Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия и технология антиоксидантов химических и биологических систем. Учебное пособие
.pdf
141
S
N
O
O
R
N
Cl
OK
t-Bu
t-Bu
S
N
O
O
R
N
OH
t-Bu
t-Bu
OH
t-Bu
t-Bu
+KOH
Проведенные испытания антибактериальной активности полученных соединений показали, что Стрептоцид, сульфаниловая кислота и Сульфадиметоксин, модифицированные пространственно затрудненными фенольными фрагментами, проявляют во много раз большую активность по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям по сравнению с исходными соединениями.
Вопросы для самоконтроля
1. Чем обусловлена необходимость создания и использования
синтетических биоантиоксидантов. Основные направления их разработки.
2. Синтетические биоантиоксиданты на основе витамина Е (α-
токоферола).
3. Синтетические биоантиоксиданты на основе убихинонов,
флаваноидов и галловой кислоты.
4. Природные фенольные антиоксиданты, модифицированные
трифенилфосфониевыми фрагментами (ионы Скулачева).
5. Синтетические аналоги витамина В
(пиридоксина).
6
6. Чем обусловлен интерес к использованию пространственно
затрудненных фенолов в качестве биоантиоксидантов?
7. Биоантиоксиданты на основе пространственно затрудненных
фенолов. Полифункциональные и водорастворимые пространственно
затрудненные фенольные биоантиоксиданты.
8. «Гибридные» соединения на основе пространственно затруд-
ненных фенолов и изатина.
9. Пространственно затрудненные фенольные производные изо-
ниазида и сульфаниламидов.
142
N
NN
H
C
N
H
2
O
C
H
3
S
4. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Лабораторная работа №1
СИНТЕЗ ТИОСЕМИКАРБАЗОНА 1-(3,5-ДИ-трет-БУТИЛ-4-
ГИДРОКСИБЕНЗИЛ)-1Н-ИНДОЛ-2,3-ДИОНА
Известно, что тиосемикарбазон изатина, его N-метил- и Nэтильные производные обладают активностью против вирусов. Так
противовирусный препарат – тиосемикарбазон N-метил изатина (Метисазон) применяется для лечения оспы.
Метисазон
Как отмечено в разделе 3.3.1, терапевтический эффект Метисазона можно усилить или улучшить при его применении совместно с
антиоксидантами. Поэтому модификация тиосемикарбазона изатина
пространственно затрудненными фенольными фрагментами может
привести к положительному терапевтическому эффекту.
Задание: проработать следующие темы:
1. Методы получения пространственно затрудненных феноль-
ных производных изатина.
2. Применение пространственно затрудненных фенольных про-
изводных изатина.
Цель работы:
1. Синтезировать в две стадии тиосемикарбазон 1-(3,5-ди-трет-
бутил-4-гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона.
2. Определить температуру плавления, теоретический и практи-
ческий выход. Снять УФ-спектр. Проанализировать спектр ЯМР
полученного соединения.
3. Составить материальный баланс процесса и рассчитать рас-
ходные коэффициенты по сырью.
4. Рассчитать затраты на реагенты для получения 1 кг тиосемикарбазон 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона.
1
Н
143
Первая стадия
N
O
O
CH
2
t-Bu
t-Bu
OH
N
O
O
H
+
OH
t-Bu
t-Bu
O
O
H
3
C
_
CH
3
COOH
Н
в
H
a
Н
б
Н
г
N
O
O
CH
2
t-Bu
t-Bu
OH
Н
в
H
a
Н
б
Н
г
+
NH
2
CNHNH
2
S
.
HCl
_
H
2
O
N
NNHCNH
2
O
CH
2
t-Bu
t-Bu
OH
Н
в
H
a
Н
б
Н
г
S
Схема синтеза 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-
1Н-индол-2,3-диона:
В колбу загружают 1.47 г (0.01 моль) изатина, 2.78 г (0.01 моль)
3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилацетата и 25 мл диметилформа-
мида. Раствор перемешивают при 70
o
С в течение 3 ч (см. примечание). Реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, осадок отфильтровывают, промывают водой и сушат на воздухе до постоянной массы. Выход 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-1Ниндол-2,3-диона составляет 1.32 г (36.3 % от теоретического), оранжевые кристаллы. Фильтрат выливают в воду, выпавший осадок отфильтровывают, промывают водой, сушат на воздухе и получают еще
1.91 г (52.4 % от теоретического) продукта, оранжевые кристаллы,
т.пл. 245-246
1
Н (CDCl3), δ, м.д.: 1.40 c (18H, CMe3), 4.81 c (2H, CH2), 5.23 c
ЯМР
(1H, OH), 6.91 д (1H, H
(2H, ArH), 7.55 т (1H, H
o
С (после перекристализации из ацетона). Спектр
, J3=7.5 Гц), 7.09 т (1H, Hв, J3=7.2 Гц), 7.16 c
а
, J3=7.5 Гц), 7.59 д (1H, Hг, J3=7.2 Гц).
б
Вторая стадия
Схема синтеза тиосемикарбазона 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-
гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона:
В колбу загружают 3.65 г (0.01 моль) 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-
гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона, 1.53 г (0.012 моль) тиосемикарбазида солянокислого, 1.68 мл (0.012 моль) триэтиламина и 50 мл эта-
144
нола. Раствор перемешивают при кипячении в течение 4 ч (см. примечание). Реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры,
выпавший осадок отфильтровывают, промывают этанолом и сушат на
воздухе до постоянной массы. Выход тиосемикарбазона 1-(3,5-ди-
трет-бутил-4-гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона составляет 2.65 г
(60.4 % от теоретического), желтые кристаллы, т.пл. 235
Спектр ЯМР
), 6.11 c (1H, OH), 7.13 т (1H, Hв, J3 7.3 Гц), 7.17 д (1H, Hа, J3 7,9
CH
2
Гц), 7.30 с (2H, ArH), 7.40 т (1H, H
1
Н (бензол-d6), δ, м.д.: 1.40 с (18H, CMe3), 4.96 c (2H,
, J3 7.9 Гц), 7.71 д (1H, Hг, J3 7.3 Гц),
б
), 8.44 c (1H, NH2), 11.62 c (1H, NH).
2
o
С (разл.).
Примечание:
Протекание реакций и их завершение контролируется методом
тонкослойной хроматографии на хроматографических пластинках. В
качестве элюента используется смесь гексана с ацетоном в соотношении 8:2.
Техника безопасности:
Все работы проводятся под тягой, в халатах, защитных очках.
Ацетон является ЛВЖ. Работа с ацетоном проводится в вытяжном шкафу при выключенных газовых горелках, вдали от электронагревательных приборов. Температура вспышки ацетона – минус 20
пределы взрывоопасных концентраций: 2,6-12,8 %; температура кипения: 56,1
о
С; ПДК 200 мг/м3.
о
С;
Гексан является ЛВЖ. Работа с гексаном проводится в вытяжном шкафу при выключенных газовых горелках. Температура кипения 68
о
С; температура вспышки -22 оС; ПДК 300 мг/м3.
Триэтиламин относится к вредным для здоровья веществам.
При попадании внутрь организма вызывает сильное отравление. Раздражает дыхательные пути, глаза и кожу. При работе с ним требуется
защита кожи и глаз. Работать в перчатках и в защитных очках! При
попадании триэтиламина на кожу рук смыть большим количеством
воды и нейтрализовать 3 % раствором борной кислоты. ПДК 10 мг/м3;
температура кипения 89,5
Этанол горюч, малотоксичен – угнетает центральную нервную
систему человека. Температура кипения 78,4
о
С.
ки 13
о
С; температура вспышки -15 оС.
о
С; температура вспыш-
Оформление отчета. Отчет должен содержать:
1. Цель работы
145
2. Описание экспериментальной части работы
N-N
O
2
N
O
2
N
NO
2
+
ArOH
N-NH
O
2
N
O
2
N
NO
2
+
ArO
3. Материальные балансы синтезов и расчеты расходных коэф-
фициентов.
4. Расчет затрат на реагенты для получения 1 кг тиосемикарба-
зона 1-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-1Н-индол-2,3-диона.
5. Таблица показателей продуктов.
Лабораторная работа №2
ОЦЕНКА АНТИРАДИКАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
СИНТЕЗИРОВАННЫХ СОЕДИНЕНИЙ В РЕАКЦИИ
С 2,2-ДИФЕНИЛ-1-ПИКРИЛГИДРАЗИЛОМ
Антирадикальная активность синтезированных пространственно
затрудненных фенольных производных изатина изучается в модельной реакции взаимодействия этих соединений со свободным устойчивым окрашенным радикалом – 2,2-дифенил-1-пикрилгидразилом
(ДФПГ). Исследуется кинетика реакции фенольных антиоксидантов с
ДФПГ:
Согласно литературным данным, определяемая по данному методу антирадикальная активность веществ (константа скорости и
энергия активации приведенной выше реакции), хорошо коррелирует
с антиоксидантной активностью, и может служить тестом для количественной оценки антиоксидантных свойств. К достоинствам данного
метода относятся высокая воспроизводимость, простота выполняемых
операций, общедоступность необходимого оборудования, высокая
чувствительность, высокая селективность по отношению к антирадикальным соединениям. Максимум спиновой плотности неспаренного
электрона ДФПГ расположен на атоме азота, соединенного с пикрильной группой. Радикал стабилен в кристаллическом состоянии в
146
течение многих лет, а в растворе – от нескольких часов до нескольких
_
dC
ДФПГ
dt
=
k
2
C
ДФПГ
.
С
АО
,
_
dC
ДФПГ
dt
=
k
эфCДФПГ
,
суток в зависимости от условий.
Вопрос: В чем причина стабильности радикала ДФПГ?
Ход выполнения эксперимента.
Приготавливают раствор антиоксиданта в хлороформе с кон-
центрацией 1-2•10
-2
моль/л. Для этого рассчитанное количество анти-
оксиданта взвешивают на аналитических весах с точностью до четвертого знака. Навеску переносят в мерную колбу объемом 25 мл,
приливают хлороформ до метки и перемешивают. Кювету толщиной
10 мм заполняют раствором антиоксиданта на 2/3 объема. Добавляют
крупинку радикала ДФПГ и помещают в кювету магнитик от магнитной мешалки, обеспечивающей равномерное перемешивание раствора
в кюветном отсеке спектрофотометра.
Скорость реакции пространственно затрудненных фенольных
производных изатина с радикалом ДФПГ измеряют спектрофотометрически по падению оптической плотности полосы поглощения радикала при длине волны 520 нм на спектрофотометре Perkin Elmer
Lambda 35. Оптическую плотность раствора измеряют относительно
растворителя, находящегося в кювете сравнения, каждые 1-3 мин.
Длительность измерений для одной реакции составляет 10-30 мин.
Проводят 2 последовательных опыта (два дубля). Измерения проводят
при трех температурах (20
о
, 30о и 40о). Полученные результаты
оформляют в виде таблиц отдельно для каждого дубля.
Поскольку изучаемая реакция имеет общий второй порядок, ее
скорость выражается следующим уравнением:
где С
и САО – текущие концентрации ДФПГ и антиоксиданта.
ДФПГ
В условиях эксперимента концентрация антиоксиданта во много
раз (более чем в 10) превышает концентрацию ДФПГ. Таким образом,
можно считать, что концентрация антиоксиданта остается постоянной
в ходе измерений и скорость реакции может быть выражена уравнением псевдопервого порядка:
где kэф = k2·CАО
147
В интегральном виде уравнение рассматриваемой реакции при-
C
o
ДФ
ПГ
=
C
ДФПГ
.
ln
k
эф
t
_
C
o
ДФПГ
=
C
ДФПГ
.
,
ln
k
эф
t
ln
_
_
D
o
Д
Ф
ПГ
=
D
Д
ФП
Г
.
,
ln
k
э
ф
t
l
n
_
_
,
ln=ln k
2
A
E
a
RT
обретает вид:
или
где С
о
– начальная концентрация ДФПГ
ДФПГ
Поскольку концентрация линейно связана с оптической плотностью (D = ε
·l·c) получаем следующее выражение:
o
где D
в текущий моменты времени, соответственно.
ДФПГ
и D
– оптическая плотность ДФПГ в начальный и
ДФПГ
Данное уравнения является уравнением прямой в координатах –
ln D
от времени (t). Тангенс угла наклона прямой равен k
ДФПГ
станта скорости второго порядка k
равна (k
2
). Значения kэф и k2
эф·САО
. Кон-
эф
определяют методом наименьших квадратов с использованием программы Origin. Время выражается в секундах, размерность константы
скорости второго порядка – л/моль·с.
Энергию активации (E
уравнению Аррениуса:
) изучаемых реакций определяют по
a
где А – предъэкспоненциальный множитель, R- универсальная
газовая постоянная (1.987 кал/(град·моль)), T – температура в К.
Уравнение Аррениуса является уравнением прямой в координатах lnk
от 1/T. Тангенс угла наклона этой прямой равен Еа/R. Размерность Еа
– кал/моль. Значение Е
использованием программы Origin.
Энтропию активации (ΔS
значения предъэкспоненциального множителя по уравнению
определяют методом наименьших квадратов с
а
≠
) изучаемых реакций определяют из
ΔS≠ = 1.987 ln(A/T) – 49.21,
где за Т принимают среднюю температуру в исследуемом
диапазоне. Размерность ΔS
≠
- кал/(град∙моль).
Результаты расчетов сводят в таблицы 2-5. Приводят графики
аррениусовских зависимостей.
2
148
Результаты измерений констант скоростей при 20
Время t, с
D
lnD
k
эф
, с
-1
k2, л/моль·с
Время t, с
D
lnD
kэф, с-1
k2, л/моль·с
Время t, с
D
lnD
kэф, с-1
k2, л/моль·с
Е
(±),
кДж/моль
Tср., К ΔS≠,
Дж/(град∙моль)
Результаты измерений констант скоростей при 30
Результаты измерений констант скоростей при 40
Результаты расчетов активационных параметров
lnk2 1/T, 1/K
Таблица 2
о
С
Таблица 3
о
С
Таблица 4
о
С
Таблица 5
а
R*
* Коэффициент корреляции
пользоваться инструкцией по охране труда для преподавателей, аспирантов, сотрудников и студентов.
Техника безопасности. При выполнении лабораторной работы
149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные в конце прошлого столетия исследования показали, что биоантиоксиданты являются универсальными модификаторами состава, структуры и функциональной активности мембран и многие закономерности влияния биоантиоксидантов на клеточный метаболизм можно объяснить с этих позиций. Другими словами, с их помощью можно переводить клетку, орган, организм из одного метаболического состояния в другое. Антиоксиданты нашли применение в
кардиологии, онкологии, лечении нейродегенеративных и многих
других заболеваний. Активно изучается возможность использования
антиоксидантов в растениеводстве в качестве стимуляторов роста, для
профилактики и лечения заболеваний животных.
Область исследований, связанных с биоантиоксидантами, бурно
развивается, в ней следует ожидать новых открытий. Интерес к ней
связан с решением как прикладных, в том числе медицинских, так и
фундаментальных проблем. Так, наиболее впечатляющим открытием
в этой области, сделанным в середине 80-х годов прошлого столетия,
является обнаружение активности антиоксидантов в сверхмалых концентрациях, 10
-12
– 10
-13
М и ниже. Этот эффект был установлен для
антиоксидантов различного происхождения и разной химической
природы. Для эффектов сверхмалых доз характерна немонотонная,
полимодальная зависимость «доза-эффект», в большинстве случаев
максимумы активности наблюдаются в определенных интервалах доз,
разделенных между собой так называемыми мертвыми зонами. В ряде
случаев эта зависимость бимодальная: эффект возрастает при сверхмалых дозах препарата, достигает максимума, а затем по мере увеличения дозы уменьшается, сменяется «мертвой зоной» и далее вновь
усиливается.
В вопросе механизмов биологической активности антиоксидантов в сверхмалых дозах до настоящего времени остается много неясного. При концентрации 10
-15
М и ниже престает работать закон дей-
ствующих масс и в определенной степени теряется смысл самого понятия «концентрация». Тем не менее это новое направление в изучении и применении антиоксидантов обещает большие перспективы в
практическом плане. Одним из примеров применения антиоксидантов
в сверхмалых дозах является их использование для защиты от низкоинтенсивного излучения. Известно, что классические радиопротекто-
150
ры в обычно применяемых дозах не проявляют защитного действия
при низкоинтенсивном длительном облучении. Это связано, как с токсичностью радиопротекторов, которые необходимо вводить длительное время, так и с тем, что низкоинтенсивное излучение и высокие
радиационные дозы имеют разные механизмы действия на организм.
Проведенные исследования показали, что введение сверхмалых доз
некоторых синтетических пространственно затрудненных фенольных
антиоксидантов задерживает изменения в органах и тканях, вызванные действием низкоинтенсивного излучения в малых дозах.
Другим весьма перспективным направлением является применение антиоксидантов в сверхмалых дозах в геронтологии и в профилактике онкологических заболеваний. Большое значение может также
иметь установление важной роли антиоксидантов в экспрессии генов
и их влияние на стабильность генома. Указанная взаимосвязь обусловлена влиянием антиоксидантов на концентрацию свободных радикалов, которым приписывается основная роль в регуляции активности генов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]