Tesi di laurea triennale in chimica

DBDE DBDE

exp calc calc

calc

-1.8 -0.9 1.4 2.3

ortho-OMe

ortho-OH -6.0 -6.8 0.7 7.5

ortho-SMe +0.3 -0.3 2.5 2.8

ortho-SeMe -0.5 -0.8 3.4 4.2

ortho-TeMe -1.4 -2.5 3.3 5.8

para-OMe -5.0 -6.1 -1.8 4.3

para-OH -5.2 -5.8 -2.0 3.8

para-SMe -3.7 -4.3 -0.6 3.7

para-SeMe -3.4 -3.5 0.4 3.9

-3.1 -2.9 0.5 3.4

para-TeMe

In generale i legami intramolecolari tra la funzione OH fenolica e un sostituente

accettore di legami idrogeno ostacolano la reattività dell’antiossidante fenolico.

È emblematico il caso dei due flavonoidi 7-idrossiflavone e 5,7-idrossiflavone (figura

4) che mostrano avere la medesima reattività nei confronti del radicale DPPH (2,2-

•

difenil-1-picrilidrazile) in diossano .

7

NO NO

2 2

O

HO O O

H

O N +

N N + N

O N N

2 2

NO NO

O

2 O

2

Figura 4. Strutture del 7-idrossiflavone e del 5,7-idrossiflavone e reazione del 7-idrossiflavone con il

DPPH

•

13

Questo risultato deriva dal fatto che l’OH in posizione 5 non partecipa alla reazione

poiché impegnato in un legame intramolecolare con il gruppo carbonilico .

8

L’1,2-diidrossibenzene (figura 5) possiede il sostituente OH sull’anello fenolico, in

posizione orto rispetto all’ossidrile reattivo. In esso il legame idrogeno intramolecolare

con l’OH del fenolo non viene rotto durante la reazione con il perossil radicale, in

quanto l’OH in orto all’ossidrile fenolico stabilizza sia il fenolo che, in misura

maggiore, il fenossil radicale.

In particolare, il gruppo -O a seguito della reazione con il perossil radicale assume un

•

forte carattere elettronattrattore, favorendo così la donazione dell’atomo di idrogeno

da parte dell’OH . Il risultato è che l’1,2-diidrossibenzene ha una BDE del legame O-

9

H inferiore rispetto a quella dell’1,4-diidrossibenzene (tabella 1).

Di conseguenza la sua reattività sarà inaspettatamente superiore a quella del fenolo

para-sostituito; in quanto si ha una stabilizzazione maggiore del fenossil radicale.

Figura 5. 1,2-diidrossibenzene o catecolo.

Legami idrogeno intermolecolari:

Nel 1964 Howard e Ingold, durante degli studi sull’autossidazione dello stirene,

notarono che la reattività dei fenoli diminuiva in presenza di solventi polari .

10

Questo effetto è dovuto alla formazione di legami idrogeno tra il gruppo ossidrilico

dell’antiossidante, e il solvente, il quale agisce da accettore di legame a idrogeno (HBA

- hydrogen bond acceptor). Pertanto, solamente la frazione delle molecole non coinvolte

nel legame idrogeno saranno in grado di reagire con i radicali. Solamente 30 anni dopo,

venne confermata la notevole influenza del solvente nella chimica degli antiossidanti,

14

denominando questo effetto KSE (kinetic solvent effect). È stato persino possibile

predire la costante di velocità k della reazione tra il fenolo e il radicale, in qualsiasi

11 S

solvente S. Considerando k la costante di velocità in un solvente apolare, si nota che

0

la costante in un solvente diverso k sarà funzione dei parametri termodinamici di

S

Abraham e (eq. 1). Questi ultimi si riferiscono rispettivamente alla capacità del

a b

2H 2H

fenolo di donare atomi di idrogeno, e alla capacità del solvente di accettarli.

$

a b (eq. 1)

$

! "

!"# % = !"# % − 8.3 # #

L’effetto cinetico del solvente è inoltre del tutto indipendente dal radicale; ciò significa

che il rapporto tra le costanti cinetiche nei due solventi per la reazione di due radicali

diversi (X e Y ) con un antiossidante AH saranno le medesime (eq. 2).

• • '( '(

% %

"# "#

! .& ( .)

$

+,- = = + (eq. 2)

') -)

% %

"# "#

! .& ( .)

$ +

I perossil radicali sono emblematici in quanto, ad esempio, la costante di velocità della

reazione tra cumil perossil radicale e cumene, non in grado di fungere da donatore di

legami H, è pressoché la stessa in solventi quali isottano, benzene, acetonitrile, terz-

butanolo e piridina (k = 0.82 0.10 M s ) .

± -1 -1 12

p

Ciononostante, la loro reattività nei confronti degli antiossidanti è progressivamente

ostacolata man mano che aumenta la capacità del solvente di accettare atomi di

idrogeno. Difatti confrontando la reattività della quercetina (figura 6) in un solvente

13

scarsamente polare quale il clorobenzene (eq. 3), con la reattività della stessa in un

solvente polare protico quale il tert-butanolo (eq. 4), emerge una diminuzione della

reattività per via di un fattore KSE circa pari a 20, dato dal rapporto tra le due costanti

k .

inh ) +, +,

% = 4.3 × 10 2 3 (eq. 3)

&'( - +, +,

% = 2.1 × 10 2 3 (eq. 4)

&'( 15 OH

OH O

OH HO O

HO O + ROOH

+ ROO OH

OH O

OH

O

OH

Figura 6. Meccanismo di azione della quercetina mediante HAT (hydrogen atom transfer).

In aggiunta il solvente può interagire con gruppi funzionali distanti dall’ossidrile

reattivo del fenolo, mediante un effetto cinetico remoto del solvente (RKSE). Un

esempio è quello del 2,5-di-terz-amil-idrochinone, la cui reattività con i perossil radicali

in CCl risulta aumentare a seguito di piccole aggiunte di solventi accettori di legami

4

a idrogeno, come il DMSO o il MeCN. Da studi cinetici della reazione si evince che la

specie in cui un solo ossidrile instaura un legame con il solvente reagisce fino a dieci

volte più velocemente della specie completamente non solvatata . Tuttavia, la specie

14

in cui entrambi gli ossidrili interagiscono con il solvente risulta essere inerte (figura 7).

Figura 7. Effetto cinetico remoto del solvente nell’idrochinone

Dal rapporto delle costanti k /k si nota inoltre che la BDE dell’OH non solvatato della

2 1

seconda specie in figura 7 è più bassa di quella degli OH della specie totalmente non

16

solvatata. Questa particolarità deriva dal fatto che il radicale semichinone forma dei

legami idrogeno forti con il solvente, piuttosto che con l’idrochinone “genitore”.

Il gruppo -O è di fatto un elettronattrattore che aumenta il parametro del fenolo,

a

• 2H

incrementando pertanto la tendenza di quest’ultimo di donare atomi di idrogeno.

Dunque, in generale, l’effetto cinetico remoto del solvente può aumentare o diminuire

la reattività dell’antiossidante nei confronti dei radicali. Questo effetto dipende

principalmente dalla variazione della forza del legame idrogeno intermolecolare

lungo la coordinata di reazione (figura 7).

1.3 Antiossidanti per trasferimento di elettroni

Gli antiossidanti possono inibire il processo perossidativo trasferendo un elettrone al

radicale. La reazione generale è la seguente:

ossidante + e (dall’antiossidante) ossidante ridotto + antiossidante ossidato

- →

Ad esempio, i caroteni hanno bassi potenziali di ossidazione, e possono essere pertanto

ossidati da radicali come i perossili, che abbiano potenziali di riduzione

sufficientemente positivi. Il processo di trasferimento elettronico porta alla formazione

del radicale catione del carotene e del perossi anione, il quale, una volta protonato

forma l’idroperossido (10). + H (10)

ROOH

+ ROO

CarH

CarH + ROO

L’estrazione di un elettrone dall’antiossidante provoca in molti casi un cambiamento

di colore dell’ossidante, laddove l’intensità di tale variazione di colore è proporzionale

alla concentrazione dell’antiossidante. Di conseguenza, graficando l’assorbanza (DA)

in funzione della concentrazione dell’antiossidante, si ottiene una retta la cui pendenza

17

riflette la capacità riducente dell’antiossidante. La reazione è conclusa solamente

quando giunge al termine il processo di variazione di colore della sostanza ossidante,

esattamente come accade per le titolazioni redox.

Mediante il reattivo di Folin- Ciocâlteau (FCR) è possibile determinare per via

colorimetrica i fenoli e i polifenoli, i quali esplicano caratteristiche antiossidanti,

nonché riducenti . Il reattivo FCR è una miscela di fosfomolibdato di sodio

3

Na PMo O e fosfotungstato di sodio Na PW O , in cui il molibdeno e il tungsteno

3 12 40 3 12 40

hanno entrambi numero di ossidazione +6. Inizialmente era utilizzato unicamente per

la sua reattività nei confronti della tirosina (amminoacido aromatico contenente un

fenolo); solo successivamente il suo utilizzo fu esteso alla determinazione dei fenoli

totali. Il reagente è di un colore giallo intenso per via della presenza del Li SO .

2 4

L’aggiunta di riducenti genera un viraggio al verde, che, chimicamente, indica

l’avvenuta riduzione del molibdeno (11). Si ritiene infatti che il molibdeno sia

l’elemento più facile da ridurre all’interno del reattivo, e che dunque accetti un

elettrone dal riducente. Mo (VI) + e Mo(V)

- → (11)

Nel caso particolare dei fenoli, è necessario che la reazione avvenga in un ambiente

basico in cui il fenolo è deprotonato, e sia dunque in grado di ridurre il reattivo FCR.

La reazione tra quest’ultimo e il fenato porta ad una caratteristica miscela di colore

blu, indipendentemente dalla struttura del composto fenolico.

Un ulteriore esempio di una specie ossidante che viene ridotta tramite il trasferimento

elettronico da parte di antiossidanti è il radicale DPPH (2,2-difenil-1-picril-idrazile).

•

Foti e i suoi collaboratori hanno dimostrato che lo stadio determinante della reazione

con i fenoli in solventi protici è dato da un veloce trasferimento elettronico dall’anione

fenossido al DPPH , avvalorando pertanto l’idea che si tratti di una reazione ET

•

(electron transfer) anziché di un trasferimento di atomi di idrogeno (HAT, hydrogen atom

18

transfer) . Il meccanismo in cui invece si ha l’estrazione dell’atomo di idrogeno dal

15

fenolo neutro da parte del radicale DPPH resta pertanto una reazione marginale, la

•

quale non avviene se non lentamente e in solventi accettori di atomi idrogeno, quali

metanolo o etanolo.

Il meccanismo che ha luogo è noto come PT-ET (proton transfer- electron transfer) in cui

si ha il trasferimento di un protone, seguito dal trasferimento di un elettrone, in step

successivi, con formazione dell’anione fenossido come intermedio. Tale specie si forma

in presenza di solventi ionizzanti quali metanolo, etanolo e acqua, i quali deprotonano

in minima parte il fenolo.

La formazione di