Химия высоких энергий, 2022, T. 56, № 5, стр. 367-371

Влияние циклоаминометильных производных пространственно-затрудненных дигидроксибензолов на радиационно-индуцированные реакции с участием пероксидных и алкильных радикалов

Г. А. Ксендзова a*, Н. И. Островская a, В. Л. Сорокин b, О. И. Шадыро ab

a Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ
220006 Минск, ул. Ленинградская, 14, Беларусь

b Белорусский государственный университет
220030 Минск, пр. Независимости, 4, Беларусь

* E-mail: ksja-bn@tut.by

Поступила в редакцию 06.04.2022
После доработки 10.05.2022
Принята к публикации 15.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучено влияние циклоаминометильных производных 4-трет-бутил-1,2-дигидроксибензола, 3,5-ди-трет-бутил-1,2-дигидроксибензола и 4,6-ди-трет-бутил-1,3-дигидроксибензола с различной величиной цикла бокового заместителя на образование продуктов радиолиза н-гексана в присутствии и в отсутствие кислорода. Показано, что с увеличением размера цикла в боковом заместителе увеличивается активность производных пространственно-затруднeнных дифенолов в отношении алкильных радикалов, при этом активность в отношении пероксидных радикалов остается на одном уровне.

Ключевые слова: антирадикальная активность, основания Манниха, пространственно-затрудненные дигидроксибензолы

ВВЕДЕНИЕ

Изучению влияния структурных особенностей пространственно экранированных дифенолов на их реакционную способность по отношению к кислород- и углеродцентрированным органическим радикалам посвящено немало работ [19]. Данная тематика актуальна с целью разработки новых эффективных и безопасных регуляторов свободнорадикальной деструкции полимерных материалов и биообъектов. Основания Манниха фенольного типа, содержащие циклоаминометильные заместители, характеризуются как соединения с широким спектром фармакологического и антиоксидантного действия [10].

Интерес к циклоаминометильным производным пространственно-затрудненных дигидро-ксибензолов обусловлен также тем, что они являются лигандами для биоактивных комплексов Mn(II), Cu(II), Zn(II) и Ni(II), проявляющих высокую антибактериальную и антифунгальную активности [1116]. Фармакологическая активность и другие практически полезные свойства соединений могут быть связаны с их способностью регулировать свободнорадикальные реакции, это послужило для нас мотивацией провести исследование реакционной способности циклоаминометильных производных дифенолов по отношению к органическим радикалам различного типа. Представлялось интересным оценить вклад циклоаминометильного заместителя с различной величиной циклического фрагмента в антиоксидантную и антирадикальную активность производных 1,3- и 1,2-дифенолов. С этой целью были использованы модельные системы, основанные на радиолизе н-гексана в присутствии и в отсутствие кислорода, позволяющие оценить влияние исследованных соединений на процессы, протекающие с участием пероксидных и алкильных радикалов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали н-додекан, 2-гексанол, 3-гексанол, 2-гексанон, 3-гексанон фирмы “Sigma-Aldrich” без предварительной очистки. В качестве соединений сравнения использовали исследованные ранее в подобной модельной системе вещества I, V, IX, XIII [17]. Соединения I и XIII от “Sigma-Aldrich” дополнительно очищали возгонкой. Дифенолы V и IX получены алкилированием пирокатехина и резорцина трет-бутиловым спиртом в присутствии серной кислоты согласно [4, 2 ]. Циклоаминометильные производные пространственно-затрудненных дифенолов II–IV, VII, X–XII (рис. 1) синтезированы в соответствии со стандартной процедурой Манниха из параформа, соответствующих дифенолов и циклоалифатических аминов в этаноле либо уксусной кислоте по методикам, описанным ранее в работах [4, 15, 16]. Чистота использованных в работе веществ составляла не менее 97%.

Рис. 1.

Структурные формулы пространственно экранированных дифенолов (I, V, IX) и их циклоаминометильных производных (II–IV, VI–VIII, X–XII), исследованных в работе.

Вещества VI и VIII были получены по методу, аналогичному методу синтеза соединения VII [4]. Спектры ЯМР 1Н веществ в CDCl3 были сняты на спектрометре Bruker ARX-400 с рабочей частотой 400 МГц. Химические сдвиги (δ, м.д.) приведены относительно сигнала тетраметилсилана. Масс-спектры были получены на спектрометре Schimadzu QP-5000 с использованием техники прямого ввода образцов в ионный источник при температуре источника 200°С и энергии ионизации 70 эВ.

N-(2,3-дигидрокси-4,6-ди-трет-бутилбензил)-пирролидин (VI). Выход 11%. Т. пл. 130°С. Спектр ЯМР 1H (CDCl3), δ., м.д.: 6.82 с (1Н, СНAr), 4.23 с (2Н, СН2), 2.64–3.00 м (4Н, 2СН2), 1.94 уш с (4Н, 2СН2), 1.46 с (9Н, 3СH3), 1.42 с (9Н, 3СH3). Масс-спектр, m/z, (Iотн, %): 305 (51) [М]+. C19H31NO2.

N-(2,3-дигидрокси-4,6-ди-трет-бутилбензил)-гексаметиленимин (VIII). Выход 25%. Т. пл. 136°С. Спектр ЯМР 1H (CDCl3), δ., м.д.: 6.81 с (1H, СHAr), 4.16 c (2H, CH2), 3.20 м (2H, N(CH2)), 2.52 м (2H, N(CH2)), 1.78 уш с (8Н, (СН2)4), 1.46 c (9H, 3СH3), 1.40 c (9H, 3CH3). Масс-спектр, m/z, (Iотн, %): 333 (29) [М]+. C21H35NO2.

Для радиационно-химических испытаний использовали 1 × 10–3 М растворы исследуемых соединений в 97%-ном н-гексане (“Sigma-Aldrich”). Для приготовления деаэрированных образцов точные навески исследуемых соединений помещали в пикнометры объемом 10 мл, заливали растворителем, предварительно продутым аргоном высокой чистоты (99.9%) в течение 1 ч, и перемешивали. Далее исследуемые растворы насыщали аргоном ещe в течение 30 мин, объем доводили до метки деаэрированным растворителем, раствор разливали в предварительно продутые аргоном ампулы и запаивали.

Растворы облучали в герметичных стеклянных ампулах на установке MPX-γ-25M с источником 60Co. Мощность поглощeнной дозы составляла 0.40 ± 0.02 Гр/с. Интервал используемых поглощeнных доз 0.24–2.40 кГр.

Анализ продуктов свободнорадикального окисления н-гексана (гексан-2-ол, гексан-3-ол, гексан-2-он, гексан-3-он) осуществляли газохроматографическим методом на кварцевой капиллярной колонке StabilWax-DA на хроматографе GC-17AAF/APC (“Shimadzu”) с пламенно-ионизационным детектором, условия анализа подробно описаны ранее [1, 2].

Анализ продуктов рекомбинации радикалов н-гексана (4,5-диэтилоктан, 5-метил-6-этилнонан, 5,6-диметилдекан) осуществляли газохроматографическим методом на кварцевой капиллярной колонке DB-5 на хроматографе GC-17AAF/APC (“Shimadzu”) с пламенно-ионизационным детектором согласно [1, 2].

Радиационно-химические выходы (G, молекула/100 эВ) образования продуктов радиолиза н‑гексана рассчитывали на линейных участках зависимостей их концентрации от поглощенной дозы методом наименьших квадратов. Для расчета величин радиационно-химических выходов использовали результаты трех независимых экспериментов. Ошибка определения выхода не превышала 10%.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

С целью исследования реакционной способности циклоаминометильных производных дифенолов по отношению к алкильным и пероксидным радикалам было изучено их влияние на выходы молекулярных продуктов радиолиза н-гексана в присутствии и в отсутствие кислорода.

Удобной модельной системой для изучения способности соединений взаимодействовать с алкильными радикалами является радиолиз деаэрированного гексана, в ходе которого образуются гексильные радикалы, которые рекомбинируют друг с другом, в результате чего возникают додеканы различного строения [1719].

(1)
${{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{{14}}} - \mathop { \wedge \wedge \wedge }\limits^\gamma \to {{\mathop {\text{C}}\limits^\centerdot }_{6}}{{{\text{H}}}_{{13}}}\xrightarrow{{{{{\mathop {\text{C}}\limits^\centerdot }}_{6}}{{{\text{H}}}_{{13}}}}}{{{\text{C}}}_{{12}}}{{{\text{H}}}_{{26}}}.$

Следовательно, определяя суммарный выход додеканов в присутствии добавок, можно оценить реакционную способность последних по отношению к алкильным радикалам.

При γ-облучении н-гексана в присутствии О2 додеканы не образуются, так как кислород является эффективным акцептором алкильных радикалов, в результате чего возникают пероксидные (ROO) радикалы. Из последних, в свою очередь, в результате дальнейших превращений образуются соответствующие спирты и кетоны. При радиолизе н-гексана в присутствии О2 в качестве основных продуктов образуются гексанолы и гексаноны [17, 18, 20] по схеме:

(2)
${{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{{14}}} - \mathop { \wedge \wedge \wedge }\limits^\gamma \to {{\mathop {\text{C}}\limits^\centerdot }_{6}}{{{\text{H}}}_{{13}}}\xrightarrow{{{{{\text{O}}}_{2}}}}{{{\text{C}}}_{6}}{{{\text{H}}}_{{13}}}{\text{O}}{{{\text{O}}}^{\centerdot }} \to {\text{гексанол - 2,}}\,{\text{гексанол - 3,}}\,{\text{гексанон - 2,}}\,{\text{гексанон - 3}}{\text{.}}$

Суммарный выход гексанолов и гексанонов в присутствии различных добавок является показателем их антиоксидантной активности и, следовательно, эффективности их взаимодействия с ROO-радикалами. В табл. 1 приведены суммарные выходы гексанолов и гексанонов, образующихся при радиолизе н-гексана в присутствии кислорода воздуха, а также суммарные выходы додеканов, образующихся при радиолизе деаэрированного н-гексана за счет рекомбинации С2- и С3-радикалов н-гексана, в присутствии и в отсутствие тестируемых производных дифенолов.

Таблица 1.  

Влияние циклоаминометильных производных дифенолов на радиационно-химические выходы продуктов радиолиза н-гексана в присутствии кислорода и в деаэрированных растворах

Тестируемое соединение Радиационно-химический выход (G), молекула/100 эВ
ΣG(кетонов, спиртов) ΣG(С12Н26)
Без добавок 2.45 ± 0.19 0.81 ± 0.06
I 1.77 ± 0.12 0.10 ± 0.01
II 1.16 ± 0.11 0.34 ± 0.02
III 1.19 ± 0.09 0.25 ± 0.01
IV 1.18 ± 0.11 0.21 ± 0.02
V 1.74 ± 0.13 0.11 ± 0.01
VI 1.16 ± 0.08 0.54 ± 0.04
VII 1.26 ± 0.10 0.46 ± 0.02
VIII 1.16 ± 0.10 0.36 ± 0.03
IX 0.67 ± 0.04 0.27 ± 0.02
X 1.15 ± 0.08 0.20 ± 0.01
XI 1.01 ± 0.09 0.17 ± 0.01
XII 1.16 ± 0.08 0.14 ± 0.01
XIII 1.07 ± 0.09 0.62 ± 0.05

Как видно из представленных в табл. 1 данных, в присутствии циклоаминометильных производных дифенолов II–IV, VI–VIII, X–XII наблюдается двукратное снижение выходов продуктов радиационно-индуцированного окисления н-гексана. Эти соединения не уступают хорошо известному и применяемому на практике антиоксиданту ионолу, исследованному ранее в аналогичных модельных системах [14]. При этом введение циклоаминометильного фрагмента в структуру производных 1,2-дигидроксибензола (I и V) приводит к повышению антиоксидантной активности, а в структуру 1,3-дигидроксибензола (IX), напротив, к понижению, в сравнении с исходными дифенолами.

Аминометильный заместитель и фенольная группа, находящаяся в орто-положении, в апротонных растворителях образуют прочную водородную связь типа O–H⋅⋅⋅N (рис. 2) и, как результат, устойчивое шестичленное состояние [21], что подтверждается многочисленными исследованиями с привлечением ЯМР спектроскопии и рентгеноструктурного анализа [2224].

Рис. 2.

Внутримолекулярные водородные связи в структурах циклоаминометильных производных дифенолов, исследованных в работе.

Фенольная группа, задействованная в образовании водородных связей, не может быть донором атома водорода, зато являющаяся “свободной” вторая фенольная группа эффективно проявляет себя в нейтрализации пероксидных радикалов, что и можно увидеть на примере подавления процесса радиационно-химического окисления н-гексана соединениями II–IV и VI–VIII.

Резорцин IX “работает” как антиоксидант с двумя активными фенольными группами, так как внутримолекулярная водородная связь в этой молекуле отсутствует. Введение в положение 2 соединения IX циклоаминометильного заместителя (X–XII) приводит к снижению антиоксидантной активности, предположительно за счет “выключения” одной из фенольных групп, вовлеченной в образование сильной внутримолекулярной водородной связи (рис. 2).

Величина циклоаминометильного фрагмента в 3-м положении 1,2-дигидроксибензолов и во 2-м положении 1,3-дигидроксибензолов не влияет на антиоксидантные свойства соединений II–IV, VI–VIII и X–XII.

При радиолизе деаэрированного н-гексана в присутствии веществ I–V, VIII–XII суммарные радиационно-химические выходы продуктов рекомбинации гексильных радикалов значительно снижаются, что свидетельствует о высокой реакционной способности тестируемых веществ по отношению к указанному типу радикалов. При этом циклоаминометильные производные 1,2-дигидроксибензолов были менее реакционноспособны по отношению гексильным радикалам по сравнению с исходными пирокатехинами I и V, а соединения X–XII превосходили по активности исходный резорцин IX.

В данном виде активности имеется корреляция с размером цикла. Так, с увеличением размера цикла фрагмента в боковом заместителе незначительно увеличивалась активность соединений в отношении гексильных радикалов: II < III < IV; VI < VII < VIII; X < XI < XII. Это свидетельствует о важной роли стерического фактора в антирадикальной активности циклоаминометильных производных дифенолов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные свидетельствуют о высокой активности циклоаминометильных производных пространственно-затрудненных 1,3- и 1,2-дигидроксибензолов по отношению к пероксидным и алкильным радикалам. Размер цикла фрагмента в боковом заместителе влияет на активность пространственно-затрудненных 1,3- и 1,2-дигидроксибензолов в отношении алкильных радикалов (с увеличением размера цикла фрагмента в боковом заместителе увеличивается активность соединений в отношении гексильных радикалов) и не влияет на их способность взаимодействовать с пероксидными радикалами.

Список литературы

  1. Shadyro O.I., Edimecheva I.P., Glushonok G.K., Ostrovskaya N.I., Polozov G.I., Murase H., Kagiya T. // Free Rad. Res. 2003. V. 37. № 10. P. 1087.

  2. Едимечева И.П., Островская Н.И., Полозов Г.И., Шадыро О.И. // Журнал общей химии. 2005. Т. 75. № 4. С. 632.

  3. Шадыро О.И., Сосновская А.А., Едимечева И.П., Островская Н.И., Казем К.М. // Химия высоких энергий. 2008. Т. 42. № 2. С. 112.

  4. Масловская Л.А., Петрикевич Д.К., Тимощук В.А., Шадыро О.И. // Журнал общей химии. 1996. Т. 66. Вып. 11. С. 1893.

  5. Масловская Л.А., Тимощук В.А. // Химия высоких энергий. 1997. Т. 31. № 6. С. 417.

  6. Масловская Л.А., Поляков Ю.С., Савченко А.И. // Химия высоких энергий. 2002. Т. 36. № 4. С. 247.

  7. Масловская Л.А., Савченко А.И. // Журнал общей химии. 2003. Т. 73. № 3. С. 422.

  8. Ксендзова Г.А., Островская Н.И., Семенкова Г.Н., Сорокин В.Л., Шишканова П.А., Шадыро О.И. // Журнал общей химии. 2019. Т. 89. № 3. С. 357.

  9. Масловская Л.А., Петрикевич Д.К., Тимощук В.А., Шадыро О.И. // Журнал общей химии. 1996. Т. 66. № 11. С. 1899.

  10. Roman G. // Eur. J. Medicinal Chem. 2015. V. 89. P. 743.

  11. Loginova N.V., Ksendzova G.A., Osipovich N.P., Koval’chuk-Rabchinckaya T.V., Faletrov Y.V., Gvoz-dev M.Y., Polozov G.I. // Advances in Medicine and Biology / Ed. by Berhardt L.V. New York: Nova Science Publishers. 2019. V. 151. P. 1.

  12. Loginova N.V., Harbatsevich H.I., Kovalchuk T.V., Osipovich N.P., Halauko Y.S., Faletrov Y.V., Gres A.T. // Antibacterials: Synthesis, Properties and Biological Activities / Ed. by Collins E. New York: Nova Science Publishers. 2017. P. 143.

  13. Harbatsevich H.I., Loginova N.V., Nabebina K.A., Stakhevich S.I., Slabko I.N., Osipovich N.P., Ksendzova G.A., Azarko I.I. // RAD J. 2017. V. 2. № 2. P. 129.

  14. Petrasheuskaya T.V., Kaval’chuk T.V., Loginova N.V., Harbatsevich H.I., Osipovich N.P., Faletrov Y.A. // Advancing coordination, bioinorganic and applied inorganic chemistry. 2015. V. 12. P. 126.

  15. Loginova N.V., Gres A.T., Polozov G.I., Koval’chuk T.V., Osipovich N.P., Zheldakova R.A., Faletrov Y.V., Strakha I.S. // Polyhedron. 2013. V. 57. P. 39.

  16. Loginova N.V., Polozov G.I., Koval’chuk T.V., Osipovich N.P., Faletrov Y.V., Gres A.T., Zheldakova R.A., Shadyro O.I. // Benzene and its Derivatives / Ed. by Tranfo G. New York: Nova Science Publishers. 2012. P. 23.

  17. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Т.2. М.: Наука, 1986.

  18. Сараева В.В. Радиолиз углеводородов в жидкой фазе. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986.

  19. Gäumann T., Hoigne I. Aspects of Hydrocarbon Radiolysis. London: Academic Press, 1968.

  20. Kunjappu I.T., Rao K.N. // Radiat. Phys. Chem. 1979. № 13. P. 97.

  21. Dank C., Kirchknopf B., Mastalir M., Kählig H., Felsinger S., Roller A., Arion V.B., Gstach H. // Molecules. 2015. V. 20. № 1. P. 1686.

  22. Koll A., Melikova S.M., Karpfen A., Wolschann P. // J. Mol. Struct 2001. V. 559. № 1–3. P. 127.

  23. Koll A., Wolschann P. // Monatsh. Chem. 1999. V. 130. P. 983.

  24. Ansari S., Robien W., Schelderer M., Wolschann P. // Monatsh. Chem. 1989. V. 120. P. 1003.

Дополнительные материалы отсутствуют.