ЭПР радикалов фенольных антиоксидантов с терпеновыми заместителями

Полная исследовательская публикация ___ Садыков Р.А., Сафина Г.Д., Кожанов К.А., Чукичева И.Ю.

и Кучин А.В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

______ http://butlerov.com/ ________ ©--Butlerov Communications. 2015. Vol.43. No.7. P.76-81. (English Preprint)

Размещено на http://www.allbest.ru/

.

.

ЭПР радикалов фенольных антиоксидантов с терпеновыми заместителями

Введение

антиоксидантный радикал фенол лекарственный

Фенолы с изоборнильными и изокамфильными заместителями [1] обладают высокой антиоксидантной активностью в процессах ингибирования полимеризации [2], в качестве стабилизаторов полимеров и материалов различного назначения [3]. Некоторые терпенофе-нолы обладают биологической активностью и перспективны для разработки новых лекарст-венных средств [4, 5]. Высокая антиоксидантная активность подтверждена измерениями значения константы k₇ скорости взаимодействия фенолов с перекисными радикалами [6-8]. В частности, для фенола 2,6-диизоборнил-4-метилфенол (1) k₇ = 11.5·10⁴ л·моль^-1·с^-1 значительно превышает k₇ = 2.04·10⁴ л·моль^-1·с^-1, широко используемого 2,6-дитретбутил-4-метилфенола (8, ионол). Известно, что первой стадией антиоксидантного действия замещенных фенолов является образование феноксильных радикалов, от свойств которых зависит эффективность этих соединений [9], поэтому их изучение представляется важным. В данной работе мы сообщаем о спектрах ЭПР феноксильных радикалов, полученных окислением толуольных растворов ряда терпенофенолов с помощью PbO₂ в сравнении с известным феноксильным радикалом ионола, полученным в тех же условиях.

Экспериментальная часть

Методы синтеза терпенофенолов, рассмотренные в работе (таб. 1), описаны ранее [10-12].

Очистку растворителя толуола производили по стандартной методике [13]. PbO₂ использовали коммерчески доступный марки х.ч. Для регистрации спектров в вакуумированную стеклянную ампулу с внутренним диаметром 2 мм помещали терпенофенол (0.02 ммоль) и диоксид свинца (0.04 ммоль) затем конденсировали толуол (~0.2 мл) и отпаивали. Охлажденную ампулу помещали в резонатор спектрометра при 250 К, через несколько минут регистрировали спектр ЭПР. Под действием PbO₂ фенолы окисляются до феноксильных радикалов по схеме 1. В табл. 2 собраны структуры и параметры идентифицированных феноксильных радикалов.

Табл. 1. Исходные фенолы

Схема 1

Спектры ЭПР были записаны на спектрометре Bruker EMX (л = 3 см) при Т = 250 К, оборудованном температурной приставкой и ЯМР-гауссметром, и спектрометре ESR 70-03 XD/2 (Минск). Анализ спектров проводился с помощью программы симуляции спектров ЭПР [14] WinEPR SimFonia (v. 1.2.5) и EasySpin 4.0.0.

Результаты и их обсуждение

2,6-Диизоборнил-4-метилфенол (1) наиболее интересное в практическом плане соедине-ние. Изучение свойств радикала 1а проводилось в сравнении с радикалом 8а ионола 8, который является структурным аналогом фенола 1, широко применяется в качестве ингиби-тора термоокислительных процессов и часто используется как модельное соединение.

Спектр ЭПР 1а впервые зарегистрирован в [15], однако, в настоящей работе образцы готовились в вакууме, что позволило значительно улучшить разрешение спектров за счет более эффективного удаления парамагнитного кислорода воздуха и, соответственно, точнее определить константы сверхтонкого взаимодействия (СТВ).

В спектре ЭПР 1a (рис. 1), так же как у радикала ионола 8a [9], наблюдается СТВ с двумя Н_meta и CH₃ протонами. Дополнительное расщепление сигнала ЭПР на двух H_в изоборниль-ных групп усложняет спектр 1a по сравнению со спектром радикала 8a с o-^tBu заместителями. Константы СТВ с CH₃ и Н_meta протонами радикалов 1a и 8a отличаются мало.

На фоне сигнала 8a постепенно появляется триплет радикала 8b с альдегидным заместителем в пара-положении. Известно [16], что этот радикал является результатом дальнейшего окисления фенола 8 под действием диоксида свинца. Аналогично при окислении 1 с течением времени на фоне сигнала 1a появляется триплет триплетов радикала 1b. Такая идентификация триплета триплетов подтверждается тем, что при окислении фенола 2 наблюдается спектр эквивалентный спектру радикала 1b. Для фенола 2 радикал 1b является первичным радикалом отрыва атома водорода от гидроксильной группы.

Табл. 2. Структуры и параметры идентифицированных терпенофеноксильных радикалов

Рис. 1. Спектр ЭПР первичного радикала 2,6-диизоборнил-4-метилфенола 1а. a - Экспериментальный спектр, b - расчетный спектр.

Замена ^tBu заместителей на изоборнильные приводит к уменьшению стабильности первичного феноксильного радикала. Например, радикал 8a стабилен более суток при комнат-ной температуре, а спектр радикала 1a хорошо наблюдается при 250К лишь несколько часов. Радикал 1b также менее стабилен. Спектр ЭПР ионольного радикала 8b наблюдается несколько дней, а сигнал 1b можно наблюдать в течение суток при комнатной температуре.

Замена у ионола 8 одной ^tBu группы на изоборнильную (2-изоборнил-6-трет-бутил-4-метилфенол 3) также приводит к снижению стабильности полученных радикалов. Стабиль-ность радикалов 3a и 3b примерно такая же, как 1a и 1b, соответственно: 3a гибнет в течение 2-3 часов при 250К, 3b появляется при нагревании образца до комнатной температуры и стабилен в течение суток. При этом мультиплет 3a исчезает и появляется уширенный дублет, который по аналогии с предыдущими экспериментами мы отнесли к вторичному радикалу 3b. Уширенный дублет наблюдается вследствие неразрешенного расщепления на H_meta сопоста-вимого с шириной линии.

В результате окисления 4-изоборнилфенола 4 в спектре ЭПР наблюдается квартет триплетов. Можно полагать, что сигнал относится к первичному радикалу 4a. Квартет обус-ловлен СТВ с двумя H_meta и Н_в изоборнильной группы в para-положении с близкими значениями констант СТВ, а триплет возникает в результате расщепления на двух H_orto. Этот радикал стабилен при 250 К несколько часов, исчезает при нагревании до комнатной температуры, и вместо него появляется триплет с константой a(2H) = 0.107 mT. Строение образующегося радикала установить не удалось.

Сигнал первичного радикала 9a при окислении бисфенола 2,2'-метиленбис(6-изоборнил-4-метил-фенола) 9 обнаружить не удалось. Образующийся мультиплет (рис. 2) можно отнести к радикалу гальвиноксильного типа, структура 9b которого представлена на схеме. Расчетный спектр с параметрами для 9b приведенными в табл. 2 удовлетворительно совпадает с экспериментальным спектром.

Идентификация структуры сделана на основании сопоставления полученных констант СТВ с известными данными для радикалов гальвиноксильного типа анало-гичных бисфенолов [17]. Сигнал радикала 9b можно наблюдать в течение суток при комнатной температуре. При окислении подобного бисфенола с 6,6'-^tBu группами [17] при низких температурах сначала наблюдается сигнал первичного феноксильного радикала, который затем превращается в спектр радикала гальвиноксильного типа. По мнению авторов, радикал гальвиноксильного типа появляется в результате диспропор-ционирования двух первичных радикалов и дальнейшего окисления продуктов.

Рис. 2. Спектр ЭПР радикала 9b гальвиноксильного типа из 2,2'-метиленбис(6-изоборнил-4-метилфенола. a - экспериментальный спектр, b - расчетный спектр

Схема 2

В этой же работе отмечено, что у бисфенола с 6,6'-метильными заместителями первичный радикал не стабилен, поэтому наблюдать его сигнал не удается, наблюдается только сигнал радикала гальвиноксильного типа. Сопоставление результатов показывает, что первичный радикал бисфенола 9b с 6,6'-изоборнильными заместителями менее стабилен, чем радикал бисфенола с 6,6'-^tBu заместителями.

Первичный радикал 2-изоборнилфенола 6 наблюдать не удается. В спектре ЭПР виден дублет триплетов, который обусловлен расщеплением на двух Н_meta и H_в. В результате окисления 6 в спектре обнаруживается сигнал вторичного радикала, H_orto и H_para которого замещены на неизвестные группы. Первичный радикал 2-изокамфил-6-трет-бутил-4-метилфенола 7 не стабилен и его спектр не наблюдается, вероятно, из-за того, что три CH₃ группы изокамфильного заместителя пространственно удалены от атома кислорода фенола по сравнению с положением CH₃ групп в изоборнильном заместителе. По этой причине фенол 7 имеет меньшее пространственное экранирование, чем фенол 3 и, соответственно, первичный феноксильный радикал 7 менее стабилен, чем первичный радикал фенола 3. Как и следовало ожидать, первичный радикал фенола 5, у которого имеется изокамфильный заместитель в meta-положении и отсутствуют заместители в orto-положениях, также не стабилен.

В заключение отметим, что первичные радикалы отрыва атома водорода от гидроксильной группы фенолов с orto-изоборнильными заместителями менее стабильны, чем соответствующие радикалы с ^tBu заместителями. Причиной меньшей стабильности может быть меньший эффект пространственного экранирования атома кислорода феноксильного радикала. По этой же причине, вероятно, происходит рост константы k₇ соединения 1 по сравнению с ионолом 8 и, соответственно, рост антиоксидантной активности. Работа в этом направлении будет продолжена. Использование orto-изокамфильных групп сильнее умень-шает стабильность первичных радикалов. Вероятно, это происходит из-за дальнейшего уменьшения пространственного экранирования.

Выводы

1. При окислении диоксидом свинца фенолов с orto-трет-бутильными и orto-изоборнильными заместителями аналогичного строения образуются однотипные первичные и вторичные феноксильные радикалы.

2. Установлено, что замена orto-трет-бутильного заместителя на orto-изоборнильный в изученных феноксльных радикалах приводит к уменьшению их стабильности, вероятно, вследствие уменьшения степени экранирования радикального центра.

Литература

1. Чукичева И.Ю., Кучин А.В. Журн. Рос.хим. об-ва им. Д. И. Менделеева. 2004. Т.58. №3. С.21 [Mendeleev Chem. (Engl. Transl.). 2004. Vol.58. No.3].

2. Гоготов А.Ф., Чукичева И.Ю., Левчук А.А., Буравлев Е.В., До Тьем Тай, Батура И.И., Кучин А.В. Пространственно затрудненные терпенофенолы в качестве эффективных ингибиторов термополимеризациипиролизных производств. Химия растительного сырья. 2011. №4. C.287-294.

3. Кучин А.В., Королева А.А., Федорова И.В., Шумова О.А., Чукичева И.Ю. Фенольные антиоксиданты - высокоэффективные стабилизаторы полимеров и материалов различного назначения. Известия Уфимского научного центра РАН. 2012. №4. С.80-93.

4. Плотников М.Б., Чернышева Г.А., Смольякова В.И., Иванов И.С., Кучин А.В., Чукичева И.Ю., Краснов Е.А. Нейропротекторные эффекты диборнола и механизмы действия при ишемии головного мозга. Вестн. РАМН. 2009. №11. С.12.

5. Чернышева Г.А., Смольякова В.И., Плотников М.Б., Яновская Е.А., Гурто Р.В., Удут В.В., Чукичева И.Ю., Кучин А.В. Фармакокинетика фенольного антиоксиданта 4-метил-2,6-диизоборнилфенола при внутривенном введении. Экспериментальная и клиническая фармакология. 2011. Т.74. №9. С.20.

6. Мазалецкая Л.И., Шелудченко Н.И., Шишкина Л.Н., Кучин А.В., Федорова И.В., Чукичева И.Ю. Кинетические характеристики реакции изоборнилфенолов с пероксирадикалами. Нефтехимия. 2011. Т.51. №5. С.354-359. [L.I.Mazaletskaya, N.I. Sheludchenko, L.N. Shishkina, A.V. Kuchin, I.V. Fedorova, and I.Yu. Chukicheva. Kinetic Parameters of the Reaction of Isobornylphenols with Peroxy Radicals. Petroleum Chemistry. 2011. Vol.51. No.5. Р. 348-353].

7. Мазалецкая Л.И., Шелудченко Н.И., Шишкина Л.Н., Кучин А.В., Федорова И.В., Чукичева И.Ю. Ингибирующая активность изокамфилзамещенных фенолов и их смесей с 2.6-ди-трет-бутилфенолом в реакции инициированного окисления этилбензола. Ж. Физ. Хим. 2012. Т.86. №6. C.1035-1040. [L.I.Mazaletskaya, N.I. Sheludchenko, L.N. Shishkina, A.V. Kutchin, I.V. Fedorova, andI.Yu. Chukicheva. Inhibiting activity of isocamphyl substituted phenols and their mixtures with 2,6-di-tert-butylphenol in the initiated oxidation of ethylbenzene. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2012. Vol.86. No.6. Р.929-934].

8. Мазалецкая Л.И., Шелудченко Н.И., Шишкина Л.Н., Буравлев Е.В., Чукичева И.Ю., Кучин А.В. Третичные аминометилфенолы и метиленбисфенолы с изоборнильными заместителями в реакции с пероксирадикалами этилбензола и дифенилпикрилгидразилом. Ж. Физ. Химии. 2013. Т.87. №4. С.584-589. [L.I. Mazaletskaya, N.I. Sheludchenko, L.N. Shishkina, E.V. Buravlev, I.Yu. Chukicheva, and A.V. Kutchin. Tertiary Aminomethylphenols and Methylene Bisphenols with Isobornyl Substituents in the Reaction with Diphenylpicrylhydrazyl and Peroxy Radicals in Ethylbenzene. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2013. Vol.87. No.4. P.565-570].

9. Рогинский В.А. Фенольные антиоксиданты. Реакционная способность и эффективность. М. Наука. 1988. 247с.

10. Федорова И.В., Чукичева И.Ю., Шумова О.А., Кучин А.В. Синтез фенольных антиоксидантов с изоборнильными и трет-бутильными фрагментами. Журнал общей химии. 2013. Т.83. №6. С.972-979. [I.V. Fedorova, I.Yu. Chukicheva, O.A. Shumova, and A.V. Kutchin. Synthesis of Phenolic Antioxidants with Isobornyl and tert-Butyl Fragments. Russian Journal of General Chemistry. 2013. Vol.83. No.6. P.1103-1110].

11. Чукичева И.Ю., Спирихин Л.В., Кучин А.В. Молекулярная тандемная перегруппировка при алкилировании фенола камфеном. Журн. орг. Химии. 2008. Т.44. №1. С.69-73. [I.Yu. Chukicheva, L.V. Spirikhin, A.V. Kuchin. Tandem molecular rearrangement in the alkylation of phenol with camphene. Russian Journal of Organic Chemistry. 2008. Vol.44. Iss.1. P.62-66].

12. E.V. Buravlev, I.Yu. Chukicheva, M.F. Borisenkov, A.V. Kutchin. Synth. Commun. 2012. (DOI: 10.1080/00397911.2011.589564).

13. D.D. Perrin, W.L.F. Armarego, D.R. Perrin. Purification of Laboratory Chemicals. Oxford: Pergamon. 1980. 284p.

14. S. Stoll, A. Schweiger. EasySpin, a comprehensive software package for spectral simulation and analysis in EPR. J. Magn. Reson. 2006. Vol.178(1). P.42. (DOI:10.1016/j.jmr.2005.08.013).

15. Садыков Р.А., Сафина Г.Д., Чукичева И.Ю., Кинзябулатов Р.Р., Кучин А.В. Спектры ЭПР феноксильных радикалов из 2,6-диизоборнил-4-метилфенола. Известия АН. Серия хим. 2012. №8.

16. J.K. Becconsall, S. Clough, G. Scott, Electron magnetic resonance of phenoxy radicals. Trans. Faraday Soc. 1960. Vol.56. P.459-472. (DOI: 10.1016/j.jmr.2005.08.013).

17. L. Omelka, A. Tkac, L. Jiracova, J. Pospisil. Radical Reactions in the Co-ordination Sphere of Transition Metals. XIII. Radicals derived from 4,4'- and 2,2'-Alkylidenebisphenolic Antioxidants. Org. Magn. Res. 1982. Vol.19. No.3. P.153-159. (DOI: 10.1002/mrc.1270190310).

Размещено на Allbest.ru