Электрохимическое определение производных дигидрокверцетина и ионола

Том 148, кн. 2

Естественные науки

2006

УДК 543.25

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ ДИГИДРОКВЕРЦЕТИНА И ИОНОЛА

Г.К. Зиятдинова, Д.М. Гильметдинова, Е.Н. Офицеров

Аннотация

Найдены условия вольтамперометрического определения производных дигидрок-верцетина и ионола на стеклоуглеродном электроде в кислой и щелочной средах в анодной области потенциалов. Методом кулонометрического титрования исследованы реакции производных дигидрокверцетина и ионола с электрогенерированными галогенами. Установлено число электронов, участвующих в реакциях в щелочной среде. Разработан способ кулонометрического определения фенольных антиоксидантов с применением электрогенерированных хлора и брома.

Введение

Дигидрокверцетин и ионол являются фенольными соединениями, проявляющими выраженные антиоксидантные свойства.

Фенольные антиоксиданты применяют для предотвращения окисления многих пищевых продуктов, напитков, лекарственных средств, нефтепродуктов и ряда полимеров. Исходя из свойств фенольных антиоксидантов и учитывая возможность их воздействия на организм, для каждого объекта подбирают соответствующую концентрацию того или иного антиоксиданта как природного, так и синтетического происхождения.

В настоящее время происходит интенсивное развитие химии пространственно-затрудненных фенолов, что обусловлено как практическим, так и теоретическим значением этих соединений.

2,6-Дитрет-бутил-4-метилфенол

OH

V

СНз

широко используется в ведущих странах Европы и Америки в качестве пищевой, косметической добавки и фармпрепарата. Трудами академика Н.М. Эммануэля и его школы были показаны перспективы применения ионола в медицине, и в 70-х гг. XX в. ионол под торговым названием дибунол был разрешен для клинического применения при опухолях мочевого пузыря, для лечения лучевых циститов, лучевых и трофических повреждений, ожогов кожи и обморожениях. В монографии [1] представлены результаты исследований противояз-

венных свойств 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенола (тонарол), который производится на ООО «Вита» (г. Нижнекамск, Республика Татарстан).

Ключевым для использования в медицине оказалось свойство 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенола ингибировать свободнорадикальные процессы посредством связывания активных свободных радикалов с образованием стабильного феноксильного радикала, выбывающего из реакции.

Образование свободнорадикальных метаболитов происходит практически при любом заболевании независимо от его этиологии. Поэтому система анти-оксидантной защиты запускается всегда. Данные, полученные в процессе поиска фармакологических средств регуляции процессов перекисного окисления липидов, позволяют сделать вывод: 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол является препаратом широкого спектра действия и может применяться при лечении язвенной болезни, в составе комплексной терапии для защиты печени при отравлениях и успешно использоваться в составе комплексной терапии нарко- и токсикомании (в том числе алкоголизма), вирусного гепатита В, ишемической болезни сердца, туберкулеза (совместно с туберкулостатиками). В настоящее время его применяют также при циститах, поверхностных ожогах, обмораже-ниях 1-11 степени, вяло гранулирующихся ранах [1, 2].

На сегодняшний день выделены и идентифицированы более 4000 флавоно-идных соединений растительного происхождения [3, 4]. Они выполняют широкий ряд функций в жизнедеятельности растений, например, в окраске лепестков растений, в изобилии и прорастании семян (пыльцы), в активации «бактериальных генов», отвечающих за процесс фиксации азота, в защите от патогенных микроорганизмов, в защите от УФ-облучения. Флавоноиды как неотъемлемые компоненты растительных тканей постоянно поступают в организм человека в составе продуктов питания, особенно с ягодами, фруктами и овощами.

Большинство из них синтезируется высшими растениями, а также мхами и папоротниками, реже встречается у микроорганизмов [5]. В надземной части растений они, в первую очередь, сосредоточены в листьях, цветках и плодах, а также в стеблях (в коре и древесине). Подземные органы либо содержат незначительные количества флавоноидов, либо отличаются высоким их содержанием, как, например, в корнях и корневищах солодки (до 6%), в корнях шлемника и др. [6, 7].

Биогенетическими предшественниками рассматриваемых веществ являются халконы. Образование циклической системы флавоноидов происходит путем внутримолекулярной реакции Михаэля - присоединения фенольной гидро-ксильной группы по активированной двойной связи халкона.

3'

О

О

Флавоноиды рассматриваются как соединения Сб-Сз-Сб, в молекуле которых имеются два бензольных ядра А и В, соединенных друг с другом трехугле-родным фрагментом.

Семейство арилбензопиранов включает мономерные флаваны, катехины, леикоантоцианидины, антоцианидины, флавонолы, флаваноны, флавоны и флавононолы. Классификация основана на степени насыщенности трехугле-родного фрагмента, числе гидроксильных групп, их местоположении в молекуле, а также на положении бокового фенильного радикала и величине гетеро-цикла [8].

Флавонолы в большом количестве синтезируются в различных видах растений

О

Некоторые из них весьма редки, другие же имеют широкое распространение во всех растительных таксонах. Кверцетин, дигидрокверцетин и рутин являются наиболее распространенными флавоноидами.

Таким образом, флавоноиды - природные соединения с двумя ароматическими кольцами - производные хромана или флавана, хорошо растворимые в спирте и воде. В зависимости от структуры и степени окисления их подразделяют на флавонолы, флавоны, флавононы, катехины, антоцианы и др. Они обладают широким спектром фармакологического действия на организм.

Как компоненты системы полифенол - фенол - фенолоксидаза, указанные выше соединения участвуют во многих окислительно-восстановительных процессах, включая и процессы дыхания. Взаимодействуя с белками, флавоноиды оказывают влияние на различные ферментативные реакции в клетке. Полифенолы обладают Р-витаминной активностью (катехины чая, рутин гречихи, гес-перидин цитрусовых), способны восстанавливать нарушенную проницаемость капилляров и уменьшать их ломкость. Флавоноиды растений оказывают седа-тивное действие (боярышник, шлемник байкальский), применяются при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, а также могут использоваться как противоопухолевые, противоязвенные (солодка голая), спазмолитические, бактерицидные (дуб) и противовоспалительные средства (бессмертник песчаный) [9]. Флавоноиды типа дайдзеина и генистеина, представленные в таких диетических растениях, как соя, проявляют уникальную биологическую активность, релевантную по отношению к раковым клеткам.

Для определения антиоксидантов активно применяют методы хемилюми-несценции, радиотермолюминесценции, электронного парамагнитного резонанса, а также спектрофотометрические, различные хроматографические и электрохимические методы [10]. Последние характеризуются простотой, доступностью и экспрессностью, что позволяет их применять для количественного определения широкого круга органических соединений, проявляющих антиок-сидантные свойства.

С учетом вышесказанного электрохимическое определение фенольных ан-тиоксидантов является актуальным. В частности, представляют интерес методы вольтамперометрии и кулонометрии.

1. Экспериментальная часть

Вольтамперометрические измерения проводили на вольтамперометри-ческом анализаторе «Экотест-ВА» следующим образом: в электрохимическую ячейку объемом 50.0 мл вводили 20.0 мл фонового электролита и аликвоту раствора исследуемого соединения. Опускали рабочий (стеклоуглеродный), вспомогательный (платиновый) и насыщенный хлоридсеребряный электроды; регистрировали вольтамперные кривые с линейной разверткой потенциала от 0 до 1.2 В, скорость изменения потенциала 50 мВ/с.

Кулонометрическое определение. Электрогенерацию галогенов осуществляли на потенциостате П-5827 М при постоянной силе тока 5.0 мА из водных 0.2 М растворов KCl и KBr в 0.1 М ^SO4.

Конечную точку кулонометрического титрования определяли амперомет-рически с двумя поляризованными игольчатыми платиновыми электродами (ДЕ = 300 мВ). Кривая кулонометрического титрования во всех случаях имеет вид _/

В кулонометрическую ячейку вносили 20.0 мл фонового раствора и аликвоту исследуемого раствора (0.2 + 2.0 мл). Для титрования брали аликвоты с таким расчетом, чтобы время титрования не превышало 5 мин.

Фиксировали изменение индикаторного тока во времени. По перегибу на индикаторных кривых находили конечную точку титрования и рассчитывали массу вещества по формуле:

m = I  t  M /(n  F),

где I - сила тока, А; t - время достижения конечной точки титрования, с; M -молярная масса вещества, г/моль; n - число электронов, участвующих в реакции; F - постоянная Фарадея (96500 Кл/моль).

Перед началом работы рабочую поверхность электродов очищали следующим образом. Платиновые электроды кипятили в HNO3 (1:1) в течение 3 мин., затем обрабатывали концентрированной HCl и промывали дистиллированной водой. Рабочую поверхность стеклоуглеродного электрода зачищали механически.

Объектами исследования служили следующие соединения (табл. 1).

2,6-Дитрет-бутил-4-метилфенол, торговая марка - тонарол, с содержанием основного вещества 99.9% предоставлен фирмой «Тонар» (г. Нижнекамск), ди-гидрокверцетин с содержанием основного вещества 99.5% и его производные профессором М.П. Коротеевым (г. Москва). Производные 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенола предоставлены доцентом кафедры органической химии Казанского государственного технологического университета Р.Г Исмагиловым.

Стандартные растворы фенольных соединений квалификации х.ч. готовили по точной навеске (0.1-0.2 г) и растворяли в 25 мл ацетонитрила, 1 М CH3COON или 1 М КОН.

Табл. 1

Объекты исследования

№ Соединение Структурная формула

1 2 3

I 3',4',3,5,7-пентаацетат дигидрокверцетина OAc X,OAc АЛоои 1 И OAc OAc O

II 3-диэтиламиноэтил-тионфосфат 3',4',5,7-тетраметилди-гидрокверцетина OCH3 V?v-<N(C2H5)2 OCH3O S OC2H5

III 3-диэтиламиноэтил-селенонфосфат 3',4',5,7-тетраметилдигидро -кверцетина OCH3 Jl OCH3 CH3O O IXI /N(C2H5)2 OCH3O g^H

IV 3-О,О-неопентилиден-селенонфосфат 3',4',5,7-тетраметилдигидро -кверцетина OCH3 jl OCH3 CH3O O rj ЦД yO \/CH3 1 IT O—P' V OCH3O SeO CH3

V 3-О,О-неопентилиден-фосфат 3',4',5,7-тетра-метилдигидрокверцетина OCH3 1 OCH3 CH3O O íí кХД /^XyCHs | ¥ o-P' X OCH3o O O ch3

VI 2,6-дитрет-бутил-4- ß, ß -диацетилэтилфенол t-Bu O h CH3 HO \ VCH^CHT \-/ C—CH3 / II 3 t-BU o

VII трис [ диацетил-3,5 -дитрет-бутил-4-оксибензилметил] железа (III) CH3 t-Bu c 3 ho —i Vch2-/ t-Bu CH3 ^Fe 3

VIII 2,6-дитрет-бутил-4-диметиламинометил-фенол t-Bu HO—f V- CH2—N у-* V t-Bu

IX 2,6-дитрет-бутил-4-(Ы^-бис-р-окси-этиламино) метилфенол t-Bu }—\ CH2CH2OH HO—\ / 'CH2—N \=/ CH2CH2OH t-Bu

Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Origin 6.1. Для выбора доверительного интервала среднего значения полагали р = 0.95.

2. Результаты и обсуждение

2.1. Вольтамперометрические исследования. Найдены условия вольтам-перометрического определения производных дигидрокверцетина и ионола на стеклоуглеродном электроде.

Так, соединение III окисляется на фоне 0.1 М HClO4 в ацетонитриле при потенциале полуволны 0.83 В (рис. 1), при этом соединение II, содержащее атом серы вместо атома селена, не окисляется в указанных условиях.

В то же время на вольтамперограммах соединений VI-IX не наблюдается волн окисления. Это, вероятно, связано с тем, что производные ионола окисляются в этих условиях при более положительных потенциалах.

На вольтамперограммах соединений II-V, VI, VIII и IX на фоне 1 М CH3COONa наблюдаются выраженные волны окисления. Потенциалы окисления представлены в табл. 2.

Соединения I и VII в этих условиях не окисляются. Соединение VII, представляющее собой комплексное соединение железа (III) с производным ионола, разрушается в щелочной среде.

Из литературных данных известно [10], что в щелочной среде производные ионола образуют фенолят-анион, и электрон уходит не с п-орбитали бензольного ядра, а с неподеленной электронной пары, локализованной на кислороде, что в конечном итоге сказывается на реакционной способности пространственно-затрудненных фенолов. Поэтому соединения VI, VIII и IX окисляются на фоне 1 М СН3СОО№, но не проявляют себя на фоне 0.1 М HClO4 в ацетонитриле.

Табл. 2

Потенциалы окисления производных дигидрокверцетина и ионола на стеклоуглерод-ном электроде на фоне 1 М CH3COONa

№ Структурная формула Потенциал окисления, В

II OCH3 1 OCH3 СНзО^^оСТ L^XI ^NCHk OCH3O ^OC2H5 +0.56; +0.73

III OCH3 XOCH3 l^XI ^N(C2H5)2 OCH3O |>2H5 +0.48; +0.76; +0.95

IV OCH3 1 OCH3 CH3O O Г1 VYQ^<ch> OCH3O CH3 + 1.08

V OCH3 ArOCH3 OCH3O O O CH3 +0.50

VI t-Bu O V^ c-ch y—CH2—ch' C CH3 t-Bu O +0.64; +1.1

VIII t-Bu /Л /CH3 HO—\ /'CH2—N CH3 t-Bu +0.36; +075

IX t-Bu y^x CH2CH2OH HO—\ /—CH2—N CH2CH2OH t-Bu +0.46; +0.73

20 мкА

3 '2

1

Е, В

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

Рис. 1. Вольтамперограммы окисления соединения VI различной концентрации С(М) на стеклоуглеродном электроде на фоне 0.1 М НС104 в ацетонитриле: 1 - 0; 2 - 6-10-4; 3 - 1.1-10-3, скорость изменения потенциала 50 мВ/с

2.2. Гальваностатическая кулонометрия. Исследуемые соединения были растворены в спиртовом растворе КОН, и методом кулонометрического титрования изучены их реакции с электрогенерированными окислителями: хлором и бромом.

Результаты кулонометрического титрования позволили установить число электронов, участвующих в реакциях производных дигидрокверцетина и ионо-ла с электрогенерированными галогенами (табл. 3).

В щелочной среде происходит окисление пространственно-затрудненных фенолов - соединений VI, VIII и IX - кислородом воздуха. Как уже упоминалось выше, в этом случае в реакции принимает участие фенолят-ион, и отрыв электрона от иона к окислителю осуществляется легче, чем от нейтральной молекулы. Характер продуктов реакции пространственно-затрудненных фенолов с кислородом в присутствии щелочей зависит от структуры фенола, растворителя, количества поглощенного кислорода и продолжительности реакции. Неоднозначность результатов, полученных при окислении кислородом в щелочной среде, объясняется неустойчивостью образующихся из них гидроперекисей, которые склонны к процессам изомеризации и легко разлагаются в условиях реакции или при нагревании. При окислении производных 2,6-ди-трет-бутилфенолов, содержащих электронодонорные заместители в пара-положении, кислородом в полярных средах в присутствии щелочей происходит ряд превращений, указанных на схеме 2 [11].

Из-за сложности процессов, протекающих в щелочной среде, не представляется возможным предложить схемы взаимодействий с элекрогенерирован-ными титрантами без дополнительных исследований с применением методов спектроскопии.

На основе полученных результатов проведено определение фенольных ан-тиоксидантов в модельных растворах (табл. 4).

Табл. 3

Число электронов, участвующих в реакциях производных дигидрокверцетина и ионола электрогенерированнымы галогенами

№ Структурная формула Число электронов по реакции с ВГ2 Число электронов по реакции с С12

II OCH3 JVOCH3 кДЛ ^N(C2H5)2 OCH3O ^OC2H5 2 5

III OCH3 XOCH3 Uyl^i)/(C2H5)2 OCH3O S>CH5 5 10

V och3 1 och3 ch3o o El UCX j0 \ych3 1 IT 0—p( V och3O o o ch3 2 6

VI t-Bu 0 /C_CH3 ho—P y—CH2—ch^ \-/ C—CH3 t-Bu 0 2 3

VIII t-Bu /\ zCH3 HO—\ / CH2—N y=J NCH3 t-Bu - 1

IX t-Bu A \ CH2CH2OH HO—f J— CH2—N^ \=/ nch2ch2oh t-Bu - 3

Табл. 4

Результаты кулонометрического определения фенольных соединений в модельных растворах с применением электрогенерированных галогенов

№ Структурная формула Титрант Введено, мкг Найдено, мкг Sr

1 2 3 4 5 6

II OCH3 JVOCH3 кда ,N(C2H5)2 OCH3O ^OC2H5 B tf 762 714±20 0,01

Cl2 381 346±13 0,03

III OCH3 jYOCH3 ch3oy^oj*j TT40-P/N(C2H5)2 OCH3O S>CH5 B 631 661±15 0,02

Cl2 315 320±10 0,02

V och3 1 och3 ch3o o jij \\x \ych3 ] n 0—p( v 0ch30 0 0^ ch3 B tf 519 491±33 0,04

Cl2 260 261±10 0,03

VI t-Bu 0 ho—y—ch2—ch^ \-/ C—CH3 t-Bu 0 Br2 557 519±17 0,03

Cl2 139 133±26 0,05

VIII t-Bu /X zCH3 HO—\ /CH^N /=/ CH3 t-Bu ВГ2 - - -

Cl2 550 463±61 0,05

IX t-Bu A \ CH2CH2OH HO—f J— CH2—N^ \=/ nch2ch2oh t-Bu ВГ2 - - -

Cl2 381 384±23 0,05

O"

OH

X = OCH3, NR2, OC2H5

Таким образом, проведенные исследования показали возможность количественного определения фенольных антиоксидантов - производных дигидрок-верцетина и ионола - с использованием методов электроанализа.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Федерального агентства по образованию (№ А04-2.11-116) и в рамках программы «Университеты России» (проект № 06.01.085).

Summary

G.K. Ziyatdinova, D.M. Gil'metdinova, E.N. Ofitzerov. Electrochemical determination of dihydroquercetin and ionol derivatives.

Voltammetric conditions of determination of dihydroquercetin and ionol derivatives on glassy carbon electrode in acidic and alkaline media in anodic area of potentials are found. Reactions of dihydroquercetin and ionol derivatives with the electrogenerated halogens using coulometric titration are investigated. The number of electrones participating in reactions in the alkaline media is established. The coulometric method for determination of phenolic antioxidants by reactions with electrochemically generated chlorine and bromine is developed.

Литература

1. Гершанов Ф.Б., Гильмутдинов Г.З., Скипина И.М., Хамитов Б.Р., Чесновский В.Н. Тонарол. Медико-биологические характеристики. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2001. - 180 с.

2. Регистр лекарственных средств России «Энциклопедия лекарств» / Под ред. Г. Л. Вышковского. - М.: РЛС, 2002. - Вып. 9. - 1504 с.

3. Запрометов М.Н. Фенольные соединения, их роль в жизни растения // 56-е Тимирязевское чтение. - М.: Наука, 1996. - 45 с.

4. Barton D.H.R., Nakanishi K. Comprehensive Natural Products Chemistry. - Amsterdam: Elsevier, 1999. - V. 1. - 714 p.

5. Лукнер М. Вторичный метаболизм у микроорганизмов, растений и животных. - М.: Мир, 1979. - 548 с.

6. Харборн Д. Введение в экологическую биохимию. - М.: Мир, 1985. - 311 с.

7. Промышленная технология лекарств / Под ред. В.И. Чуешова. - Харьков: МТК-Книга, Изд-во НФАУ, 2002. - 156 с.

8. Семенов А.А. Очерк химии природных соединений. - Новосибирск: Наука, 2000. -365 с.

9. Барабой В.И. Растительные фенолы и здоровье человека. - М.: Наука, 1984. - 160 с.

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

11. Ершов В.В., Никифоров Г.А., Володькин А.А. Пространственно-затрудненные фенолы. - М.: Химия, 1972. - 352 с.

Поступила в редакцию 27.06.05

Зиятдинова Гузель Камилевна - ассистент кафедры аналитической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.

E-mail: Ziyatdinovag@mail.ru

Офицеров Евгений Николаевич - доктор химических наук, профессор кафедры общей химии и экологии Казанского государственного технического университета.

E-mail: ofitser@mail.ru

Гильметдинова Дильбар Миннекасимовна - студентка Химического института им. А. М. Бутлерова Казанского государственного университета.