу продолжения цепи вычисляли из фактора окисляемости k2(2k6)–1/2. Определение периода индукции, расчет констант скорости реакции с пероксильными радикалами и стехиометрического коэффициента ингибирования проводили аналогично приведенным в работе [12]. Скорость поглощения кислорода wt определяли численным дифференцированием сглаженной усреднением кинетической кривой, после повторного сглаживания численным интегрированием вычисляли индукционный период:

${{t}_{{{\text{ind}}}}} = \int\limits_0^\infty {\left( {1 - {{{\left( {{{{{w}_{t}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{w}_{t}}} {{{w}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{w}_{0}}}}} \right)}}^{2}}} \right)dt} ,$
где w0 – скорость поглощения кислорода без ингибитора.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При окислении стирола в присутствии 3-бутил-5-амино-6-метилурацила (I), ионола (II) и их смесей скорость поглощения кислорода снижается и наблюдается индукционный период (рис. 1). Из зависимостей поглощения кислорода от времени численным дифференцированием были рассчитаны скорости поглощения кислорода. После завершения индукционного периода скорость поглощения кислорода была равна скорости без добавок I и II, т.е. продукты не ингибируют окисление.

Рис. 1.

Типичные кинетические кривые поглощения кислорода при инициированном окислении стирола в хлорбензоле ([St] = 1.71 моль/л, wi = 1.31 × 10–7 моль л–1 с–1, 310 К) в различных условиях: 1 – без ингибиторов (w0 = = 7.9 × 10–7 моль л–1 с–1), 2 – [I]0 = 2.4 × 10–5 моль/л, 3 – [II]0 = 5 × 10–5 моль/л, 4 – [I]0 = 2.5 × 10–5 моль/л и [II]0 = = 5 × 10–5 моль/л, 5 – [I]0 = [II]0 = 5 × 10–5 моль/л.

Расчет кинетических параметров проводили в рамках механизма цепного окисления:

$\begin{gathered} {\text{AIBN}} \to {{{\text{r}}}^{\centerdot }}\xrightarrow{{{{{\text{O}}}_{2}}}}{\text{rO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}\xrightarrow{{{\text{St}}}}{{{\text{R}}}^{\centerdot }}\,\,({{k}_{{\text{i}}}}), \hfill \\ {{{\text{R}}}^{\centerdot }} + {{{\text{O}}}_{2}} \to {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,({{k}_{1}}), \hfill \\ {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{St}} \to {{{\text{R}}}^{\centerdot }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,({{k}_{2}}), \hfill \\ {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} \to {\text{P}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{(}}{{k}_{6}}{\text{),}} \hfill \\ {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} + {\text{InH}} \to {\text{ROOH}} + {\text{I}}{{{\text{n}}}^{\centerdot }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,({{k}_{7}}). \hfill \\ \end{gathered} $

По кинетическим кривым поглощения кислорода были рассчитаны начальная скорость окисления w, период индукции tind и длина цепи окисления ν = w/wi (табл. 1). В присутствии ингибитора ν > 5–6, что свидетельствует о протекании радикально-цепного процесса.

Таблица 1.  

Кинетические параметры ингибирования окисления стирола*

[I]0 × 10–5, моль/л [II]0 × 10–5, моль/л w × 10–7,
моль л–1 с–1		 ν $\sum {{{t}_{{{\text{ind}}}}}} ,$ c SE, % f f∑ F
эксперимент расчет
2.40 0 2.03 14 1885 – – 1.1 – 3.7
0  5.0 4.9 35 7836 – – 2.1 – 1.0
1.20 1.20 4.33 30 1904 2571 –26 0.22** 1.1 1.3
1.25 5.0 2.9 20 6599 8036 –18 –0.6** 1.5 2.4
1.50 5.0 2.16 16 9436 8789 7 1.6** 1.9 3.3
2.50 5.0 1.57 11 10 208 8929 14 1.7** 1.9 4.9
3.75 5.0 1.15 8 11 376 9821 16 1.6** 1.8 6.9
5.00 5.0 0.76 5 11 173 11 464 –2.5 0.9** 1.5 10.1
7.50 5.0 0.88 6 10 633 13 375 –20 0.5** 1.1 8.6

  * Условия окисления: [St] = 1.71 моль/л, 310 К, 2k6 = 5.5 × 107 л моль–1 с–1 [13], k2 = 29.5 л моль–1 с–1, wi = (1.3–1.4) × × 10–8 моль л–1 с–1. ** В смеси I и II для I f = (tindwi − f2[II]0)/[I]0.

Для индивидуальных ингибиторов были рассчитаны значения степени торможения (F)

$F = \frac{{{{w}_{0}}}}{w} - \frac{w}{{{{w}_{0}}}},$
где w0 – скорость поглощения кислорода не ингибированного окисления. Из концентрационной зависимости
$F = f{{k}_{7}}{{[{\text{InH}}]}_{0}}\sqrt {2{{k}_{6}}{{w}_{{\text{i}}}}} $
была вычислена константа скорости ингибирования fk7, которая для I составляет 1 × 105 л моль–1 с–1 ([InH]0 – начальная концентрация ингибитора). Стехиометрический коэффициент ингибирования (f) рассчитывали по формуле $f$ = ${{{{w}_{{\text{i}}}}{{t}_{{{\text{ind}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{w}_{{\text{i}}}}{{t}_{{{\text{ind}}}}}} {{{{{\text{[InH]}}}}_{{\text{0}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\text{[InH]}}}}_{{\text{0}}}}}}.$ Для II константа скорости ингибирования fk7 и стехиометрический коэффициент ингибирования f совпали с литературными данными [14].

В присутствии I f равен 1.1 (табл. 1), что типично для 5-аминопроизводных урацила [5]. Введение в систему соединений I и α-TP увеличивает индукционный период аддитивно. Так, для их смеси равного состава (по 1.2 × 10–5 моль/л) и wi = = 1.35 × 10–8 моль л–1 с–1 индукционный период составляет 2755 с.

Как видно на рис. 2, в присутствии смеси соединений I и II (кривые 4 и 5) период индукции увеличивается. При этом начальная скорость поглощения кислорода становится меньше, чем для индивидуальных ингибиторов. Для смеси рассчитывали стехиометрический коэффициент ингибирования f∑ в пересчете на сумму концентраций двух ингибиторов. При некотором соотношении соединений I и II в смеси достигается максимальное значение стехиометрического коэффициента ингибирования f (табл. 1).

Рис. 2.

Изменение скорости поглощения кислорода при инициированном окислении стирола в хлорбензоле ([St] = 1.71 моль/л, wi = 1.31 × 10–7 моль л–1 с–1, 310 К) в различных условиях: 1 – без ингибиторов, 2 – [I]0 = 2.4 × 10–5 моль/л, 3 – [II]0 = 5 × 10–5 моль/л, 4 – [I]0 = 2.5 × 10–5 моль/л и [II]0 = 5 × 10–5 моль/л, 5 – [I]0 = [II]0 = 5 × 10–5 моль/л.

Синергетический эффект (SE) принято оценивать по увеличению индукционного периода [15–17]:

${\text{SE}} = \frac{{{{t}_{{{\text{ind}}(I + II)}}} - \left( {{{t}_{{{\text{ind }}I}}} + {{t}_{{{\text{ind }}II}}}} \right)}}{{{{t}_{{{\text{ind }}I}}} + {{t}_{{{\text{ind }}II}}}}} \times 100\% ,$
где tind (I+II) – наблюдаемый период индукции для смеси, tindI + tindII – сумма периодов индукции индивидуальных ингибиторов.

Для оценки синергетического эффекта смеси ингибиторов рассчитывали ожидаемый аддитивный индукционный период из равенства:

${{w}_{{\text{i}}}}\sum {{{t}_{{{\text{ind}}}}}} = {{f}_{1}}{{\left[ {\mathbf{I}} \right]}_{0}} + {{f}_{2}}{{\left[ {{\mathbf{II}}} \right]}_{0}}.$
Стехиометрический коэффициент ингибирования для I f1 ≈ 1.0 (среднее значение из большой серии экспериментов), для ионола f2 = 2.0. Значение SE достигает максимума при соотношении [I]0/[II]0 = 0.75 и составляет 16% (табл. 1). Из зависимости видно (рис. 3), что имеется диапазон концентраций, при котором период индукции превышает аддитивный.

Рис. 3.

Зависимость периода индукции (1) и аддитивного периода индукции (2) от соотношения концентрации ингибиторов.

Так же был рассчитан стехиометрический коэффициент ингибирования [18] для I в смеси, который оказался равным 1.7 (см. табл. 1), исходя из предположения, что для II коэффициент неизменен (f = 2). Таким образом, в смеси он увеличивается и близок к значению для фенольных антиоксидантов [19, 20].

Ранее было предположено, что ингибирование окисления стирола в присутствии аминоурацилов можно описать схемой [5].

Для I стехиометрический коэффициент ингибирования значительно меньше 2, так как I ингибирует окисление, замедляя передачу цепи, а не обрывая ее, как при ингибировании фенолами.

Согласно классификации синергетических смесей, предложенной в работе [21], первая группа объединяет смеси, в которых оба компонента взаимодействуют с радикалами (ROO·). Проявление синергетического эффекта в такой смеси определяется взаимодействием промежуточных продуктов ингибиторов. Например, в системе, содержащей фенил-N-β-нафтиламин и ионол (ArOH), между аминильными и феноксильными радикалами устанавливается равновесие [22]:

${\text{A}}{{{\text{m}}}^{\centerdot }} + {\text{ArOH}} \rightleftarrows {\text{AmH}} + {\text{Ar}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}.$

Равновесие сдвигается вправо при условии, что энергия диссоциации связи DNH > DOH. В нашем случае, вероятно, при добавлении фенольного ингибитора равновесие между радикалами ингибиторов смещается в сторону образования феноксильных радикалов, так как энергии диссоциации DNH ≈ 85 ккал/моль для 5-аминоурацилов (UrNH2) и DOH = 80.5 ккал/моль для ионола [5]:

${\text{UrN}}{{{\text{H}}}_{2}} + {\text{RO}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} \to {\text{Ur}}{{{\text{N}}}^{\centerdot }}{\text{H}} + {\text{ROOH}},$
${\text{Ur}}{{{\text{N}}}^{\centerdot }}{\text{H}} + {\text{ArOH}} \rightleftarrows {\text{UrN}}{{{\text{H}}}_{2}} + {\text{Ar}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }}.$
При этом уменьшается концентрация N-центрированных радикалов и вклад реакций с участием супероксид анион-радикала. В предлагаемой системе синергетический эффект не может быть объяснен кросс-рекомбинацией из-за низкой концентрации радикалов ингибиторов [22, 23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые была изучена эффективность совместного действия бинарных смесей 3-бутил-5-амино-6-метилурацила и ионола и обнаружен синергетический эффект в реакции инициированного окисления стирола в растворе хлорбензола при 310 К. Константа скорости реакции с пероксильными радикалами близка к значению 1 × 105 л моль–1 с–1, при этом стехиометрический коэффициент ингибирования равен 1.8 ± 0.2. Максимальный синергетический эффект наблюдается при соотношении концентраций урацил : : ионол ≈ 0.75. Предположительно, происходит замещение более активных N-центрированных радикалов 3-бутил-5-амино-6-метилурацила на феноксильные в обменной реакции с ионолом.

Список литературы

  1. Бурлакова Е.Б. // Росс. хим. журн. 2007. Т. 51. № 1. С. 3.

  2. Kancheva V.D., Kasaikina O.T. // Curr. Med. Chem. 2013. V. 20. P. 4784.

  3. Kancheva V.D., Angelova S.E. Lipid Peroxidation: Inhibition, Effects and Mechanisms / Ed. Catalá A. N.Y.: Nova Science Publishers, Inc., 2017. Chapter 4. P. 49.

  4. Муринов Ю.И., Грабовский С.А., Кабальнова Н.Н. // Изв. АН. Сер. хим. 2019. Т. № 5. С. 946.

  5. Grabovskii S.A., Antipin A.V., Grabovskaiy Y.S., Andriayshina N.M., Kabal’nova N.N. // Lett. Org. Chem. 2017. V. 14. P. 24.

  6. Grabovskiy S.A., Murinov Yu.I., Kabal’nova N.N. // Curr. Org. Chem. 2012. V. P. 2389.

  7. Карпухина Г.В., Эмануэль Н.М. // Докл. АН СССР. 1984. Т. 276. № 5. С. 1163.

  8. Viglianisi C., Menichetti S., Morelli P., Baschieri A., Amorati R. // Heteroatom Chem. 2018. V. 29. № 5–6. P. 1.

  9. Перевозкина М.Г. Тестирование антиоксидантной активности полифункциональных соединений кинетическими методами. Новосибирск: Изд-во СибАК, 2014. 240 с.

  10. Uchiyama K., Takamoto K., Umezome T. Pat. Jpn. 2013006813, 2013.

  11. Burton G.W., Doba T., Gabe E.J., Hughes L., Lee F.L., Prasad L., Ingold K.U. // J. Am. Chem. Soc. 1985. V. 107. P. 7053.

  12. Loshadkin D., Roginsky V., Pliss E. // Int. J. Chem. Kinet. 2002. V. 34. № 3. P. 162.

  13. Howard J.A., Ingold K.U. // Can. J. Chem. 1965. V. 43. P. 2729.

  14. Howard J.A., Ingold K.U. // Can. J. Chem. 1962. V. 40. P. 1851.

  15. Zhi-Sheng Jia, Bo Zhou, Li Yang, Long-Min Wu and Zhong-Li Liu // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2. 1998. P. 911.

  16. Frankel E.N. Lipid Oxidation. Dundee: The Oily Press, 1998.

  17. Kancheva V.D., Slavova-Kazakova A., Fabbri D., Dettori M.A., Delogu G., Janiak M., Amarowicz R. // Food Chem. 2014. V. 157. P. 263.

  18. Massaro M., Riela S., Guernelli S., Parisi F., Lazzara G., Baschieri A., Valgimigli L., Amorati R. // J. Mater. Chem. B. 2016. V. 4. P. 2229.

  19. Ingold K.U. Essays on Free Radical Chemistry / Eds. Hey D.H., Waters W.A., Norman R.O.C. London: Chemical Society, 1970, Special publications, № 24. P. 285.

  20. Mahoney L.R. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1969. V. 8. P. 547.

  21. Карпухина Г.В., Эмануэль Н.М. // Докл. АН СССР. 1984. Т. 276. № 5. С. 1163.

  22. Денисов Е.Т., Азатян В.В. Ингибирование цепных реакций. Черноголовка: Изд-во РАН, 1997. 266 с.

  23. Денисов Е.Т., Саркисов О.М., Лихтенштейн Г.И. Химическая кинетика. М.: Химия, 2000. 568 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Кинетика и катализ

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал