CC BY
52
УДК541127; 541.124.542.91;547.563.4;547.391
А. А. Володькин, Г. Е. Заиков, Л. Н. Курковская, Н. М. Евтеева,
С. М. Ломакин, Е. Ю. Паршина, Л. Я.Гендель, З. М. Рахбанова, А. Ф. Яруллин
СИНТЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ АНТИОКСИДАНТОВ В РЕАКЦИИ ЭТЕРИФИКАЦИИ
2-(]Ч-АЦЕТИЛАМИД)-3-(3’,5’-ДИ-:ТР.ЕТ.БУТИЛ-4’-ГИДРОКСИФЕНИЛ)ПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ
Ключевые слова: 2-(М-ацетиламид)-3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовая кислота, этерификация, антиоксидант.
В реакции этерефикации 2-(М-ацетиламид)-3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты спиртами (МеОН, ЕЮН, гзоРгОН, п-ВиОН, п-С9Н17ОН). в присутствии БОС12 синтезированы 5 антиоксидантов с выходами 90-94%. Антиокисли телные свойства по величине к7 на уровне 2.106 л.моль'1.с'1, что выше, чем для метиловго эфира 3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты(к7=2.104 л.моль1.с 1) .Выполнены квантово-химические расчеты структур метилового эфира 2-(Ы-ацетиламид)-3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты, которые объясняют связь энтропии и структуры с антиокислительными свойствами.
Keywords: 2- (N- acetylamid)-3- (3 ’, 5 ’- di-tert.butyl -4 ’-hydroxyphenyl) propionic acid, esterification, antioxidant.
In the reaction esterification 2- (N-acetylamid)-3- (3 ’, 5 ’-di-tert.butyl-4 ’-hydroxyphenyl) propionic acid by alcohols (MeOH, EtОН, isoPrOH, n-BuOH, n-CflI7OH) in the presence of SOCl2 5 antioxidants with yields of 90-94 % are synthesised. Antioxidative properties of compounds on value ^ at level 2.106 l.motI.s'1 that above, than for methyl ester (3 ’, 5 ’-di-tert.butyl-4 ’-hydroxyphenyll) propionic acid (к7=2.I04 l.mol'1.s'1). Are executed quantovo-chemical calculations of structure of methyl ester 2-(N-acetylamid)-3-(3 ’, 5 ’-di-tert.butyl-4 ’-hydroxyphenyl) propionic acid which explain communication of entropy and structure with antioxidative properties.
Введение
Публикации последних лет свидетельствуют
об актуальности синтеза биологически активных веществ со свойствами антиоксидантов[1-4]' В развитии данного направления перспективными являются синтез и исследования свойств эфиров 1-(Ы-ацетиламид)-2-(3 ’,5’ -ди-трет.бутил-4 ’-гидрок-сифенил)пропионовой кислоты. Ранее исследованы свойства эфиров (3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидрокси-фенил)пропионовой кислоты, антиокислительные свойства которых по ряду параметров близки к свойствам 4-метил-2,6-ди-трет.бутилфенола (константа ингибирования к7 =2.104 л.моль-1с-1). Наличие в молекуле эфиров 2-(К-ацетиламид)-3-(3’,5’-ди-трет.бутил-4’-гидроксифенил)-пропионовой кислоты ацетиламино- группы приводит к изменению антиокислительных свойств, а по величине константы ингибирования приближаются к эффективности природного антоксиданта- токоферола
(к7=2.106 л.моль-1.с-1) [5]. На основании квантовохимических расчетов структур метиловых эфиров (3’,5’ -ди-трет. бутил-4 ’-гидроксифенил)-пропионовой и 2-(К-ацетил-амид)-3-(3’,5’-ди-
трет.бутил-4’-гидроксифенил)-пропионовой кислот установлено, что различия в антиокислительных параметрах могут быть связаны с геометрией связей между ядрами атомов в молекуле и влиянием электронного поля на переход одного из электронов молекулы антиоксиданта на на свободную орбиталь пероксильного радикала.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н записывали на приборе "Луапсе -500 Бгцкег" относительно ТМ8. ИК-спектры записывали на спектрометре "РЕЖЖ-ЕЬМЕЯ 1725-Х в кристаллах методом диффузного отражения. Для ЖХ использовали прибор «Вгикег
ЬС-31», колона 1ВМ Суапо, элюент - гексан-пропанол -этилацетат (8 : 1: 1, об.), скорость 0.4 мл-мин-1. Биологические исследования проводили с эритроцитами крови белых беспородных крыс по методу [7]. Морфологические изменения эритроцитов под действием соединений в концентрации 10-3 -10-5 моль-л-1 фиксировали методом оптической микроскопии. . Квантово-химические расчеты проводили с использованием программы «Морас2009» [8]. Оптимизацию геометричесих параметров моле-ку-лярных структур проводили с использованием параметра ЕБ по методу Хартри-Фока.
2-(К-ацетиламид)-3-(3 ’,5’-ди-трет. бутил-4’-гидроксифенил)пропионовой кислоты (1) получали по методу [6], т.пл. 203-204 оС; 80С12 марки «8егуа» (Германия), очищали фракциони-рованием, т.кип.79 оС.
Метиловый эфир 2-(К-метиламид)- 3 -
(3 ’,5’-ди-трет.бутил-4 ’- гидроксифе-
нил)пропионовой кислоты (2) К раствору 3.35 г (0.01 моль) соединения 1 в 30 мл МеОН прибавили 5 мл 80С12, выдерживали при 20 оС в течение 15 мин, раство-ритель испарили, к остатоку прибавили 20 мл воды, нагрели до кипения и фильтровали. Остаток на фильтре кристаллизовали из спирта. Выход 3.3 г (94%); т.пл.148-149 оС Спектр ЯМР 1Н (СБС1з, 8, м.д. Жц) 1.44 (с,18 Н, ‘Би); 2.01 (с, 3 Н, СОСНз); 3.06 ( с, 1Н, СН2); 3.08 ( с, 1Н, СН2) 3.78 (с. 3Н. О-СН3); 4.86 (м. 1Н СН-СН2);; 5.14 (с, 1 Н, ОН); 5.91 (с. ушир, 1 Н, КН); 6.87 (с, 2Н, Лг); ИК-спектр, V /см-1:3367 (КНСО); 3187ушир.(ОН); 2960 (СН); 1739 (С00-);1649 (СОЫН); 1213 (С-О-С). Найдено %: С 68.66; Н 8.74; N 3.77. С20Н31Ш4. Вычислено %: С 68.74; Н 8.94; N 3.85
Этиловый эфир 2-(К-метиламид)- 3 -(3’,5’-ди-трет.бутил-4’- гидроксифенил)-пропионовой кислоты (3) получали аналогично из 3.35 г (0.01
моль) соединения 1, 10 мл Е‘0Н и 5 мл 80С12 . Выход 3.3 г (90%); т.пл.135-136 оС. Спектр ЯМР 'Н (ацетон а6 , 8, м.д. , 7/Гц):1.68(т, 3Н, СН3СН2, .7=7,1 Гц)1.42 (с,18 Н, ‘Ви); 1.91 (с, 3 Н, С0СН3); 2.02 (д.д. 1На, 7=6.2 Гц); 3.11 (д.д. 1НЬ, 7=6.3 Гц); 4,09 (2Н, СН3СН2, 7=7,1 Гц) 4.60-4.64 (м, 1 Нс); 5.98 (с, 1 Н, 0Н); 6.95 (с, 2Н, Лг); 7.34 (д, 1 Н, К1Н, 7=7.15 Гц). ИК-спектр, V /см-1: 3354 ЛКНСОСШ; 3189 уш.(0Н) ; 1732 (С00С9Н5); 1647 (НКС0);. Найдено (%): С, 69.59; Н, 9.13; N 3.94; С21Н33 N 04. Вычислено (%): С, 69.39; Н, 9.15; N 3.85
изо-Пропиловый эфир 2-(]Ч-метиламид)- 3 -(3 ’,5’-ди-трет.бутил-4’- гидроксифе-
нил)пропионовой кислоты (4) получали аналогично из 3.35 г (0.01 моль соединения 1, 10 мл изо-Рг0Н и 5 мл 80С12. Выход 3.4 г (90%) , тпл.127-128 оС ЯМР :Н (ДМСО а6, 8, м.д. 7/Гц): 0.99 (с. 3Н, СН-(СН3)2): 1.14 (с. 3Н, СН-(СН3)2); 1.36 (с, 18 Н, ‘Би); 1.83 (с, 3 Н, СОСН3); 2.81 (с. 1Н, СН-НСН); 2.83 (с.1
Н, НС-НСН ; ; 4.32 (м. 1Н, СН-СН2); 4.76 (м, 1 Н, СН-(СН3)2); 6.77 (с, 1 Н, 0Н); 6.91 (с, 2Н, Лг); 8.27 (д, 1 Н, :ЫН, 7=7.45 Гц ) ИК-спектр, V /см-1: 3356 ННС0); 3197 ушир.(ОН); 2949 (СН); 1719 (€00-);1640 (C0NH); 1202 (С-0-С). Найдено %: С 69.88; Н 9.32; N 3.77. С22Н35Ш4. Вычислено %: С 69.99; Н 9.34; N 3.71
н-Бутиловый эфир 2 -(К-метиламид)- 3 -(3 ’,5’-ди-трет.бутил-4’- гидроксифе-
нил)пропионовой кислоты (5) получали аналогично из 3.35 г (0.01 моль) соединения 1, 10 мл н-Ви0Н и 5 мл 80С12. Выход 3.6 г (92%); т.пл .115 оС. Спектр ЯМР 1Н (СБС13, 8, м.д. 7/Гц): 0.92 (т. 3Н, СН2СН2СН2СН3 1=7.35 Гц.); 1.37 (м. 2Н,
СН2СН2СН2СН3); 1.43 (с,18 Н, ‘Би); 2.0 (с, 3 Н, СОСН3); 3.04 ( д.д 1Н, СН-НСН, 7=5.2 Гц; 7гем=6.1 Гц),); 3.06 (д.д. 1Н, СН-НСН 7 6.6= Гц; 7гем=6.1Гц);
4.07 (м. 2Н. ОСН2); 4.85 (м, 1 Н, СН); 5.13 (с, 1 Н, 0Н); 5.91 (д, 1 Н, :ЫН 7=7.6 Гц ); 6.80 (с, 2Н, Лг); ИК-спектр, V /см-1: 3367 (МНС0);3187ушир.(0Н); 2960 (СН); 1739 (С00-);1649 (С0МН); 1213 (С-0-С). Найдено %: С 70.68; Н 9.42; N 3.47. С22Н35Ш4. Вычислено %: С 70.55; Н 9.52; N 3.58
н-Нониловый эфир 2 -(К-метиламид)- 3 -(3 ’,5’-ди-трет. бутил-4’- гидроксифе-
нил)пропионовой кислоты (6) получили путем прибавления 5 мл 80С12 к раствору 3.35 г (0.01 моль) соединения 1и 0.1 мл н-нонилового спирта в
15 мл Ви‘0Н в течение 30 мин. при 20 оС Через 6 ч растворитель отделили, остаток кристаллизовали из ацетона. Выход 4.2 г (91%) , т.пл.104-106 оС.
Спектр ЯМР 1Н (СБС13, 8, м.д. 7/Гц): 0.90 (т. 3Н, СН2СН2СН2СНз 1=6.71 Гц.); 1.28 (м. 14 Н, СН2СН2СН2СН3); 1.43 (с,18 Н, ‘Ви); 2.01 (с, 3 Н, СОСН3);306 (д.д.,1Н, НСНЛг 7=4.75 Гц, 7гем=4.85 Гц); 3.08 ( д.д., 1Н, НСНЛг, 7 = 3.95 Гц, 7гем=4.85 Гц); 4.11 (м, 2Н, О-СН2-).; 4.85 (м, 1 Н, СН); 5.13 (с, 1 Н, 0Н); 5.93 (с ушир., 1 Н, №Н ); 6.89 (с, 2Н, Лг); ИК-спектр, V /см-1: 3351 (ЫНС0);3169 ушир.(ОН); 2958 (СН); 1720 (С00-);1645 (С0МН); 1252 (С-0-С). Найдено %: С 72.78; Н 10.34; N 3.07. С28Н47Ш4. Вычислено %: С 72.84; Н 10.26; N 3.03
Метиловый эфир 3-(3’,5’-ди-трет. бутил-4’-гидрокси-фенил)пропановой кислоты (7). К
раствору 4.88 г (0.01 моля) 2,6-ди-
трет.бутилфенолята калия в 4 мл ДМСО при 115 оС прибавили 2.5 мл (0.03 моля) метилакрилата. Через 3 ч после охлаждения нейтрализовали 10% НС1 и после кристаллизации из гексана получили 5.16 г (88%) соединения 1, т.пл. 66 оС (ср. лит.[9] 66 оС).
Обсуждение результатов
Наиболее перспективным является метод эте-рификации в растворе первичных спиртов (метанол, этанол, бутанол) в условиях катализа 80С12 Выход сложных эфиров до 98%.Реакция этерифи-кации протекает в изопропиловом спирте. В растворе Ви‘0Н соединение 1 с 80С12 не взаимо-действует. Это свойство использовано для препара-тивного синтеза сложных эфиров из высших спиртов ( н-нониловй спирт) (схема 1). В присут-ствии минеральных кислот (НС1, Н2804) образуются продукты дезалкилирования, что соответствует литературным данным [10].
ROH/ SOCl2
-COOH
CH3CONH ---CH----COOH CH3CONH ---CH----COOR
R = CH3 (2) , C2 H5 (3) , rno-C3H7 (4) C4H9 (5), (CH2)8-CH3 (6)
Строение полученных соединений 2-6 подтверждено данными ЯМР 1Н спектрами. Идентификация сигналов от протонов групп СН2 в соединении 5 выполнена в режиме cosy Н-Н. В ИК спектрах, полученных методом отражения в твердой фазе, частота фенольного гидроксила находится в области 3100 см -1, что может быть следствием межмолеку-лярного взаимодействия протона гидро-ксильной группы с функциональным заместителем. Аналогичный эффект рассмотрен в работе [11].
Период торможения окисления с участием антиоксиданта (т ) и коэффициент обрыва цепи (f) при постоянной скорости инициировании (^=1.5.10-8 моль- л-1-с-1) определяли газометрическим методом [12]. Указанные параметры связаны выражением: f=r ^-[InH]-1, где InH - соединения 27. Величину константы скорости реакции (к7) определяли из зависимости A[O2]/[RH] =-k2/k7-ln(1-t/r), где к2 - константа скорости ROO' с кумолом (к2 =
1.75 л-моль-1- с-1) , [RH] - концентрация кумола (7.18 моль-л-1), A[O2] - количество поглощенного кислород (рис.1).
Результаты измерений кинетики поглощения кислорода от природы антиоксиданта указывают на зависимость от структуры, что выражается как в характере изменения поглощения кислорода, так и величине коэффициента обрыва цепи. Из результатов сравнения зависимостей поглощения кислорода в присутствии антиоксидантов 2 и 7 следует, что соединение 2 (k7 = 2* 106 л-моль-1 *с-1) обладает более высокими антиокислительными свойствами по сравнению с 7 (k7=2*104 л^моль-1 *с-1). Результаты вычислений констант реакций пероксильного ради-
OH
Bu
Bu
кала кумола с соединениями 2-6 и величины коэффициентов обрыва цепи представлены в табл. 1.
3-5 П 7
О 20 40 60 80 100 120 140 160
т . МИН
Рис. 1 - Кинетические зависимости поглощения кислорода в реакции инициированного окисления кумола при 50 оС в присутствии соединений
2,7 и азодиизобутиронитрила ; Wi = 1.510"8 моль'лЛс1. [2]0 =3.Г10"5; [7]0 =3.6'10"5 моль.л-1
Таблица 1 - Константы реакций пероксильного радикала кумола с антиоксидантами 2-6 и величины коэффициентов обрыва цепи.
Соединение f k7 106 л-моль-1-с-1
2 2 2±0.2
3 2 2±0.2
4 1 1 ±0.1
5 2 2±0.2
6 2 1±0.1
Алкильные заместители в структурах фенолов 2-6 оказывают влияние на величины к7 и параметры ^ однако это влияние несущественно по сравнению с аналогичными параметрами эффективности соединения 2.
Обнаруженную зависимость изменения ан-тиокислительных свойств в полученных соединениях по сравнению с ранее известными производными пространственно-затрудненных фенолов нельзя объяснить в рамках теории гомолиза НО-связи.
Результаты расчетов структур соединений 2 и
7 квантово-химическим методом указывают, что в этих соединениях величины энергии гомолиза (Б(он)} достаточно близки (таблица 2), тогда как геометрии их молекул различны.
Таблица 2 - Энергетические параметры соединений 2 и 7 по данным расчета структур методом Хартри-Фока с параметром ЯШ
ч _ о ^ w Э - Но кДж- моль-1 S° Дж-K •моль- 1 Etotal кДж^ моль-1 D(OH) кДж •моль- 1
2а 871/741 81.6 837 70.3 349.4
2б 846/712 80.3 807 84.5 354.0
7 667/536 67.7 711 87.8 348.5
Расчет Б(0Н) основан на энергиях образования фенола (-Е^ш ), соответствующего феноксильного
ЕО .
г (1П ) и атома водорода и выражается соотношением [13]:
Б(он) = -Е°<ьо + Е°® - (-ЕОпн ); ЕО(н) = 218.0
кДж-моль-1 ( —52.1 ккал-моль-1)
В приближении РМ6 были рассчитаны две структуры 2а и 2б с минимумами энергий образования Е° =871 и Е°=846 кДж-моль"1 (рис.2)
Рис. 2 - Ротомеры (2а и 2б) соединения 2
Геометрии этих структур соответствуют двум ротомерам, отличающимися по энтропии (So =807 и 837 энтр.ед.), свободной энергии (Etotal ) и энергии гомолиза НО связи D(OH) в молекуле антиоксиданта.
Известно [14], что геометрические параметры и энтропия соединения взаимосвязаны и, следовательно, энтропия может влиять на антиокислитель-ные свойства, через изменения свободной энергии соединения. Следствием такого изменения появляются области с повышенной электронной плотно -стью, что ведет к взаимному отталкиванию электронов (steric effect).
В исследованиях с использованием эритроцитов и синтезированных антиоксидантов установлено, что эти соединения вступают во взаимодействие с клеточной мембраной и интеркалируются во внутримембранное пространство клетки. Выявлено влияние структуры алкильного заместителя на процесс интеркаляции. Полученые данные указывают на распределение наиболее гидрофобных компонентов молекул антиоксидантов во внутреннем монослое эритроцитарной мембраны, где они проявляют антиокислительные действия.
Таким образом, можно предположить, что свойства эфиров 2-(Ы-метиламид)-3 -(3’,5’-ди-
трет. бутил-4’- гидроксифенил)пропионовых кислот связаны с геометрией связей между ядрами атомов в молекуле и возможностью перехода электрона с ВЗМО антиоксиданта на низшую свободную орбиталь (НСМО) пероксильного радикала.
Литература
1. О.И.Дюбченко, В.В.Никулина, Е.И.Терах, А.Е.Просенко, И.А.Григорев, Изв.РАН, Сер.хим. , 1107 (2007)
2. А.Е.Просенко, А.А.Скоробогатов, О.И.Дюбченко, П.И.Пинко, Н.В.Кандалинцева, М.М.Шакиров, Л.М.Покровский, Изв.РАН, Сер.хим. 2007, 1078 (2007)
3. Н.М.Сторожок, М.Г.Перевщзкина, Г.А..Никифоров Изв.РАН, Сер.хим. 2005, 323 (2005)
4. Д.В.Арефев, И.С.Белостоцкая, В.Б.Вольева,
Н.С..Домина, Н.Л.Комиссарова, О.Ю.Сергеева,
Р.С.Хрусталева Изв.РАН, Сер.хим. , 751 (2007)
5. В.Ф. Цепалов, «Исследование синтетических и природных антиоксидантов in vivo и in vitro» Москва, Наука, ,
16 (1992)
6. А.А Володькин, Г. Е. Заиков, НМ.Евтеева Изв.РАН, Сер.хим., 900 (2009)
7. Е.Ю.Паршина, Л.Я.Гендель, Ф.В.Рубан, Биофизика, 49, 1094 (2004)
8. J.J.P. Stewart, J.Mol.Mod. 13, 1173 (2007)
9. А.А.Володькин, Г.Е.Заиков, Изв. АН, Сер. хим., 2031 (2002)
10. А.Е.Просенко, А.А.Скоробогатов, О.И.Дюбченко, П.И.Пинко, Н.В.Кандалинцева,
М.М.Шакиров, Л.М.Покровский, Изв.РАН, Сер.хим., 1078(2007)
11. ІНиа^, БИ.СИеп, А.ОщеІ, Ь.Уи, ІАшег. СИеш. Бос., 128, 11985 (2006)
12. НМ.Эмануэль, Е.Т.Денисов, З.К.Майзус, «Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе» Москва, Наука, 37 (1965)
13. С.Л.Хурсан Гомодесмический метод определения термохимических характеристик органических соединений. Окисление, окисли-тельный стресс и антиоксиданты, Москва, 195 (2010)
14. Л.А Грибов. Элементы квантовой теории строения и свойств молекул, Москва, Интеллект, 284 (2010)
© А. А. Володькин - д-р хим. наук, проф. вед. науч. сотр. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН;
Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, гл. науч. сотр., проф. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН, [email protected]; Л. Н. Курковская - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; Н. М. Евтеева - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; С. М. Ломакин - канд. хим. наук, зав. лаб. Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; Е. Ю. Паршна - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. биофизики биофака МГУ им. М.В. Ломоносова; Л. Я. Гендель - д-р биол. наук, зав. лаб. каф. биофизики биофака МГУ им. М.В.Ломоносова; З. М. Рахбанова - стажер каф. биофизики биофака МГУ им. М.В. Ломоносова; А. Ф. Яруллин - ассистент каф. технологии полимерных материалов КНИТУ.
