Synthesis, thermal stability and antioxidant properties of functionalized fullerene C60

Celem rozprawy doktorskiej była synteza oraz zbadanie właściwości fizykochemicznych związków będących kowalencyjnymi połączeniami fulerenu C60 z pochodnymi fenolu. Koniugaty takie mogą być potencjalnymi przeciwutleniaczami. Autooksydacja to proces utleniania związków w obecności tlenu atmosferycznego, któremu ulegają węglowodory (zarówno nienasycone jak i nasycone), lipidy, białka, kwasy nukleinowe i węglowodany. Proces ten przebiega z udziałem rodników, a jego etapy kinetyczne są typowe dla reakcji łańcuchowych. Ponieważ autooksydacja jest zjawiskiem niepożądanym, w pracy podjęto badania nad zaprojektowaniem, syntezą i zbadaniem właściwości antyoksydacyjnych serii związków zawierających rdzeń C60 oraz przyłączone do niego pochodne fenolu. Niepodstawiony fuleren reaguje m.in. z rodnikami alkoksylowymi, alkilowymi, tioalkilowymi, a jedna cząsteczka fulerenu może przyłączyć do 15 rodników benzylowych i do 34 metylowych. Ze względu na liczbę przyłączanych rodników oraz ich różnorodność fulereny nazwane zostały „gąbkami rodnikowymi”. Pomimo tych właściwości fuleren nie jest antyoksydantem interwentywnym - w przeciwieństwie do antyoksydantów fenolowych lub aminowych jest on mało reaktywny względem rodników nadtlenkowych, a to one są głównymi mediatorami peroksydacji zachodzącej w materiałach organicznych, w tym także w układach biologicznych. Ponadto, fulereny są słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w większości rozpuszczalników organicznych oraz w wodzie. Projekt doktorski miał na celu uzyskanie antyoksydanta, którego właściwości byłyby sumą właściwości tworzących go cząsteczek. Zatem taki przeciwutleniacz powinien wykazywać reaktywność zarówno względem rodników nadtlenkowych jak i innych rodników inicjujących i propagujących utlenianie. Połączenie antyoksydantów fenolowych, skutecznie redukujących rodniki nadtlenkowe, z rdzeniem C60, który efektywnie przyłącza rodniki alkoksylowe i alkilowe, może zaowocować powstaniem związków o szerszym spektrum zastosowań oraz bardziej skutecznym działaniu inhibującym autooksydację. Efektywność i szybkość działania antyoksydantów interwentywnych (fenolowych lub aminowych) zależy głównie od ich zdolności do oddania atomu wodoru do rodników nadtlenkowych. Czynnik ten ma również wpływ na kinetykę reakcji niektórych pochodnych fulerenów z rodnikami. W pierwszym rozdziale zawarto przegląd literatury dotyczący fulerenów i metod ich modyfikacji. Po krótkim rysie historii fulerenów, opisano właściwości C60 ze szczególnym uwzględnieniem aromatyczności oraz rozpuszczalności w rozpuszczalnikach organicznych i tłuszczach (olejach). Następnie omówione zostały metody funkcjonalizacji fulerenów, prowadzące do otrzymania m.in. heterofulerenów, czyli fulerenów zawierających podstawione atomy węgla w „klatce” innymi atomami oraz fulerenów endohedralnych (wprowadzenie atomów, cząsteczek lub jonów do wnętrza fulerenu). Szczególną uwagę zwrócono na pochodne egzohedralne, czyli takie, gdzie atomy, lub grupy atomów zostały przyłączone do zewnętrznej powierzchni klatki fulerenowej. W przeciwieństwie do niezmodyfikowanych C60, które wykazują wady ograniczające ich zastosowanie, modyfikowane fulereny mogą znaleźć wszechstronnie zastosowania w różnych dziedzinach nauki lub przemysłu. W dalszej części przeglądu literaturowego opisano autooksydację oraz sposoby zahamowania tego procesu. Omówiono antyoksydanty, ich podział, możliwe mechanizmy działania oraz metody wyznaczania aktywności antyoksydacyjnej. Końcowa II część przeglądu literaturowego podaje doniesienia dotyczące zastosowania fulerenów jako antyoksydantów. W rozdziale drugim opisano badania eksperymentalne. Ta część pracy została podzielona na cztery etapy. W pierwszym zaplanowano i wykonano syntezę pochodnych fulerenu C60. Trzy pochodne zostały otrzymane z wykorzystaniem zmodyfikowanej metody Prato (z wytworzeniem pierścienia pirolidynowego) przyłączając fragmenty o strukturze fenolu: N-metylo–2–[4–hydroksy–3–metoksyfenylo]–pirolidynę, N–metylo–2–[2–(4–hydroksy–3– metylofenylo)winylo]–pirolidynę i N–metylo–2–[4–N,N–dimetyloanilino]-pirolidynę. Metodą Prato otrzymano również koniugat zbudowany z węglowego rdzenia i N-metylo–pirolidyny. Kolejną pochodną otrzymano na drodze wieloetapowej syntezy uzyskując kowalencyjnie przyłączoną resztę fenolową strukturalnie podobną do -tokoferolu (reszta 6-hydroksy– 2,5,7,8–tetrametylochromanylowa). Dwie kolejne pochodne uzyskano przyłączając cząsteczki fenolu oraz 2,6–ksylenolu bezpośrednio do rdzenia węglowego a w ostatniej pochodnej do C60 przyłączono sześć reszt aminofenolowych (elementem łączącym fenol z rdzeniem C60 była grupa aminowa). W kolejnej części pracy zweryfikowano czy modyfikacja fulerenów za pomocą fragmentów arylohydroksylowych lub aryloaminowych wpływa na wzmocnienie ich aktywności przeciwutleniającej. Porównywano procesy nieinhibowanego oraz inhibowanego nieizotermicznego termoutleniania kwasów tłuszczowych i polimerów używając skaningową kalorymetrię różnicową (DSC). Jako pierwszy modelowy układ ulegający utlenieniu wybrano kwas stearynowy (STA), który jest nasyconym kwasem tłuszczowym. Na podstawie wyznaczonych parametrów kinetycznych utleniania (energii aktywacji, Ea, globalnej stałej szybkości reakcji, k) wykazano, że niepodstawiony C60 oraz koniugaty C60 z fenolami zwiększają stabilność oksydacyjną układu w szerokim zakresie temperatur (50 – 200°C). Zbadano również wpływ fenoli, będących substratami w reakcjach otrzymywania tych pochodnych i stwierdzono, że wykazują one działanie prooksydacyjne, zarówno w temperaturze 50°C jak i w 200°C. Jako drugi związek modelowy ulegający utlenieniu wybrano kwas -linolenowy (kwas all-cis-9,12,15-oktadekatrienowy, LNA), który jest przykładem nienasyconego lipidu. Ponieważ w LNA znajdują się słabe wiązania C-H w pozycji allilowej i bis–allilowej, to atomy wodoru są łatwo odrywane przez rodniki nadtlenkowe, a w konsekwencji stabilność oksydatywna LNA jest niewielka w porównaniu do o wiele bardziej stabilnego STA. Rezultaty uzyskane dla LNA wskazują, że zarówno niepodstawiony C60 jak i większość otrzymanych pochodnych oraz ich substraty nie zwiększały stabilności oksydatywnej nienasyconego kwasu tłuszczowego. Wyjątek stanowił koniugat C60 z p-aminofenolem, który wykazywał umiarkowane właściwości antyoksydacyjne. Brak aktywności koniugatów wyjaśniono niskim stosunkiem stałej szybkości, kinh (odrywanie atomu wodoru z cząsteczki antyoksydanta przez rodnik nadtlenkowy) do stałej propagacji, kp (odrywanie atomu wodoru z cząsteczki lipidu przez rodnik nadtlenkowy). W tym układzie modelowym kinh/kp był na tyle niski, że interwentywny efekt antyoksydacyjnego spowolnienia autooksydacji przez badane pochodne był znikomy. Trzecim związkiem użytym w badaniach DSC jako matryca do testowania efektywności antyoksydantów był polietylen o wysokiej gęstości (HDPE), ulegający utlenieniu w temperaturze powyżej 180C. Na podstawie ekstrapolowanych temperatur początku III utleniania, Te oraz parametrów Ea i k wyznaczonych dla inhibowanego i nieinhibowanego termoutleniania polietylenu stwierdzono, że najskuteczniejszym inhibitorem jest niepodstawiony fuleren C60 oraz jego koniugaty zawierające fragmenty o-metoksyfenylowe lub o-,o-dimetylofenylowe, a ich efektywność stabilizująca wzrasta wraz ze wzrostem stężenia. Pochodne te są wysokotemperaturowymi przeciwutleniaczami. W rozdziale trzecim opisane zostały badania izotermicznej (30oC) autooksydacji modelowych węglowodorów w ciekłych układach homogenicznych. Szybkość peroksydacji była monitorowana na podstawie zmiany ciśnienia tlenu znajdującego się nad roztworem styrenu lub kumenu w chlorobenzenie. C60 oraz pochodne nie posiadające grupy fenolowej nie wykazały żadnego wpływu na przebieg utleniania kumenu, podczas gdy pozostałe pochodne spowalniały ten proces (czasy indukcji oraz stałe szybkości inhibicji były zbliżone do wartości uzyskanych dla standardowego antyutleniacza fenolowego 2,6-di-tert-butylo-4- metylofenolu, BHT). Pochodna będąca połączeniem C60 z aminofenolem, która była najbardziej aktywna w układzie kumen/chlorobenzen, wykazywała również dobre właściwości antyoksydacyjne podczas utleniania styrenu a wyznaczona stała kinh (4,2 ± 0,72  105 M-1 s -1) była siedmiokrotnie niższa od analogu -tokoferolu, jakim był 2,2,5,7,8–pentametylo–6–hydroksychroman (PMHC). Rozdział czwarty zawiera opis badań aktywności antyoksydacyjnej w układzie heterogenicznym, jakim była emulsja linolanu metylu (ester metylowy kwasu cis,cis-9,12- oktadekadienowego) z Tritonem X–100, a faza wodna zawierała roztwór buforowy utrzymujący odpowiednie pH. Pomiary prowadzono w temperaturze 37°C. Ze względu na zbyt niską rozpuszczalność związków do badań w tym układzie użyto jedynie pochodnej C60 z sześcioma resztami aminofenolowymi. W pH 4,0 wykazano, że p-aminofenol nie jest aktywnym antyoksydantem interwentywnym, choć posiada właściwości retardacyjne. Natomiast koniugat z p-aminofenolem, w porównaniu do PMHC, charakteryzuje się umiarkowanymi właściwościami antyoksydacyjnymi (ind = 7,5 min, kinh 6200 ± 300 M-1 s -1). W środowisku obojętnym (pH 7,0) oba związki skutecznie hamują utlenienie linolanu metylu. Wyznaczony współczynnik stechiometryczny dla tego koniugatu, n = 17, jest o ok. 30% wyższy niż wynikający z prostego sumowania sześciu addentów aminofenolowych. Wykazano również, że zarówno p-aminofenol, jak i jego pochodna z fulerenem wykazują synergizm addytywny z PMHC zarówno w pH 4,0 oraz 7,0. Ostatni rozdział pracy zawiera dyskusję oraz podsumowanie wszystkich badań. Część wyników prezentowanych w pracy została opublikowana w: 1. Czochara, R., Ziaja, P., Piotrowski, P., Pokrop, R., Litwinienko, G., Fullerene C60 as an inhibitor of high temperature lipid oxidation, Carbon, 2012, 50, 3943-3946. 2. Czochara, R., Kusio, J., Symonowicz, M., Litwinienko, G., Fullerene C60 Derivatives as High-Temperature Inhibitors of Oxidative Degradation of Saturated Hydrocarbons, Industrial and Engineering Chemistry Research, 2016, 55, 9887-9894. 3. Czochara, R., Kusio, J., Litwinienko, G., Fullerene C60 conjugated with phenols as new hybrid antioxidants to improve the oxidative stability of polymers at elevated temperatures, RSC Advances, 2017, 7, 44021-44025. 4. Czochara, R., Grajda, M., Kusio, J., Litwinienko, G., Expanding the antioxidant activity into higher temperatures – fullerene C60 conjugated with α-tocopherol IV analogue as a hybrid antioxidant in saturated lipid systems. Bulgarian Chemical Communications, 2018, 50, C, 268-274 5. Czochara, R., Kusio, J., Litwinienko, G., Fullerene C60 conjugated with N,Ndimethylaniline - a hybrid antioxidant acting at high temperature. Bulgarian Chemical Communications, przyjęta do druku. Część badań została zawarta w zgłoszeniu patentowym nr P.414754 „Środek zwiększający stabilność oksydatywną materiałów wrażliwych na utlenianie oraz sposób zwiększania stabilności oksydatywnej materiałów wrażliwych na utlenianie” (autorzy: Robert Czochara, Jarosław Kusio, Michał Symonowicz, Grzegorz Litwinienko). Wyniki były ponadto prezentowane na dwudziestu wystąpieniach konferencjach, w tym siedmiu konferencjach międzynarodowych