Исследование антиоксидантной активности производных гидрохинона на модели термического автоокисления свиного жира

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Природные многоатомные фенолы представляют собой обширную группу соединений, разнообразных по физическим и химическим свойствам и обладающих весьма разносторонним действием на организм человека. Интерес современной науки к этой группе соединений обусловлен, прежде всего, их высокой биологической активностью. По мнению многих исследователей, возможный механизм, посредством которого реализуются некоторые биологические эффекты воздействия фенольных соединений, связан с проявлением их антиоксидантной активности.

Несколько лет назад в НИИ Химии Антиоксидантов был получен ряд полифункциональных антиоксидантов, являющихся производными двухатомного фенола гидрохинона и некоторых его производных. Проведенные исследования показали, что соединения, синтезированные на основе собственно гидрохинона характеризуются очень высокими показателями антиоксидантной активности в отношении липидных субстратов. В то же время, два сульфида на основе 2,6-диметилгидрохинона по способности ингибировать окисление лярда уступали не только своим неметилированным аналогам, но и многим монофункциональным антиоксидантам (дипломная работа Брылевой Е.А).

В связи с вышесказанным, для дальнейшего целенаправленного синтеза высокоэффективных антиоксидантов, являющихся производными двухатомных фенолов, необходимо проведение более глубокого исследования по выявлению взаимосвязи между числом, типом и положением алкильных заместителей в ароматическом кольце и брутто-ингибирующей активностью соединения.

Вероятно, что аномально низкая активность бензильных сульфидов на основе 2,6-диметилгидрохинона могла быть легко объяснена и даже заранее предсказана, при сопоставлении данных об антиоксидантной активности гидрохинона и его алкил-производных. Однако, при анализе литературных источников, такие сведения нами не были обнаружены.

В связи с этим, целью настоящей дипломной работы является исследование антиоксидантной активности серосодержащих фенольных антиоксидантов на основе гидрохинона и его алкил-замещенных аналогов, а также фенольных прототипов этих соединений на модельной реакции термического автоокисления свиного жира.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

ь исследовать антиокислительные свойства разнообразных алкилированных производных гидрохинона, а также бензильных сульфидов на их основе на модели термического автоокисления свиного жира;

ь установить взаимосвязь между числом, типом и положением алкильных заместителей в ароматическом кольце и периодом индукции соединений;

ь провести сравнительный анализ закономерностей, справедливых в отношении монофункциональных соединений и тиоалкилфенолов.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Механизм неингибированного окисления

Торможение реакций окисления небольшими добавками некоторых веществ - ингибиторов или антиокислителей хорошо известно и широко применяется на практике. Вещества, способные задерживать «порчу» органических материалов, в том числе и жирсодержащих продуктов, применялись ещё в глубокой древности. Туземцы Южной Америки для сохранения пищевых качеств медвежьего жира добавляли в него экстракт коры красного ильма. Фармацевты применяли экстракты почек некоторых деревьев для стабилизации различных мазей на жировой основе. Позднее было установлено, что в коре и почках деревьев содержатся эфиры галловой кислоты - эффективные природные антиокислители [1].

Широкое исследование отрицательного катализа окислительных реакций началось в 20^х годах XX века работами Муро и Дюфресса. В годы первой мировой войны эти исследователи успешно решили задачу стабилизации акролеина, а затем показали в своих многочисленных работах широкую распространенность торможения реакций окисления. Они показали, что ингибиторы сами окисляются в ходе окислительных реакций, но механизм их действия не был установлен.

В основе современных представлений о стабилизации органических материалов и механизме действия стабилизаторов лежит теория цепных разветвлённых и вырожденно-разветвлённых реакций Семёнова Н.Н., нашедшая дальнейшее развитие в трудах Эмануэля Н.М. и Денисова Е.Т. [2,3].

Окисление алифатических и алкилароматических углеводородов молекулярным кислородом в жидкой фазе представляет собой радикальный цепной процесс с квадратичным обрывом цепи [1-9]. Это же относится и ко многим другим органическим соединениям, в том числе и к большинству карбоцепных полимеров. Первичным молекулярным продуктом окисления при не слишком высоких температурах являются перекисные соединения, в основном гидроперекиси, но в некоторых случаях полиперекиси или H₂O₂. Детали механизма меняются в зависимости от структуры окисляемого субстрата, а также от условий окисления. Продукты более глубокого окисления - карбонильные, карбоксильные и другие соединения образуются в основном в результате дальнейших превращений перекисных соединений.

Характерная особенность радикально-цепных окислительных процессов - возможность их резкого замедления путём введения небольших количеств ингибиторов (стабилизаторов). Добавление стабилизаторов - наиболее эффективное средство защиты органических материалов от старения. Стабилизаторы с высокой скоростью реагируют с пероксидными радикалами, обрывая цепной процесс окисления.

Основным компонентом жиров являются глицериды - сложные эфиры спирта глицерина и жирных кислот. Кислоты могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Из насыщенных жирных кислот наиболее распространена пальмитиновая кислота, содержащаяся практически во всех глицеридах. В глицеридах растительного происхождения преобладают лауриновая и миристиновая кислоты, а в глицеридах животного происхождения - стеариновая кислота. Таким образом, благодаря наличию в молекулах жиров насыщенных и ненасыщенных углеводородных фрагментов, механизм окисления жирсодержащих продуктов аналогичен механизму предложенному для окислительной деструкции полимеров, каучуков, горюче-смазочных материалов, технических масел и топлив.

Механизм окисления углеводородов можно представить схемой [2,3,5-7,9-11]:



Первичные свободные радикалы при окислении чистого углеводорода образуются в результате бимолекулярного взаимодействия окисляемого вещества с кислородом (0) или в результате тримолекулярной реакции:

RH + O₂ + HR > 2R* + H₂O₂

Чрезвычайно низкая скорость реакции зарождения цепи затрудняет измерение ее скорости и изучение детального механизма.

В ряде случаев скорость зарождения цепи искусственно увеличивают, добавляя в окисляющийся углеводород инициаторы, распадающиеся в условиях реакции с высокими выходами активных свободных радикалов. Обычно это пероксиды или азосоединения [7]:

Процессы первичной генерации радикалов весьма разнообразны. В естественных условиях радикалы образуются при взаимодействии O₂ с молекулами основного вещества или более легко окисляемых примесей, при гомолитическом распаде примесных молекул, в результате реакций с участием соединений металлов переменной валентности, присутствующих в следовых концентрациях. Радикалы могут зарождаться также при действии естественного света, ионизирующей радиации, в реакциях с участием озона и синглетного кислорода [6].

Образующийся на стадии зарождения цепи радикал R* вызывает далее цепную реакцию окисления, которая протекает как последовательность многократно повторяющихся актов (1-2) [7,8]

В результате разложения молекул ROOH образуются свободные радикалы, способные инициировать новые цепи окисления (3). После накопления ROOH в достаточно высокой концентрации в окисляющейся системе, реакция разложения гидроперекисей становится главным источником инициирования.

Ионы переходных металлов, в частности железа, кобальта, меди, марганца являются эффективными катализаторами разложения гидропероксидов [9]. При протекании реакций:

ROOH + Me⁺ > RO* + OH- + Me²⁺

ROOH + Me²⁺ > RO₂* + H⁺ + Me⁺

состав образующихся продуктов такой же, как и в отсутствии ионов металлов. Влияние ионов металлов сводится к уменьшению энергии активации распада гидроперекисей. В отсутствие примесей цепи обрываются, т. е. свободные радикалы, участвующие в цепной реакции, гибнут, взаимодействуя между собой (4-6)

Кроме рекомбинации гибель свободных радикалов происходит в реакциях диспропорционирования:

R-CH₂-CH₂* + R-CH₂-CH₂* > R-CH=CH₂ + R-CH₂-CH₃

В присутствие примесей, реагирующих со свободными радикалами, появляются дополнительные пути обрыва цепи. Так ионы металлов переменной валентности реагируют с радикалами по схеме:

R* + Me⁺ > R- + Me²⁺

Особое значение имеют реакции обрыва цепи ингибиторами - веществами, реагирующими со свободными радикалами с образованием малоактивных радикалов. Наиболее эффективные ингибиторы с высокой скоростью реагируют с пероксидными радикалами, обрывая цепной процесс окисления.

Реакции, протекающие в присутствии ингибитора InH (ингибированное окисление), можно представить схемой [2-3;5-7;9;10-11]:

Взаимодействуя с ROO* по реакции (7), стабилизатор снижает концентрацию пероксидных радикалов и замедляет окисление. Образующийся при этом радикал In* может вступать в реакцию с другими свободными радикалами, давая молекулярные продукты. Вместе с тем, этот радикал должен быть малоактивным и не должен вступать в реакцию (10), чтобы не могли возникнуть новые цепи окисления. Для эффективного стабилизатора отношение констант скоростей k₁₀/k₂ реакций (10) и (2) должно быть очень малым, а отношение k₇/k₂ большим. Эти реакции уменьшают скорость вырожденного разветвления цепей окисления и тем самым тормозят процесс окисления [1].

1.2 Основные представления о механизме действия фенольных антиоксидантов

Антиоксидантами (АО) или антиокислителями принято называть соединения различной химической природы, способные тормозить или устранять свободно-радикальное окисление органических веществ молекулярным кислородом. Интерес современной науки к антиоксидантам обусловлен, прежде всего, их практическим значением. В течение многих лет антиоксиданты широко используются для продления срока службы и улучшения эксплуатационных качеств полимерных и горюче-смазочных материалов [1,4,12,13], предотвращения окислительной порчи пищевых продуктов, жирорастворимых витаминов, кормов и косметических средств [3,8]. Применение АО в этих областях дает огромный экономический эффект и позволяет сберегать значительные сырьевые ресурсы.

Среди синтетических антиоксидантов в настоящее время наиболее широкое распространение получили алкилированные фенолы, что обусловлено как сравнительной простотой их производства, так и комплексом ценных свойств: высокой эффективностью, малой токсичностью (что позволяет применять их для стабилизации пищевых продуктов и материалов бытового назначения), универсальностью действия и возможностью изменять их свойства в широких пределах варьированием заместителей [14-17]. Под фенольными антиоксидантами (ФАО) понимают любые соединения вида Ar(OH)_n, в которых одна или несколько гидроксильных групп соединены с ароматическим ядром, причем молекула АО может содержать несколько фрагментов Ar(OH)_n.

В основе противоокислительного действия ФАО лежит их взаимодействие с перекисными радикалами:

PhOH + RO₂* ® PhO* + RООН (7)

Феноксильный радикал, образующийся в реакции (7), сравнительно инертен, он не продолжает цепь окисления, но может взаимодействовать с другими радикалами. Взаимодействие с RO₂ сопровождается образованием несимметричных хинолидных перекисей (QP):

PhO+ RO₂ QP (8)

В соответствии с распределением спиновой плотности образуется смесь орто- и пара-изомеров хинолидных перекисей:

Аналогично к PhO присоединяются и другие активные радикалы [17].

С реакцией (8) конкурируют процессы бимолекулярной гибели феноксильных радикалов:

PhO+PhO продукты (9)

Их направление зависит от структуры феноксила. Так, 2,4,6-тризамещенные феноксилы, имеющие н- или втор-алкильные заместители, вступают в реакции диспропорционирования с образованием метиленхинона и регенерацией молекулы исходного фенола:

9а

Для феноксильных радикалов, у которых хотя бы одно из “активных” 2,4,6 - положений не замещено, характерна рекомбинация с образованием димерных фенольных соединений:

9б

ФАО и продукты их окисления могут вступать также в реакции (10)-(14). Данные реакции крайне нежелательны с точки зрения способности ФАО тормозить окислительные процессы:

PhO + RH PhOH +R (10)

QP2RO₂ + продукты (11)

PhOпродукты +RRO₂ (12)

PhOH + ROOHRO+ PhO + H₂O (13)

PhOH + O₂PhO + HO₂ (14)

В ряде случаев реакции (10)-(14) могут существенно влиять на противоокислительную активность ФАО, однако для эффективных АО интенсивность протекания этих реакций невелика, они не вносят существенного вклада в общую кинетику и их принято считать побочными. [2,5,10,18,19].

В целом, принципиальный механизм ингибированного окисления весьма сложен и варьирует с изменением структуры АО, а также условий окисления - концентрации АО, природы окисляемого субстрата, давления кислорода, температуры и пр. [6,21,22].

1.3 Серосодержащие фенольные антиоксиданты

Среди разнообразных серосодержащих соединений, применяемых в качестве АО, хорошо зарекомендовали себя, прежде всего органические производные двухвалентной серы. Атом серы в таких соединениях играет роль восстановителя гидропероксида, а фенольный гидроксил - гасителя пероксидных радикалов.

-Гидроксиарилалкантиолы

-Гидроксиарилалкантиолы привлекают особое внимание исследователей не только как исходные продукты для синтеза разнообразных серосодержащих производных фенолов, но и как эффективные ингибиторы окислительных процессов.

Среди -гидроксиарилалкантиолов наиболее известен и изучен 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилметантиол (I):

Тиол (I) может быть использован как стабилизатор натуральных и синтетических резин, полиэтилена и полипропилена, а также углеводородных масел, петролеумных и натуральных восков [23,24]. Исследование тиола (I) в качестве присадки к реактивным топливам показало, что в его присутствие не только повышается термоокислительная стабильность топлив, но и значительно уменьшается осадко- и смолообразование, а также коррозия меди [25].

Особенностью тиола (I) является то, что он способен химически связываться с непредельными субстратами окисления. Химическое связывание тиола (I) с полимером предотвращает его потери при термообработке полимера и его контакте с растворителями [26], это равносильно увеличению эффективности антиоксиданта и продлевает сроки эксплуатации стабилизированных им полимеров. Присоединение тиола (I) к полимерной цепи осуществляют различными методами, в том числе механохимической обработкой [27], под действием пероксидного инициатора [28], краткосрочным высокотемпературным нагреванием [26]. Процесс протекает с участием тиильного радикала [27] по схеме:

где R = 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил

Ингибиторы со сложноэфирными группами

Антиоксиданты на основе пространственно-затрудненных фенолов, содержащие в своей структуре сложноэфирную группу, находят широкое применение для стабилизации полимерных материалов, что обусловлено их высокой эффективностью и простотой получения.

В промышленности выпускается серия антиоксидантов под общим названием Ирганокс, среди которых можно выделить серосодержащие соединения - Ирганокс 1035 (II) и Ирганокс 416 (III):

II



III

Ирганокс 1035 (другое название Фенозан 30) рекомендуется и для стабилизации полиолефинов; полиэтилена низкого и высокого давления; бутен-1-этиленовых, этилен-гексеновых сополимеров; ударопрочного полистирола; АБС-сополимеров; композиций на основе поливинилфторида, поливинилхлорида, хлорированного полиэтилена; бутадиенового, стирол-бутадиенового, изобутиленбутадиенового, полиэфирного каучуков; полиэфирных композиций; волокон; пленок; поли-пара-ксилилена (парилена); полиакриламида; поликарбоната; полиамидных волокон; реактивных топлив; полиуретанов; эпоксидных смол [29]. Данное соединение является малотоксичным, поэтому может быть рекомендовано в качестве добавки к полимерам, контактирующим с пищевыми продуктами [30]. Ирганокс 416 используется в качестве стабилизатора пластмасс [31].

В соединениях (II, III) эфирный фрагмент и атом серы разделены атомами углерода. Однако большой интерес представляют также стабилизаторы, содержащие тиоэфирную группу в качестве активного фрагмента.

Тиоэфиры общей формулы (IV):

используются как стабилизаторы для жидких горючих веществ (керосин, газолин), углеводородных масел, петролеумных и натуральных восков, полиолефинов, эластомеров, включая натуральную резину и синтетический каучук, полибутадиен (или изопрен) [23].

Соединения типа (V):

используются для стабилизации полимеров, либо будучи физически внедренными в полимер, либо будучи сополимеризованными в композиции с другим мономером. Типы сомономеров: бутадиен-1,3; 2-хлор-бутадиен-1,3; изопрен; 2-этилбутадиен-1,3; 2,3-диметилбута-диен-1,3; а также моноолефины, включающие винильные или винилдиеновые системы типа стирола, -метилстирола, дивинилбензола, винилхлорида, акрилонитрила, 2-винилпиридина и др. [31].

-(3,5-Ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)алкилтиоэфиры карбоновых кислот (VI-IX), полученные на кафедре химии НГПУ, запатентованы как стабилизаторы полимерных материалов: полиэтилена и композиций на основе полиэтилена, полимерных композиций на основе сополимера стирола с полибутадиеном или сополимера стирола с акрилонитрилом и полибутадиеном [32, 33].

VI



VII

VIII

IX

R-(CH₂)₃-S-CO-(CH₂)₂-R

X

R-(CH₂)₄-S-CO-(CH₂)₂-R

XI

где R = 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил

Данные соединения превосходят по ингибирующей активности Ирганокс 1035.

Гидроксиарилалкилсульфиды

Среди гидроксиарилалкилсульфидов широко используются в качестве термостабилизаторов для резин на основе натурального и синтетического каучуков, полиолефинов и полиэфиров 4,4'-тиобисфенолы - Сантонокс (XII) и Antioxidant 736 (XIII) [24,34,35].



Как эффективные стабилизаторы полимеров, каучуков и смазочных масел зарекомендовали себя также 2,2'-тиобисфенолы (XIV, XV) [34]:

Большую известность получил бис-(2,6-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)сульфид (XVI) или ТБ-3:

ТБ-3 широко используется как эффективный стабилизатор полиолефинов, АБС-сополимеров, бутадиенового, изопренового каучуков, сополимеров пропилена с бутадиеном, бутадиен-стирольных термопластичных эластомеров, резин, олигодиенуретандиэпоксидов, композиций на основе полифениленоксида и антиокислительная присадка к смазочным маслам [23,34,35,36].

Однако ТБ-3 как термостабилизатор характеризуется двумя существенными недостатками. Во-первых, - невысокой термостабильностью, что позволяет использовать его только в тех случаях, когда переработка полимерной композиции осуществляется при температуре не выше 200С. Во-вторых, - ТБ-3 изменяет естественную окраску полимерной композиции, что ограничивает его использование в производстве полиэтилена, полипропилена и подобных им материалов.

Для стабилизации полимеров применяют соединения общей формулы (XVII), проявляющие прекрасные антиоксидантные свойства и не влияющие на цвет полимера (наиболее предпочтительная концентрация от 0.1 до 1 % по весу.

XVII

где R¹=R²=Alk (C₁-C₅);

R³= H или CH₃; Х=Alk (C₃-C₁₈);

Y= Alk (C₁-C₈);

n = 0, 1 или 2; q = 1-4

Данные соединения используются в качестве стабилизаторов для следующих органических субстратов: полимеров, полученных из углеводородов (полиэтилена, полибутадиена, сополимеров); винильных полимеров с галогеном типа поливинилхлорида; полимеров из -ненасыщенных кислот и их производных типа полиакрилатов, полиакрилонитрила; полимеров из ненасыщенных спиртов и аминов типа поливинилового спирта, поливинилацетата; гомополимеров и сополимеров, полученных из эпоксидов; полиацеталей; полифениленоксидов; полиуретанов и полимочевины; поликарбонатов, полисульфонов; полиамидов из диаминов и дикарбоновых кислот; полиэфиров; кросс-полимеров из альдегидов с одной стороны, и фенолов, мочевин и меламинов; амидных смол; ненасыщенных полиэфирных смол; натуральных полимеров типа целлюлозы, резины, белков и их производных; высокомолекулярных мономерных веществ типа минеральных масел, животных и растительных жиров, восков и т.д. [38].

Как стабилизаторы органических материалов заявляются вещества общей формулы (XVIII):

Данные соединения используются как антиоксиданты для натуральной и синтетической резин, полиэтилена, полипропилена, а также покрытий типа масел и смазок [23,39].

Дисульфиды (XIX-XX) предлагаются в качестве присадок к дизельным топливам и смазочным маслам [37,39]:

XIX

XX

Эффективное антиокислительное и противокоррозионное действие оказывают также соединения (XXI-XXII) [39]:

XXI

XXII

Большой интерес в качестве полифункциональных АО представляют соединения типа (XXIII-XXV), синтезированные ранее на кафедре химии НГПУ:

XXIII

XXIV

XXV

Дисульфид (XXIII) и сульфиды (XXIV) запатентованы как высокоэффективные термостабилизаторы полимерных композиций на основе полиэтилена, полипропилена и сополимеров стирола [40,41]. Кроме этого, все указанные соединения представляют интерес в качестве ингибиторов, предотвращающих развитие окислительных процессов в жирах[42,43,44].

1.4 Синергизм в смесях антиоксидантов

Одним из направлений в создании эффективной защиты органических соединений от окислительной деструкции является применение синергетических смесей антиоксидантов (АО).

Впервые явление синергизма в смесях АО описали Олкотт и Маттилл, которые обнаружили, что эффективность природного АО токоферола возрастала в присутствии органических и некоторых неорганических кислот, которые в индивидуальном состоянии не являются АО. Для смеси токоферола и аскорбиновой кислоты авторы предложили и обосновали механизм, согласно которому аскорбиновая кислота восстанавливает окисленную форму токоферола.

Синергизм - это физико-химическое явление, при котором смесь двух и более АО при заданной суммарной концентрации тормозит окисление дольше или снижает его скорость сильнее, чем каждый из компонентов смеси, взятый в отдельности в концентрации, равной сумме концентраций смеси [7].

Кроме синергизма в смесях АО может наблюдаться также антагонизм, при котором смесь АО тормозит окисление в течение более короткого времени или снижает скорость окисления слабее, чем наиболее эффективный компонент смеси.

Количественно эффект синергизма характеризуется величиной:

_син = _1,2 - (₁ + ₂)

где _1,2 - период индукции в присутствии двух ингибиторов, ₁ и ₂ периоды индукции в присутствии индивидуальных ингибиторов.

В настоящее время известно большое количество синергистов процессов ингибированного окисления, принадлежащих к различным классам. Разнообразие химической природы синергистов не позволяет установить какой-то единый механизм их действия.

Торможение процесса окисления может быть достигнуто тремя способами - путем ликвидации радикалов, ведущих цепь окисления; путем ликвидации разветвляющего цепь агента, например, гидроперекисей; путем снижения скорости инициирования. В соответствии с этим Эмануэлем Н.К. и Карпухиным Г.В. предложено деление синергетических смесей на 5 групп [45]:

1. Оба ингибитора смеси взаимодействуют с пероксидными радикалами (ароматические амины или фенолы);

2. Один ингибитор реагирует с пероксидными радикалами, а другой - с алкильными радикалами (хиноны, нитроксильные радикалы);

3. Один ингибитор реагирует с радикалами, а другой разрушает гидропероксиды (серо- и фосфорсодержащие соединения);

4. Один компонент смеси взаимодействует с радикалами или гидропероксидами, а другой снижает скорость инициирования (дезактиваторы металлов, УФ-адсорбен-ты);

5. Смесь ингибитора, реагирующего с радикалами или разрушающего гидропероксиды, с веществом, которое само по себе не тормозит процесс окисления (органические и неорганические кислоты).

Наиболее сильный эффект обычно проявляют смеси двух ингибиторов, один из которых обрывает цепи окисления, а другой разрушает гидропероксиды [3,46]. Значительное усиление ингибирующего действия объясняется тем, что каждый из введенных ингибиторов не только тормозит окисление основного вещества, но и вместе с тем оба стабилизатора предохраняют друг друга от быстрого расходования. Так, ингибитор, обрывающий цепи, тормозит образование гидропероксидов и тем самым предохраняет от быстрого расходования разрушитель гидропероксидов. Последний, в свою очередь, разрушая пероксиды, уменьшает зарождение цепей и этим сохраняет первый ингибитор.

В качестве ингибиторов, обрывающих цепи окисления, используют фенолы или ароматические амины, а в качестве разрушителей гидропероксидов - алифатические сульфиды и фосфиты, которые взаимодействуют с гидропероксидами по реакциям [2,46]:

Разрушители гидропероксидов в процессе окисления могут вступать в побочную реакцию с пероксидными радикалами без обрыва цепи окисления [46]:

что снижает эффективность их действия.

Тормозящее действие ингибиторов, разрушающих гидропероксиды, тем сильнее, чем выше скорость взаимодействия этих веществ с гидропероксидами [3].

Распространенные синергетические смеси АО обычно содержат не менее двух компонентов, что приводит к определенным трудностям их применения [46]. Чтобы получить гомогенную смесь всех компонентов необходимо растворить их в подходящем растворителе, что бывает часто затруднительно и часто даже невозможно из-за разной растворимости соединений в одном и том же растворителе.

На практике различные ингибиторы добавляют на разных стадиях производства полимеров, что усложняет введение их в массу. Не исключено также химическое взаимодействие отдельных компонентов между собой, в результате чего могут образоваться неактивные продукты. В этих случаях подбирают вещества, не реагирующие друг с другом, что ограничивает выбор ингибиторов, пригодных для приготовления синергетических смесей.

Еще один недостаток синергетических смесей связан с непостоянством их действия во времени. Каждый компонент смеси имеет только для него характерные физико-химические свойства, поэтому изменение концентрации какого-либо одного компонента будет оказывать влияние на эффективность действия всей смеси.

Для получения наибольшего синергетического эффекта необходимо применять смеси с оптимальными количествами ингредиентов, что требует сложных и трудоемких предварительных исследований.

Данная проблема решается путем использования полифункциональных антиоксидантов - соединений, содержащих в структуре молекулы несколько реакционных групп, способных ингибировать отдельные элементарные акты цепной реакции окисления [46].

Среди полифункциональных АО большой интерес представляют серосодержащие производные пространственно-затрудненных фенолов, отличительной чертой которых является их высокая антиоксидантная активность. Показано, что серосодержащие фенолы превосходят по эффективности свои кислород- и азотсодержащие аналоги [47], а также композиции на основе ионола и алкилсульфида [48,49]. К несомненным достоинствам этих соединений следует отнести также их малую токсичность, доступность исходного сырья, а также возможность получения на их основе неокрашенных композиций [1,4,35].

окисление тиоалкилфенол гидрохинон

Глава 2. Материалы, объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

Объектами настоящего исследования были выбраны бензильные сульфиды на основе алкилированных производных гидрохинона (1-16); группа монофункциональных соединений (17-27), близких по структурам к соответствующим сульфидам. В качестве реперных антиоксидантов использовались б-токоферол (ТФ) и 2-трет-бутил-4-метоксифенол (БОА) бензильные сульфиды на основе гидрохинона

(1) (2) (3) (4)

(5) (6) (7) (8)

(9) (10) (11) (12)

(13) (14) (15) (16)

гдеR=SC₁₂H₂₅ производные гидрохинона



(17) (18) (19) (20) (21)

(22) (23) (24)

(25) (26) (27)

2.2 Методика окисления свиного жира

В качестве субстрата окисления использовали свиной подкожный жир, закупленный на Центральном рынке г. Новосибирска и переработанный на кафедре химии НГПУ. Вытопку жира проводили на водяной бане при контакте с воздухом и температуре не выше 100⁰С. Вытопленный жир отфильтровывали для освобождения от остатков тканей, тщательно перемешивали во избежание неоднородности субстрата и замораживали в морозильной камере при -18⁰С. В этих же условиях осуществляли дальнейшее хранение сырья.

Окисление свиного жира с использованием окислительной ячейки

В пробе жира массой 50 г растворяли навеску антиоксиданта, массу которой рассчитывали по формуле:

m =

C_PhOH - молярная концентрация; М - молярная масса антиоксиданта

Рис. 1 термостатируемая окислительная ячейка: 1 - трубка для подачи кислорода; 2 - стеклянный фильтр №2; 3 - термометр; 4 - обратный холодильник; 5 - проба жира; 6 - термостатирующая жидкость

и взвешивали на аналитических весах. Смесь нагревали на водяной бане, хорошо перемешивали и переносили в окислительную ячейку. Отсчет времени начинали через 5 минут после загрузки пробы жира в окислительную ячейку. Этого времени достаточно, чтобы жир нагрелся до 133⁰С.

В качестве окислителя использовали кислород, что имеет определенные преимущества перед окислением в токе воздуха. В этом случае намного легче создать условия, когда процесс окисления протекает в кинетической области.

Кислород подавали по трубке через впаянный в нижнюю часть окислительной ячейки стеклянный фильтр. При прохождении через такой фильтр струя подаваемого кислорода разбивалась, благодаря чему он проходил равномерно через слой расплавленного жира в виде мелких пузырьков. Скорость подачи кислорода составляла 1 л в минуту.

Термостатирование окислительной ячейки осуществляли за счет кипения термостатирующей жидкости, в качестве которой использовали хлорбензол (t_кип=133,5⁰С). При таком способе термостатирования изменять температуру можно простой заменой растворителя, что делает возможным проводить окисление без использования термостата. Кроме того, за счет постоянства температуры кипения растворителя, окисление можно проводить в совершенно одинаковых условиях.

Ход окисления контролировали по накоплению перекисных соединений в субстрате. Перед началом окисления и через определенные промежутки времени в ходе окисления отбирали пробы жира (~1,00 г) и определяли в них перекисные числа йодометрическим методом. Процесс завершался при полном прогоркании жира. Об этом свидетельствовали высокие значения перекисных чисел и органолептические показатели - неприятный запах и вспенивание жира.

На основании полученных данных строили кинетические кривые зависимости перекисного числа от времени и определяли период индукции (рис.2). За период индукции принимали время, в течение которого жир окислялся до перекисного числа 0,1

Рис. 2 Определение периода индукции как времени достижения перекисного числа 0.1 при окислении лярда

2.3 Методика определения перекисного числа в жирах

Точную навеску жира (1г) растворяли в 10 мл смеси ледяной уксусной кислоты и хлороформа в соотношении 1:1 (по объему). Затем прибавляли 2 мл 20%-ного водного раствора йодида калия. Далее по секундомеру выдерживали 1 минуту в темноте. Перед титрованием в каждую колбу добавляли 10 мл дистиллированной воды, 5 капель раствора крахмала и выделившийся йод при тщательном перемешивании титровали 0,01 н раствором тиосульфата натрия до исчезновения синей окраски.

Аналогичным образом ставили «слепую» пробу на реактивы.

Вычисление перекисного числа проводили по формуле:

П.ч. = C_N·(V₁-V₂)·0,1269·100%

C_N - нормальная концентрация раствора тиосульфата натрия;

V₁ - объем раствора тиосульфата натрия в миллилитрах, который идет на титрование йода, выделившегося из навески жира;

V₂ - объем раствора тиосульфата натрия в миллилитрах, который идет на титрование йода, выделившегося в «холостом» опыте;

П.ч. - перекисное число, выраженное в процентах йода.

Например, на титрование йода, выделившегося в пробе, пошло 1,15 мл, а в «слепой» пробе 0 мл 0,01 н раствора тиосульфата натрия. Следовательно, перекисное число будет равно:

П.ч. = 0,01·(1,15 - 0) ·0,1269·100% = 0,15%

Данная запись означает, что масса выделившегося йода составляет 0,15% по отношению к массе жира.

m(йода) = г

1 г -- 100%

1,46·10^-3 -- х%

х =

2.4 Приготовление титрованных растворов

Приготовление раствора бихромата калия

В качестве стандартного раствора использовали 0,01 н раствор бихромата калия. Для приготовления данного раствора, на аналитических весах брали точную навеску K₂Cr₂O₇, которую рассчитывали следующим образом:

Э(K₂Cr₂O₇) = М/6 = 49,01 г/экв.

0,01 экв. содержится в 1000 мл

х экв. содержится в 250 мл.

х =

m(K₂Cr₂O₇) = n экв. · Э = 0,0025 экв. · 49,03 г/экв. = 0,1225 г.

Навеску K₂Cr₂O₇, количественно переносили в мерную колбу емкостью 250 мл, растворяли в воде, разбавляли раствор до метки и тщательно перемешивали.

Приготовление раствора тиосульфата натрия

В качестве рабочего раствора использовался 0,01 н раствор Na₂S₂O₃.

Для приготовления раствора на технических весах брали навеску Na₂S₂O₃, которую рассчитывали следующим образом:

М(Na₂S₂O₃ · 5 Н₂О) = Э = 248,19 г/экв.

0,01 экв. содержится в 1000 мл

х экв. содержится в 500 мл.

х =

m(Na₂S₂O₃ · 5 Н₂О) = n экв. · Э = 0,005 экв. · 248,19 г/экв. = 1,24095 г.

Навеску тиосульфата натрия около 1,24-1,25 г переносили в мерную колбу вместимостью 500 мл и растворяли в дистиллированной воде. Раствор выдерживали несколько дней в темной склянке.

Стандартизация раствора тиосульфата натрия

Раствором тиосульфата натрия наполняли бюретку на 5 мл и устанавливали уровень жидкости в ней на нуле. В коническую колбу переносили 1 мл 20%-ного раствора KI и 2 мл 2 н раствора H₂SO₄. К полученной смеси прибавляли 2 мл раствора K₂Cr₂O₇. Смесь ставили в темноту на 5 минут. Затем в колбу прибавляли 10 мл воды и титровали без добавления крахмала до обесцвечивания раствора.

Пользуясь формулой, вычисляли искомую нормальность раствора тиосульфата натрия:

V(K₂Cr₂O₇) · С_н(K₂Cr₂O₇) = V(Na₂S₂O₃) · C_н(Na₂S₂O₃);

C_н(Na₂S₂O₃) = .

Глава 3 Исследование антиоксидантной активности производных гидрохинона на модели термического автоокисления свиного жира

В наши дни антиоксиданты и антиоксидантные композиции являются одним из наиболее востребованных типов добавок в отраслях промышленности, тем или иным образом связанных с получением, хранением и обработкой жиров, масел и жирсодержащих материалов. Объектом особого внимания в последние годы являются синтетические и природные антиоксиданты, перспективные с точки зрения их возможного использования в медицине и косметике. К такого рода антиоксидантам и антиоксидантным композициям предъявляется ряд особых требований, наиболее значимыми из которых являются: растворимость в липидных субстратах; малая токсичность; высокая ингибирующая эффективность в отношении торможения процессов перекисного окисления липидов.

Несколько лет назад в Новосибирском институте химии антиоксидантов был получен ряд высокоэффективных полифункциональных антиоксидантов на основе гидрохинона и его монометилового эфира, которые полностью удовлетворяют этим требованиям. Эти вещества хорошо растворимы в растительных и животных жирах и по ингибирующей способности превосходят подавляющее большинство известных к настоящему времени серосодержащих фенольных антиоксидантов. Для наиболее эффективных антиоксидантов данного типа была установлена низкая токсичность. При этом, среди исследованных ранее сульфидов особо выделяется группа производных 2,6-диметилгидрохинона, которые по значениям периодов индукции уступают не только своим неметилированным аналогам, но и реперным антиоксидантам - ионолу и витамину Е. Для дальнейшего целенаправленного синтеза высокоэффективных антиоксидантов на основе двухатомных фенолов мы считаем необходимым проведение углубленного исследования по выявлению взаимосвязи между типом и положением алкильных заместителей в ароматическом кольце и брутто-ингибирующей активностью серосодержащих производных гидрохинона. Полученные данные могут быть интересны не только в прикладном аспекте, но и с точки зрения расширения существующих представлений о механизме действия фенольных антиоксидантов.

В настоящей дипломной работе проведено исследование антиоксидантной активности ряда структурно взаимосвязанных тиоалкилфенолов, а также их предшественников, не содержащих серы, на модельной реакции термического автоокисления свиного жира.

Окисление проводили с использованием термостатируемой окислительной ячейки при 133°С в условиях барботажа кислородом. Концентрация исследуемых соединений составляла 1.5 мкмоль/г. Об ингибирующей эффективности антиоксидантов судили по величине периода индукции ф, который определяли как время достижения субстратом перекисного числа 0.1.

Результаты представлены в таблицах 1-3 и диаграммах на рис. 3-4.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все исследованные нами серосодержащие производные гидрохинона обладают выраженной противоокислительной активностью. Однако, наблюдаются существенные различия в значениях периодов индукции соединений, имеющих и не имеющих алкильные заместители в ароматическом кольце. Анализ данных таблицы 1 показывает, что по ингибирующей эффективности производные алкил- и диалкил-гидрохинона значительно уступают своим неалкилированным аналогам. Исключение составляет сульфид (6) на основе 3,5-диметил-4-метоксифенола, который по величине ф не отличается от своего гомолога (5). Найденная закономерность не согласуется с результатами, полученными ранее при исследовании АОА сульфидов, являющихся производными фенолов с разной степенью пространственного экранирования фенольной OH-группы. Согласно многочисленным литературным данным, а также результатам исследований,

Таблица 1. Периоды индукции окисления свиного жира, ингибированного тиоалкилфенолами, [Ar(OH)₂] = 1.5 мкмоль/г*

антиоксидант	шифр	период индукции, мин	антиоксидант	шифр	период индукции, мин
	1	788±28		10	142±3
	2	797±23		11	310±15
	3	585±5		12	76±6
	4	820±30		13	105±5
	5	668±8		14	87±7
	6	685±5		15	304±15
	7	84±8		16	252±13
	8	84±6	б-токоферол	ТФ	122±3
	9	170±5	контроль		15
2-трет-бутил-4-метоксифенол	БОА	170±5	**ПЧисх. = 0,0068 % I2

проводимых в течение последних лет в НИИ Химии Антиоксидантов, брутто- ингибирующая эффективность серосодержащих фенольных антиоксидантов повышается при введении алкильных заместителей в орто- и пара- положения по отношению к гидроксильной группе. При этом, максимальная эффективность достигается в этом случае, когда строение заместителей таково, что они, они с одной стороны, способны надежно стабилизировать феноксильный радикал, предотвращая его участие в реакции (10) и, с другой, не создают значительных трудностей для участия PhOH в реакции (7)

Согласно данным диаграммы на рис. 3 оптимальным типом орто-замещения в ряду сульфидов на основе фенола является метил-циклогексильный, метил-изопропильный и диизопропильный. Также известно, что введение любой алкильной группы в орто-положение приводит к повышению значений периодов индукции по сравнению с неэкранированным -гидроксибензилдодецилсульфидом.

Как было сказано ранее, в ряду серосодержащих производных гидрохинона проявляется противоположная тенденция. Введение любого типа алкильных заместителей в ароматическое кольцо не только не способствует повышению ингибирующей эффективности, но и приводит к снижению показателей в 2-10 раз.

Сравнение значений периодов индукции моно- и диалкилзамещенных производных гидрохинона показывает, что последние значительно менее активны в качестве стабилизаторов свиного жира. Особо выделяется группа соединений на основе 2,6-диалкилгидрохинона. Вне зависимости от типа орто-заместителей и количества серосодержащих групп, сульфиды (7),(8),(12) и (14) характеризуются одинаковыми значениями ф порядка 80 мин.

Рис. 3. Периоды индукции окисления свиного жира в присутствии тиоалкилфенолов с различным орто-замещением

Нами было проведено исследование по выявлению взаимосвязи между расположением алкильных заместителей в молекулах серосодержащих производных диалкилгидрохинона и проявляемой ими АОА. Результаты иллюстрирует диаграмма на рис.4. Согласно полученным данным, среди всех исследованных соединений наименее эффективны были те антиоксиданты, в молекулах которых заместители находились в положениях 2 и 6. Данная закономерность проявляется как в ряду производных 2, 6 - диметилгидрохинона, так и у соединений с метил- изопропильным типом замещения. Наибольшим значением периода индукции в данной группе характеризуется сульфид (9) на основе 2,5-диметилгидрохинона. Однако его превосходство над изомером (10) невелико и может быть объяснено большей симметричностью структуры, что, вероятно позволяет сульфиду (9) легче «встраиваться» между молекулами субстрата.

Рис. 4. Периоды индукции окисления свиного жира, ингибированного бензильными сульфидами на основе гидрохинона с различным расположением алкильных заместителей в ароматическом кольце

Нами была дана оценка ингибирующей эффективности фенольных прототипов соединений (1)- (16) в тех же модельных условиях, при концентрации [Ar(OH)₂]=1.5 мкмоль/г. Сведения об АОА алкил- диалкил-производных гидрохинона были необходимы нам по двум причинам. Во-первых, анализ литературных источников показал, что до настоящего времени системные исследования, посвященные этой проблеме, не проводились. Во-вторых, если существует корреляция между значениями периодов индукции производных моно- и диалкилгидрохинона и сульфидов на их основе, то эту взаимосвязь можно использовать для предсказания эффективности других соединений этого ряда.

Полученные результаты приведены в таблице 2.

К сожалению, нам не удалось установить точное значение периода индукции для гидрохинона (17). В условиях эксперимента (температура 133єС) он возгонялся, поэтому его концентрация в субстрате постоянно уменьшалась. Указанная величина (250 минут) является ориентировочной, в то время как истинное значение ф, вероятно, должно быть несколько выше. Тем не менее, анализ полученных данных позволяет сделать однозначный вывод о том, что по сравнению с другими исследованными соединениями (17) - (27) гидрохинон характеризуется очень высокими показателями АОА и уступает только БОА; это хорошо согласуется с результатами, полученными ранее для сульфидов.

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что введение одной алкильной группы в молекулу гидрохинона приводит к меньшему, чем в случае двух заместителей, снижению антиоксидантной активности.

Таблица 2. Периоды индукции окисления свиного жира в присутствии алкилированных производными гидрохинона, [Ar(OH)₂] = 1.5 мкмоль/г *

антиоксидант	шифр	период индукции, мин	антиоксидант	шифр	период индукции, мин
	17	250±30**		23	52±2
	18	118±9		24	35±3
	19	52±1		25	128±3
	20	38±2		26	52±3
	21	35±1		27	35±3
	22	54±6		БОА	275±10

* ПЧ исх. = 0,00518% I₂ ** возгоняется в условиях эксперимента

В ингибирующей активности ди-алкилзамещенных производных гидрохинона также проявляются закономерности, сходные с найденными ранее при описании тиоалкилфенолов. При анализе полученных данных обращает на себя внимание тот факт, что по значениям периодов индукции все исследованные соединения четко разделяются на две группы. К первой принадлежат те из них, в молекулах которых заместители находятся в 2,3- и 2,5-положениях ароматического кольца. Периоды индукции для этих соединений находятся в пределах от 35 до 38 мин вне зависимости от природы алкильных групп. По сравнению с другими производными гидрохинона, это самые низкие показатели. Вторая группа, в которую входят 2,6- замещенные соеди-нения также характеризуется очень близкими между собой значениями периодов индукции (52-54 мин).

Таким образом, для всех исследованных алкилированных производных гидрохинона, а также бензильных сульфидов на их основе характерны следующие общие закономерности:

ь Введение любого рода алкильных заместителей в молекулу гидрохинона или его бензильного сульфида приводит к резкому снижению АОА;

ь Диалкилзамещенные соединения по значениям периодов индукции окисления свиного жира существенно уступают моноалкилированным;

ь Среди исследованных бензильных сульфидов наименее эффективными в качестве ингибиторов окисления свиного жира являются производные 2,6- диалкилгидрохинона. У монофункциональных антиоксидантов самые низкие значения периодов индукции были зафиксированы в группе 2,5 и 2,3- замещенных гидрохинонов.

Среди исследованных нами антиоксидантов присутствовали также некоторые соединения на основе метилового эфира гидрохинона: 2-трет-бутил-4-метоксифенол, а также сульфиды (5) и (6). Анализ полученных значений периодов индукции (таблица 3) позволяет нам сделать вывод о том, что описанные ранее закономерности влияния числа и положения алкильных заместителей на антиоксидантную активность производных гидрохинона, по всей видимости, не распространяются на его метиловые эфиры. Так, БОА, имеющий в составе молекулы трет-бутильный заместитель, не уступает по ингибирующей эффективности гидрохинону, а присутствие двух метильных групп совершенно не влияет на активность сульфида (6). Возможно, причина столь существенных различий заключается в том, что у производных 4-метоксифенола, в отличие от гидрохинона, механизм, посредством которого проявляется их антиоксидантная активность, принципиально иной.

Таблица 3. Периоды индукции окисления свиного жира в присутствии производных гидрохинона и его метилового эфира, [Ar(OH)₂] = 1.5 мкмоль/г

антиоксидант	шифр	период индукции, мин
	2	797±23*
	5	668±8*
	6	685±5*
	17	250±30**
	25	128±3**
	БОА	275±10**

* ПЧисх. = 0,0068 % I₂ *** ПЧ исх. = 0,00518% I₂

Выводы

На модели термического автоокисления свиного жира была исследована антиоксидантная активность ряда тиоаклилфенолов и алкилпроизводных гидрохинона. Показано, что наиболее эффективными ингибиторами окисления являются бензильные сульфиды на основе гидрохинона: додецилтиометилгидрохинон , 2,5-бис(додецилтиометил)гидрохинон и его изомер. Среди монофунцкциональных антиоксидантов-производных гидрохинона наибольшие значения периодов индукции были получены для гидрохинона и 2-трет-бутил-4-метоксифенола (БОА).

Введение алкильных заместителей любого типа в молекулу гидрохинона или его бензильного сульфида приводит к резкому снижению АОА. При этом диалкилзамещенные соединения по значениям периодов индукции окисления свиного жира существенно уступают моноалкилированным.

Среди исследованных бензильных сульфидов наименее эффективными в качестве ингибиторов окисления свиного жира являются производные 2,6- диалкилгидрохинона. У монофункциональных антиоксидантов самые низкие значения периодов индукции были зафиксированы в группе 2,5 и 2,3- замещенных производных гидрохинона.

Показано, что найденные закономерности влияния количества и положения алкильных заместителей на антиоксидантную активность производных гидрохинона не распространяются на его метиловые эфиры.

Литература

1. Горбунов Б.Н., Гурвич Я.А., Маслова И.П. Химия и технология стабилизаторов полимерных материалов. - М.: Химия, 1981.

2. Эмануэль Н.М., Денисов Е.Т., Майзус З.К. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. - М.: Наука, 1965.

3. Эммануэль Н.М., Лясковская Ю.Н. Торможение процессов окисления жиров. - М.: Пищепромиздат, 1961.

4. Фойгт И. Стабильность синтетических полимеров против действия тепла и света. - М.: Химия,1972.

5. Ершов В.В., Никифоров Г.А., Володькин А.А. Пространственно-затрудненные фенолы. - М.: Химия,1971.

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

7. Шляпников Ю.А., Кирюшкин С.Г., Марьин А.П., Антиокислительная стабилизация полимеров. - М.: Химия,1986.

8. Денисов Е.Т., Ковалев Г.И., Окисление и стабилизация реактивных топлив. - М.: химия,1983.

9. Грасси Н., Скот Дж. Деструкция и стабилизация полимеров. - М.: Мир,1988.

10. Уолтерс У. Механизм окисления органических соединений. - М.: Наука, 1966.

11. Нонхибел Д., Уолтон Дж. Химия свободных радикалов. - М.: Мир, 1977.

12. Журавлев А.И. Антиокислители.- В кн.: БМЭ. 3-изд,1975. Т.2.- С.33-35.

13. Эммануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения и стабилизация полимеров.- М.: Наука, 1982.

14. Роль фенольных антиоксидантов в повышении устойчивости органических систем к свободно-радикальному окислению: Аналитический обзор / И.В.Сорокина, А.П.Крысин, Т.Б.Хлебникова, В.С.Кобрин, Л.Н.Попова; СО РАН; ГПНТБ, НИОХ.- Новосибирск, 1997. (Сер. «Экология». Вып. 46).

15. Евстигнеева Р.П., Волков И.М., Чудинова В.В. // Биологические мембраны.-1998. Т.15. № 2. С.119-135.

16. Биохимия окислительного стресса. Оксиданты и антиоксиданты / Е.Б.Меньщикова, Н.К. Зенков, С.М.Шергин. - Новосибирск, 1994.

17. Свободно-радикальные процессы в биологических системах. - М.: Наука,1966.

18. Scott G. Atmospherik oxidation and antioxidants. - Amsterdam: Elsevier, 1965.

19. Pospisil I. Antioxidants. - Pradus, 1968.

20. Бурлакова Е.Б., Алесенко А.В., Молочкина Е.М. и др. Биоантиоксиданты в лучевом поражении и злокачественном росте. - М.: Наука, 1975.

21. Патент Великобритании. 2031422. Preparation of 2,2-bis(4-substitutedphenol)sulfides / Yamaquchi A., Kobayashi T., Yamaqushi K. // C.A. 1981. V.94. №1. 1Ю83765Ю.

22. Клиев А.М., Мамедов Ф.Н. Производные фенолов и тиолов. - Баку: ЭЛМ,1981.

23. 3,5-Диалкил-4-гидроксибензилтиопроизводные. // Патент № 911,958 Англия. 1961.