3,5-Ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные производные гиперразветвленных полиэфиров. Синтез и антиоксидантная активность

Размещено на http://www.allbest.ru/

3,5-Ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные производные гиперразветвленных полиэфиров. Синтез и антиоксидантная активность

Кутырев Геннадий Андреевич,

Шигабиева Юлия Александровна,

Богданова Светлана Алексеевна,

Гайнутдинова Регина Рустемовна,

Зиятдинова Гузель Камиловна,

Кутырева Марианна Петровна,

Бондарь Ольга Валентиновна,

Гатаулина Альфия Ренатовна

Аннотация

3,5-Ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные производные гиперразветвленных полиэфиров. Синтез и антиоксидантная активность

Кутырев¹*⁺ Геннадий Андреевич, Шигабиева¹ Юлия Александровна, Богданова¹ Светлана Алексеевна, Гайнутдинова¹ Регина Рустемовна, Зиятдинова² Гузель Камиловна, Кутырева² Марианна Петровна, Бондарь² Ольга Валентиновна и Гатаулина² Альфия Ренатовна

¹ Казанский национальный исследовательский технологический университет. Институт полимеров. ул. К. Маркса, 68. Казань, 420015. Республика Татарстан. Россия. Тел.: (843) 231-43-86. E-mail: Genkutyrev@mail.ru;

² Казанский (Приволжский) федеральный университет, Химический институт им. А.М. Бутлерова. ул. Кремлевская, 18. Казань, 420008. Республика Татарстан. Россия. Тел.: (843) 233-71-65. E-mail: Mkutyreva@mail.ru.

*Ведущий направление; ⁺Поддерживающий переписку.

На основе промышленных гиперразветвленных полиэфирополиолов второй и третьей генераций серии Boltorn H20 и H30, имеющих в составе соответственно 16 и 32 концевые ОН-группы, реакцией с 4-диэтиламинометилен-2,6-ди-трет-бутилфенолом синтезированы полиэфиры, содержащие терминальные 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные фрагменты. Методами ИК- и ЯМР ¹Н спектроскопии доказано строение полученных соединений и установлено, что степень функционализации полиэфирополиолов увеличивается с ростом их генерации (H20-37.5 %, H30-43.7 %). Методом кулонометрического титрования электрогенерированным бромом показано, что синтезированные полимеры обладают более высокой антиоксидантной емкостью по сравнению со стандартным антиоксидантом - ионолом. Особенно сильно это различие проявляется в пропиленгликоле, который не образует прочные водородные связи с гидроксильными и карбонильными группами гиперразветвленного полиэфира. В этаноле разница в антиоксидантной емкости ионола и синтезированных полиэфиров менее выражена вследствие образования прочных ассоциатов растворителя с макромолекулами. Оценка фотопротекторных свойств гиперразветвленных полиэфиров в различных средах осуществлялась методом абсорбционной спектроскопии на основании значений молярных коэффициентов экстинкции. Исследованием влияния гиперразветвленных полиэфиров с концевыми пространственно-затрудненными фенольными группами на пенообразующую способность шампуней по методу Росс-Майлса установлены области повышения высоты столба пены при введении в шампунь полимеров. Этот эффект связан с проявлением ими поверхностно-активных свойств, что подтверждено данными тензиометрии путем измерения поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-воздух (метод Дю-Нуи). Определены концентрационные диапазоны ввода синтезированных компонентов в рецептуры пенообразующих композиций, приводящих к увеличению пенообразования по сравнению с шампунем без добавки: для полиэфира второй генерации - до 0.078 % масс., для продукта третьей генерации - до 0.05 % масс. Более высокая антиоксидантная активность гиперразветвленного полиэфира третьей генерации в пропиленгликолевой системе по сравнению с продуктом второй генерации позволяет рассматривать его в качестве перспективной добавкой для пенообразующих композиций лечебно-косметических средств антиоксидантного действия.

Ключевые слова: гиперразветвленные полиэфиры, антиоксиданты, лечебно-косметические средства.

Abstract

3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl derivatives of hyperbranched polyesters. Synthesis and antioxidant activities

Gennady A. Kutyrev,¹*⁺ Ylia A. Shigabieva,¹ Svetlana A. Bogdanova,¹ Regina R. Gaynutdinova,¹ Guzel K. Ziyatdinova,² Marianna P. Kutyreva,² Olga V. Bondar,² and Alfia R. Gataulina²

¹ Kazan National Research Technological University. K. Marx St., 68. Kazan, 420015. Tatarstan, Russia. Phone: +7 (843) 231-43-86. E-mail: Genkutyrev@mail.ru;

² Kazan (Volga Region) Federal University. Kremlevskaya St., 18. Kazan, 420008. Tatarstan, Russia. Phone: +7 (843) 233-71-65. E-mail: Mkutyreva@mail.ru.

*Supervising author; +Corresponding author.

Based on the commercial hyperbranched polyester polyols of the second and third generations of the Boltorn H20 and H30 series, which have 16 and 32 OH end groups, respectively, by the reaction with 4-diethylaminomethylene-2,6-di-tert-butylphenol, polyesters containing terminal 3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-benzyl moieties were synthesized. The structure of the obtained compounds was proved by the IR and ¹H NMR spectroscopy methods. It was established that the functionalization degree of polyester polyols increases with the growth of their generation (Н 20-37.5 %, Н 30-43.7 %). The method of coulometric titration by electrogenerated bromine showed that the synthesized polymers have a higher antioxidant capacity than the standard antioxidantm - ionol. This difference was especially pronounced in propylene glycol, which did not form strong hydrogen bonds with hydroxyl and carbonyl groups of hyperbranched polyester. In ethanol, the difference in the antioxidant capacity of ionol and synthesized polyesters was less pronounced due to the formation of strong associates of the solvent with macromolecules. The evaluation of the photoprotective properties of hyperbranched polyesters in various media was carried out by the method of absorption spectroscopy on the basis of the values of the molar extinction coefficients. Investigation of the effect of hyperbranched polyesters with terminal sterically hindered phenolic groups on the foaming ability of shampoos has shown the increase of the height of the foam column when polymers were introduced into shampoos. This effect was due to the appearance of surface-active properties, which were confirmed by tensiometry data. The concentration ranges of the input of the synthesized components into the formulations of the foaming compositions that lead to an increase in foaming as compared to the shampoo without additives were determined: for the polyester of the second generation, up to 0.078 % by weight, for the third generation product, up to 0.05 % by weight. The higher antioxidant activity of the hyperbranched polyester of the third generation in the propylene glycol system compared to the second generation product makes it possible to consider it as a promising additive for foaming compositions of cosmeceuticals with antioxidant effect.

Keywords: hyperbranched polyesters; antioxidants, cosmeticals.

In the English version of this article, the Reference Object Identifier - ROI: jbc-02/17-49-3-108.

Введение

В настоящее время ведется активный поиск новых эффективных инградиентов полимерных композиционных материалов и лечебно-косметических средств, обладающих антиоксидантными, фотопротекторными и другими полезными свойствами. В этом плане особое внимание привлекают наноразмерные, биодеградируемые и малотоксичные гиперразветвленные полиэфиры, имеющие пространственно незагруженное ядро (оксиэтилированный пентаэритрит) и моно-мерные звенья 2,2-дигидроксипропионовой кислоты (рис. 1).

Рис. 1. Идеализированная структура гиперразветвленного полиэфирополиола второй генерации

Терминальные группы полиэфира расположены, в основном, на поверхности макромоле-кулы (16 для второй, 32 - для третьей генераций) [1-4]. Это обусловливает их высокую растворимость в органических средах и способность выступать в качестве наноконтейнеров и наноплатформ для органических и неорганических субстратов. Ранее было показано, что гиперразветвленные полиэфирополикарбоксилаты и полиэфирополиамины перспективны для трансфекции генного материала и лекарственных препаратов, они обладают собственной биологической активностью [5-9]. Особую роль в этом аспекте могут играть гиперразвет-вленные полиэфиры, содержащие концевые пространственно-затрудненные фенольные группы, поскольку эти фрагменты обладают высокой антиоксидантной, антимикробной и анальгетической активностью [10], что позволяет предположить возможность разработки на их основе космецевтических и фармацевтических композиций.

Целью настоящей работы является синтез гиперразветвленных полиэфиров, содержащих в терминальных положениях 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные группы, определение их структуры, антиоксидантной активности и оценка возможности использования в лечебно-косметических средствах.

Экспериментальная часть

В качестве исходного сырья для синтеза полиэфиров применяли Boltorn H20 (ВН 20, соединение 1) (16 гидроксильных групп, M = 1750 г/моль); Boltorn H30 (ВН 30, соединение 2) (32 гидроксильные группы, M = 3608 г/моль) (Perstorp Speciality AB, Швеция); 2,6-ди-трет-бутил-4-диметиламиноме-тилфенол.

ИК-спектры поглощения полученных продуктов регистрировали на Фурье-спектрометре Spectrum 400 (Perkin Elmer) с приставкой НПВО Алмаз KRS-5: разрешение 4 см^-1 накопление 14 сканов, время регистрации 16 с, диапазон съёмки 4000-400 см^-1. Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрометре Lambda 35 (Perkin-Elmer), область длин волн 200-1000 нм при 25 ^оС.

Спектры ЯМР ¹Н регистрировали на многофункциональном спектрометре с Фурье-преобразованием Avance 400 (Bruker) с рабочей частотой 400 МГц в растворах ДМСО(d₆) при использовании сигнала остаточных протонов дейтерированного растворителя в качестве внутреннего эталона.

Интегральную антиоксидантную емкость (АОЕ) полиэфиров в различных жидких средах определяли методом кулонометрического титрования в реакции с электрогенерированным бромом в соответствии с методикой, описанной в работе [11].

Поверхностное натяжение гиперразветвленных полимеров в соответствующих средах измеряли на границе раздела жидкость-воздух методом отрыва кольца (Дю-Нуи) на тензиометре К 6 фирмы Kruss [12]. Водородный показатель рН измеряли потенциометрическим методом с помощью рН-метра милливольтметра рН-410 [13]. Пенообразующая способность шампуней с добавками полиэфиров и устойчивость пены оценивали методом Росс-Майлса [14].

Синтез 2,6-ди-трет-бутилфенольного производного BH20, соединение (3). Навеску гиперразветвленного полиэфирополиола BH20 выдерживали при 140 ^оС в течение 40 минут для обезвоживания и разрушения самоассоциатов. Смесь 2.5 г BH₂O (1.4 ммоль) и 2.96 г 2,6-ди-трет-бутил-4-диметиламинометилфенола (11.2 ммоль, соотношение 1:8) растворили в 10 мл 1,4-диоксана и нагревали в атмосфере азота при 100 ^оС в течение 16 часов. За ходом реакции следили по выделяющемуся диэтиламину. По окончании процесса реакционную смесь обработали избытком гексана, полученное смолообразное вещество промыли несколько раз бензолом, затем выдерживали на вакууме для удаления растворителя. Выход соединения (3) 76 %.

ИК спектр, н, см^-1: 3426 сл. v (O-H); 2954-2785 ср. v_as,s (CH₃, CH₂), 1730 о. с. v (C=O), 1454,1433, ср (CH_{3 as,s}),1384, 1365 ср (CH_{2 as,s}), 1292-1254 с v_эфир (C-O), 1119v_эфир (O-C).

Спектр ЯМР ¹H, д, м.д.: 1.09-1.30 м, 36H [OC(O)CCH₃], 1.43-1.61м, 108Н [C(CH₃)₃], 2.35 (OH), 3.52-3.72, 48H (OCH₂), 3.72 с, 12H (OCH₂Ar), 4.29, 24H [CH₂OC(O)], 7.00-7.74 м, 12H (C₆H₂).

Синтез 2,6-ди-трет-бутилфенольного производного BH30, соединение (4). Навеску гиперразветвленного полиэфирополиола BH20 выдерживали при 140 ^оС в течение 40 минут для обезвоживания и разрушения самоассоциатов. Смесь 2.75 г H30 (0.76 ммоль) и 3.2 г (12.16 ммоль) 2,6-ди-трет-бутил-4-диметиламинометилфенола растворили в 10 мл 1,4-диоксана и нагревали в атмосфере азота при 100 ^оС в течение 16 часов. За ходом реакции следили по выделяющемуся диэтиламину. По окончании процесса реакционную смесь обработали избытком гексана, полученное смолообразное вещество промыли несколько раз бензолом, затем выдерживали на вакууме для удаления растворителя. Выход соединения (4) 82 %.

ИК спектр, н, см^-1: 3417 сл. v (O-H); 2954-2886 ср. v_as,s (CH₃, CH₂), 1728 о.с. v (C=O), 1456,1435, ср (CH_{3 as,s}),1391, 1366 ср (CH_{2 as,s}), 1292-1254 с v_эфир (C-O), 1118v_эфир (O-C).

Спектр ЯМР ¹H, д, м.д.: 1.10-1.30 м, 84H [OC(O)CCH₃], 1.46-1.50 м, 252Н [C(CH₃)₃], 2.43 (OH), 3.64-3.75, 80H (OCH₂), 3.72 с, 42H (OCH₂Ar), 4.30-4.31, 48H [CH₂OC(O)], 7.00-7.75 м, 28H (C₆H₂).

Результаты и их обсуждение

Гиперразветвленные полиэфиры, содержащие терминальные 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные группы, впервые синтезированы нами реакцией гиперразветвленных полиэфирополиолов второй и третьей генераций с 2,6-ди-трет-бутил-4-диметиламинометил-фенолом (рис. 2).

Рис. 2. Схема синтеза 3,5-ди-трет-бутилбензильных производных гиперразветвленных полиэфиров

Схема взаимодействия 2,6-ди-трет-бутил-4-диметиламинометилфенола с полиэфиро-полиолами, вероятно, включает промежуточное образование 2,6-ди-трет-бутилметилен-хинона [11], который далее присоединяется по ОН-группе гиперразветвленного полиэфиро-полиола. В ЯМР ¹Н спектрах соединений 3, 4 фиксируются сигналы протонов трет-бутильных групп в области 1.43-1.61 м.д. (3) и 1.46-1.50 м.д. (4), синглет метиленовых протонов O-CH₂Ar фрагментов при 3.72 м.д., а также протоны ароматического ядра 7.07 м.д.

Сравнивая интегральные интенсивности полос резонанса протонов трет-бутильных групп и ароматического кольца с интегральными интенсивностями полос резонанса протонов СН ₃ и СН ₂ОС(О)-групп сложноэфирного скелета гиперразветвленного полиэфира, определили степень гидроксиарилирования полиолов. Установлено, что соединение 3 содержит шесть 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензильных групп, степень функционализации 37.5 %, в соединении 4 присутствует 14 ароматических фрагментов, степень функционализации 43.7 %. Таким образом, удается функционализировать лишь стерически наиболее доступные ОН-группы гиперраз-ветвленного полиола, что, по-видимому, связано со значительным объемом 3,5-ди-трет-бутилфенольного фрагмента. Подобная закономерность наблюдалась ранее при исследовании реакций тозилатмодификации гиперразветвленных полиэфирополиолов [15].

3,5-Ди-трет-бутил-4-гидроксибензильные производные гиперразветвленных полиэфиров (соединения 3, 4) обладают более высокой растворимостью в органических средах по сравнению с исходными полиолами 1, 2.

Синтезированные гиперразветвленные полиэфиры содержат пространственно-затрудненные фенольные группы, поэтому от них можно ожидать выраженной антиоксидантной активности. В качестве растворителей были использованы среды, которые входят в состав многих косметических средств: этанол и пропиленгликоль. Образцом эталоном сравнения служил стандартный антиоксидант - ионол в аналогичных средах [16]. гиперразветвленный полиэфир пенообразующая фотопротекторное

В табл. 1 представлены результаты интегральной антиоксидантной емкости (АОЕ) растворов полиэфиров по методу кулонометрического титрования электрогенерированным бромом.

Табл. 1. Интегральная антиоксидантная емкость (АОЕ) по данным кулонометрического титрования

Табл. 2. Молярный коэффициент экстинкции полиэфиров в различных средах

Как видно из данных табл. 1, синтезированные полимеры обладают более высокой АОЕ по сравнению с ионолом. Особенно сильно это различие проявляется в пропиленгликоле, который, по-видимому, не образует прочные водородные связи с гидроксильными и карбонильными группами гиперразветвленного полиэфира. В этаноле образуются прочные ассоциаты растворителя с макромолекулами, поэтому уменьшается пространственная доступность ди-трет-бутилфенольных групп для взаимодействия с электрогенерированным бромом, поэтому различие АОЕ ионола и соединений 3, 4 становится менее выраженным.

По литературным данным [11] ионол титруется электрогенерированным бромом с участием двух электронов. Можно полагать, что соединения 3, 4 реагируют с электро-генерированным бромом по аналогичной схеме.

Оценка проявления фотопротекторных свойств гиперразветвленных полиэфиров в различных средах осуществлялась методом абсорбционной спектроскопии на основании значений молярных коэффициентов экстинкции (табл. 2).

Данные табл. 2 указывают на тот факт, что соединения 3 и 4 в пропиленгликоле обладают наибольшими и близкими значениями молярных коэффициентов экстинкции, что свидетельствует о выраженных фотопротекторных свойствах.

На основании исследования влияния соединений 3, 4 на пенообразующую способность шампуней отмечены области повышения высоты столба пены при введении в шампунь полимеров. По-видимому, этот эффект связан с проявлением ими поверхностно-активных свойств, что подтверждается данными тензиометрических исследований (рис. 3).

Поверхностная активность пропиленгликолевой системы соединения 4 выше, чем соединения 3 - г снижается до 42 мН/м. Дальнейшее уменьшение высоты столба пены при повышении концентрации полиэфиров в композициях может быть связано с известными из литературы данными о самоассоциации гиперразветвленных полимеров с образованием агрегатов [3], которые, вероятно, оказывают пеногасящее действие, разрушая структуру пены.

Рис. 3. Изотермы поверхностного натяжения пропиленгликолевых систем полимеров: 1 - соединение 3, 2 - соединение 4

Определены концентрационные диапазоны ввода синтезированных активных компонентов в рецептуры пенообразующих композиций, приводящих к увеличению пенообразования по сравнению с шампунем без добавки: для соединения 4 - до 0.078 % масс., для соединения 3 - до 0.05 % масс. Учитывая более высокую антиоксидантную активность пропиленгликолевой системы соединения 4 по сравнению с соединением 3, а также более широкий рекомендуемый концентрационный диапазон введения в шампуни, данный гиперразветвленный полимер является более перспективной добавкой для пенообразующих композиций антиоксидантного действия.

Выводы

1. На основе гиперразветвленных полиэфирополиолов второй и третьей генераций впервые синтезированы полиэфиры, содержащие в терминальных положениях 2,6-ди-трет-бутил-фенольные группы. Методами ИК- и ЯМР ¹Н спектроскопии доказано строение полученных соединений.

2. Установлено, что в 2,6-ди-трет-бутилфенольном производном BH20 второй генерации функционализации подверглось 6 гидроксильных групп из 16, в полиэфире третьей генерации 2,6-ди-трет-бутилфенольном производном BH30 содержатся 14 ароматических фрагментов. Методом кулонометрического титрования показано, что синтезированные вещества обладают выраженными антиоксидантными свойствами. Их интегральная антиоксидантная емкость превышает таковую для стандартного антиоксиданта - ионола. Методом абсорбционной спектроскопии показана возможность применения полученных соединений в качестве УФ-фильтров. Установлено, что максимальную антиоксидантную емкость проявляют растворы полимеров в пропиленгликоле. Показана возможность приме-нния гиперразветвленных полиэфиров в качестве инградиентов лечебно-косметических средств.

Литература

[1] C. Gao, D. Yan. Progr. Polym. Sci. 2004. Vol.29. P.183-192.

[2] C.R. Yates, W. Hayes. Eur. Polymer J. 2004. Vol.40. P.1257-1273.

[3] E. Zagar, M. Zigon. Prog. Polym. Sci. 2011. Vol.36. P.53-75.

[4] C. Gao, Y. Xu, D. Yan, W. Chen. Biomacromolecules. 2003. Vol.4. P.704-712.

[5] M.P. Kutyreva, A.R. Gataulina, G.A. Kutyrev et al. Russ. J. Gen. Chem. 2011. Vol.81. P.960-969.

[6] M.P. Kutyreva, A.R. Gataulina, G.A. Kutyrev et al. Russ. J. Gen. Chem. 2011. Vol.81. P.1535-1544.

[7] M.P. Kutyreva, G.S. Usmanova, N.A. Ulakhovich et al. Polym. Sci. Ser.B. 2013. Vol.55. P.201-210.

[8] M.P. Kutyreva, N.A. Ulakhovich, A.R. Gataulina et al. Russ. Chem. Bull. 2014. Vol.63. P.239248.

[9] A.R. Gataulina, A.A. Khannanov, O.A. Malinovskich et al. Russ. J. Gen. Chem. 2013. Vol.83. P.2269-2274.

[10] D.V. Arefev, N.S. Dommina, O. Yu. Sergeeva et al. Russ. Chem. Bull. 2007. Vol.24. P.781-795.

[11] G.K. Ziyatdinova, G.K. Budnikov, A.I. Samigullin et al. J. Anal. Chem. 2010. Vol.12. P.1273-1286.

[12] A.I. Rusanov, V.A. Prokhorov. Interfacial Tensiometry. Elsevier Science, Amsterdam. 1996.

[13] GOST 29188.2-91, Cosmetics. Method for determination of hydrogen for concentration (pH), Moscow. 1992.

[14] R. Wang, Yu. Li, Q. Li. J. of Surfactants and Detergents. 2013. Vol.16. P.509-513.

[15] G.A. Kutyrev, E.R. Gayazova, E.V. Khaldeeva et al. Bull. KSTU. 2014. No.9. P.182-186.

[16] F.S. Zarudii, G.Z. Gil'mutdinov, R.F. Zarudii et al. Pharmaceutical Chemistry J. 2001. Vol.3. P.162-179.

Размещено на Allbest.ru