Aktywność antyoksydacyjna kaliks[4]rezorcynarenów i kaliks[4]pirogallolarenów

Kaliks[4]rezorcynareny i kaliks[4]pirogallolareny to cykliczne tetramery rezorcyny i pirogallolu szeroko badane i stosowane w chemii supramolekularnej, syntezie organicznej i chemii analitycznej. Pomimo unikalnej budowy i licznych udokumentowanych zastosowań tych cyklicznych polifenoli, kaliks[4]rezorcynareny i kaliks[4]pirogallolareny nie były dotąd stosowane jako antyoksydanty, co jest zaskakujące, ponieważ w chemii antyoksydantów ciągle podejmowane są próby opracowania struktury i syntezy trwałych, efektywnych, interwentywnych antyoksydantów fenolowych. W literaturze pojawiły się tylko dwie prace, w których zasugerowano, że istnieją pochodne rezorcynarenów, mogące reagować z rodnikami. Nie zweryfikowano dotąd, czy niefunkcjonalizowane kaliks[4]rezorcynareny oraz kaliks[4]pirogallolareny będą wykazywały zdolność do neutralizacji rodników. Kaliks[4]rezorcynareny i kaliks[4]piogallolareny posiadają w górnej obręczy konformacji koronowej wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe, w których grupy hydroksylowe pełnią rolę donora i akceptora wiązania wodorowego. W pracy doktorskiej postawiono tezę, że dzięki obecności tych wiązań kaliks[4]rezorcynareny i kaliks[4]piogallolareny powinny odznaczać się aktywnością antyoksydacyjną o wiele większą niż monomery rezorcyny i pirogallolu, dlatego celem pracy była weryfikacja tej hipotezy. Badając właściwości przeciwutleniające określono jakie czynniki wpływają na aktywność i mechanizm działania tych polifenoli (tetramerów oraz dimeru). Etap wstępny pracy eksperymentalnej obejmował syntezę oligomerów: dimeru rezorcyny bis(2,4-dihydroksy-5-heksylo-1-fenylo)fenylometanu (BIS2), tetramerów rezorcyny C-metylo- oraz C-undecylokaliks[4]rezorcynarenu (REZ1, REZ2) oraz tetramerów pirogallolu C-metylo-, C-etylo-, C-undecylo- i C-fenylokaliks[4]pirogallolarenu (odpowiednio PIR-Me, PIR-Et, PIR-Und, PIR-fenyl). W tej części projektu potwierdzono struktury zsyntezowanych fenoli, zbadano strukturę wybranych supramolekularnych kompleksów tetramerów z rozpuszczalnikami organicznymi, a także zbadano trwałość termiczną kompleksów i związków desolwatowanych. Wykonano również obliczenia teoretyczne dotyczące siły wiązania OH w modelowym dimerze, jakim był bis(2,4-dihydroksy-1-fenylo)fenylometan (BIS). Wykazano, że podczas odłączenia atomu wodoru od BIS mogą powstać dwa izomeryczne rodniki, z których termodynamicznie bardziej trwały (niższa wartość entalpii dysocjacji wiązania odrywania atomu wodoru BDEOH) będzie rodnik zawierający wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe. Kolejnym etapem było badanie kinetyki reakcji fenoli z modelowym rodnikiem 2,2-difenylo-1-pikrylohydrazylowym (dpph•). Ustalono, że wzrost liczby podjednostek rezorcynowych w oligomerach rezorcyny prowadzi do wzrostu stałych szybkości reakcji fenoli z rodnikiem. Wykazano również, że cykliczny tetramer pirogallolu odznacza się dziesięciokrotnie większą reaktywnością w porównaniu z pirogallolem. Ponadto zaproponowano, że w środowisku niepolarnym reakcja fenoli z dpph• przebiega według mechanizmu HAT (Hydrogen Atom Transfer), podczas gdy w środowisku polarnym według połączonego mechanizmu HAT/SPLET, a udział SPLET (Sequential Proton-Loss Electron-Transfer), jest istotny kinetycznie. Prowadząc pomiary elektroutleniania fenoli w buforowanych roztworach elektrolitu (pH 4,0-10,0) przy pomocy woltamperometrii cyklicznej wyznaczono wartości potencjałów elektroutleniania Eox fenoli i podjęto próbę korelacji wartości Eox z aktywnością antyoksydacyjną fenoli: aktywność antyoksydacyjna oligomerów rezorcyny jest odwrotnie proporcjonalna do wartości Eox i rośnie wraz ze wzrostem liczby jednostek rezorcynowych w oligomerze. Podobnie, tetramer pirogallolu powinien charakteryzować się wyższą aktywnością niż monomeryczny pirogallol. Wiedza zgromadzona podczas analizy strukturalnej otrzymanych związków, ich trwałości termicznej, a także analizy wyników testu z rodnikiem dpph•, obliczeń teoretycznych oraz pomiarów woltamperometrycznych pozwoliła wysunąć tezę, że cykliczne tetramery rezorcyny i pirogallolu będą odznaczać się dobrymi właściwościami antyoksydacyjnymi. W głównym etapie pracy weryfikowano tę tezę, rejestrując procesy autooksydacji w układach zawierających modelowe antyoksydanty: 2,2,5,7,8-pentametylo-6-hydroksychroman (PMHC) lub 2,6-di-tert-butylo-4-metylofenol (BHT); rezorcynę i jej pochodne: 4-heksylorezorcynę, BIS2, REZ1 oraz pirogallol i jego pochodne: PIR-Me, PIR-Et, PIR-Und, PIR-fenyl. Aktywność antyoksydacyjną testowano w trzech układach modelowych: (i) w emulsji linolan metylu / Triton X-100, (ii) w układzie homogenicznym zawierającym kwas cis,cis,cis-oktadeka-9,12,15-trienowy (kwas linolenowy, LNA), (iii) w układzie polimerowym zawierającym polietylen wysokiej gęstości (HDPE). Badając autooksydację emulsji linolan metylu / Triton X 100 (pH 4,0-10,0) wyznaczano stałą szybkości reakcji kinh lipidowych rodników peroksylowych (LOO•) z serią fenoli i na podstawie tego parametru kinetycznego uszeregowano ich aktywność. Przykładowo, w pH 10,0 zdolność do inhibicji maleje w szeregu: PMHC >> REZ1 ~ 4-heksylorezorcyna > BIS2 Wykazano, że w pH 10,0 udział mechanizmu SPLET w reakcji LOO• z REZ1 jest istotny kinetycznie. Wartości kinh posłużyły także do porównania aktywności antyoksydacyjnej PMHC, pirogallolu i pirogallolarenów. W pH 4,0-7,0 maleje ona w kolejności: PMHC > PIR-fenyl ~ PIR-Me > pirogallol W następnym etapie badań rejestrowano efekty cieplne nieizotermicznego utleniania kwasu cis,cis,cis-oktadeka-9,12,15-trienowego (LNA) i LNA zawierającego badane fenole w stężeniu 3mM. Stosując izokonwersyjną metodę Ozawy-Flynna-Walla wyznaczono parametry kinetyczne procesu autooksydacji: Ea - energię aktywacji, Z - czynnik przedwykładniczy w równaniu Arrheniusa i kt - globalne stałe szybkości termoutleniania w wybranych temperaturach. Wartości kt wskazują na wzrost stabilności termooksydatywnej próbek LNA w następującej kolejności: LNA < LNA + BHT < LNA + HREZ < LNA + BIS2 Najwyższą aktywnością antyoksydacyjną odznacza się zatem LNA zawierający BIS2, a najniższą LNA z dodatkiem BHT. Badając efekty cieplne wysokotemperaturowego termoutleniania polietylenu wysokiej gęstości (HDPE), uzyskano wartości parametrów kinetycznych (Ea, Z, kt) dla próbek HDPE zawierających fenole w stężeniu około 0,2% wagowego. Dla tych próbek ustalono, że stabilność termooksydatywna rośnie w szeregu: HDPE ~ HDPE + rezorcyna < HDPE + REZ1 << HDPE + BIS2 Zaproponowano, że BIS2, dzięki efektywnemu rozproszeniu w polietylenie, odznacza się największą aktywnością antyoksydacyjną. Analizując wartości parametrów kinetycznych termoutleniania próbek polietylenowych zawierających PIR-Me, PIR-Et, PIR-Und udowodniono, że pirogallolareny także odznaczają się aktywnością antyoksydacyjną w polietylenie. Największą stabilnością termooksydacyjną odznaczała się próbka polietylenu zawierająca PIR-Me w stężeniu 0,5% wagowego. Podsumowując, w pracy zsyntezowano i potwierdzono aktywność antyoksydacyjną BIS2, REZ1, pirogallolarenów (PIR-Me, PIR-Et, PIR-Und, PIR-fenyl) w układzie homogenicznym, heterogenicznym i polimerowym. Zaproponowano nowe interwentywne przeciwutleniacze syntetyczne z grupy oligomerów rezorcyny (BIS2, REZ1) oraz tetramerów pirogallolu (PIR-Me, PIR-Et, PIR-Und, PIR-fenyl). Na aktywność antyoksydacyjną badanych związków wpływa silnie struktura polifenolu, w szczególności liczba podjednostek fenolowych (grup hydroksylowych) w polifenolu. Ponadto opisano wpływ pH na aktywność antyoksydacyjną fenoli. Stwierdzono, że w procesach autooksydacji modelowych układów heterogenicznych REZ1 wykazuje aktywność antyoksydacyjną w pH 9,0 i 10,0, a pirogallolareny w pH 4,0 – 8,0, przy czym pirogallolareny odznaczają się największą aktywnością antyoksydacyjną w pH 5,0-6,0. W pH 9,0 zarówno pirogallol jak i pirogallolareny wykazują właściwości prooksydacyjne. Podjęto także próbę określenia mechanizmu antyoksydacyjnego działania badanych związków: w środowisku niepolarnym reakcja fenoli z rodnikami przebiega według mechanizmu HAT, natomiast w środowisku polarnym według połączonego mechanizmu HAT/SPLET, przy czym mechanizm SPLET staje się istotny kinetycznie wraz ze wzrostem polarności rozpuszczalnika oraz wzrostem pH układu.